電機控制的技術市場動向

摘要：通過對部分市場調查公司和半導體供應商的訪問，探討了當前電機控制的技術市場動向。

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.001

電機控制市場

概覽

電機應用于消費電子、住宅、工業、通用、交通和農業等領域。據德州儀器（TI）半導體技術（上海）公司半導體事業部市場推廣經理李志林介紹，新興的應用機會有工業泵和壓縮機、HVAC（加熱通風空調）、汽車、低電壓風扇、醫療泵等。

電機類型方面，90%的市場是步進電機、有刷電機和無刷電機。

步進電機：占整個市場的15%，有開環位置和速度控制，簡單的控制I/F，適合于做執行機構；

有刷DC：占45%市場份額，特點是容易旋轉，低成本。但是刷子會磨損，效率不高、工作發熱。

無刷DC：30%市場份額，壽命長/可靠且有效率，控制精度也較高。缺點是成本和復雜性較高。

表1 電機市場/TAM/年營業額

中國電機市場

IHS IMS Research公司負責電機和電機控制的高級分析師周萬木稱，在工業電機驅動領域，最激動人心的事情莫過于高效電機的切換為電機驅動所帶來的市場機會。

2012年5月11日國家發布了《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》即GB18613-2012，將取代GB18613-2006成為新的中國高效電機標準，強制實施日期為2012年9月1日。GB18613-2012適用于1000V以下的電壓，50Hz三相交流電源供電，額定功率在0.75kW～375kW范圍內，極數為2級、4級和6級，連續工作制的一般用途電動機或防爆電動機。

2006年發布GB18613-2006以來，由于種種原因，我國高效電機推廣一直停滯不前。不過近年來各種政策執行力度逐漸增強，能效標簽管理制度越來越健全，客戶對高效節能電機認知度開始提升，財政補貼將普通電機和高效電機價格差填平，2011年下半年來原材料價格上漲壓力減小。IHS認為以上所有因素的效果疊加，會在很大程度上啟動高效電機市場需求，引發電機產品結構調整，進而促進產業優化升級。

根據IHS IMS Research公司《中國中小型電機市場研究報告》，2012年中國中小型電機市場容量為200億元人民幣，年出貨量約1200萬臺。IHS預期高效電機銷量將從2012年第4季度開始增加，大規模的切換將會開始發生在2013年，參考美國當年2～3年完成高效電機切換的歷史，預計高效節能電機在中國將呈現穩步增長，第一個銷售高峰將從2013年第2季度開始。而普通電機的市場將從2013進入負增長，逐漸萎縮。

高效電機的切換為電機驅動領域帶來了新的市場機會。眾所周知，單獨更換高效電機，平均效率只能提高5%左右，而使用變頻器加上高效電機，整個電機系統的節能效果就能達到50%以上！如果工業客戶開始使用高效電機，沒有理由不再安裝變頻器使整個電機控制系統變得更加節能，這樣變頻器的需求將會大大增加。另外，永磁電機和伺服驅動在很多行業都發揮了很好的節能降耗作用。

整個電機控制系統的智能化、網絡化和遠程控制將是大勢所趨。電機系統自動故障報警、遠程監控和遠程診斷調試等需求將會要求使用越來越多的功能更多，處理能力更強的MCU和DSP。未來的工業電機系統不僅僅是一個執行機構，同時也會是整個工廠系統的一個有機組成部分和能源使用監控點。遠程電機溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監測等需求將會為模擬芯片創造更多的市場機會。

圖1 電機分布圖

電機控制的技術趨勢

更加綠色

Microchip公司MCU16產品部產品營銷經理Charlie Ice稱，Microchip預期“綠色”電機控制技術將始終是電機控制市場的重要因素。為實現“綠色”電機控制所需的更高效率，電機控制設計人員將繼續尋找更高級的控制算法、新型電機設計和系統智能技術。預計BLDC（直流無刷電機控制）電機將因其增強的可靠性和更高的效率而在許多系統中逐漸取代有刷直流電機。BLDC電機控制算法將越來越先進，從而實現高效系統。預計正弦電機驅動技術將取代梯形控制，而磁場定向控制（FOC）之類的算法將得到更普遍應用。同時，使用交流感應電機的系統也將采用更高效的控制算法，如磁場定向控制，從而實現更高的效率。除了更高效的控制算法，還將加強新型電機的開發。系統設計人員將著眼于新型電機，如開關磁阻電機和內置式無刷永磁電機，與當今很受歡迎的電機類型相比，它們更有可能實現更高效率。

綠色=高效設計+高效控制

英飛凌科技工業與多元電子市場部高級經理黃志鴻稱，該公司對于綠色電機技術的定義指的是高能效電機設計和高效電機控制技術。二者的結合可將電機的能效提高一倍。最常使用的單相交流感應電機的能效為30%至50%。采用綠色電機技術后，系統的能效可提高至80%以上。諸如無刷直流電機（BLDC）和永磁電機（PMSM）等綠色電機，要求采用單片機（MCU）和磁傳感器實現精確控制和實時響應。低損耗電力電子器件可提升系統的整體效率。隨著系統成本上升，電子組件的質量和可靠性成為一個重要的考慮因素，質量和可靠性不高的電子組件有損于系統的環保性。

新的電機控制算法要求經驗豐富的工程師。全新推出的單片機工具鏈包含自動代碼生成器，從而可減輕工程師的軟件開發任務。

未來電機方向

TI李志林經理稱，除了硬件以外，重要的是如何用很優異的算法去控制。TI在全球除了做IC設計外，還有一個專門的實驗室Kilby Lab做算法，也就是冰箱、洗衣機、空調、電動自行車、電動工具這些硬件的算法。

對于未來電機技術的發展，TI模擬器件驅動方案主要關注于以下幾點：嵌入式控制，控制算法，數字控制環路，更高的集成度，改進的動作屬性（引擎/性能）。MCU方面的創新主要會涉及：自動化電機控制，差異化工具，成本、效率、連接與安全性的選擇，讓客戶集中精力實現增值。

圖2 電機產品生命周期

變頻器和智能控制的趨勢

Fairchild半導體系統/應用首席工程師Steven Hong分析了逆變器和智能控制的趨勢。

逆變器

隨著能源成本上升和半導體器件成本下降，采用變頻技術的阻礙正在減少，市場上有著各種價格極具吸引力的具備出色計算能力的微處理器產品。而且，內置保護功能的逆變器功率模塊使得變頻設計變得簡便和緊湊。

而且，政府補貼計劃鼓勵家用電器制造商生產更多的具有變頻功能的電器。一個很好的示例就是空調應用中的風扇馬達驅動。使用這類變頻技術的風扇能夠顯著提升整體效率——可能達到更高的額定能效等級。另一方面，政府有關能源利用的法規使得逆變器的使用幾乎成為馬達驅動產品制造商的強制性要求，即便在低于100W的系統中也不例外。所有這些因素共同作用，加快了變頻技術在世界各地的應用速度。

智能控制

眾所周知，磁場導向控制（FOC）具有最佳的性能，但是，由于復雜性和成本因素，過去它只局限于高端應用。隨著變頻技術更廣泛地用于各種不同應用，規模經濟效益使得FOC成為所有基于傳感器的梯形控制和V/Hz開環控制的可實施改進方法。

為了達到更高效率，應當使用較少的電流來生成相同的轉矩量，內部永磁馬達的使用將會越來越多，因為它們能夠通過使用磁阻轉矩來達到最高的效率。然而，這項技術的復雜性會減慢其在市場上的全面應用。

為了從IGBT和MOSFET等半導體器件中榨取更多的功率，不連續PWM技術正在廣泛使用，利用功率因素信息的最低損耗不連續PWM技術也用于最大限度地減小開關損耗。

平臺化動向

據富士通半導體公司產品經理彭濤介紹，就電機驅動技術的發展趨勢而言，高效節能、簡易安全、精準控制、成本優化是發展方向。從富士通MCU產品來說，基于ARM Cortex-M系列的32位嵌入式處理器因其高效的運算處理能力和優化的內核技術，將成為電機控制MCU的主流。而電機變頻控制、矢量控制和正弦波180度控制則是交流電機和直流電機控制技術的發展趨勢。富士通半導體在電機控制應用中，產品、算法和方案實現了平臺化。

工業自動化領域趨勢

工業電機：FPGA關注的領域

Xilinx公司亞太區新興業務拓展經理黃文杰指出，為獲得優化的電機效率，電機控制電子設備要讀取電機的電流、電壓數據，并進行一系列的數學運算和校正。結果輸出為轉換器的指令。這些都需要在電機的反饋讀取過期之前及時地完成。環路時間越短，電機響應就越快，同時電流波紋就越小，電機耗散的能量也越少——而這，是更精確、更高效的電機驅動系統所帶來的。

工業自動化的挑戰

Altera亞太區工業業務部市場開發經理江允貴介紹道，工業自動化的趨勢首先是提高性能，包括開發更好的算法，支持變化的標準，比如變化中的工業以太網（西門子Profinet和傳統低速的RS485，RS232等）。另外一些比較復雜的運算使得電機不會發燙，效率更高，所以包括全球的學術單位也在研究新的數學算法，來增強電機的性能，提升效率。

其次，突出優勢，降低成本，并尋求差異化。工業電機主要是定制化的。因為電機終端的應用，有車床、銑床、機器人、汽車生產線，或是筆記本電腦生產線等，每一條生產線都不一樣，所以電機公司的產品必須要定制化、差異化，同時要降低成本，最理想的是用單芯片來支持不同的定制化產品。

再有，符合功能安全要求。在中國已經強制執行了一些標準，例如電梯業，今年7月1日以后國內出產的電梯必須有功能安全的認證執照，才能賣到市場上[1]。所以功能安全要符合新標準——IEC61508，這部分的主旨是保護人為操作過失而造成的意外；另外使生產線更流暢，能提高生產率，使機器不會損壞，可靠度提高。

節能+更小的電機+更長的使用壽命=工廠效益

如果專注在伺服驅動或者電機控制，第一要求是降低能耗。工業領域64%的電能消耗來自電機驅動設備。驅動能夠節省40%的能耗。換句話說，很多能源在中間的傳輸過程中或者是在運算過程中被浪費掉，其實效能并不高。如何提高效能？比如電機的轉速，如果轉得快，電機會發燙，所以我們現在的科技還無法讓電機轉得很快而不發燙。所以我們就要發展一些新的材料，新的算法讓電機的效率提高。

第二，電機的成本非常高，如何降低它的成本？可以改善它的材料和大小。

第三是怎樣延長壽命。可以通過電機智能管理來實現（圖2）。

集成化

如圖3所示，左上方有PLC/電機控制器，是屬于主站，接著有一個平臺，經由工業以太網控制到最下面虛線框起來的多軸驅動系統，之所以是多軸的，因為整個生產平臺上面，帶動的電機不只一個。它是多個動作的：清洗，翻轉，固定，切割，打包等。

這種多軸控制有一定的相關性，一些軸跟另一些軸必須要搭配，有一些軸是相對獨立的，通過工業以太網來實時控制。

左側表格綜合了上述的說明，從PLC下控制命令，傳達到電機系統，然后多軸的電機系統，來控制不同電機系統的動作、命令，但是要達到實時性，通過工業以太網這種實時性的以太網來執行這個命令。另外要考慮到功能安全，就是怎樣去避免機器的故障，機器的損壞，還有人員操作的意外。

芯片的集成化

對于半導體芯片廠商，驅動設計的發展趨勢是集成。如圖4所示，左圖是第一階段，整個系統方塊可用一顆DSP或者MCU做主芯片，這時候FPGA扮演I/O擴展的角色。第一代的特點是單軸控制，不是實時的以太網，效能不高。

中圖顯示的是目前流行的第二代伺服驅動控制系統，FPGA還可實現工業以太網，但把左圖的現場總線ASIC的低速部分淘汰了，提升了系統的性能和效能。但是主要的算法還是在DSP和MCU上。在此，Altera的FPGA方案是Cyclone IV器件。

未來的趨勢是多軸控制，一條生產線一定是帶多個電機的。多個電機方案可使成本降低。所以右圖中，FPGA把算法、工業以太網等集成在一顆FPGA內部了，功能安全也被集成進來。換句話說，在不久的將來，用單顆FPGA就可以做伺服驅動控制。Altera的方案是集成了ARM雙核Cortex-A9的下一代的Cyclone V器件。

Altera的方案比較傾向在交流永磁電機，尤其是三相交流或者是感應電機。這些電機需要精確的運算、控制。而一般像抽水馬達等不需要很高精度、高效能，通常一個簡單、便宜的MCU就可以實現。

Altera提供平臺和參考設計，客戶根據終端客戶的需求，開發不同的算法。

在中國，八成左右的客戶使用FPGA，但是目前使用FPGA的功能不外乎圖3的左和中類，兩成采用中間方案。

圖3 生產線上的多軸電機驅動

圖4 驅動設計的發展趨勢是集成

電機是百年工藝

國內的電機產品有些性能看起來和國外差不多，但總有那么一些差距。因為這種工藝不是幾年之內可以追上的，里面還牽扯到電機的材料、算法等很多核心技術和復雜細節。這不太像消費類電子市場，這種市場是百年工藝，一些海外公司在工業自動化領域已經積累多年。本土企業還需要潛心研究。

部分電機控制企業及產品

飛思卡爾發布兩款汽車HVAC方案

在汽車領域，不久前發布兩款汽車供暖、通風與空調（HVAC）參考控制解決方案，旨在提供完整的、生產就緒型硬件和軟件解決方案。這兩個參考解決方案提供一個低功率、低成本、多功能和多擴展平臺，并可以根據用戶在12V或24V汽車HVAC系統中的具體需求進行定制。此兩款參考解決方案集成了飛思卡爾S12G和S12HY 16位微控制器（MCU），以及具有關鍵電機控制算法的MC33905、MC33932和MC33937模擬器件。基于S12G的解決方案可驅動常用的HVAC系統中的所有電機類型，例如無刷直流、DC及步進電機。

TI

TI提供完整的電機系統解決方案，支持模擬與嵌入式處理功能，包括ADC、電流感應放大器、高電壓隔離與電源等。模擬集成型DRV8x電機驅動器不但可縮短客戶產品上市時間，簡化設計，還可提供全面的保護功能。除了模擬電機驅動芯片之外，還有TI高性能、超低功耗MCU：C2000、MSP430、Stellaris ARM Cortex M3 MCU等。再有，為電動工具、玩具等提供了集成算法的單芯片方案，可應用于散熱風扇和家用電器。同時，TI還提供綜合而全面的支持與工具。

ST

據意法半導體中國區MCU市場部高級市場工程師盧永海介紹，意法半導體（ST）的32位STM32微控制器（MCU）以先進架構為特色，整合電機控制定時器、片上運放、片上比較器等電機所需的功能，從低價型到多功能整合，從高性能到高存儲容量型，并且可以做到外設軟件相互兼容。

新增的電機控制功能被優化到STM32電機控制函數庫3.2版內，將有助于加快產品上市時間，降低材料成本，優化電機選型，沖破速度運行限制。

ADI

據ADI公司技術業務經理張松剛介紹，ADI提供了門類齊全的產品組合，其中包括了模數/數模轉換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數字隔離器和電源管理器件；這些高性能的器件和增加系統集成度有助于實現更新型的拓撲結構設計，提供優于普通客戶高附加值。伺服驅動系統的性能同用戶最終所構建的運動控制系統的性能和所能提供的精度密切相關，多數情況下，最終的用途可以是一個高精度數控機床系統、運動控制系統或機器人系統，這些系統要求能夠精確控制位置及電機的扭矩。ADI能夠提供涵蓋信號鏈中所有重要器件的完整解決方案。

工業系統設計要求是低功耗、高效率，ADI提供單個的器件以及完整的產品信號鏈可以加快系統設計；在信號鏈中，ADI所提供的反饋和檢測、隔離、電源管理、接口、嵌入式處理和通信產品，性能和質量很高。

英飛凌

從高性能微控制器、高可靠性磁傳感器、低損耗IGBT、MOSFET驅動到供電、PFC IC，英飛凌能為綠色電機系統提供完整的解決方案。

對于包括電動機在內的許多應用，快速處理大量的外部信號顯得尤為重要，即有高實時性。擁有中斷響應的低延遲時間和快速上下文切換，XMC4500系列就是專門為這些應用而優化的。特別是在多電機應用中，簡單、快速、高效的實現方式等優點很重要。含有16個用于信號發生器的計時器的高效捕獲/比較單元（CCU8）能使得高效設計成為可能，不論需要驅動的電機類型和控制算法如何。

英飛凌還提供不同種類的霍爾傳感器、霍爾開關、線性霍爾元件、角霍爾元件。霍爾傳感器最高能工作在170℃的環境下，可以直接安裝在電機外殼內。

Microchip

電機控制設計中心（w w w. microchip.com/motor）提供了Microchip所有的電機控制開發工具、應用筆記、軟件和產品。對于需要模擬電機控制的系統，Microchip提供了幾款電機控制器芯片，他們同時具備梯形和正弦電機驅動，并為簡單的BLDC控制提供解決方案。8位PIC MCU能夠支持電機控制器，它們可在提供系統級監控的同時，使用基本控制算法控制BLDC電機。dsPIC數字信號控制器（DSC）憑借所具備的DSP處理能力，能夠滿足高級電機控制系統的需要，同時操作起來如同MCU那樣簡單。Microchip還提供了相關的模擬產品，包括運放、FET驅動器和穩壓器等。

Fairchild

Fairchild（飛兆半導體）高效率高可靠性SPM 5 V2系列模塊在微型29mmx12mm封裝中集成了6個MOSFET，3個半橋IC、3個自舉二極管，額定電壓分別為250V和500V。這種封裝包含“綠色”環氧模塑料（EMC），其目標應用包括功率高達150W的風扇和泵。為了滿足客戶的需求，飛兆半導體提供各種封裝引線選擇。此外，飛兆半導體正在推出SiC器件和超級結MOSFET產品，幫助工程師不斷設計更高效的產品。

富士通半導體

綠色節能產品方案主要是以FM3 MCU驅動的變頻控制方案，涵蓋了洗衣機，空調，風機和冰箱的變頻控制。特性體現在如下幾個方面：1.估算位置的算法，富士通采用優化的滑模算法配合PLL位置估算方法，估算精度高達0.5%；2.方案支持單電阻采樣和雙電阻采樣，可以根據客戶要求采用靈和的分流電阻采樣；3.可支持單芯片方案和雙芯片方案；4.載頻可變功能的實現，有助于改善系統噪音；6.完備的電機軟硬件保護功能。

賽靈思

高級算法如高效、高性能的磁場定向控制（FOC）等，常常需要傳統MCU所達不到的高速運算和平行處理性能。相較于傳統處理器件，賽靈思的FPGA恰好有這一系列的優勢。

在賽靈思聯盟成員QDESYS的支持下，賽靈思開發出了一系列獨立IP模塊（如PI控制器，Park/Clark變換等）來幫助用戶用Spartan-6/Kintex-7 FPGA和Zynq-7000建立FOC。賽靈思還提供一些使用這些IP模塊的，針對永磁同步電機（PMSM）和步進電機的已認證參考設計以供評估。