電機(jī)控制：節(jié)能、高效、精控將進(jìn)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(lǐng)制造業(yè)的變革，因此對(duì)電機(jī)、伺服系統(tǒng)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(jī);同時(shí)，環(huán)保和節(jié)能/綠色能源是我國七大新興戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)之一，而電機(jī)的能耗占用電設(shè)備的20%左右，因此，提高電機(jī)能效是我國可持續(xù)發(fā)展的一場(chǎng)持久戰(zhàn)。本文通過采訪電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的強(qiáng)勢(shì)公司，解讀當(dāng)下電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

高效電機(jī)推廣的成果與挑戰(zhàn)

　　IHS發(fā)布的“2014年中國低壓電機(jī)市場(chǎng)報(bào)告”顯示，受益于補(bǔ)貼高效電機(jī)與強(qiáng)制淘汰低效電機(jī)的政策，2014年二級(jí)能效(GB2/IE3)等級(jí)低壓電機(jī)呈現(xiàn)了爆發(fā)性的增長(zhǎng)趨勢(shì)，市場(chǎng)份額從2013年的5%一躍升至13%，而低效的IE1電機(jī)的市場(chǎng)份額從57%跌落至38%。然而，IHS調(diào)研顯示目前高效的二級(jí)能效(GB2/IE3)份額距離“全國電機(jī)能效提升計(jì)劃”設(shè)定的2015年50%低壓電機(jī)達(dá)到高效(GB2/IE3)能效標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的距離。此外，高效電機(jī)的深入推廣面臨諸如“假冒”高效電機(jī)、補(bǔ)貼流程繁復(fù)等亟待解決的問題與挑戰(zhàn)。

不斷縮小與全球高效電機(jī)水平的差距

　　我國高效電機(jī)(GB2/IE3)所占市場(chǎng)份額與全球高效電機(jī)市場(chǎng)相比存在著一定的差距，這一差距隨著高效電機(jī)大力推廣而不斷縮小。IHS數(shù)據(jù)顯示，2013年全球高效電機(jī)(GB2/IE3)占20%的市場(chǎng)份額，我國同等級(jí)電機(jī)的市場(chǎng)份額僅為5%(如圖1)。自政府2013年底提高補(bǔ)貼電機(jī)能效要求三級(jí)能效(GB3/IE2)到二級(jí)能效(GB2/IE3)，2014年我國高效電機(jī)的市場(chǎng)份額升至13.5%，與全球高效電機(jī)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(zhǎng)遠(yuǎn)看，我國高效電機(jī)的進(jìn)一步普及是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。這在受市場(chǎng)機(jī)制逐步淘汰低效電機(jī)作用的同時(shí)，更依賴于政府的行政監(jiān)管淘汰低效電機(jī)與財(cái)政補(bǔ)貼高效電機(jī)的政策。我國計(jì)劃于2016年開始普及推廣更高效的一級(jí)能效(GB1/IE4)電機(jī)。截止2018年，IHS預(yù)測(cè)我國GB3/IE2低壓電機(jī)將成為市場(chǎng)的主流能效等級(jí)，占近59%的市場(chǎng)份額，緊接著是GB2/IE3電機(jī)，市場(chǎng)占有率超過31%。此外，除節(jié)能高效的低壓電機(jī)的推廣外，高壓電機(jī)也是高效電機(jī)補(bǔ)貼與推廣的領(lǐng)域之一。盡管高壓電機(jī)因其本身的能效效率比較高，能效提升的空間相對(duì)于低壓電機(jī)較為有限，節(jié)能高效也是高壓電機(jī)的長(zhǎng)期發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

TI：電機(jī)未來需要更高的效率，更強(qiáng)的可靠性和更廣的應(yīng)用范圍

　　電機(jī)未來的發(fā)展方向是更高的效率，更強(qiáng)的可靠性和更廣的應(yīng)用范圍。無刷直流電機(jī)(BLDC motor)可以滿足上述特性與要求，我們看到，現(xiàn)在在很多應(yīng)用中BLDC逐步開始取代交流電機(jī)、有刷電機(jī)甚至于步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的集成度越將會(huì)來越高，有片上集成電機(jī)控制算法，門驅(qū)電路，復(fù)雜的片上保護(hù)電路，針對(duì)小功率的應(yīng)用甚至MOS管也可以集成進(jìn)去。通常來講，BLDC的控制比較復(fù)雜，需要的資源較多，尤其是如果為了實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jī)門驅(qū)動(dòng)器即提供了一個(gè)很高性能的電機(jī)解決方案。對(duì)于其他相對(duì)簡(jiǎn)單的電機(jī)，資源相對(duì)弱一點(diǎn)的MCU通常可以滿足基本需求。

　　TI的InstaSPIN算法可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)電機(jī)參數(shù)，通過FOC可達(dá)到從算法到電機(jī)整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率的提升。

　　德州儀器(TI)中國區(qū)市場(chǎng)開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉，散熱主要通過兩方面來解決：

　　一個(gè)是盡量降低驅(qū)動(dòng)端的內(nèi)阻，對(duì)于小功率的電機(jī)可以采用內(nèi)置MOS的方案。對(duì)于大功率的電機(jī)通常應(yīng)該采用外置MOS來盡量降低內(nèi)阻和芯片內(nèi)的溫度;

　　第二個(gè)是通過layout優(yōu)化布線，從而使整個(gè)板子的散熱性能達(dá)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(jī)制造業(yè)中，高效是技術(shù)發(fā)展的明確趨勢(shì)。但越來越多的應(yīng)用和領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)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(yuǎn)的將來，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(jī)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(shì)。嚴(yán)格的，(我們應(yīng)該講電機(jī)控制技術(shù))電機(jī)控制是一個(gè)相對(duì)成熟的工業(yè)應(yīng)用，從技術(shù)層面以及用戶角度，不會(huì)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(nèi)有如下的一些新變化：

　　(1)ARM Cortex-M4F作為標(biāo)準(zhǔn)化的處理器平臺(tái)，越來越被國內(nèi)客戶所接受，成為取代DSP的通用伺服控制器的平臺(tái);

　　(2)MEMS(微機(jī)電傳感器)在電機(jī)控制上的應(yīng)用，是當(dāng)前討論的又一個(gè)話題。

　　ADI公司亞太區(qū)電機(jī)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(jí)降低，針對(duì)通用伺服，ARM Cortex -M4F處理器越來越被廣泛應(yīng)用。FPGA仍然是多軸系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)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(yīng)該從機(jī)械結(jié)構(gòu)上考慮。但是，從硬件設(shè)計(jì)角度看，降低功率模塊的損耗，無疑是一個(gè)方案。噪聲同樣是一個(gè)系統(tǒng)問題，不是某一個(gè)芯片產(chǎn)品就可以解決的。