工業(yè)4.0大背景下的電機控制

　　工業(yè)4.0(Industry 4.0)是德國政府《高技術(shù)戰略2020》確定的項目之一，該項目旨在通過(guò)利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將制造業(yè)向智能化轉型，工業(yè)4.0已上升為德國的國家戰略。“工業(yè)4.0”分為兩大主題，一是“智能工廠(chǎng)”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò )化分布式生產(chǎn)設施的實(shí)現，意味著(zhù)設備之間可以相互溝通，并能在智能聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)流程中獨立運作;二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應用等。

　　IHS公司高級分析師周萬(wàn)木指出，德國提出工業(yè)4.0， 美國提出先進(jìn)制造業(yè)國家戰略計劃，我國也在推進(jìn)傳統制造業(yè)的轉型與升級，在這樣的大背景下，傳統的電機和電機控制行業(yè)也正在發(fā)生變化，對電機控制芯片也提出了新的需求。分析師周萬(wàn)木認為主要的趨勢包括以下三個(gè)方面：

　　分布式電機控制系統與集成的電機控制產(chǎn)品趨勢

　　單獨的機械設備中電機的軸數正變得更多，多軸控制越來(lái)越多的應用在包裝機械、電子組裝機械、食品飲料機械， 機械手和印刷機械中。為了滿(mǎn)足小批量，定制化和柔性化的加工需求，客戶(hù)需要靈活的調整電機控制的軸數，要求電機控制系統更加開(kāi)放，可以重復編程。

　　另外，現代工廠(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)正變得越來(lái)越復雜，比如汽車(chē)制造，包裝，食品飲料，倉儲物流等產(chǎn)線(xiàn)正在使用成百上千個(gè)變頻器、伺服和電機來(lái)控制物料流動(dòng)， 這些產(chǎn)線(xiàn)對分布式電機控制系統需求量比較大。以前的電機控制系統會(huì )有個(gè)中央電氣控制柜安裝電機驅動(dòng)器，而分布式電機控制系統可提供一套緊湊的模塊化解決方案，有助于簡(jiǎn)化接線(xiàn)、縮短調試時(shí)間和降低對額外機柜空間的需求，更少的線(xiàn)纜連接也可以減少干擾，提高生產(chǎn)線(xiàn)的可靠性，無(wú)需使用電氣控制柜使得電機可以快速連接到工業(yè)以太網(wǎng)。

　　電機控制系統的分布式同時(shí)意味著(zhù)電機控制產(chǎn)品的集成化， 比如電機和電機驅動(dòng)的集成，電機控制器和PLC的集成，電機控制器和驅動(dòng)的集成。電機，電機驅動(dòng)及其控制系統的高度集成化，使得三者的設計，制造和運行都緊密融為一體，與傳統電力傳動(dòng)系統相比，它們體積更小，重量更輕，功率密度更高。IHS公司高級分析師周萬(wàn)木提到，集成的概念不僅僅停留在電機，電機驅動(dòng)和電機控制器，還包括整個(gè)電機系統的集成。 西門(mén)子公司正在推廣IDS(Integrated Drive System)集成驅動(dòng)系統包括兩個(gè)層面，第一個(gè)層面是橫向集成，包括電機控制器，電機驅動(dòng)，電機和減速機的集成;第二個(gè)層面是縱向集成，是將電機系統納入到整個(gè)工業(yè)控制系統，也叫TIA(Totally Integrated Automation Portal)。

　　電機控制的集成化趨勢使客戶(hù)對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來(lái)越高，同時(shí)要求半導體芯片廠(chǎng)商也能提供集成的解決方案，在單顆芯片中集成更多的功能，I/O，驅動(dòng)，控制算法以及工業(yè)以太網(wǎng)模塊等。

　　智能化、網(wǎng)絡(luò )化和遠程控制趨勢

　　整個(gè)電機控制系統的智能化、網(wǎng)絡(luò )化和遠程控制將是大勢所趨。電機控制系統不但是轉換和傳送能量的裝置，也是傳遞和交換信息的通道，未來(lái)的工業(yè)電機系統不僅僅是一個(gè)執行機構，同時(shí)也會(huì )是整個(gè)工廠(chǎng)系統的一個(gè)有機組成部分和能源使用監控點(diǎn)。IHS公司高級分析師周萬(wàn)木舉例說(shuō)，比如西門(mén)子，ABB生產(chǎn)的一些電機，可以自動(dòng)的采集和記錄電機內的電壓，電流，溫升，振動(dòng)等狀態(tài)變化，并通過(guò)以太網(wǎng)將數據實(shí)時(shí)的送到控制中心，以供對電機的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測和故障診斷，使操作員無(wú)論身在何處均可訪(fǎng)問(wèn)參數、狀態(tài)和診斷信息，并可進(jìn)行參數設置。

　　8位MCU因為價(jià)格便宜，性能穩定，應用范圍極為廣范，比如信號檢測，LED照明控制，電源轉換控制和BLDC電機控制，這些應用中8位MCU就已經(jīng)足夠。而電機系統自動(dòng)故障報警、遠程監控和遠程診斷調試等需求，將會(huì )使用越來(lái)越多的功能更多，處理能力更強的MCU、DSP和FPGA。8位MCU在變頻器控制、伺服電機控制、電力與能源監控， 越來(lái)越多的以太網(wǎng)應用等現代工業(yè)環(huán)境下遇到了瓶頸。另外，32位MCU價(jià)格在進(jìn)一步的走低，8位MCU和32位MCU的價(jià)格差異在縮小，所以未來(lái)的電機控制系統會(huì )用到越來(lái)越多的32位MCU。另外，遠程電機溫度檢測、異常震動(dòng)檢測和電流電壓監測等需求將會(huì )為模擬芯片創(chuàng )造更多的市場(chǎng)機會(huì )。

　　電機系統節能趨勢

　　電機系統節能也是大勢所趨。為提升能效等級，工信部今年6月份公布了電機能效提升計劃(2013-2015年)，到2015年，實(shí)現電機產(chǎn)品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動(dòng)機產(chǎn)品、40%的高壓電動(dòng)機產(chǎn)品達到高效電機能效標準規范;累計推廣高效電機1.7億千瓦，淘汰在用低效電機1.6億千瓦，實(shí)施電機系統節能技改1億千瓦，實(shí)施淘汰電機高效再制造2000萬(wàn)千瓦。

　　但是僅僅用高效電機替換普通電機對整個(gè)電機系統的節能效果提升并不明顯，整個(gè)電機系統的節能才是真正的節能。因此，變頻器，伺服，逆變器和專(zhuān)用電機驅動(dòng)大量用在風(fēng)機、泵、壓縮機、升降機、電焊機、電動(dòng)車(chē)電機、空調壓縮機、洗衣機電機和冰箱壓縮機中。變頻器是電機系統節能的主力，節能主要表現在風(fēng)機、泵類(lèi)的應用上，采用變頻器后, 可以通過(guò)降低供電頻率來(lái)降低泵或風(fēng)機的轉速, 隨 著(zhù)轉速的降低, 功率會(huì )快速下降。 同時(shí)變頻器通常采用交-直-交變頻供電的方式, 交流異步電機吸收滯后的無(wú)功功率, 通過(guò)變頻器供電, 對電網(wǎng)而言, 功率因數也有了一定提高, 總體上節約了一部分電網(wǎng)輸電過(guò)程中損耗的 電能。

　　而變頻器，伺服驅動(dòng)，逆變器和專(zhuān)用控制器中的IPM模塊，IGBT和MOSFET對節能降耗起到關(guān)鍵性作用。 客戶(hù)對這些功率器件要求也越來(lái)越多，比如要求更低的產(chǎn)品成本、更緊湊的封裝尺寸、更好的散熱性能，對功率器件的多樣化也提出要求，比如低功耗器件、緊湊設計的大功率器件、低壓大功率器件、大電流高電壓器件等等 。