摘要:不久前,我國發(fā)布《中國制造2025》宏偉戰(zhàn)略,主題之一是智能工廠、智能制造將引領(lǐng)制造業(yè)的變革,因此對電機、伺服系統(tǒng)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(huán)保和節(jié)能/綠色能源是我國七大新興戰(zhàn)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(xù)發(fā)展的一場持久戰(zhàn)。本文通過采訪電機控制技術(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(zhàn) IHS發(fā)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(xiàn)了爆發(fā)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(diào)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(zhàn)。 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(shù)據(jù)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(yè)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(zhuǎn)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(jiān)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(jié)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(jié)能高效也是高壓電機的長期發(fā)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(fā)展方向是更高的效率,更強的可靠性和更廣的應用范圍。無刷直流電機(BLDC motor)可以滿足上述特性與要求,我們看到,現(xiàn)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(qū)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(qū)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(xiàn)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(qū)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(jiān)測電機參數(shù),通過FOC可達到從算法到電機整體運轉(zhuǎn)效率的提升。 德州儀器(TI)中國區(qū)市場開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務拓展經(jīng)理信本偉,散熱主要通過兩方面來解決: 一個是盡量降低驅(qū)動端的內(nèi)阻,對于小功率的電機可以采用內(nèi)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(nèi)阻和芯片內(nèi)的溫度; 第二個是通過layout優(yōu)化布線,從而使整個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。但越來越多的應用和領(lǐng)域?qū)τ陔姍C控制的要求已不僅僅停留在滿足節(jié)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(yè)智能化是需要雙向互動的,網(wǎng)絡通訊與智能化傳感技術(shù)的發(fā)展將會促進工業(yè)控制的智能化發(fā)展,智能化和網(wǎng)絡化將成為電機控制行業(yè),乃至整個工業(yè)自動化市場的核心發(fā)展趨勢。嚴格的,(我們應該講電機控制技術(shù))電機控制是一個相對成熟的工業(yè)應用,從技術(shù)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(nèi)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(nèi)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(qū)電機與電源控制行業(yè)市場部經(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處理器越來越被廣泛應用。FPGA仍然是多軸系統(tǒng)以及實現(xiàn)實時以太網(wǎng)功能的首選方案。 散熱是一個技術(shù)難點,更多地應該從機械結(jié)構(gòu)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(tǒng)問題,不是某一個芯片產(chǎn)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(fā)展趨勢:一方面,要在原來數(shù)字控制的基礎(chǔ)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(qū)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(chǔ)上,針對拖動和伺服等不同領(lǐng)域,開發(fā)匹配客戶規(guī)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,適應不同參數(shù)的電動機的驅(qū)動。而子方案的開發(fā),要強調(diào)客戶體驗,做好需求分析,最終做到零誤差匹配客戶的規(guī)格。子方案的開發(fā)即目前產(chǎn)品的延伸產(chǎn)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(chǎn)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(qū)動,這類產(chǎn)品有一個明確的發(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(qū)動的主回路、功率器件的驅(qū)動電路(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(jiān)控電路等。這樣的產(chǎn)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(shù)的發(fā)展,功率器件的損耗越來越低、開關(guān)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(yè)界良性發(fā)展的前景。 瑞薩電子通用解決方案中心統(tǒng)括經(jīng)理汪韌冬:基于上述發(fā)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(lǐng)域,基于瑞薩RX600系列MCU,配以先進FOC算法,開發(fā)出最新的變頻洗衣機解決方案。擁有更節(jié)能高效以及安靜等技術(shù)優(yōu)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(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡化、集成化、節(jié)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(qū)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(qū)動以及功率芯片已經(jīng)可以集成在一個IPM模塊中,向小型化節(jié)能化發(fā)展。 意法半導體(ST)中國區(qū)微控制器市場部高級經(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(nèi)核) 200MHz以上主頻邁進。電機核心控制實際是算法的優(yōu)劣體現(xiàn),也是所采用的控制芯片性能的體現(xiàn);算法方面會更精簡于中間變量的處理。 STM32 系列產(chǎn)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(chǎn)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(chǔ)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(jié)能化邁進一大步。 意法半導體工業(yè)及功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部區(qū)域戰(zhàn)略項目工程中心和業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Allan LAGASCA稱,ST有很多與電機控制IP相關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)和機械參數(shù)。這個創(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,改進因電機變化和公差而導致的電機控制問題。 安森美:電機驅(qū)動一直都朝著大功率、小封裝和高集成的方向發(fā)展 電機驅(qū)動芯片一直都朝著大功率、小封裝和高集成的方向發(fā)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(xiàn)一些簡單粗曠的功能,隨著半導體技術(shù)的進步,推出了較高集成度的電機驅(qū)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(xù)進步,諸如更高更精準控制、更多附加功能、可靠性保證、安規(guī)保證等都已經(jīng)或即將被集成到一個電機驅(qū)動芯片上;再如目前大家所熟知的變頻空調(diào),冰箱和洗衣機壓縮機電機驅(qū)動,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(xiàn)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(qū)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(xiàn)不同于現(xiàn)在傳統(tǒng)思路的新型解決方案。 安森美半導體系統(tǒng)方案部大中華及亞太區(qū)域營銷經(jīng)理余輝:安森美半導體的電機驅(qū)動芯片主要是通過數(shù)字加模擬電路實現(xiàn);在芯片內(nèi)部通過模擬控制實現(xiàn)精確的效果。散熱問題是目前電機驅(qū)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(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(nèi)部的工作及靜態(tài)損耗、采用開關(guān)電路替代線性降壓等;噪音一般通過升頻和180度正弦驅(qū)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(tǒng)設計[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(01) :34-37 [2]尚壯壯.基于DE2開發(fā)板的直流電機控制系統(tǒng)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(zhuǎn)旋翼機的無刷直流電機驅(qū)動器設計[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(06) :61-63 [4]王瑩.電機驅(qū)動走向高效節(jié)能[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(09) :13-14 [5]王龍,黃文新.異步發(fā)電機在風力發(fā)電中的應用[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2013(09) :18-19 |