電機控制：節(jié)能、高效、精控將進一步顯現(xiàn)

摘要：不久前，我國發(fā)布《中國制造2025》宏偉戰(zhàn)略，主題之一是智能工廠、智能制造將引領制造業(yè)的變革，因此對電機、伺服系統(tǒng)的需求將會大增，尤其是多軸控制和精確位置、電流控制的高端電機;同時，環(huán)保和節(jié)能/綠色能源是我國七大新興戰(zhàn)略型產業(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(xù)發(fā)展的一場持久戰(zhàn)。本文通過采訪電機控制技術領域的強勢公司，解讀當下電機控制技術發(fā)展趨勢。

高效電機推廣的成果與挑戰(zhàn)

　　IHS發(fā)布的“2014年中國低壓電機市場報告”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(xiàn)了爆發(fā)性的增長趨勢，市場份額從2013年的5%一躍升至13%，而低效的IE1電機的市場份額從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題與挑戰(zhàn)。

不斷縮小與全球高效電機水平的差距

　　我國高效電機(GB2/IE3)所占市場份額與全球高效電機市場相比存在著一定的差距，這一差距隨著高效電機大力推廣而不斷縮小。IHS數(shù)據(jù)顯示，2013年全球高效電機(GB2/IE3)占20%的市場份額，我國同等級電機的市場份額僅為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)自動化分析師朱俊卿表示：長遠看，我國高效電機的進一步普及是不可逆轉的趨勢。這在受市場機制逐步淘汰低效電機作用的同時，更依賴于政府的行政監(jiān)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的主流能效等級，占近59%的市場份額，緊接著是GB2/IE3電機，市場占有率超過31%。此外，除節(jié)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(jié)能高效也是高壓電機的長期發(fā)展的一個趨勢。

TI：電機未來需要更高的效率，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。無刷直流電機(BLDC motor)可以滿足上述特性與要求，我們看到，現(xiàn)在在很多應用中BLDC逐步開始取代交流電機、有刷電機甚至于步進電機。電機驅動解決方案的集成度越將會來越高，有片上集成電機控制算法，門驅電路，復雜的片上保護電路，針對小功率的應用甚至MOS管也可以集成進去。通常來講，BLDC的控制比較復雜，需要的資源較多，尤其是如果為了實現(xiàn)復雜的FOC控制，可能越要很多控制器資源，所以DSP會比較合適。TI的C2000系列DSP搭配上DRV830x系列電機門驅動器即提供了一個很高性能的電機解決方案。對于其他相對簡單的電機，資源相對弱一點的MCU通常可以滿足基本需求。

　　TI的InstaSPIN算法可以自動監(jiān)測電機參數(shù)，通過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(qū)市場開發(fā)高性能模擬產品業(yè)務拓展經理信本偉，散熱主要通過兩方面來解決：

　　一個是盡量降低驅動端的內阻，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來盡量降低內阻和芯片內的溫度;

　　第二個是通過layout優(yōu)化布線，從而使整個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，高效是技術發(fā)展的明確趨勢。但越來越多的應用和領域對于電機控制的要求已不僅僅停留在滿足節(jié)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，工業(yè)智能化是需要雙向互動的，網(wǎng)絡通訊與智能化傳感技術的發(fā)展將會促進工業(yè)控制的智能化發(fā)展，智能化和網(wǎng)絡化將成為電機控制行業(yè)，乃至整個工業(yè)自動化市場的核心發(fā)展趨勢。嚴格的，(我們應該講電機控制技術)電機控制是一個相對成熟的工業(yè)應用，從技術層面以及用戶角度，不會有著非?？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，越來越被國內客戶所接受，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話題。

　　ADI公司亞太區(qū)電機與電源控制行業(yè)市場部經理于常濤：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處理器越來越被廣泛應用。FPGA仍然是多軸系統(tǒng)以及實現(xiàn)實時以太網(wǎng)功能的首選方案。

　　散熱是一個技術難點，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，無疑是一個方案。噪聲同樣是一個系統(tǒng)問題，不是某一個芯片產品就可以解決的。