電機控制在白色家電、工業(yè)控制以及汽車電子中的發(fā)展與動向

摘要：本文針對家電、工業(yè)以及汽車三大領域中的電機控制的發(fā)展趨勢以及相關重要模塊的發(fā)展趨勢，邀請相關專業(yè)廠商做了專業(yè)的介紹，并就當下的發(fā)展趨勢介紹了專業(yè)廠商的解決方案。

電機控制市場分析

　　2015年全球運動控制市場下滑超過10%

　　IHS最新發(fā)布的2016年全球運動控制市場研究報告顯示，2014年的良好增長勢頭未能在2015年延續(xù)，全球運動控制硬件市場在2015年遭遇強烈震蕩，與2014年同期相比，市場下滑10.6%，規(guī)模約104億美金。

 從區(qū)域市場看，2015年，歐元與日元的大幅貶值，導致了歐洲及日本市場以美元計的銷售額分別下滑13.7%及10.8%。中國經濟轉型期的經濟增速放緩、機械行業(yè)投資大幅減少，與其緊密相關的韓國以及臺灣市場也受到沖擊，亞太整體市場表現低迷，銷售同比下滑11.8%。美洲市場基本與2014年持平，但通用運動控制與數控產品表現各異，前者增長5.2%，數控產品受低迷的機床行業(yè)影響下降15.3%。

　　從下游行業(yè)看，據IHS估算，2015年機床(金屬切削機床、金屬成形機床)超運動控制銷售額的40%。IHS季度機械行業(yè)追蹤數據顯示，機床行業(yè)在連續(xù)兩年增長后，2015年出現下滑，特別是在亞太及美國市場，機床行業(yè)大幅下滑。金屬切削及成形機床均在2015年出現兩位數下滑，嚴重沖擊運動控制市場需求。美國機床行業(yè)同樣遭遇寒冬，行業(yè)數據顯示，2015年機床行業(yè)訂單比2014年減少17.4%。

　　預計2015-2020年期間全球運動控市場年復合增長趨勢為3.3%

　　不考慮匯率變化因素，IHS預計2016年運動控制市場基本與上年持平，通用運動控制產品增長而數控市場略有下滑;市場整體預計于2017年恢復增長，其中亞太市場增速最快，2015年 到2020年期間年均增長3.6%。

　　IHS預計機床行業(yè)在2016延續(xù)下行態(tài)勢，中長期保持低速增長，2015至2020年年均增長率約1.9%。下游市場的工業(yè)機器人行業(yè)迎來爆發(fā)式增長期，IHS最新發(fā)布的工業(yè)機器人市場研究報告顯示，2015年至2020年全球工業(yè)機器人市場的年復合增長率高達18.9%。作為機器人核心部件的運動控制產品將受益，預計年均增速高達12.6%，是運動控制行業(yè)增速最快的下游行業(yè)。

白色家電中的電機控制

　　高效電機控制需要逆變器的協同發(fā)展

　　逆變器的控制技術與電機的發(fā)展一起在不斷進步。想要提升節(jié)能效率，單靠電機是無法實現的，還需要與驅動相適應的矢量控制(FOC)和使用了低功耗元器件的逆變器。2009年，搭載了當時作為新理念和新技術的磁化狀態(tài)可變的“可變磁通電機”的洗衣機開始了實際應用，并開始銷售。這樣一來，無需進行矢量控制的弱磁控制即可實現高效率的可變速控制。之后，能夠滿足變速運轉范圍擴大和高效率運轉范圍擴大需求的“特性可變控制”的開發(fā)案例相繼問世，新一代控制技術的發(fā)展備受矚目。

　　在這樣的技術趨勢下，現在ROHM正在不斷努力將BLDC電機的高效率驅動控制算法盡可能地進行硬件邏輯化，從而讓功率電子的相關技術人員能夠輕松使用。作為解決方案的一個例子，ROHM已經建立起了能夠對AC/DC(含PFC)、DC/DC、逆變器(正弦波自動進角控制)的換流器/逆變器進行系統提案的體制。ROHM同時也在進行FOC等控制算法的軟件開發(fā)，今后計劃將根據各種不同的應用方向進行提案。

　　在封裝與散熱方面，為了提高有高通用性標準封裝的功率密度(電力/容積)，在作為基本構成要素的高熱傳導封裝材料、LSI回路、功率元器件的低損耗化方面進行最優(yōu)化的散熱設計。另外，還可以針對客戶基板提供ROHM獨有的散熱解決方案服務。

　　為了實現小型化和高可靠性，需要進行一體化整合，例如通過使用像IPM這樣的構造來提升保護功能，提高安全性。最終還需要對電容器、電感等無源器件進行小型化。另一方面，為了滿足低價格要求，由LSI(柵極驅動器)和分立器件(IGBT、MOS)所組成的解決方案也是比較有效的。

 電機控制對MCU的要求

　　我們正在目睹電動工具類應用從交流(AC)電機向無刷直流電機(BLDC)轉移，例如電鉆頭、電鋸和割草機等產品。通常，為專業(yè)人員和消費者開發(fā)電動工具的這類客戶并不具備電機控制軟件知識，因此他們依靠MCU供應商來提供電機控制固件。我們也看到了對更高性能電機控制的更多新需求，如用于無人駕駛直升機和電扇等新興使用案例的正弦波(Sine Wave)控制和磁場定向控制(FOC)。

　　作為一家為工業(yè)應用提供8位MCU的領先供應商，Silicon Labs為諸如數碼照相機和電動自行車等電池供電型應用提供電池管理系統(BMS)技術。支持這些應用的MCU必須具備非常低的待機電流以及一個非常精確的模數轉換器(ADC)和片上基準電壓。

　　Silicon Labs的EFM8系列為我們的客戶提供了優(yōu)異性能和簡易性，從而滿足了他們的需求。在性能方面，Silicon Labs提供高達72 MIPS的快速處理能力、快速數字外設和出眾的模擬外設，例如信噪比(SNR)大于300的電容式感應控制器，以及一個高分辨率模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。Silicon Labs的EFM8器件上提供的交叉式內存控制器架構(crossbar architecture)，可以簡化電路板設計，同時在非常小的封裝中提供了靈活性。

工業(yè)控制中的電機控制

 電機的控制器、隔離技術和相電流檢測技術指標

　　作為一家致力于技術創(chuàng)新的半導體廠商，ADI的許多產品一直以來被廣泛應用于電機控制領域。 ADI電機控制方案的核心競爭力突出表現在控制器、隔離技術、相電流檢測及IGBT門級驅動等多方面。

　　處理器平臺的選擇是伺服控制方案的核心因素，ADI的基于ARM Cortex-M4F內核的處理器ADSP-CM408具有M4F內核(主頻為240 MHz)和內部集成的SAR ADC，此外還集成多通道的SINC濾波器，這些特點集成了伺服控制所需要的核心性能，為客戶實現復雜、精確、快速的伺服控制提供了充分保證。

　　隔離技術是伺服控制系統的重要環(huán)節(jié)，目前市場中應用的隔離技術主要有光隔、容隔和磁隔。ADI在伺服控制系統中采用的是其擁有專利的iCoupler磁隔離技術。磁隔離技術的主要優(yōu)勢包括速率高、體積小、集成度高和使用壽命長等。

　　對于相電流檢測部分，ADI有隔離型Σ-Δ調制器AD740X。目前市場應用中，中小功率等級應用的電流檢測通常采用采樣電阻采集電流。因ADI處理器集成了SINC濾波器，AD740X與ADI處理器結合，可完美解決伺服控制中最核心的電流環(huán)路控制。對于大功率應用，通常采用Hall元件+ADC的方式，ADI處理器集成的SAR ADC與Hall元件搭配，同樣非常具有優(yōu)勢。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第6期第8頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。