電機(jī)控制“需求”與“發(fā)展”的愛情長(zhǎng)跑

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制趨勢(shì)

　　羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心表示，除了要求安全、高效、控制性能好之外，數(shù)字化、集成化也成為電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化則包含了硬件與軟件兩方面，硬件即高速、高集成度、低成本的專用芯片。軟件則體現(xiàn)在電機(jī)控制方面，電機(jī)控制算法未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⒅卦诟咝阅艿霓D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制與在線辨識(shí)上。

　　集成化是指電機(jī)的集成和電力電子器件的集成，它包括電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成和開關(guān)器件、電路、控制、傳感器、電源等的集成。集成方案比傳統(tǒng)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(tǒng)方案更輕、更高能效及更可靠。

　　不同應(yīng)用對(duì)電機(jī)控制器的要求有很大的區(qū)別。目前市場(chǎng)上的控制器/驅(qū)動(dòng)器解決方案各有千秋，包括了針對(duì)特定簡(jiǎn)單應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)控制器/驅(qū)動(dòng)器以及采用外部緩沖柵極驅(qū)動(dòng)器和功率級(jí)的MCU、DSP和FPGA。

　　對(duì)于小型電機(jī)以及控制精度、反應(yīng)速度要求不高的應(yīng)用，專用芯片具有低成本、低功耗、控制簡(jiǎn)單、易上手等優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)要求苛刻的應(yīng)用，適合使用DSP、MCU和FPGA，可以增加其他系統(tǒng)管理功能，例如監(jiān)測(cè)電機(jī)參數(shù)和狀態(tài)，以及與主機(jī)系統(tǒng)的通信等。但是，DSP、MCU和FPGA需要外部柵級(jí)驅(qū)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(quán)衡了電機(jī)的效率和生產(chǎn)的成本基礎(chǔ)上選擇出來(lái)的方案，才是最適合的方案。

　　ROHM電機(jī)控制方案

　　隨著變頻器的變頻控制已越來(lái)越多地被使用到家電的空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等諸多白色家電的應(yīng)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(qū)動(dòng)和IPM)、BM622X系列等。同時(shí)，隨著工業(yè)4.0、無(wú)人機(jī)、智能機(jī)器人、汽車電子等市場(chǎng)的興起，ROHM也推出了相應(yīng)的控制芯片，比如車載級(jí)別的隔離Gate Driver，具有可編程SPI接口的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，快速反應(yīng)的三相有位置/無(wú)位置專用控制方案等。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能選擇電機(jī)

　　電機(jī)控制在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，因而趨勢(shì)也各不相同。不過(guò)，對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)以及逆變器設(shè)計(jì)和控制都在不斷改進(jìn)。

　　移除或至少縮小同步電機(jī)的磁件也是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。采用同步磁阻電機(jī)可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它們基本上是沒有磁件的永磁同步電機(jī)(PMSM)。由于沒有磁件，控制起來(lái)比較困難，好處是降低了成本，提高了滿負(fù)載范圍內(nèi)的效率。

　　在汽車領(lǐng)域和消費(fèi)類產(chǎn)品中還有一大趨勢(shì)就是集成。比如，將FET驅(qū)動(dòng)器和MCU/DSP組合于一個(gè)封裝內(nèi)。這樣可以縮小PCB面積，從而輕易地將電路板安裝至電機(jī)背面。

　　選擇的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵取決于設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)什么功能，電機(jī)在系統(tǒng)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(jī)頗受歡迎，究其原因，主要是外形小和輸出轉(zhuǎn)矩大。由于PMSM運(yùn)行更平穩(wěn)、更安靜，而且效率更高，取代BLDC已成為一種趨勢(shì)。因此，汽車中電機(jī)幾乎都將采用無(wú)傳感器場(chǎng)定向控制(FOC)或PMSM。

　　Microchip的數(shù)字信號(hào)控制器

　　Microchip推出適用于電機(jī)控制的dsPIC? 數(shù)字信號(hào)控制器時(shí)，我們關(guān)注的是需要更高性能來(lái)完成復(fù)雜計(jì)算的應(yīng)用。正如前面所述，提高效率，降低成本和體積是大勢(shì)所趨。利用采用無(wú)傳感器FOC的PMSM可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但前提是MCU/DSP具有足夠的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。dsPIC33EP系列就是這些擁有強(qiáng)大運(yùn)算能力的器件中極具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。并且，集成智能PWM和模擬外設(shè)，減少了外部元件，從而因縮減物料清單而降低成本。

電機(jī)控制對(duì)無(wú)線連接的需求

　　我們看到物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)正在快速地增長(zhǎng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了對(duì)低功耗微控制器(MCU)和無(wú)線系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前，很多電機(jī)控制應(yīng)用并不具備很好的連接性。我們可以看到一種趨勢(shì)：很多電機(jī)控制應(yīng)用正在增加無(wú)線連接功能以用于控制和監(jiān)控。這對(duì)于電機(jī)控制來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要的改變。這一趨勢(shì)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(duì)緩慢一些。

　　考慮到電機(jī)控制的連接性，集成式電機(jī)控制MCU成為一種較好的選擇。根據(jù)電機(jī)控制應(yīng)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)線連接電機(jī)。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一個(gè)MCU用于電機(jī)控制，另一個(gè)無(wú)線SoC則提供無(wú)線連接功能，即雙芯片解決方案，在這種情況下，選擇電機(jī)控制MCU可以僅僅基于其運(yùn)行電機(jī)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(jī)控制MCU的選擇。對(duì)于那些對(duì)成本非常敏感的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有可能使用同一個(gè)無(wú)線SoC將電機(jī)控制和無(wú)線連接集成到一起。有一種簡(jiǎn)單的方法可以為電機(jī)控制設(shè)計(jì)增加RF連接功能，即在現(xiàn)有的電機(jī)控制板上增加一個(gè)無(wú)線模塊。

　　節(jié)能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

　　Silicon Labs的SoC解決方案為智能聯(lián)網(wǎng)電機(jī)帶來(lái)了無(wú)線連接功能，同時(shí)我們也為電機(jī)控制應(yīng)用提供了多種多樣的節(jié)能型MCU。

　　對(duì)許多電機(jī)控制應(yīng)用來(lái)說(shuō)，節(jié)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(yùn)算單元(FPU)，包含2個(gè)帶有邊沿對(duì)齊或中心對(duì)齊脈沖寬度調(diào)制(PWM)的16位定時(shí)器，其中一個(gè)片上定時(shí)器具有死區(qū)插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通過(guò)增加一個(gè)EFR32MG1 Mighty Gecko無(wú)線SoC或一個(gè)MGM111 Mighty Gecko模塊以增加無(wú)線連接功能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器向高集成度和高性價(jià)比演進(jìn)

　　好的電機(jī)要滿足客戶的不同需求，有的客戶對(duì)電壓看重，例如要低至1.5V的電壓;有的對(duì)體積或散熱等看重;有的重視精度，例如256微步步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合主要是位置傳感，可用于醫(yī)療注射泵，對(duì)藥的注射劑量要非常準(zhǔn)確，但速度不一定快;有的重視性價(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(yīng)地提高了性價(jià)比。

　　為了實(shí)現(xiàn)高集成度，ST正在做SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝)。主要有兩種途徑。第一種途徑是把驅(qū)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，堪稱業(yè)界最先進(jìn)的產(chǎn)品，主要因?yàn)樾阅苤笜?biāo)高：85V，5~10A，封裝很薄(因此散熱好)。另一種途徑是“驅(qū)動(dòng)器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢(shì)之一是設(shè)計(jì)速度快，因?yàn)橛蠸TM32F0 MCU;二是集成度高，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，節(jié)省了BOM(物料清單)。

　　目前市場(chǎng)上只有基于ARM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列)，并沒有基于M3、M4的集成驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，這是因?yàn)镸3、M4針對(duì)更高端的應(yīng)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(qū)動(dòng)產(chǎn)品，例如電動(dòng)工具等，過(guò)去是8位MCU，現(xiàn)在升級(jí)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性價(jià)比比M4高，可滿足從有傳感到無(wú)(位置)傳感，再到SoC控制等的需要。當(dāng)然，后續(xù)會(huì)有集成M4的驅(qū)動(dòng)器系列推出。

電機(jī)控制之機(jī)器人系統(tǒng)電源解決方案

　　電機(jī)控制是絕大多數(shù)工控設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)里的核心之一。其用途細(xì)到玩具、家用電器，廣到自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等。電源模塊，作為系統(tǒng)供電的主要器件，為電機(jī)控制的發(fā)展注入“源”動(dòng)力。

　　就電機(jī)控制系統(tǒng)而言，電源模塊可分為工作電源和驅(qū)動(dòng)電源兩大類。工作電源提供穩(wěn)定的5V電壓供給MCU，間接作用于電機(jī)控制系統(tǒng);驅(qū)動(dòng)電源一般功率較大，提供足夠動(dòng)力直接作用于電機(jī)控制系統(tǒng)。電源模塊除供電功能外，最重要的還有提高系統(tǒng)可靠性的作用。電機(jī)控制系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，電機(jī)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(hào)隔離需求日益明顯。同時(shí)，針對(duì)有電池供電的系統(tǒng)，電池電壓波動(dòng)范圍大，電源模塊可以提供穩(wěn)定的輸出電壓，高效率的電源模塊還有利于提高電池的續(xù)航能力。所以，在電機(jī)控制系統(tǒng)中電源模塊一般有供電、隔離、穩(wěn)壓、提升續(xù)航能力等功能，是不可或缺的配套器件。

　　當(dāng)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(jī)器人行業(yè)火熱發(fā)展，如倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人、物流機(jī)器人、掃地機(jī)器人等。智能機(jī)器人中包含電機(jī)控制和電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)作為傳動(dòng)部件，可以完成某項(xiàng)任務(wù)，如掃地機(jī)器人輪子實(shí)現(xiàn)巡視功能、吸塵部件實(shí)現(xiàn)灰塵清理功能等。針對(duì)智能機(jī)器人多種電壓/功率以及應(yīng)用的需求，金升陽(yáng)提供多種電源解決方案以滿足不同需求。

　　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(yīng)變化的電池電壓，輸出電壓穩(wěn)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(jī)噪聲干擾，減少對(duì)系統(tǒng)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(rèn)證齊全，推廣不受國(guó)家區(qū)域限制;

　　● 1-120W功率可選，為系統(tǒng)提供足夠動(dòng)力;

　　● EMC特性好，能適應(yīng)不同電磁環(huán)境正常工作。

　　參考文獻(xiàn)：

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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)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。