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摘要：不久前，我國發布《中國制造2025》宏偉戰略，主題之一是智能工廠、智能制造將引領制造業的變革，因此對電機、伺服系統的需求將會大增，尤其是多軸控制和精確位置、電流控制的高端電機;同時，環保和節能/綠色能源是我國七大新興戰略型產業之一，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展的一場持久戰。本文通過采訪電機控制技術領域的強勢公司，解讀當下電機控制技術發展趨勢。 高效電機推廣的成果與挑戰 IHS發布的“2014年中國低壓電機市場報告”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性的增長趨勢，市場份額從2013年的5%一躍升至13%，而低效的IE1電機的市場份額從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)所占市場份額與全球高效電機市場相比存在著一定的差距，這一差距隨著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%的市場份額，我國同等級電機的市場份額僅為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工業自動化分析師朱俊卿表示：長遠看，我國高效電機的進一步普及是不可逆轉的趨勢。這在受市場機制逐步淘汰低效電機作用的同時，更依賴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的主流能效等級，占近59%的市場份額，緊接著是GB2/IE3電機，市場占有率超過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期發展的一個趨勢。 TI：電機未來需要更高的效率，更強的可靠性和更廣的應用范圍 電機未來的發展方向是更高的效率，更強的可靠性和更廣的應用范圍。無刷直流電機(BLDC motor)可以滿足上述特性與要求，我們看到，現在在很多應用中BLDC逐步開始取代交流電機、有刷電機甚至于步進電機。電機驅動解決方案的集成度越將會來越高，有片上集成電機控制算法，門驅電路，復雜的片上保護電路，針對小功率的應用甚至MOS管也可以集成進去。通常來講，BLDC的控制比較復雜，需要的資源較多，尤其是如果為了實現復雜的FOC控制，可能越要很多控制器資源，所以DSP會比較合適。TI的C2000系列DSP搭配上DRV830x系列電機門驅動器即提供了一個很高性能的電機解決方案。對于其他相對簡單的電機，資源相對弱一點的MCU通常可以滿足基本需求。 TI的InstaSPIN算法可以自動監測電機參數，通過FOC可達到從算法到電機整體運轉效率的提升。 德州儀器(TI)中國區市場開發高性能模擬產品業務拓展經理信本偉，散熱主要通過兩方面來解決： 一個是盡量降低驅動端的內阻，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來盡量降低內阻和芯片內的溫度; 第二個是通過layout優化布線，從而使整個板子的散熱性能達到最優。 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中，高效是技術發展的明確趨勢。但越來越多的應用和領域對于電機控制的要求已不僅僅停留在滿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，工業智能化是需要雙向互動的，網絡通訊與智能化傳感技術的發展將會促進工業控制的智能化發展，智能化和網絡化將成為電機控制行業，乃至整個工業自動化市場的核心發展趨勢。嚴格的，(我們應該講電機控制技術)電機控制是一個相對成熟的工業應用，從技術層面以及用戶角度，不會有著非常快速的變化。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，越來越被國內客戶所接受，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話題。 ADI公司亞太區電機與電源控制行業市場部經理于常濤：在MCU、DSP、FPGA或功率、模擬芯片方面，通用功能的DSP處理器的優先級降低，針對通用伺服，ARM Cortex -M4F處理器越來越被廣泛應用。FPGA仍然是多軸系統以及實現實時以太網功能的首選方案。 散熱是一個技術難點，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，無疑是一個方案。噪聲同樣是一個系統問題，不是某一個芯片產品就可以解決的。 瑞薩：散熱和噪聲問題會在將來被很好的解決 對應嵌入了電動機運動控制算法程序的芯片，我認為具有兩個發展趨勢：一方面，要在原來數字控制的基礎上，集成模擬器件單元(包括運算放大器、比較器)，甚至小功率驅動單元(例如Power MOSFET);另一方面，電動機運動控制算法從軟件變化為固件，固化到芯片中。 從運動控制算法的角度來講，要在通用的算法基礎上，針對拖動和伺服等不同領域，開發匹配客戶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、最優控制方面達到最佳平衡點，適應不同參數的電動機的驅動。而子方案的開發，要強調客戶體驗，做好需求分析，最終做到零誤差匹配客戶的規格。子方案的開發即目前產品的延伸產品，它是一種服務，一種軟方案。只有這樣，才能解決客戶的問題，最終形成有市場需求的方案、產品。 從功率器件的角度來講，目前主要的單元器件是功率MOSFET和IGBT。對應三相電動機的驅動，這類產品有一個明確的發展趨勢：即向智能功率模塊的方向發展。模塊集成了全橋驅動的主回路、功率器件的驅動電路(負責建立微控制器產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。這樣的產品讓客戶的硬件設計和軟件設計更加簡潔、更加可靠。另一方面，隨著電力電子技術的發展，功率器件的損耗越來越低、開關速度越來越高、通流能力和過載能力越來越強、體積越來越小以及制造成本不斷下降都展示了業界良性發展的前景。 瑞薩電子通用解決方案中心統括經理汪韌冬：基于上述發展趨勢，電動機控制的難題：散熱和噪聲問題會隨之得到更好的解決。 在家電領域，基于瑞薩RX600系列MCU，配以先進FOC算法，開發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優勢，從設計到購買，致力于以一站式的服務來解決客戶的難題。 ST：電機控制需要更好的控制、功率和模擬芯片 電機控制技術正在向智能化、網絡化、集成化、節能化趨勢發展，以前粗獷的控制技術正面臨淘汰邊緣;隨著技術提升，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以及功率芯片已經可以集成在一個IPM模塊中，向小型化節能化發展。 意法半導體(ST)中國區微控制器市場部高級經理曹錦東：電機控制技術的升級要求有更快、功能更強大的控制芯片，當前 MCU 已經向主頻更高、運算能力更強大的STM32F7 (ARM Cortex-M7內核) 200MHz以上主頻邁進。電機核心控制實際是算法的優劣體現，也是所采用的控制芯片性能的體現;算法方面會更精簡于中間變量的處理。 STM32 系列產品從入門級的STM32F0(ARM Cortex M0) 到至強性能的STM32F7(ARM Cortex-M7)將近600個型號，整個產品線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，向節能化邁進一大步。 意法半導體工業及功率轉換產品部區域戰略項目工程中心和業務發展總監Allan LAGASCA稱，ST有很多與電機控制IP相關的專利，這些專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的專利申請，例如，HFI(高頻注入)，還提交了針對無刷直流電機磁鐵結構的降噪專利申請。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。營銷口號是“插轉一分鐘搞定”，這個最新算法覆蓋各種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。這個創新的解決方案證明，意法半導體在電機控制方面擁有豐富的經驗，能夠研發切合實際的電機控制解決方案，讓工程師能夠加快研發周期，改進因電機變化和公差而導致的電機控制問題。 安森美：電機驅動一直都朝著大功率、小封裝和高集成的方向發展 電機驅動芯片一直都朝著大功率、小封裝和高集成的方向發展，比如以散熱風機無刷電機為例，最早是用霍爾原件配合一些分立器件來實現一些簡單粗曠的功能，隨著半導體技術的進步，推出了較高集成度的電機驅動專用芯片，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，集成度越來越高，且還在繼續進步，諸如更高更精準控制、更多附加功能、可靠性保證、安規保證等都已經或即將被集成到一個電機驅動芯片上;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，高集成的DSP和智能功率模塊IPM已經被廣泛使用，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，電機驅動芯片一定會具有更高集成度、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銷經理余輝：安森美半導體的電機驅動芯片主要是通過數字加模擬電路實現;在芯片內部通過模擬控制實現精確的效果。散熱問題是目前電機驅動高集成度形勢下的一個難題，小體積及高功率密度與散熱密切相關，目前的基本做法就是盡可能的減小芯片自身的發熱量， 如提高工藝水平、 降低芯片內部的工作及靜態損耗、采用開關電路替代線性降壓等;噪音一般通過升頻和180度正弦驅動，甚至增加磁場定向控制來解決。 參考文獻： [1]于鑫,王世臣,楊紅梅.基于DSP的直流無刷電機智能控制系統設計[J]. 電子產品世界. 2013(01) :34-37 [2]尚壯壯.基于DE2開發板的直流電機控制系統的設計[J]. 電子產品世界. 2013(04) :60-61 [3]翟琨,陳平,葛文哲.小型傾轉旋翼機的無刷直流電機驅動器設計[J]. 電子產品世界. 2013(06) :61-63 [4]王瑩.電機驅動走向高效節能[J]. 電子產品世界. 2013(09) :13-14 [5]王龍,黃文新.異步發電機在風力發電中的應用[J]. 電子產品世界. 2013(09) :18-19 |
