電機控制技術(shù)及產(chǎn)品一直都是工業(yè)領(lǐng)域，乃至整個科技領(lǐng)域的重要內(nèi)容。本文就市場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

      IHS Markit持續(xù)多年追蹤全球各類工業(yè)電機與電機控制產(chǎn)品的市場行情趨勢，發(fā)布相關(guān)市場數(shù)據(jù)與信息。最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年全球工業(yè)電機與電機控制市場預(yù)計達580億美元，其中，工業(yè)電機市場銷售額約為354億美元，電機控制市場規(guī)模在226億美元左右。總體上，IHS Markit預(yù)期2016-2020年全球電機與電控市場保持平穩(wěn)增長，電控市場增長高于電機。

細分產(chǎn)品市場
      如圖1所示，通用高低壓感應(yīng)電機約占2016年全球電機銷售額的44%，特別是低壓交流電機因其廣泛的下游應(yīng)用領(lǐng)域，約占30%的全球電機市場總銷售額。隨著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一步的提升，IHS Markit預(yù)計2020年IE3電機占全球低壓電機市場份額達32%，IE4電機增速遠高于其他低壓電機?？傮w而言，主要應(yīng)用于OEM市場的分馬力電機與低壓電機預(yù)期表現(xiàn)好于下游集中在項目型市場的高壓電機。此外，具有高精度、高穩(wěn)定性及適應(yīng)性等特點的伺服電機預(yù)期是未來增速最快的電機品類之一。2016年發(fā)電機約占全球電機總銷售額的30%，主要受電力、造船等下游行業(yè)影響而波動，中小型發(fā)電機市場預(yù)期增速好于大型發(fā)電機市場。
      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)品市場規(guī)模占比超六成，其中，約72%銷售額來自于低壓變頻器。伺服驅(qū)動器是僅次于低壓變頻器的第二大電控品類，2016年貢獻了近兩成的全球市場銷售額。此外，伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的機械設(shè)備領(lǐng)域有望不斷擴大市場份額，預(yù)期是未來增速最快的電控產(chǎn)品之一。

      不同細分產(chǎn)品市場的集中程度不一，領(lǐng)先企業(yè)在不同產(chǎn)品及區(qū)域市場的排名各有不同?？傮w來看，全球電機與電控市場仍較為分散，2015年排名前十的廠家約占全球40%的市場份額，ABB 、西門子保持市場領(lǐng)導(dǎo)地位。

區(qū)域市場

      亞太(除日本)是全球電機與電控最大的區(qū)域市場，2016年銷售額約占全球市場銷售總規(guī)模的36%，主要受益于龐大的中國市場。IHS Markit估計2016年中國電機與電控市場規(guī)模接近129億美元，是全球最大的單一國家市場。盡管中國市場面臨進入經(jīng)濟轉(zhuǎn)型期的增速放緩、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級與智能化改造以及大力發(fā)展節(jié)能、高端制造業(yè)等趨勢給未來電機與電控產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新機遇，IHS Markit預(yù)期中國是未來增速最快的區(qū)域市場之一，2020年市場規(guī)模預(yù)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(qū)域市場，2016年銷售規(guī)模分別為170億美元與156億美元。IHS Markit預(yù)計美洲市場的電機與電控產(chǎn)品在2016-2020年的年均增速略高于歐洲市場。

東芝智能相位控制技術(shù)

      就電機驅(qū)動芯片而言， 電機控制的趨勢是高集成度、低成本、高效率和低噪聲。而用戶選擇不同的電機控制方案，不同的側(cè)重點包括系統(tǒng)性能、系統(tǒng)成本和系統(tǒng)可靠性。 不同的需求對應(yīng)不同的電機控制方案選擇。

      東芝集團內(nèi)部電力電子技術(shù)的橫向整合，自有的0.13μm先進模擬集成電路制程以及獨有的多種新技術(shù)應(yīng)用于電機驅(qū)動并滿足客戶的需求，是東芝解決方案的優(yōu)勢。東芝寬廣的產(chǎn)品線涵蓋步進電機、有刷電機和直流無刷電機應(yīng)用的所有直流電機應(yīng)用。東芝最新推出了應(yīng)用于直流無刷電機的智能相位控制技術(shù)，能夠提高電機控制系統(tǒng)效率，并具有簡單易用的特點。主動增益控制能夠有效提高高轉(zhuǎn)矩波動的步進馬達驅(qū)動器的效率，降低電機和驅(qū)動器的溫度;應(yīng)用于步進電機驅(qū)動高級動態(tài)混合衰減技術(shù)、高級電流檢測技術(shù)、主動增益控制技術(shù)等獨有的先進技術(shù)，并相應(yīng)推出了應(yīng)用該新技術(shù)的新產(chǎn)品。例如TB67B000HG/FG是適應(yīng)家用空調(diào)風(fēng)扇系統(tǒng)的高集成度低陳本高效率方案，已經(jīng)為客戶大量采用，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(yīng)用領(lǐng)域的主力產(chǎn)品。 TC78B016FTG 集成應(yīng)用智能相位控制技術(shù)，能有效提高方案效率，且簡單易用，在后續(xù)將會推出更多應(yīng)用智能相位控制技術(shù)的產(chǎn)品為客戶提供多種選擇。 TB67S289FTG 采用了主動增益控制技術(shù)、高級電流檢測技術(shù)和高級動態(tài)混合衰減技術(shù)，特點是縮減了控制板面積，有效地提高了高轉(zhuǎn)矩波動的步進馬達驅(qū)動器的效率，降低了電機和驅(qū)動器的溫度。

電機要求位置傳感器有更高精度

      現(xiàn)如今，在各個領(lǐng)域(汽車、工業(yè)控制和消費類產(chǎn)品)中，電氣化無處不在。一個明顯的趨勢是，有刷電機將會逐漸被無刷電機(直流無刷或永磁同步)替代。而當驅(qū)動不同的輸出負載時，主要是要盡量減少電機的扭矩波動。我們要準確識別不同的應(yīng)用場景需求，有些應(yīng)用無需傳感器，有些應(yīng)用場合需要高精度、高分辨率的位置傳感器。為了進一步提高性能，需要采用更精確有效的電機換向方式，而傳統(tǒng)的霍爾開關(guān)的方式過于粗放，因此，高精度的位置傳感器勢在必行，能實現(xiàn)精確、高速的位置檢測，并且具有很低的時間延遲。顯而易見，在未來，人類將會用到越來越多的智能化電氣設(shè)備和新型的驅(qū)動系統(tǒng)，這一切，都需要更智能化、更精確的傳感器作為基礎(chǔ)。

方案選購考慮因素

      電機控制方案的選購主要取決于實際的應(yīng)用需求和系統(tǒng)成本預(yù)算。當然，系統(tǒng)精度會是一個重要的選擇標準。當我們?yōu)橐粋€電機控制系統(tǒng)挑選合適的傳感器時，分辨率、線性度誤差以及延時等參數(shù)都需要考慮，而且，傳感器的輸出必須足夠穩(wěn)定，不受外界雜散磁場和其他電磁干擾的影響。

艾邁斯的解決方案

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

步進電機應(yīng)用及解決方案

      對于電機驅(qū)動芯片，高能效、低噪聲、安全可靠、使用方便及高性價比一直是用戶長期追求的目標。隨著電機驅(qū)動產(chǎn)品使用的日益廣泛，更高的要求也會被提出。

      步進電機因使用簡單，成本優(yōu)勢明顯而應(yīng)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。但步進電機并不是最完美和理想的方案，特別是在多馬達同時工作的環(huán)境下，音頻噪聲尤其嚴重。 此外， 即便在低轉(zhuǎn)速條件下，仍然會產(chǎn)生功耗，以致對某些手持設(shè)備電池的壽命有所影響。低能效引起的過熱也不可忽視。 在某些情況下，系統(tǒng)不得不另加冷卻風(fēng)扇， 導(dǎo)致成本和系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，降低了系統(tǒng)的可靠性。

      設(shè)計人員有時會選用BLDC(無刷直流電機)來克服步進電機的缺點，實現(xiàn)高效、平穩(wěn)和低噪聲效果，從而降低功耗和發(fā)熱。 但隨之而來的是成本上升，很多情況下不得不使用MCU，這同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計難度大大提高。從步進電機到BLDC，對于機械子系統(tǒng)設(shè)計而言也是很大的改變，設(shè)計周期加長及長期可靠性測試也大大延緩了面市時間。

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

LC898240/LV8702步進電機解決方案

      為滿足市場高性能的需求，安森美半導(dǎo)體的LC898240/LV8702可通過兩種新的工作方式來改進現(xiàn)有方案，充分解決傳統(tǒng)步進電機存在的問題，是高性價比創(chuàng)新的步進電機解決方案。LC898240通過監(jiān)測馬達線圈的BEMF波形來判斷負載變化，以調(diào)整電機電流和步進脈沖的方法來改善現(xiàn)有的步進方案，而無需改變機械系統(tǒng)來實現(xiàn)類似于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(shè)備和傳統(tǒng)電機驅(qū)動芯片一起工作。除了具備調(diào)整電流功能實現(xiàn)高能效外，其內(nèi)置EEPROM可存儲產(chǎn)生九種工作時序，每種時序達440步，實現(xiàn)無MCU的工作模式，便于用戶靈活選擇。

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

電機驅(qū)動芯片的控制趨勢

      羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計中心表示，除了要求安全、高效、控制性能好之外，數(shù)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(tǒng)數(shù)字化則包含了硬件與軟件兩方面，硬件即高速、高集成度、低成本的專用芯片。軟件則體現(xiàn)在電機控制方面，電機控制算法未來的發(fā)展方向?qū)⒅卦诟咝阅艿霓D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制與在線辨識上。

      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(qū)動的集成和開關(guān)器件、電路、控制、傳感器、電源等的集成。集成方案比傳統(tǒng)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(tǒng)方案更輕、更高能效及更可靠。

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

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

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

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

ROHM電機控制方案

      隨著變頻器的變頻控制已越來越多地被使用到家電的空調(diào)、洗衣機、電冰箱等諸多白色家電的應(yīng)用中，ROHM的控制方案從最初的BD620X系列，工藝改善進化到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(qū)動和IPM)、BM622X系列等。同時，隨著工業(yè)4.0、無人機、智能機器人、汽車電子等市場的興起，ROHM也推出了相應(yīng)的控制芯片，比如車載級別的隔離Gate Driver，具有可編程SPI接口的有刷直流電機驅(qū)動控制芯片，快速反應(yīng)的三相有位置/無位置專用控制方案等。

根據(jù)實現(xiàn)功能選擇電機

      電機控制在各個行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，因而趨勢也各不相同。不過，對于所有行業(yè)來說，最近的主要推動力就是效率。電機設(shè)計以及逆變器設(shè)計和控制都在不斷改進。

      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。采用同步磁阻電機可實現(xiàn)這一目標，它們基本上是沒有磁件的永磁同步電機(PMSM)。由于沒有磁件，控制起來比較困難，好處是降低了成本，提高了滿負載范圍內(nèi)的效率。

      在汽車領(lǐng)域和消費類產(chǎn)品中還有一大趨勢就是集成。比如，將FET驅(qū)動器和MCU/DSP組合于一個封裝內(nèi)。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(shè)計要實現(xiàn)什么功能，電機在系統(tǒng)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(zhuǎn)矩大。由于PMSM運行更平穩(wěn)、更安靜，而且效率更高，取代BLDC已成為一種趨勢。因此，汽車中電機幾乎都將采用無傳感器場定向控制(FOC)或PMSM。

Microchip的數(shù)字信號控制器

      Microchip推出適用于電機控制的dsPIC® 數(shù)字信號控制器時，我們關(guān)注的是需要更高性能來完成復(fù)雜計算的應(yīng)用。正如前面所述，提高效率，降低成本和體積是大勢所趨。利用采用無傳感器FOC的PMSM可實現(xiàn)這一目標，但前提是MCU/DSP具有足夠的數(shù)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格競爭力的產(chǎn)品。并且，集成智能PWM和模擬外設(shè)，減少了外部元件，從而因縮減物料清單而降低成本。

電機控制對無線連接的需求

      我們看到物聯(lián)網(wǎng)市場正在快速地增長，進而驅(qū)動了對低功耗微控制器(MCU)和無線系統(tǒng)級芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前，很多電機控制應(yīng)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(yīng)用正在增加無線連接功能以用于控制和監(jiān)控。這對于電機控制來說是一項重要的改變。這一趨勢正在家庭自動化市場中迅速蔓延，而工業(yè)市場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(jù)電機控制應(yīng)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線連接電機。對許多應(yīng)用來說，一個MCU用于電機控制，另一個無線SoC則提供無線連接功能，即雙芯片解決方案，在這種情況下，選擇電機控制MCU可以僅僅基于其運行電機控制的情況優(yōu)劣來作出判斷。然而，集成的可能性或許會受限于電機控制MCU的選擇。對于那些對成本非常敏感的應(yīng)用來說，有可能使用同一個無線SoC將電機控制和無線連接集成到一起。有一種簡單的方法可以為電機控制設(shè)計增加RF連接功能，即在現(xiàn)有的電機控制板上增加一個無線模塊。

節(jié)能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

      Silicon Labs的SoC解決方案為智能聯(lián)網(wǎng)電機帶來了無線連接功能，同時我們也為電機控制應(yīng)用提供了多種多樣的節(jié)能型MCU。

      對許多電機控制應(yīng)用來說，節(jié)能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU是一種理想的解決方案。它具有一個帶有DSP指令支持的高性能ARM Cortex M4 CPU和一個浮點運算單元(FPU)，包含2個帶有邊沿對齊或中心對齊脈沖寬度調(diào)制(PWM)的16位定時器，其中一個片上定時器具有死區(qū)插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通過增加一個EFR32MG1 Mighty Gecko無線SoC或一個MGM111 Mighty Gecko模塊以增加無線連接功能。

電機驅(qū)動器向高集成度和高性價比演進

      好的電機要滿足客戶的不同需求，有的客戶對電壓看重，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微步步進電機的應(yīng)用場合主要是位置傳感，可用于醫(yī)療注射泵，對藥的注射劑量要非常準確，但速度不一定快;有的重視性價比。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、價格更便宜，也相應(yīng)地提高了性價比。

      為了實現(xiàn)高集成度，ST正在做SiP(系統(tǒng)級封裝)。主要有兩種途徑。第一種途徑是把驅(qū)動器和功率芯片進行封裝集成，即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8個MOSFET，堪稱業(yè)界最先進的產(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(qū)動器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢之一是設(shè)計速度快，因為有STM32F0 MCU;二是集成度高，簡化了設(shè)計，節(jié)省了BOM(物料清單)。

      目前市場上只有基于ARM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列)，并沒有基于M3、M4的集成驅(qū)動產(chǎn)品，這是因為M3、M4針對更高端的應(yīng)用，但ST目前進軍的中低端大批量市場還不需要更高端驅(qū)動產(chǎn)品，例如電動工具等，過去是8位MCU，現(xiàn)在升級到基于32位的M0控制，已經(jīng)非常進步了。在中低端市場，M0性價比比M4高，可滿足從有傳感到無(位置)傳感，再到SoC控制等的需要。當然，后續(xù)會有集成M4的驅(qū)動器系列推出。

電機控制之機器人系統(tǒng)電源解決方案

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

      就電機控制系統(tǒng)而言，電源模塊可分為工作電源和驅(qū)動電源兩大類。工作電源提供穩(wěn)定的5V電壓供給MCU，間接作用于電機控制系統(tǒng);驅(qū)動電源一般功率較大，提供足夠動力直接作用于電機控制系統(tǒng)。電源模塊除供電功能外，最重要的還有提高系統(tǒng)可靠性的作用。電機控制系統(tǒng)的集成度越來越高，電機工作時噪聲干擾問題越來凸顯，因此部件小體積、信號隔離需求日益明顯。同時，針對有電池供電的系統(tǒng)，電池電壓波動范圍大，電源模塊可以提供穩(wěn)定的輸出電壓，高效率的電源模塊還有利于提高電池的續(xù)航能力。所以，在電機控制系統(tǒng)中電源模塊一般有供電、隔離、穩(wěn)壓、提升續(xù)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系統(tǒng)，電機作為傳動部件，可以完成某項任務(wù)，如掃地機器人輪子實現(xiàn)巡視功能、吸塵部件實現(xiàn)灰塵清理功能等。針對智能機器人多種電壓/功率以及應(yīng)用的需求，金升陽提供多種電源解決方案以滿足不同需求。

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