電機(jī)控制：節(jié)能、高效、精控將進(jìn)一步顯現(xiàn)

摘要：不久前，我國(guó)發(fā)布《中國(guó)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(duì)電機(jī)、伺服系統(tǒng)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(jī)；同時(shí)，環(huán)保和節(jié)能/綠色能源是我國(guó)七大新興戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)之一，而電機(jī)的能耗占用電設(shè)備的20%左右，因此，提高電機(jī)能效是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的一場(chǎng)持久戰(zhàn)。本文通過(guò)采訪電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的強(qiáng)勢(shì)公司，解讀當(dāng)下電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：∥WWW.eepw.com.cn/ardck/276350-htm

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制；節(jié)能；高效率；精控

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.6.003

高效電機(jī)推廣的成果與挑戰(zhàn)

IHS發(fā)布的“2014年中國(guó)低壓電機(jī)市場(chǎng)報(bào)告”顯示，受益于補(bǔ)貼高效電機(jī)與強(qiáng)制淘汰低效電機(jī)的政策，2014年二級(jí)能效（GB2/IE3）等級(jí)低壓電機(jī)呈現(xiàn)了爆發(fā)性的增長(zhǎng)趨勢(shì)，市場(chǎng)份額從2013年的5%一躍升至13%，而低效的IE1電機(jī)的市場(chǎng)份額從57%跌落至38%。然而，IHS調(diào)研顯示目前高效的二級(jí)能效（GB2/IE3）份額距離“全國(guó)電機(jī)能效提升計(jì)劃”設(shè)定的2015年50%低壓電機(jī)達(dá)到高效（GB2/IE3）能效標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的距離。此外，高效電機(jī)的深入推廣面臨諸如“假冒”高效電機(jī)、補(bǔ)貼流程繁復(fù)等亟待解決的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

不斷縮小與全球高效電機(jī)水平的差距

我國(guó)高效電機(jī)（GB2/IE3）所占市場(chǎng)份額與全球高效電機(jī)市場(chǎng)相比存在著一定的差距，這一差距隨著高效電機(jī)大力推廣而不斷縮小。IHS數(shù)據(jù)顯示，2013年全球高效電機(jī)（GB2/IE3）占20%的市場(chǎng)份額，我國(guó)同等級(jí)電機(jī)的市場(chǎng)份額僅為5%（如圖1）。自政府2013年底提高補(bǔ)貼電機(jī)能效要求三級(jí)能效（GB3/IE2）到二級(jí)能效（GB2/IE3），2014年我國(guó)高效電機(jī)的市場(chǎng)份額升至13.5%，與全球高效電機(jī)水平之間的差距正逐步縮小。

IHSI業(yè)自動(dòng)化分析師朱俊卿表示：長(zhǎng)遠(yuǎn)看，我國(guó)高效電機(jī)的進(jìn)一步普及是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。這在受市場(chǎng)機(jī)制逐步淘汰低效電機(jī)作用的同時(shí)，更依賴(lài)于政府的行政監(jiān)管淘汰低效電機(jī)與財(cái)政補(bǔ)貼高效電機(jī)的政策。我國(guó)計(jì)劃于2016年開(kāi)始普及推廣更高效的一級(jí)能效（GBl/IE4）電機(jī)。截止2018年，IHS預(yù)測(cè)我國(guó)GB3/IE2低壓電機(jī)將成為市場(chǎng)的主流能效等級(jí)，占近59%的市場(chǎng)份額，緊接著是GB2/IE3電機(jī)，市場(chǎng)占有率超過(guò)31%。此外，除節(jié)能高效的低壓電機(jī)的推廣外，高壓電機(jī)也是高效電機(jī)補(bǔ)貼與推廣的領(lǐng)域之一。盡管高壓電機(jī)因其本身的能效效率比較高，能效提升的空間相對(duì)于低壓電機(jī)較為有限，節(jié)能高效也是高壓電機(jī)的長(zhǎng)期發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

TI：電機(jī)未來(lái)需要更高的效率，更強(qiáng)的可靠性和更廣的應(yīng)用范圍

電機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向是更高的效率，更強(qiáng)的可靠性和更廣的應(yīng)用范圍。無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC motor）可以滿(mǎn)足上述特性與要求，我們看到，現(xiàn)在在很多應(yīng)用中BLDC逐步開(kāi)始取代交流電機(jī)、有刷電機(jī)甚至于步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)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(jī)控制算法，門(mén)驅(qū)電路，復(fù)雜的片上保護(hù)電路，針對(duì)小功率的應(yīng)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(fù)雜，需要的資源較多，尤其是如果為了實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jī)門(mén)驅(qū)動(dòng)器即提供了一個(gè)很高性能的電機(jī)解決方案。對(duì)于其他相對(duì)簡(jiǎn)單的電機(jī)，資源相對(duì)弱一點(diǎn)的MCU通常可以滿(mǎn)足基本需求。

TI的InstaSPIN算法可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)電機(jī)參數(shù)，通過(guò)FOC可達(dá)到從算法到電機(jī)整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率的提升。

德州儀器（TI）中國(guó)區(qū)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(qū)動(dòng)端的內(nèi)阻，對(duì)于小功率的電機(jī)可以采用內(nèi)置MOS的方案。對(duì)于大功率的電機(jī)通常應(yīng)該采用外置MOs來(lái)盡量降低內(nèi)阻和芯片內(nèi)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(dá)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(jī)制造業(yè)中，高效是技術(shù)發(fā)展的明確趨勢(shì)。但越來(lái)越多的應(yīng)用和領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)控制的要求已不僅僅停留在滿(mǎn)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(yuǎn)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(jī)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(shì)。嚴(yán)格的，（我們應(yīng)該講電機(jī)控制技術(shù)）電機(jī)控制是一個(gè)相對(duì)成熟的工業(yè)應(yīng)用，從技術(shù)層面以及用戶(hù)角度，不會(huì)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(guó)內(nèi)有如下的一些新變化：

（1）ARM Cortex—M4F作為標(biāo)準(zhǔn)化的處理器平臺(tái)，越來(lái)越被國(guó)內(nèi)客戶(hù)所接受，成為取代DSP的通用伺服控制器的平臺(tái)；

（2）MEMS（微機(jī)電傳感器）在電機(jī)控制上的應(yīng)用，是當(dāng)前討論的又一個(gè)話(huà)題。

ADI公司亞太區(qū)電機(jī)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(jí)降低，針對(duì)通用伺服，ARM Cortex—M4F處理器越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。FPGA仍然是多軸系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)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(yīng)該從機(jī)械結(jié)構(gòu)上考慮。但是，從硬件設(shè)計(jì)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(tǒng)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(duì)應(yīng)嵌入了電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法程序的芯片，我認(rèn)為具有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一方面，要在原來(lái)數(shù)字控制的基礎(chǔ)上，集成模擬器件單元（包括運(yùn)算放大器、比較器），甚至小功率驅(qū)動(dòng)單元（例如Power MOSFET）：另一方面，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法從軟件變化為固件，固化到芯片中。

從運(yùn)動(dòng)控制算法的角度來(lái)講，要在通用的算法基礎(chǔ)上，針對(duì)拖動(dòng)和伺服等不同領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)匹配客戶(hù)規(guī)格的響應(yīng)的子方案。對(duì)于通用算法，要求適應(yīng)不同的輸出能力和輸入電源，在魯棒性、最優(yōu)控制方面達(dá)到最佳平衡點(diǎn)，適應(yīng)不同參數(shù)的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。而子方案的開(kāi)發(fā)，要強(qiáng)調(diào)客戶(hù)體驗(yàn)，做好需求分析，最終做到零誤差匹配客戶(hù)的規(guī)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(duì)應(yīng)三相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，這類(lèi)產(chǎn)品有一個(gè)明確的發(fā)展趨勢(shì)：即向智能功率模塊的方向發(fā)展。模塊集成了全橋驅(qū)動(dòng)的主回路、功率器件的驅(qū)動(dòng)電路（負(fù)責(zé)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(hù)電路、溫度監(jiān)控電路等。這樣的產(chǎn)品讓客戶(hù)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)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(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(qiáng)、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(tǒng)括經(jīng)理汪韌冬：基于上述發(fā)展趨勢(shì)，電動(dòng)機(jī)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(jī)解決方案。擁有更節(jié)能高效以及安靜等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從設(shè)計(jì)到購(gòu)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(jī)控制需要更好的控制.功率和模擬芯片

電機(jī)控制技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、節(jié)能化趨勢(shì)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(jī)控制中可以包含控制芯片MCU、功率驅(qū)動(dòng)芯片、功率芯片（MOS，IGBT），模擬芯片（LDO，運(yùn)放等），在中小功率的控制中功率驅(qū)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(jié)能化發(fā)展。

意法半導(dǎo)體（ST）中國(guó)區(qū)微控制器市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理曹錦東：電機(jī)控制技術(shù)的升級(jí)要求有更快、功能更強(qiáng)大的控制芯片，當(dāng)前MCU已經(jīng)向主頻更高、運(yùn)算能力更強(qiáng)大的STM32F7（ARM Cortex-M7內(nèi)核）200MHz以上主頻邁進(jìn)。電機(jī)核心控制實(shí)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(huì)更精簡(jiǎn)于中間變量的處理。

STM32系列產(chǎn)品從入門(mén)級(jí)的STM32FO（ARM Codex M0）到至強(qiáng)性能的STM32F7（ARM Cortex-M7）將近600個(gè)型號(hào)，整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)全面覆蓋電機(jī)的高中低端FOC矢量控制需要，不僅僅性能強(qiáng)大，成本也更加親民。

ST有完整的針對(duì)STM32F全系列的電機(jī)FOC控制庫(kù)，同時(shí)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(jìn)一大步。

意法半導(dǎo)體工業(yè)及功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部區(qū)域戰(zhàn)略項(xiàng)目工程中心和業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Allan LAGASCA稱(chēng)，ST有很多與電機(jī)控制IP相關(guān)的專(zhuān)利，這些專(zhuān)利也支持電機(jī)控制解決方案。ST提交了與超低速電機(jī)控制相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，例如，HFI（高頻注入），還提交了針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)磁鐵結(jié)構(gòu)的降噪專(zhuān)利申請(qǐng)。最新電機(jī)分析算法亮相CES消費(fèi)電子展、嵌入式世界以及中國(guó)電機(jī)控制展等主要展會(huì)。營(yíng)銷(xiāo)口號(hào)是“插轉(zhuǎn)一分鐘搞定”，這個(gè)最新算法覆蓋各種PMSM電機(jī)，該算法的智能水平很高，能夠在無(wú)傳感器模式下測(cè)量FOC電機(jī)控制所需的電參數(shù)和機(jī)械參數(shù)。這個(gè)創(chuàng)新的解決方案證明，意法半導(dǎo)體在電機(jī)控制方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠研發(fā)切合實(shí)際的電機(jī)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(jī)變化和公差而導(dǎo)致的電機(jī)控制問(wèn)題。安森美：電機(jī)驅(qū)動(dòng)一直都朝著大功率.小封裝和高集成的方向發(fā)展

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fēng)機(jī)無(wú)刷電機(jī)為例，最早是用霍爾原件配合一些分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單粗曠的功能，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，推出了較高集成度的電機(jī)驅(qū)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(fù)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(xù)進(jìn)步，諸如更高更精準(zhǔn)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上：再如目前大家所熟知的變頻空調(diào)，冰箱和洗衣機(jī)壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)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(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(lái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片一定會(huì)具有更高集成度、更高功率密度和更強(qiáng)大的功能，甚至可能會(huì)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(dǎo)體系統(tǒng)方案部大中華及亞太區(qū)域營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理余輝：安森美半導(dǎo)體的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片主要是通過(guò)數(shù)字加模擬電路實(shí)現(xiàn)：在芯片內(nèi)部通過(guò)模擬控制實(shí)現(xiàn)精確的效果。散熱問(wèn)題是目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)高集成度形勢(shì)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(nèi)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(qū)動(dòng)，甚至增加磁場(chǎng)定向控制來(lái)解決。