電機控制“需求”與“發(fā)展”的愛(ài)情長(cháng)跑。

      電機控制技術(shù)及產(chǎn)品一直都是工業(yè)領(lǐng)域，乃至整個(gè)科技領(lǐng)域的重要內容。本文就市場(chǎng)對電機控制的需求及其當下發(fā)展，西安泰富西瑪電機技術(shù)部做了相關(guān)介紹和分析。
2016年全球工業(yè)電機與電控市場(chǎng)

      IHS Markit持續多年追蹤全球各類(lèi)工業(yè)電機與電機控制產(chǎn)品的市場(chǎng)行情趨勢，發(fā)布相關(guān)市場(chǎng)數據與信息。最新統計數據顯示，2016年全球工業(yè)電機與電機控制市場(chǎng)預計達580億美元，其中，工業(yè)電機市場(chǎng)銷(xiāo)售額約為354億美元，電機控制市場(chǎng)規模在226億美元左右?？傮w上，IHS Markit預期2016-2020年全球電機與電控市場(chǎng)保持平穩增長(cháng)，電控市場(chǎng)增長(cháng)高于電機。

細分產(chǎn)品市場(chǎng)
      如圖1所示，通用高低壓感應電機約占2016年全球電機銷(xiāo)售額的44%，特別是低壓交流電機因其廣泛的下游應用領(lǐng)域，約占30%的全球電機市場(chǎng)總銷(xiāo)售額。隨著(zhù)全球不斷深入推廣高效電機，高效電機的普及率有望得到進(jìn)一步的提升，IHS Markit預計2020年IE3電機占全球低壓電機市場(chǎng)份額達32%，IE4電機增速遠高于其他低壓電機?？傮w而言，主要應用于OEM市場(chǎng)的分馬力電機與低壓電機預期表現好于下游集中在項目型市場(chǎng)的高壓電機。此外，具有高精度、高穩定性及適應性等特點(diǎn)的伺服電機預期是未來(lái)增速最快的電機品類(lèi)之一。2016年發(fā)電機約占全球電機總銷(xiāo)售額的30%，主要受電力、造船等下游行業(yè)影響而波動(dòng)，中小型發(fā)電機市場(chǎng)預期增速好于大型發(fā)電機市場(chǎng)。
      變頻器仍然是全球最主要的電機控制產(chǎn)品，在2016年全球電控產(chǎn)品市場(chǎng)規模占比超六成，其中，約72%銷(xiāo)售額來(lái)自于低壓變頻器。伺服驅動(dòng)器是僅次于低壓變頻器的第二大電控品類(lèi)，2016年貢獻了近兩成的全球市場(chǎng)銷(xiāo)售額。此外，伺服系統在高精度、高性能要求的機械設備領(lǐng)域有望不斷擴大市場(chǎng)份額，預期是未來(lái)增速最快的電控產(chǎn)品之一。

      不同細分產(chǎn)品市場(chǎng)的集中程度不一，領(lǐng)先企業(yè)在不同產(chǎn)品及區域市場(chǎng)的排名各有不同?？傮w來(lái)看，全球電機與電控市場(chǎng)仍較為分散，2015年排名前十的廠(chǎng)家約占全球40%的市場(chǎng)份額，ABB 、西門(mén)子保持市場(chǎng)領(lǐng)導地位。

區域市場(chǎng)

      亞太(除日本)是全球電機與電控最大的區域市場(chǎng)，2016年銷(xiāo)售額約占全球市場(chǎng)銷(xiāo)售總規模的36%，主要受益于龐大的中國市場(chǎng)。IHS Markit估計2016年中國電機與電控市場(chǎng)規模接近129億美元，是全球最大的單一國家市場(chǎng)。盡管中國市場(chǎng)面臨進(jìn)入經(jīng)濟轉型期的增速放緩、產(chǎn)業(yè)結構調整等挑戰，傳統產(chǎn)業(yè)升級與智能化改造以及大力發(fā)展節能、高端制造業(yè)等趨勢給未來(lái)電機與電控產(chǎn)品的發(fā)展帶來(lái)了新機遇，IHS Markit預期中國是未來(lái)增速最快的區域市場(chǎng)之一，2020年市場(chǎng)規模預計超146億美元。

      歐洲、非洲及中東(EMEA)與美洲保持為全球第二大與第三大區域市場(chǎng)，2016年銷(xiāo)售規模分別為170億美元與156億美元。IHS Markit預計美洲市場(chǎng)的電機與電控產(chǎn)品在2016-2020年的年均增速略高于歐洲市場(chǎng)。

東芝智能相位控制技術(shù)

      就電機驅動(dòng)芯片而言， 電機控制的趨勢是高集成度、低成本、高效率和低噪聲。而用戶(hù)選擇不同的電機控制方案，不同的側重點(diǎn)包括系統性能、系統成本和系統可靠性。 不同的需求對應不同的電機控制方案選擇。

      東芝集團內部電力電子技術(shù)的橫向整合，自有的0.13μm先進(jìn)模擬集成電路制程以及獨有的多種新技術(shù)應用于電機驅動(dòng)并滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，是東芝解決方案的優(yōu)勢。東芝寬廣的產(chǎn)品線(xiàn)涵蓋步進(jìn)電機、有刷電機和直流無(wú)刷電機應用的所有直流電機應用。東芝最新推出了應用于直流無(wú)刷電機的智能相位控制技術(shù)，能夠提高電機控制系統效率，并具有簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。主動(dòng)增益控制能夠有效提高高轉矩波動(dòng)的步進(jìn)馬達驅動(dòng)器的效率，降低電機和驅動(dòng)器的溫度;應用于步進(jìn)電機驅動(dòng)高級動(dòng)態(tài)混合衰減技術(shù)、高級電流檢測技術(shù)、主動(dòng)增益控制技術(shù)等獨有的先進(jìn)技術(shù)，并相應推出了應用該新技術(shù)的新產(chǎn)品。例如TB67B000HG/FG是適應家用空調風(fēng)扇系統的高集成度低陳本高效率方案，已經(jīng)為客戶(hù)大量采用，其中新推出的貼片封裝產(chǎn)品TB67B000FG，封裝尺寸較TB67B000HG插件封裝減小了53%，散熱性能基本一致，管腳排布更加優(yōu)化合理，是東芝在該應用領(lǐng)域的主力產(chǎn)品。 TC78B016FTG 集成應用智能相位控制技術(shù)，能有效提高方案效率，且簡(jiǎn)單易用，在后續將會(huì )推出更多應用智能相位控制技術(shù)的產(chǎn)品為客戶(hù)提供多種選擇。 TB67S289FTG 采用了主動(dòng)增益控制技術(shù)、高級電流檢測技術(shù)和高級動(dòng)態(tài)混合衰減技術(shù)，特點(diǎn)是縮減了控制板面積，有效地提高了高轉矩波動(dòng)的步進(jìn)馬達驅動(dòng)器的效率，降低了電機和驅動(dòng)器的溫度。

電機要求位置傳感器有更高精度

      現如今，在各個(gè)領(lǐng)域(汽車(chē)、工業(yè)控制和消費類(lèi)產(chǎn)品)中，電氣化無(wú)處不在。一個(gè)明顯的趨勢是，有刷電機將會(huì )逐漸被無(wú)刷電機(直流無(wú)刷或永磁同步)替代。而當驅動(dòng)不同的輸出負載時(shí)，主要是要盡量減少電機的扭矩波動(dòng)。我們要準確識別不同的應用場(chǎng)景需求，有些應用無(wú)需傳感器，有些應用場(chǎng)合需要高精度、高分辨率的位置傳感器。為了進(jìn)一步提高性能，需要采用更精確有效的電機換向方式，而傳統的霍爾開(kāi)關(guān)的方式過(guò)于粗放，因此，高精度的位置傳感器勢在必行，能實(shí)現精確、高速的位置檢測，并且具有很低的時(shí)間延遲。顯而易見(jiàn)，在未來(lái)，人類(lèi)將會(huì )用到越來(lái)越多的智能化電氣設備和新型的驅動(dòng)系統，這一切，都需要更智能化、更精確的傳感器作為基礎。

方案選購考慮因素

      電機控制方案的選購主要取決于實(shí)際的應用需求和系統成本預算。當然，系統精度會(huì )是一個(gè)重要的選擇標準。當我們?yōu)橐粋€(gè)電機控制系統挑選合適的傳感器時(shí)，分辨率、線(xiàn)性度誤差以及延時(shí)等參數都需要考慮，而且，傳感器的輸出必須足夠穩定，不受外界雜散磁場(chǎng)和其他電磁干擾的影響。

艾邁斯的解決方案

      針對汽車(chē)級和工業(yè)級的電機控制場(chǎng)合，艾邁斯半導體提供了一系列基于霍爾技術(shù)的位置傳感器。得益于我們的專(zhuān)利技術(shù)DAECTM(動(dòng)態(tài)角度誤差補償技術(shù))，在外界雜散磁場(chǎng)干擾下，傳感器依然能保持極高的精度?；贒AECTM專(zhuān)利技術(shù)，用戶(hù)可以實(shí)現角度位置檢測幾乎零延時(shí)。我們的傳感器均滿(mǎn)足汽車(chē)級要求，在嚴苛的環(huán)境溫度下也能正常工作。

步進(jìn)電機應用及解決方案

      對于電機驅動(dòng)芯片，高能效、低噪聲、安全可靠、使用方便及高性?xún)r(jià)比一直是用戶(hù)長(cháng)期追求的目標。隨著(zhù)電機驅動(dòng)產(chǎn)品使用的日益廣泛，更高的要求也會(huì )被提出。

      步進(jìn)電機因使用簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢明顯而應用廣泛。如在多功能打印機/掃描儀、縫紉機、提款機等工業(yè)領(lǐng)域。但步進(jìn)電機并不是最完美和理想的方案，特別是在多馬達同時(shí)工作的環(huán)境下，音頻噪聲尤其嚴重。 此外， 即便在低轉速條件下，仍然會(huì )產(chǎn)生功耗，以致對某些手持設備電池的壽命有所影響。低能效引起的過(guò)熱也不可忽視。 在某些情況下，系統不得不另加冷卻風(fēng)扇， 導致成本和系統的復雜程度增加，降低了系統的可靠性。

      設計人員有時(shí)會(huì )選用BLDC(無(wú)刷直流電機)來(lái)克服步進(jìn)電機的缺點(diǎn)，實(shí)現高效、平穩和低噪聲效果，從而降低功耗和發(fā)熱。 但隨之而來(lái)的是成本上升，很多情況下不得不使用MCU，這同樣會(huì )導致系統設計難度大大提高。從步進(jìn)電機到BLDC，對于機械子系統設計而言也是很大的改變，設計周期加長(cháng)及長(cháng)期可靠性測試也大大延緩了面市時(shí)間。

      因此，用戶(hù)需根據特定的應用需求選購合理的電機控制方案，同時(shí)需兼顧低噪聲、高能效、高可靠性及成本等因素。

LC898240/LV8702步進(jìn)電機解決方案

      為滿(mǎn)足市場(chǎng)高性能的需求，安森美半導體的LC898240/LV8702可通過(guò)兩種新的工作方式來(lái)改進(jìn)現有方案，充分解決傳統步進(jìn)電機存在的問(wèn)題，是高性?xún)r(jià)比創(chuàng )新的步進(jìn)電機解決方案。LC898240通過(guò)監測馬達線(xiàn)圈的BEMF波形來(lái)判斷負載變化，以調整電機電流和步進(jìn)脈沖的方法來(lái)改善現有的步進(jìn)方案，而無(wú)需改變機械系統來(lái)實(shí)現類(lèi)似于BLDC的性能，提高整體能效并降低輸出噪聲。

      LC898240可以作為輔助設備和傳統電機驅動(dòng)芯片一起工作。除了具備調整電流功能實(shí)現高能效外，其內置EEPROM可存儲產(chǎn)生九種工作時(shí)序，每種時(shí)序達440步，實(shí)現無(wú)MCU的工作模式，便于用戶(hù)靈活選擇。

      LV8702是集成LC898240功能的單芯片產(chǎn)品，集BEMF檢測反饋及電機驅動(dòng)功能于一體，更易于使用，其高效模式可較傳統步進(jìn)電機降低達80%的功耗。

電機驅動(dòng)芯片的控制趨勢

      羅姆半導體(上海)有限公司設計中心表示，除了要求安全、高效、控制性能好之外，數字化、集成化也成為電機控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢?？刂葡到y數字化則包含了硬件與軟件兩方面，硬件即高速、高集成度、低成本的專(zhuān)用芯片。軟件則體現在電機控制方面，電機控制算法未來(lái)的發(fā)展方向將著(zhù)重在高性能的轉矩轉速控制與在線(xiàn)辨識上。

      集成化是指電機的集成和電力電子器件的集成，它包括電機與電機驅動(dòng)的集成和開(kāi)關(guān)器件、電路、控制、傳感器、電源等的集成。集成方案比傳統分立器件方案更有助于降低總體物料單(BOM)成本、減少方案占位面積，并使系統方案更輕、更高能效及更可靠。

      不同應用對電機控制器的要求有很大的區別。目前市場(chǎng)上的控制器/驅動(dòng)器解決方案各有千秋，包括了針對特定簡(jiǎn)單應用的標準控制器/驅動(dòng)器以及采用外部緩沖柵極驅動(dòng)器和功率級的MCU、DSP和FPGA。

      對于小型電機以及控制精度、反應速度要求不高的應用，專(zhuān)用芯片具有低成本、低功耗、控制簡(jiǎn)單、易上手等優(yōu)勢。

      對要求苛刻的應用，適合使用DSP、MCU和FPGA，可以增加其他系統管理功能，例如監測電機參數和狀態(tài)，以及與主機系統的通信等。但是，DSP、MCU和FPGA需要外部柵級驅動(dòng)器和功率器件，且需要編程控制，在安全、效率方面需要斟酌。

      在權衡了電機的效率和生產(chǎn)的成本基礎上選擇出來(lái)的方案，才是最適合的方案。

ROHM電機控制方案

      隨著(zhù)變頻器的變頻控制已越來(lái)越多地被使用到家電的空調、洗衣機、電冰箱等諸多白色家電的應用中，ROHM的控制方案從最初的BD620X系列，工藝改善進(jìn)化到BD6201X+BM6202/3(耐壓600V，1.5A/2.5A的IPM)，發(fā)展到高度集成化的BM620X系列(集成了驅動(dòng)和IPM)、BM622X系列等。同時(shí)，隨著(zhù)工業(yè)4.0、無(wú)人機、智能機器人、汽車(chē)電子等市場(chǎng)的興起，ROHM也推出了相應的控制芯片，比如車(chē)載級別的隔離Gate Driver，具有可編程SPI接口的有刷直流電機驅動(dòng)控制芯片，快速反應的三相有位置/無(wú)位置專(zhuān)用控制方案等。

根據實(shí)現功能選擇電機

      電機控制在各個(gè)行業(yè)的應用十分廣泛，因而趨勢也各不相同。不過(guò)，對于所有行業(yè)來(lái)說(shuō)，最近的主要推動(dòng)力就是效率。電機設計以及逆變器設計和控制都在不斷改進(jìn)。

      移除或至少縮小同步電機的磁件也是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。采用同步磁阻電機可實(shí)現這一目標，它們基本上是沒(méi)有磁件的永磁同步電機(PMSM)。由于沒(méi)有磁件，控制起來(lái)比較困難，好處是降低了成本，提高了滿(mǎn)負載范圍內的效率。

      在汽車(chē)領(lǐng)域和消費類(lèi)產(chǎn)品中還有一大趨勢就是集成。比如，將FET驅動(dòng)器和MCU/DSP組合于一個(gè)封裝內。這樣可以縮小PCB面積，從而輕易地將電路板安裝至電機背面。

      選擇的標準關(guān)鍵取決于設計要實(shí)現什么功能，電機在系統中要完成什么任務(wù)，功耗限制如何，是采用交流電供電還是電池供電，以及期望的尺寸(外形因素)是如何的。

      BLDC和PMSM電機頗受歡迎，究其原因，主要是外形小和輸出轉矩大。由于PMSM運行更平穩、更安靜，而且效率更高，取代BLDC已成為一種趨勢。因此，汽車(chē)中電機幾乎都將采用無(wú)傳感器場(chǎng)定向控制(FOC)或PMSM。

Microchip的數字信號控制器

      Microchip推出適用于電機控制的dsPIC® 數字信號控制器時(shí)，我們關(guān)注的是需要更高性能來(lái)完成復雜計算的應用。正如前面所述，提高效率，降低成本和體積是大勢所趨。利用采用無(wú)傳感器FOC的PMSM可實(shí)現這一目標，但前提是MCU/DSP具有足夠的數學(xué)運算能力。dsPIC33EP系列就是這些擁有強大運算能力的器件中極具價(jià)格競爭力的產(chǎn)品。并且，集成智能PWM和模擬外設，減少了外部元件，從而因縮減物料清單而降低成本。

電機控制對無(wú)線(xiàn)連接的需求

      我們看到物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)正在快速地增長(cháng)，進(jìn)而驅動(dòng)了對低功耗微控制器(MCU)和無(wú)線(xiàn)系統級芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前，很多電機控制應用并不具備很好的連接性。我們可以看到一種趨勢：很多電機控制應用正在增加無(wú)線(xiàn)連接功能以用于控制和監控。這對于電機控制來(lái)說(shuō)是一項重要的改變。這一趨勢正在家庭自動(dòng)化市場(chǎng)中迅速蔓延，而工業(yè)市場(chǎng)在這方面則相對緩慢一些。

      考慮到電機控制的連接性，集成式電機控制MCU成為一種較好的選擇。根據電機控制應用的不同，有單芯片解決方案、雙芯片解決方案和模塊化解決方案可用于智能無(wú)線(xiàn)連接電機。對許多應用來(lái)說(shuō)，一個(gè)MCU用于電機控制，另一個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC則提供無(wú)線(xiàn)連接功能，即雙芯片解決方案，在這種情況下，選擇電機控制MCU可以?xún)H僅基于其運行電機控制的情況優(yōu)劣來(lái)作出判斷。然而，集成的可能性或許會(huì )受限于電機控制MCU的選擇。對于那些對成本非常敏感的應用來(lái)說(shuō)，有可能使用同一個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC將電機控制和無(wú)線(xiàn)連接集成到一起。有一種簡(jiǎn)單的方法可以為電機控制設計增加RF連接功能，即在現有的電機控制板上增加一個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊。

節能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

      Silicon Labs的SoC解決方案為智能聯(lián)網(wǎng)電機帶來(lái)了無(wú)線(xiàn)連接功能，同時(shí)我們也為電機控制應用提供了多種多樣的節能型MCU。

      對許多電機控制應用來(lái)說(shuō)，節能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU是一種理想的解決方案。它具有一個(gè)帶有DSP指令支持的高性能ARM Cortex M4 CPU和一個(gè)浮點(diǎn)運算單元(FPU)，包含2個(gè)帶有邊沿對齊或中心對齊脈沖寬度調制(PWM)的16位定時(shí)器，其中一個(gè)片上定時(shí)器具有死區插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通過(guò)增加一個(gè)EFR32MG1 Mighty Gecko無(wú)線(xiàn)SoC或一個(gè)MGM111 Mighty Gecko模塊以增加無(wú)線(xiàn)連接功能。

電機驅動(dòng)器向高集成度和高性?xún)r(jià)比演進(jìn)

      好的電機要滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求，有的客戶(hù)對電壓看重，例如要低至1.5V的電壓;有的對體積或散熱等看重;有的重視精度，例如256微步步進(jìn)電機的應用場(chǎng)合主要是位置傳感，可用于醫療注射泵，對藥的注射劑量要非常準確，但速度不一定快;有的重視性?xún)r(jià)比。ST的一些產(chǎn)品換成了新型的超微型QFN封裝，使封裝尺寸更小、價(jià)格更便宜，也相應地提高了性?xún)r(jià)比。

      為了實(shí)現高集成度，ST正在做SiP(系統級封裝)。主要有兩種途徑。第一種途徑是把驅動(dòng)器和功率芯片進(jìn)行封裝集成，即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8個(gè)MOSFET，堪稱(chēng)業(yè)界最先進(jìn)的產(chǎn)品，主要因為性能指標高：85V，5~10A，封裝很薄(因此散熱好)。另一種途徑是“驅動(dòng)器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢之一是設計速度快，因為有STM32F0 MCU;二是集成度高，簡(jiǎn)化了設計，節省了BOM(物料清單)。

      目前市場(chǎng)上只有基于A(yíng)RM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列)，并沒(méi)有基于M3、M4的集成驅動(dòng)產(chǎn)品，這是因為M3、M4針對更高端的應用，但ST目前進(jìn)軍的中低端大批量市場(chǎng)還不需要更高端驅動(dòng)產(chǎn)品，例如電動(dòng)工具等，過(guò)去是8位MCU，現在升級到基于32位的M0控制，已經(jīng)非常進(jìn)步了。在中低端市場(chǎng)，M0性?xún)r(jià)比比M4高，可滿(mǎn)足從有傳感到無(wú)(位置)傳感，再到SoC控制等的需要。當然，后續會(huì )有集成M4的驅動(dòng)器系列推出。

電機控制之機器人系統電源解決方案

      電機控制是絕大多數工控設備傳動(dòng)系統里的核心之一。其用途細到玩具、家用電器，廣到自動(dòng)化設備、工業(yè)機器人等。電源模塊，作為系統供電的主要器件，為電機控制的發(fā)展注入“源”動(dòng)力。

      就電機控制系統而言，電源模塊可分為工作電源和驅動(dòng)電源兩大類(lèi)。工作電源提供穩定的5V電壓供給MCU，間接作用于電機控制系統;驅動(dòng)電源一般功率較大，提供足夠動(dòng)力直接作用于電機控制系統。電源模塊除供電功能外，最重要的還有提高系統可靠性的作用。電機控制系統的集成度越來(lái)越高，電機工作時(shí)噪聲干擾問(wèn)題越來(lái)凸顯，因此部件小體積、信號隔離需求日益明顯。同時(shí)，針對有電池供電的系統，電池電壓波動(dòng)范圍大，電源模塊可以提供穩定的輸出電壓，高效率的電源模塊還有利于提高電池的續航能力。所以，在電機控制系統中電源模塊一般有供電、隔離、穩壓、提升續航能力等功能，是不可或缺的配套器件。

      當下，智能制造已成為主流。為提升生產(chǎn)效率和控制生產(chǎn)成本，智能機器人行業(yè)火熱發(fā)展，如倉儲機器人、物流機器人、掃地機器人等。智能機器人中包含電機控制和電機的傳動(dòng)系統，電機作為傳動(dòng)部件，可以完成某項任務(wù)，如掃地機器人輪子實(shí)現巡視功能、吸塵部件實(shí)現灰塵清理功能等。針對智能機器人多種電壓/功率以及應用的需求，金升陽(yáng)提供多種電源解決方案以滿(mǎn)足不同需求。

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