電機控制：節能、高效、精控將進(jìn)一步顯現

摘要：不久前，我國發(fā)布《中國制造2025》宏偉戰略，主題之一是智能工廠(chǎng)、智能制造將引領(lǐng)制造業(yè)的變革，因此對電機、伺服系統的需求將會(huì )大增，尤其是多軸控制和精確位置、電流控制的高端電機;同時(shí)，環(huán)保和節能/綠色能源是我國七大新興戰略型產(chǎn)業(yè)之一，而電機的能耗占用電設備的20%左右，因此，提高電機能效是我國可持續發(fā)展的一場(chǎng)持久戰。本文通過(guò)采訪(fǎng)電機控制技術(shù)領(lǐng)域的強勢公司，解讀當下電機控制技術(shù)發(fā)展趨勢。

高效電機推廣的成果與挑戰

　　IHS發(fā)布的“2014年中國低壓電機市場(chǎng)報告”顯示，受益于補貼高效電機與強制淘汰低效電機的政策，2014年二級能效(GB2/IE3)等級低壓電機呈現了爆發(fā)性的增長(cháng)趨勢，市場(chǎng)份額從2013年的5%一躍升至13%，而低效的IE1電機的市場(chǎng)份額從57%跌落至38%。然而，IHS調研顯示目前高效的二級能效(GB2/IE3)份額距離“全國電機能效提升計劃”設定的2015年50%低壓電機達到高效(GB2/IE3)能效標準還存在一定的距離。此外，高效電機的深入推廣面臨諸如“假冒”高效電機、補貼流程繁復等亟待解決的問(wèn)題與挑戰。

不斷縮小與全球高效電機水平的差距

　　我國高效電機(GB2/IE3)所占市場(chǎng)份額與全球高效電機市場(chǎng)相比存在著(zhù)一定的差距，這一差距隨著(zhù)高效電機大力推廣而不斷縮小。IHS數據顯示，2013年全球高效電機(GB2/IE3)占20%的市場(chǎng)份額，我國同等級電機的市場(chǎng)份額僅為5%(如圖1)。自政府2013年底提高補貼電機能效要求三級能效(GB3/IE2)到二級能效(GB2/IE3)，2014年我國高效電機的市場(chǎng)份額升至13.5%，與全球高效電機水平之間的差距正逐步縮小。

　　IHS工業(yè)自動(dòng)化分析師朱俊卿表示：長(cháng)遠看，我國高效電機的進(jìn)一步普及是不可逆轉的趨勢。這在受市場(chǎng)機制逐步淘汰低效電機作用的同時(shí)，更依賴(lài)于政府的行政監管淘汰低效電機與財政補貼高效電機的政策。我國計劃于2016年開(kāi)始普及推廣更高效的一級能效(GB1/IE4)電機。截止2018年，IHS預測我國GB3/IE2低壓電機將成為市場(chǎng)的主流能效等級，占近59%的市場(chǎng)份額，緊接著(zhù)是GB2/IE3電機，市場(chǎng)占有率超過(guò)31%。此外，除節能高效的低壓電機的推廣外，高壓電機也是高效電機補貼與推廣的領(lǐng)域之一。盡管高壓電機因其本身的能效效率比較高，能效提升的空間相對于低壓電機較為有限，節能高效也是高壓電機的長(cháng)期發(fā)展的一個(gè)趨勢。

TI：電機未來(lái)需要更高的效率，更強的可靠性和更廣的應用范圍

　　電機未來(lái)的發(fā)展方向是更高的效率，更強的可靠性和更廣的應用范圍。無(wú)刷直流電機(BLDC motor)可以滿(mǎn)足上述特性與要求，我們看到，現在在很多應用中BLDC逐步開(kāi)始取代交流電機、有刷電機甚至于步進(jìn)電機。電機驅動(dòng)解決方案的集成度越將會(huì )來(lái)越高，有片上集成電機控制算法，門(mén)驅電路，復雜的片上保護電路，針對小功率的應用甚至MOS管也可以集成進(jìn)去。通常來(lái)講，BLDC的控制比較復雜，需要的資源較多，尤其是如果為了實(shí)現復雜的FOC控制，可能越要很多控制器資源，所以DSP會(huì )比較合適。TI的C2000系列DSP搭配上DRV830x系列電機門(mén)驅動(dòng)器即提供了一個(gè)很高性能的電機解決方案。對于其他相對簡(jiǎn)單的電機，資源相對弱一點(diǎn)的MCU通?？梢詽M(mǎn)足基本需求。

　　TI的InstaSPIN算法可以自動(dòng)監測電機參數，通過(guò)FOC可達到從算法到電機整體運轉效率的提升。

　　德州儀器(TI)中國區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉，散熱主要通過(guò)兩方面來(lái)解決：

　　一個(gè)是盡量降低驅動(dòng)端的內阻，對于小功率的電機可以采用內置MOS的方案。對于大功率的電機通常應該采用外置MOS來(lái)盡量降低內阻和芯片內的溫度;

　　第二個(gè)是通過(guò)layout優(yōu)化布線(xiàn)，從而使整個(gè)板子的散熱性能達到最優(yōu)。

ADI：精確的位置控制及電流控制已成為了新的需求

　　在新一代的電機制造業(yè)中，高效是技術(shù)發(fā)展的明確趨勢。但越來(lái)越多的應用和領(lǐng)域對于電機控制的要求已不僅僅停留在滿(mǎn)足節能要求的通用變頻器及速度控制上，精確的位置控制及電流控制已成為了新的需求。

　　在不遠的將來(lái)，工業(yè)智能化是需要雙向互動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò )通訊與智能化傳感技術(shù)的發(fā)展將會(huì )促進(jìn)工業(yè)控制的智能化發(fā)展，智能化和網(wǎng)絡(luò )化將成為電機控制行業(yè)，乃至整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的核心發(fā)展趨勢。嚴格的，(我們應該講電機控制技術(shù))電機控制是一個(gè)相對成熟的工業(yè)應用，從技術(shù)層面以及用戶(hù)角度，不會(huì )有著(zhù)非?？焖俚淖兓?。除了上述的描述之外，我們可以看到，在國內有如下的一些新變化：

　　(1)ARM Cortex-M4F作為標準化的處理器平臺，越來(lái)越被國內客戶(hù)所接受，成為取代DSP的通用伺服控制器的平臺;

　　(2)MEMS(微機電傳感器)在電機控制上的應用，是當前討論的又一個(gè)話(huà)題。

　　ADI公司亞太區電機與電源控制行業(yè)市場(chǎng)部經(jīng)理于常濤：在MCU、DSP、FPGA或功率、模擬芯片方面，通用功能的DSP處理器的優(yōu)先級降低，針對通用伺服，ARM Cortex -M4F處理器越來(lái)越被廣泛應用。FPGA仍然是多軸系統以及實(shí)現實(shí)時(shí)以太網(wǎng)功能的首選方案。

　　散熱是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，更多地應該從機械結構上考慮。但是，從硬件設計角度看，降低功率模塊的損耗，無(wú)疑是一個(gè)方案。噪聲同樣是一個(gè)系統問(wèn)題，不是某一個(gè)芯片產(chǎn)品就可以解決的。