電機控制“需求”與“發(fā)展”的愛(ài)情長(cháng)跑

作者 王瑩 王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：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，邀請業(yè)內知名廠(chǎng)商及專(zhuān)業(yè)人士做了相關(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。