电机控制:节能、高效、精控将进一步显现

发布时间:2015-11-25 11:23    发布者:designapp
关键词: 电机控制 , 节能 , 高效率 , 精控
摘要:不久前,我国发布《中国制造2025》宏伟战略,主题之一是智能工厂、智能制造将引领制造业的变革,因此对电机、伺服系统的需求将会大增,尤其是多轴控制和精确位置、电流控制的高端电机;同时,环保和节能/绿色能源是我国七大新兴战略型产业之一,而电机的能耗占用电设备的20%左右,因此,提高电机能效是我国可持续发展的一场持久战。本文通过采访电机控制技术领域的强势公司,解读当下电机控制技术发展趋势。

高效电机推广的成果与挑战

IHS发布的“2014年中国低压电机市场报告”显示,受益于补贴高效电机与强制淘汰低效电机的政策,2014年二级能效(GB2/IE3)等级低压电机呈现了爆发性的增长趋势,市场份额从2013年的5%一跃升至13%,而低效的IE1电机的市场份额从57%跌落至38%。然而,IHS调研显示目前高效的二级能效(GB2/IE3)份额距离“全国电机能效提升计划”设定的2015年50%低压电机达到高效(GB2/IE3)能效标准还存在一定的距离。此外,高效电机的深入推广面临诸如“假冒”高效电机、补贴流程繁复等亟待解决的问题与挑战。



不断缩小与全球高效电机水平的差距

我国高效电机(GB2/IE3)所占市场份额与全球高效电机市场相比存在着一定的差距,这一差距随着高效电机大力推广而不断缩小。IHS数据显示,2013年全球高效电机(GB2/IE3)占20%的市场份额,我国同等级电机的市场份额仅为5%(如图1)。自政府2013年底提高补贴电机能效要求三级能效(GB3/IE2)到二级能效(GB2/IE3),2014年我国高效电机的市场份额升至13.5%,与全球高效电机水平之间的差距正逐步缩小。



IHS工业自动化分析师朱俊卿表示:长远看,我国高效电机的进一步普及是不可逆转的趋势。这在受市场机制逐步淘汰低效电机作用的同时,更依赖于政府的行政监管淘汰低效电机与财政补贴高效电机的政策。我国计划于2016年开始普及推广更高效的一级能效(GB1/IE4)电机。截止2018年,IHS预测我国GB3/IE2低压电机将成为市场的主流能效等级,占近59%的市场份额,紧接着是GB2/IE3电机,市场占有率超过31%。此外,除节能高效的低压电机的推广外,高压电机也是高效电机补贴与推广的领域之一。尽管高压电机因其本身的能效效率比较高,能效提升的空间相对于低压电机较为有限,节能高效也是高压电机的长期发展的一个趋势。



TI:电机未来需要更高的效率,更强的可靠性和更广的应用范围

电机未来的发展方向是更高的效率,更强的可靠性和更广的应用范围。无刷直流电机(BLDC motor)可以满足上述特性与要求,我们看到,现在在很多应用中BLDC逐步开始取代交流电机、有刷电机甚至于步进电机。电机驱动解决方案的集成度越将会来越高,有片上集成电机控制算法,门驱电路,复杂的片上保护电路,针对小功率的应用甚至MOS管也可以集成进去。通常来讲,BLDC的控制比较复杂,需要的资源较多,尤其是如果为了实现复杂的FOC控制,可能越要很多控制器资源,所以DSP会比较合适。TI的C2000系列DSP搭配上DRV830x系列电机门驱动器即提供了一个很高性能的电机解决方案。对于其他相对简单的电机,资源相对弱一点的MCU通常可以满足基本需求。

TI的InstaSPIN算法可以自动监测电机参数,通过FOC可达到从算法到电机整体运转效率的提升。

德州仪器(TI)中国区市场开发高性能模拟产品业务拓展经理信本伟,散热主要通过两方面来解决:



一个是尽量降低驱动端的内阻,对于小功率的电机可以采用内置MOS的方案。对于大功率的电机通常应该采用外置MOS来尽量降低内阻和芯片内的温度;

第二个是通过layout优化布线,从而使整个板子的散热性能达到最优。

ADI:精确的位置控制及电流控制已成为了新的需求

在新一代的电机制造业中,高效是技术发展的明确趋势。但越来越多的应用和领域对于电机控制的要求已不仅仅停留在满足节能要求的通用变频器及速度控制上,精确的位置控制及电流控制已成为了新的需求。



在不远的将来,工业智能化是需要双向互动的,网络通讯与智能化传感技术的发展将会促进工业控制的智能化发展,智能化和网络化将成为电机控制行业,乃至整个工业自动化市场的核心发展趋势。严格的,(我们应该讲电机控制技术)电机控制是一个相对成熟的工业应用,从技术层面以及用户角度,不会有着非常快速的变化。除了上述的描述之外,我们可以看到,在国内有如下的一些新变化:

(1)ARM Cortex-M4F作为标准化的处理器平台,越来越被国内客户所接受,成为取代DSP的通用伺服控制器的平台;

(2)MEMS(微机电传感器)在电机控制上的应用,是当前讨论的又一个话题。

ADI公司亚太区电机与电源控制行业市场部经理于常涛:在MCU、DSP、FPGA或功率、模拟芯片方面,通用功能的DSP处理器的优先级降低,针对通用伺服,ARM Cortex -M4F处理器越来越被广泛应用。FPGA仍然是多轴系统以及实现实时以太网功能的首选方案。

散热是一个技术难点,更多地应该从机械结构上考虑。但是,从硬件设计角度看,降低功率模块的损耗,无疑是一个方案。噪声同样是一个系统问题,不是某一个芯片产品就可以解决的。
                                
瑞萨:散热和噪声问题会在将来被很好的解决

对应嵌入了电动机运动控制算法程序的芯片,我认为具有两个发展趋势:一方面,要在原来数字控制的基础上,集成模拟器件单元(包括运算放大器比较器),甚至小功率驱动单元(例如Power MOSFET);另一方面,电动机运动控制算法从软件变化为固件,固化到芯片中。

从运动控制算法的角度来讲,要在通用的算法基础上,针对拖动和伺服等不同领域,开发匹配客户规格的响应的子方案。对于通用算法,要求适应不同的输出能力和输入电源,在鲁棒性、最优控制方面达到最佳平衡点,适应不同参数的电动机的驱动。而子方案的开发,要强调客户体验,做好需求分析,最终做到零误差匹配客户的规格。子方案的开发即目前产品的延伸产品,它是一种服务,一种软方案。只有这样,才能解决客户的问题,最终形成有市场需求的方案、产品。



从功率器件的角度来讲,目前主要的单元器件是功率MOSFET和IGBT。对应三相电动机的驱动,这类产品有一个明确的发展趋势:即向智能功率模块的方向发展。模块集成了全桥驱动的主回路、功率器件的驱动电路(负责建立微控制器产品的输出与功率器件控制极的输入之间的接口)、保护电路、温度监控电路等。这样的产品让客户的硬件设计和软件设计更加简洁、更加可靠。另一方面,随着电力电子技术的发展,功率器件的损耗越来越低、开关速度越来越高、通流能力和过载能力越来越强、体积越来越小以及制造成本不断下降都展示了业界良性发展的前景。

瑞萨电子通用解决方案中心统括经理汪韧冬:基于上述发展趋势,电动机控制的难题:散热和噪声问题会随之得到更好的解决。

在家电领域,基于瑞萨RX600系列MCU,配以先进FOC算法,开发出最新的变频洗衣机解决方案。拥有更节能高效以及安静等技术优势,从设计到购买,致力于以一站式的服务来解决客户的难题。

ST:电机控制需要更好的控制、功率和模拟芯片

电机控制技术正在向智能化、网络化、集成化、节能化趋势发展,以前粗犷的控制技术正面临淘汰边缘;随着技术提升,需要有更好的控制芯片、功率芯片、模拟芯片;在电机控制中可以包含控制芯片MCU、功率驱动芯片、功率芯片(MOS,IGBT),模拟芯片(LDO,运放等),在中小功率的控制中功率驱动以及功率芯片已经可以集成在一个IPM模块中,向小型化节能化发展。



意法半导体(ST)中国区微控制器市场部高级经理曹锦东:电机控制技术的升级要求有更快、功能更强大的控制芯片,当前 MCU 已经向主频更高、运算能力更强大的STM32F7 (ARM Cortex-M7内核) 200MHz以上主频迈进。电机核心控制实际是算法的优劣体现,也是所采用的控制芯片性能的体现;算法方面会更精简于中间变量的处理。

STM32 系列产品从入门级的STM32F0(ARM Cortex M0) 到至强性能的STM32F7(ARM Cortex-M7)将近600个型号,整个产品线全面覆盖电机的高中低端FOC矢量控制需要,不仅仅性能强大, 成本也更加亲民.



ST有完整的针对STM32F全系列的电机FOC 控制库, 同时矢量控制基础上增加最大电流扭矩以及弱磁控制可以有效利用电源,向节能化迈进一大步。

意法半导体工业及功率转换产品部区域战略项目工程中心和业务发展总监Allan LAGASCA称,ST有很多与电机控制IP相关的专利,这些专利也支持电机控制解决方案。ST提交了与超低速电机控制相关的专利申请,例如,HFI(高频注入),还提交了针对无刷直流电机磁铁结构的降噪专利申请。最新电机分析算法亮相CES消费电子展、嵌入式世界以及中国电机控制展等主要展会。营销口号是“插转一分钟搞定”,这个最新算法覆盖各种PMSM电机,该算法的智能水平很高,能够在无传感器模式下测量FOC电机控制所需的电参数和机械参数。这个创新的解决方案证明,意法半导体在电机控制方面拥有丰富的经验,能够研发切合实际的电机控制解决方案,让工程师能够加快研发周期,改进因电机变化和公差而导致的电机控制问题。
                                
安森美:电机驱动一直都朝着大功率、小封装和高集成的方向发展

电机驱动芯片一直都朝着大功率、小封装和高集成的方向发展,比如以散热风机无刷电机为例,最早是用霍尔原件配合一些分立器件来实现一些简单粗旷的功能,随着半导体技术的进步,推出了较高集成度的电机驱动专用芯片,和前面讲到的分立器件方案相比,功能更多更复杂,体积更小,功率密度更高;随后,集成度越来越高,且还在继续进步,诸如更高更精准控制、更多附加功能、可靠性保证、安规保证等都已经或即将被集成到一个电机驱动芯片上;再如目前大家所熟知的变频空调,冰箱和洗衣机压缩机电机驱动,高集成的DSP和智能功率模块IPM已经被广泛使用,甚至出现了二合一、三合一等更高集成度的智能功率模块。而且不久的将来,电机驱动芯片一定会具有更高集成度、更高功率密度和更强大的功能,甚至可能会出现不同于现在传统思路的新型解决方案。



安森美半导体系统方案部大中华及亚太区域营销经理余辉:安森美半导体的电机驱动芯片主要是通过数字加模拟电路实现;在芯片内部通过模拟控制实现精确的效果。散热问题是目前电机驱动高集成度形势下的一个难题,小体积及高功率密度与散热密切相关,目前的基本做法就是尽可能的减小芯片自身的发热量, 如提高工艺水平、 降低芯片内部的工作及静态损耗、采用开关电路替代线性降压等;噪音一般通过升频和180度正弦驱动,甚至增加磁场定向控制来解决。

参考文献:
[1]于鑫,王世臣,杨红梅.基于DSP的直流无刷电机智能控制系统设计[J]. 电子产品世界. 2013(01) :34-37
[2]尚壮壮.基于DE2开发板的直流电机控制系统的设计[J]. 电子产品世界. 2013(04) :60-61
[3]翟琨,陈平,葛文哲.小型倾转旋翼机的无刷直流电机驱动器设计[J]. 电子产品世界. 2013(06) :61-63
[4]王莹.电机驱动走向高效节能[J]. 电子产品世界. 2013(09) :13-14
[5]王龙,黄文新.异步发电机在风力发电中的应用[J]. 电子产品世界. 2013(09) :18-19
                                
                                                               
                                
               
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