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摘要：不久前，我國發(fā)布《中國制造2025》宏偉戰略，主題之一是智能工廠(chǎng)、智能制造將引領(lǐng)制造業(yè)的變革，因此對電機、伺服系統的需求將會(huì )大增，尤其是多軸控制和精確位置、電流控制的高端電機;同時(shí)，環(huán)保和節能/綠色能源是我國七大新興戰略型產(chǎn)業(yè)之一，而電機的能耗占用電設備的20%左右，因此，提高電機能效是我國可持續發(fā)展的一場(chǎng)持久戰。本文通過(guò)采訪(fǎng)電機控制技術(shù)領(lǐng)域的強勢公司，解讀當下電機控制技術(shù)發(fā)展趨勢。 高效電機推廣的成果與挑戰 IHS發(fā)布的“2014年中國低壓電機市場(chǎng)報告”顯示，受益于補貼高效電機與強制淘汰低效電機的政策，2014年二級能效(GB2/IE3)等級低壓電機呈現了爆發(fā)性的增長(cháng)趨勢，市場(chǎng)份額從2013年的5%一躍升至13%，而低效的IE1電機的市場(chǎng)份額從57%跌落至38%。然而，IHS調研顯示目前高效的二級能效(GB2/IE3)份額距離“全國電機能效提升計劃”設定的2015年50%低壓電機達到高效(GB2/IE3)能效標準還存在一定的距離。此外，高效電機的深入推廣面臨諸如“假冒”高效電機、補貼流程繁復等亟待解決的問(wèn)題與挑戰。 不斷縮小與全球高效電機水平的差距 我國高效電機(GB2/IE3)所占市場(chǎng)份額與全球高效電機市場(chǎng)相比存在著(zhù)一定的差距，這一差距隨著(zhù)高效電機大力推廣而不斷縮小。IHS數據顯示，2013年全球高效電機(GB2/IE3)占20%的市場(chǎng)份額，我國同等級電機的市場(chǎng)份額僅為5%(如圖1)。自政府2013年底提高補貼電機能效要求三級能效(GB3/IE2)到二級能效(GB2/IE3)，2014年我國高效電機的市場(chǎng)份額升至13.5%，與全球高效電機水平之間的差距正逐步縮小。 IHS工業(yè)自動(dòng)化分析師朱俊卿表示：長(cháng)遠看，我國高效電機的進(jìn)一步普及是不可逆轉的趨勢。這在受市場(chǎng)機制逐步淘汰低效電機作用的同時(shí)，更依賴(lài)于政府的行政監管淘汰低效電機與財政補貼高效電機的政策。我國計劃于2016年開(kāi)始普及推廣更高效的一級能效(GB1/IE4)電機。截止2018年，IHS預測我國GB3/IE2低壓電機將成為市場(chǎng)的主流能效等級，占近59%的市場(chǎng)份額，緊接著(zhù)是GB2/IE3電機，市場(chǎng)占有率超過(guò)31%。此外，除節能高效的低壓電機的推廣外，高壓電機也是高效電機補貼與推廣的領(lǐng)域之一。盡管高壓電機因其本身的能效效率比較高，能效提升的空間相對于低壓電機較為有限，節能高效也是高壓電機的長(cháng)期發(fā)展的一個(gè)趨勢。 TI：電機未來(lái)需要更高的效率，更強的可靠性和更廣的應用范圍 電機未來(lái)的發(fā)展方向是更高的效率，更強的可靠性和更廣的應用范圍。無(wú)刷直流電機(BLDC motor)可以滿(mǎn)足上述特性與要求，我們看到，現在在很多應用中BLDC逐步開(kāi)始取代交流電機、有刷電機甚至于步進(jìn)電機。電機驅動(dòng)解決方案的集成度越將會(huì )來(lái)越高，有片上集成電機控制算法，門(mén)驅電路，復雜的片上保護電路，針對小功率的應用甚至MOS管也可以集成進(jìn)去。通常來(lái)講，BLDC的控制比較復雜，需要的資源較多，尤其是如果為了實(shí)現復雜的FOC控制，可能越要很多控制器資源，所以DSP會(huì )比較合適。TI的C2000系列DSP搭配上DRV830x系列電機門(mén)驅動(dòng)器即提供了一個(gè)很高性能的電機解決方案。對于其他相對簡(jiǎn)單的電機，資源相對弱一點(diǎn)的MCU通�？梢詽M(mǎn)足基本需求。 TI的InstaSPIN算法可以自動(dòng)監測電機參數，通過(guò)FOC可達到從算法到電機整體運轉效率的提升。 德州儀器(TI)中國區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉，散熱主要通過(guò)兩方面來(lái)解決： 一個(gè)是盡量降低驅動(dòng)端的內阻，對于小功率的電機可以采用內置MOS的方案。對于大功率的電機通常應該采用外置MOS來(lái)盡量降低內阻和芯片內的溫度; 第二個(gè)是通過(guò)layout優(yōu)化布線(xiàn)，從而使整個(gè)板子的散熱性能達到最優(yōu)。 ADI：精確的位置控制及電流控制已成為了新的需求 在新一代的電機制造業(yè)中，高效是技術(shù)發(fā)展的明確趨勢。但越來(lái)越多的應用和領(lǐng)域對于電機控制的要求已不僅僅停留在滿(mǎn)足節能要求的通用變頻器及速度控制上，精確的位置控制及電流控制已成為了新的需求。 在不遠的將來(lái)，工業(yè)智能化是需要雙向互動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò )通訊與智能化傳感技術(shù)的發(fā)展將會(huì )促進(jìn)工業(yè)控制的智能化發(fā)展，智能化和網(wǎng)絡(luò )化將成為電機控制行業(yè)，乃至整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的核心發(fā)展趨勢。嚴格的，(我們應該講電機控制技術(shù))電機控制是一個(gè)相對成熟的工業(yè)應用，從技術(shù)層面以及用戶(hù)角度，不會(huì )有著(zhù)非�？焖俚淖兓�。除了上述的描述之外，我們可以看到，在國內有如下的一些新變化： (1)ARM Cortex-M4F作為標準化的處理器平臺，越來(lái)越被國內客戶(hù)所接受，成為取代DSP的通用伺服控制器的平臺; (2)MEMS(微機電傳感器)在電機控制上的應用，是當前討論的又一個(gè)話(huà)題。 ADI公司亞太區電機與電源控制行業(yè)市場(chǎng)部經(jīng)理于常濤：在MCU、DSP、FPGA或功率、模擬芯片方面，通用功能的DSP處理器的優(yōu)先級降低，針對通用伺服，ARM Cortex -M4F處理器越來(lái)越被廣泛應用。FPGA仍然是多軸系統以及實(shí)現實(shí)時(shí)以太網(wǎng)功能的首選方案。 散熱是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，更多地應該從機械結構上考慮。但是，從硬件設計角度看，降低功率模塊的損耗，無(wú)疑是一個(gè)方案。噪聲同樣是一個(gè)系統問(wèn)題，不是某一個(gè)芯片產(chǎn)品就可以解決的。 瑞薩：散熱和噪聲問(wèn)題會(huì )在將來(lái)被很好的解決 對應嵌入了電動(dòng)機運動(dòng)控制算法程序的芯片，我認為具有兩個(gè)發(fā)展趨勢：一方面，要在原來(lái)數字控制的基礎上，集成模擬器件單元(包括運算放大器、比較器)，甚至小功率驅動(dòng)單元(例如Power MOSFET);另一方面，電動(dòng)機運動(dòng)控制算法從軟件變化為固件，固化到芯片中。 從運動(dòng)控制算法的角度來(lái)講，要在通用的算法基礎上，針對拖動(dòng)和伺服等不同領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)匹配客戶(hù)規格的響應的子方案。對于通用算法，要求適應不同的輸出能力和輸入電源，在魯棒性、最優(yōu)控制方面達到最佳平衡點(diǎn)，適應不同參數的電動(dòng)機的驅動(dòng)。而子方案的開(kāi)發(fā)，要強調客戶(hù)體驗，做好需求分析，最終做到零誤差匹配客戶(hù)的規格。子方案的開(kāi)發(fā)即目前產(chǎn)品的延伸產(chǎn)品，它是一種服務(wù)，一種軟方案。只有這樣，才能解決客戶(hù)的問(wèn)題，最終形成有市場(chǎng)需求的方案、產(chǎn)品。 從功率器件的角度來(lái)講，目前主要的單元器件是功率MOSFET和IGBT。對應三相電動(dòng)機的驅動(dòng)，這類(lèi)產(chǎn)品有一個(gè)明確的發(fā)展趨勢：即向智能功率模塊的方向發(fā)展。模塊集成了全橋驅動(dòng)的主回路、功率器件的驅動(dòng)電路(負責建立微控制器產(chǎn)品的輸出與功率器件控制極的輸入之間的接口)、保護電路、溫度監控電路等。這樣的產(chǎn)品讓客戶(hù)的硬件設計和軟件設計更加簡(jiǎn)潔、更加可靠。另一方面，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率器件的損耗越來(lái)越低、開(kāi)關(guān)速度越來(lái)越高、通流能力和過(guò)載能力越來(lái)越強、體積越來(lái)越小以及制造成本不斷下降都展示了業(yè)界良性發(fā)展的前景。 瑞薩電子通用解決方案中心統括經(jīng)理汪韌冬：基于上述發(fā)展趨勢，電動(dòng)機控制的難題：散熱和噪聲問(wèn)題會(huì )隨之得到更好的解決。 在家電領(lǐng)域，基于瑞薩RX600系列MCU，配以先進(jìn)FOC算法，開(kāi)發(fā)出最新的變頻洗衣機解決方案。擁有更節能高效以及安靜等技術(shù)優(yōu)勢，從設計到購買(mǎi)，致力于以一站式的服務(wù)來(lái)解決客戶(hù)的難題。 ST：電機控制需要更好的控制、功率和模擬芯片 電機控制技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò )化、集成化、節能化趨勢發(fā)展，以前粗獷的控制技術(shù)正面臨淘汰邊緣;隨著(zhù)技術(shù)提升，需要有更好的控制芯片、功率芯片、模擬芯片;在電機控制中可以包含控制芯片MCU、功率驅動(dòng)芯片、功率芯片(MOS，IGBT)，模擬芯片(LDO，運放等)，在中小功率的控制中功率驅動(dòng)以及功率芯片已經(jīng)可以集成在一個(gè)IPM模塊中，向小型化節能化發(fā)展。 意法半導體(ST)中國區微控制器市場(chǎng)部高級經(jīng)理曹錦東：電機控制技術(shù)的升級要求有更快、功能更強大的控制芯片，當前 MCU 已經(jīng)向主頻更高、運算能力更強大的STM32F7 (ARM Cortex-M7內核) 200MHz以上主頻邁進(jìn)。電機核心控制實(shí)際是算法的優(yōu)劣體現，也是所采用的控制芯片性能的體現;算法方面會(huì )更精簡(jiǎn)于中間變量的處理。 STM32 系列產(chǎn)品從入門(mén)級的STM32F0(ARM Cortex M0) 到至強性能的STM32F7(ARM Cortex-M7)將近600個(gè)型號，整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)全面覆蓋電機的高中低端FOC矢量控制需要，不僅僅性能強大, 成本也更加親民. ST有完整的針對STM32F全系列的電機FOC 控制庫, 同時(shí)矢量控制基礎上增加最大電流扭矩以及弱磁控制可以有效利用電源，向節能化邁進(jìn)一大步。 意法半導體工業(yè)及功率轉換產(chǎn)品部區域戰略項目工程中心和業(yè)務(wù)發(fā)展總監Allan LAGASCA稱(chēng)，ST有很多與電機控制IP相關(guān)的專(zhuān)利，這些專(zhuān)利也支持電機控制解決方案。ST提交了與超低速電機控制相關(guān)的專(zhuān)利申請，例如，HFI(高頻注入)，還提交了針對無(wú)刷直流電機磁鐵結構的降噪專(zhuān)利申請。最新電機分析算法亮相CES消費電子展、嵌入式世界以及中國電機控制展等主要展會(huì )。營(yíng)銷(xiāo)口號是“插轉一分鐘搞定”，這個(gè)最新算法覆蓋各種PMSM電機，該算法的智能水平很高，能夠在無(wú)傳感器模式下測量FOC電機控制所需的電參數和機械參數。這個(gè)創(chuàng )新的解決方案證明，意法半導體在電機控制方面擁有豐富的經(jīng)驗，能夠研發(fā)切合實(shí)際的電機控制解決方案，讓工程師能夠加快研發(fā)周期，改進(jìn)因電機變化和公差而導致的電機控制問(wèn)題。 安森美：電機驅動(dòng)一直都朝著(zhù)大功率、小封裝和高集成的方向發(fā)展 電機驅動(dòng)芯片一直都朝著(zhù)大功率、小封裝和高集成的方向發(fā)展，比如以散熱風(fēng)機無(wú)刷電機為例，最早是用霍爾原件配合一些分立器件來(lái)實(shí)現一些簡(jiǎn)單粗曠的功能，隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步，推出了較高集成度的電機驅動(dòng)專(zhuān)用芯片，和前面講到的分立器件方案相比，功能更多更復雜，體積更小，功率密度更高;隨后，集成度越來(lái)越高，且還在繼續進(jìn)步，諸如更高更精準控制、更多附加功能、可靠性保證、安規保證等都已經(jīng)或即將被集成到一個(gè)電機驅動(dòng)芯片上;再如目前大家所熟知的變頻空調，冰箱和洗衣機壓縮機電機驅動(dòng)，高集成的DSP和智能功率模塊IPM已經(jīng)被廣泛使用，甚至出現了二合一、三合一等更高集成度的智能功率模塊。而且不久的將來(lái)，電機驅動(dòng)芯片一定會(huì )具有更高集成度、更高功率密度和更強大的功能，甚至可能會(huì )出現不同于現在傳統思路的新型解決方案。 安森美半導體系統方案部大中華及亞太區域營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理余輝：安森美半導體的電機驅動(dòng)芯片主要是通過(guò)數字加模擬電路實(shí)現;在芯片內部通過(guò)模擬控制實(shí)現精確的效果。散熱問(wèn)題是目前電機驅動(dòng)高集成度形勢下的一個(gè)難題，小體積及高功率密度與散熱密切相關(guān)，目前的基本做法就是盡可能的減小芯片自身的發(fā)熱量， 如提高工藝水平、 降低芯片內部的工作及靜態(tài)損耗、采用開(kāi)關(guān)電路替代線(xiàn)性降壓等;噪音一般通過(guò)升頻和180度正弦驅動(dòng)，甚至增加磁場(chǎng)定向控制來(lái)解決。 參考文獻： [1]于鑫,王世臣,楊紅梅.基于DSP的直流無(wú)刷電機智能控制系統設計[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(01) :34-37 [2]尚壯壯.基于DE2開(kāi)發(fā)板的直流電機控制系統的設計[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(04) :60-61 [3]翟琨,陳平,葛文哲.小型傾轉旋翼機的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器設計[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(06) :61-63 [4]王瑩.電機驅動(dòng)走向高效節能[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(09) :13-14 [5]王龍,黃文新.異步發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電中的應用[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(09) :18-19 |
