電機控制“需求”與“發(fā)展”的愛(ài)情長(cháng)跑

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。

　　金升陽(yáng)DC-DC寬壓電源模塊產(chǎn)品特點(diǎn)：

　　● 寬輸入電壓范圍，適合電池供電場(chǎng)合。適應變化的電池電壓，輸出電壓穩定;

　　● 多種輸出電壓可選，適用于不同工作模塊;

　　● 多種隔離電壓可選，隔離電機噪聲干擾，減少對系統其他敏感器件的干擾;

　　金升陽(yáng)AC-DC電源模塊特點(diǎn)：

　　● 直接取市電，安全隔離;

　　● 認證齊全，推廣不受?chē)覅^域限制;

　　● 1-120W功率可選，為系統提供足夠動(dòng)力;

　　● EMC特性好，能適應不同電磁環(huán)境正常工作。

　　參考文獻：

　　[1]王瑩.電機驅動(dòng)走向高效節能[J].電子產(chǎn)品世界,2013(9):12-14.

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第14頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。