電機控制“需求”與“發展”的愛情長跑。

      電機控制技術及產品一直都是工業領域，乃至整個科技領域的重要內容。本文就市場對電機控制的需求及其當下發展，西安泰富西瑪電機技術部做了相關介紹和分析。
2016年全球工業電機與電控市場

      IHS Markit持續多年追蹤全球各類工業電機與電機控制產品的市場行情趨勢，發布相關市場數據與信息。最新統計數據顯示，2016年全球工業電機與電機控制市場預計達580億美元，其中，工業電機市場銷售額約為354億美元，電機控制市場規模在226億美元左右?？傮w上，IHS Markit預期2016-2020年全球電機與電控市場保持平穩增長，電控市場增長高于電機。

細分產品市場
      如圖1所示，通用高低壓感應電機約占2016年全球電機銷售額的44%，特別是低壓交流電機因其廣泛的下游應用領域，約占30%的全球電機市場總銷售額。隨著全球不斷深入推廣高效電機，高效電機的普及率有望得到進一步的提升，IHS Markit預計2020年IE3電機占全球低壓電機市場份額達32%，IE4電機增速遠高于其他低壓電機?？傮w而言，主要應用于OEM市場的分馬力電機與低壓電機預期表現好于下游集中在項目型市場的高壓電機。此外，具有高精度、高穩定性及適應性等特點的伺服電機預期是未來增速最快的電機品類之一。2016年發電機約占全球電機總銷售額的30%，主要受電力、造船等下游行業影響而波動，中小型發電機市場預期增速好于大型發電機市場。
      變頻器仍然是全球最主要的電機控制產品，在2016年全球電控產品市場規模占比超六成，其中，約72%銷售額來自于低壓變頻器。伺服驅動器是僅次于低壓變頻器的第二大電控品類，2016年貢獻了近兩成的全球市場銷售額。此外，伺服系統在高精度、高性能要求的機械設備領域有望不斷擴大市場份額，預期是未來增速最快的電控產品之一。

      不同細分產品市場的集中程度不一，領先企業在不同產品及區域市場的排名各有不同。總體來看，全球電機與電控市場仍較為分散，2015年排名前十的廠家約占全球40%的市場份額，ABB 、西門子保持市場領導地位。

區域市場

      亞太(除日本)是全球電機與電控最大的區域市場，2016年銷售額約占全球市場銷售總規模的36%，主要受益于龐大的中國市場。IHS Markit估計2016年中國電機與電控市場規模接近129億美元，是全球最大的單一國家市場。盡管中國市場面臨進入經濟轉型期的增速放緩、產業結構調整等挑戰，傳統產業升級與智能化改造以及大力發展節能、高端制造業等趨勢給未來電機與電控產品的發展帶來了新機遇，IHS Markit預期中國是未來增速最快的區域市場之一，2020年市場規模預計超146億美元。

      歐洲、非洲及中東(EMEA)與美洲保持為全球第二大與第三大區域市場，2016年銷售規模分別為170億美元與156億美元。IHS Markit預計美洲市場的電機與電控產品在2016-2020年的年均增速略高于歐洲市場。

東芝智能相位控制技術

      就電機驅動芯片而言， 電機控制的趨勢是高集成度、低成本、高效率和低噪聲。而用戶選擇不同的電機控制方案，不同的側重點包括系統性能、系統成本和系統可靠性。 不同的需求對應不同的電機控制方案選擇。

      東芝集團內部電力電子技術的橫向整合，自有的0.13μm先進模擬集成電路制程以及獨有的多種新技術應用于電機驅動并滿足客戶的需求，是東芝解決方案的優勢。東芝寬廣的產品線涵蓋步進電機、有刷電機和直流無刷電機應用的所有直流電機應用。東芝最新推出了應用于直流無刷電機的智能相位控制技術，能夠提高電機控制系統效率，并具有簡單易用的特點。主動增益控制能夠有效提高高轉矩波動的步進馬達驅動器的效率，降低電機和驅動器的溫度;應用于步進電機驅動高級動態混合衰減技術、高級電流檢測技術、主動增益控制技術等獨有的先進技術，并相應推出了應用該新技術的新產品。例如TB67B000HG/FG是適應家用空調風扇系統的高集成度低陳本高效率方案，已經為客戶大量采用，其中新推出的貼片封裝產品TB67B000FG，封裝尺寸較TB67B000HG插件封裝減小了53%，散熱性能基本一致，管腳排布更加優化合理，是東芝在該應用領域的主力產品。 TC78B016FTG 集成應用智能相位控制技術，能有效提高方案效率，且簡單易用，在后續將會推出更多應用智能相位控制技術的產品為客戶提供多種選擇。 TB67S289FTG 采用了主動增益控制技術、高級電流檢測技術和高級動態混合衰減技術，特點是縮減了控制板面積，有效地提高了高轉矩波動的步進馬達驅動器的效率，降低了電機和驅動器的溫度。

電機要求位置傳感器有更高精度

      現如今，在各個領域(汽車、工業控制和消費類產品)中，電氣化無處不在。一個明顯的趨勢是，有刷電機將會逐漸被無刷電機(直流無刷或永磁同步)替代。而當驅動不同的輸出負載時，主要是要盡量減少電機的扭矩波動。我們要準確識別不同的應用場景需求，有些應用無需傳感器，有些應用場合需要高精度、高分辨率的位置傳感器。為了進一步提高性能，需要采用更精確有效的電機換向方式，而傳統的霍爾開關的方式過于粗放，因此，高精度的位置傳感器勢在必行，能實現精確、高速的位置檢測，并且具有很低的時間延遲。顯而易見，在未來，人類將會用到越來越多的智能化電氣設備和新型的驅動系統，這一切，都需要更智能化、更精確的傳感器作為基礎。

方案選購考慮因素

      電機控制方案的選購主要取決于實際的應用需求和系統成本預算。當然，系統精度會是一個重要的選擇標準。當我們為一個電機控制系統挑選合適的傳感器時，分辨率、線性度誤差以及延時等參數都需要考慮，而且，傳感器的輸出必須足夠穩定，不受外界雜散磁場和其他電磁干擾的影響。

艾邁斯的解決方案

      針對汽車級和工業級的電機控制場合，艾邁斯半導體提供了一系列基于霍爾技術的位置傳感器。得益于我們的專利技術DAECTM(動態角度誤差補償技術)，在外界雜散磁場干擾下，傳感器依然能保持極高的精度?；贒AECTM專利技術，用戶可以實現角度位置檢測幾乎零延時。我們的傳感器均滿足汽車級要求，在嚴苛的環境溫度下也能正常工作。

步進電機應用及解決方案

      對于電機驅動芯片，高能效、低噪聲、安全可靠、使用方便及高性價比一直是用戶長期追求的目標。隨著電機驅動產品使用的日益廣泛，更高的要求也會被提出。

      步進電機因使用簡單，成本優勢明顯而應用廣泛。如在多功能打印機/掃描儀、縫紉機、提款機等工業領域。但步進電機并不是最完美和理想的方案，特別是在多馬達同時工作的環境下，音頻噪聲尤其嚴重。 此外， 即便在低轉速條件下，仍然會產生功耗，以致對某些手持設備電池的壽命有所影響。低能效引起的過熱也不可忽視。 在某些情況下，系統不得不另加冷卻風扇， 導致成本和系統的復雜程度增加，降低了系統的可靠性。

      設計人員有時會選用BLDC(無刷直流電機)來克服步進電機的缺點，實現高效、平穩和低噪聲效果，從而降低功耗和發熱。 但隨之而來的是成本上升，很多情況下不得不使用MCU，這同樣會導致系統設計難度大大提高。從步進電機到BLDC，對于機械子系統設計而言也是很大的改變，設計周期加長及長期可靠性測試也大大延緩了面市時間。

      因此，用戶需根據特定的應用需求選購合理的電機控制方案，同時需兼顧低噪聲、高能效、高可靠性及成本等因素。

LC898240/LV8702步進電機解決方案

      為滿足市場高性能的需求，安森美半導體的LC898240/LV8702可通過兩種新的工作方式來改進現有方案，充分解決傳統步進電機存在的問題，是高性價比創新的步進電機解決方案。LC898240通過監測馬達線圈的BEMF波形來判斷負載變化，以調整電機電流和步進脈沖的方法來改善現有的步進方案，而無需改變機械系統來實現類似于BLDC的性能，提高整體能效并降低輸出噪聲。

      LC898240可以作為輔助設備和傳統電機驅動芯片一起工作。除了具備調整電流功能實現高能效外，其內置EEPROM可存儲產生九種工作時序，每種時序達440步，實現無MCU的工作模式，便于用戶靈活選擇。

      LV8702是集成LC898240功能的單芯片產品，集BEMF檢測反饋及電機驅動功能于一體，更易于使用，其高效模式可較傳統步進電機降低達80%的功耗。

電機驅動芯片的控制趨勢

      羅姆半導體(上海)有限公司設計中心表示，除了要求安全、高效、控制性能好之外，數字化、集成化也成為電機控制技術發展的必然趨勢?？刂葡到y數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。軟件則體現在電機控制方面，電機控制算法未來的發展方向將著重在高性能的轉矩轉速控制與在線辨識上。

      集成化是指電機的集成和電力電子器件的集成，它包括電機與電機驅動的集成和開關器件、電路、控制、傳感器、電源等的集成。集成方案比傳統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，并使系統方案更輕、更高能效及更可靠。

      不同應用對電機控制器的要求有很大的區別。目前市場上的控制器/驅動器解決方案各有千秋，包括了針對特定簡單應用的標準控制器/驅動器以及采用外部緩沖柵極驅動器和功率級的MCU、DSP和FPGA。

      對于小型電機以及控制精度、反應速度要求不高的應用，專用芯片具有低成本、低功耗、控制簡單、易上手等優勢。

      對要求苛刻的應用，適合使用DSP、MCU和FPGA，可以增加其他系統管理功能，例如監測電機參數和狀態，以及與主機系統的通信等。但是，DSP、MCU和FPGA需要外部柵級驅動器和功率器件，且需要編程控制，在安全、效率方面需要斟酌。

      在權衡了電機的效率和生產的成本基礎上選擇出來的方案，才是最適合的方案。

ROHM電機控制方案

      隨著變頻器的變頻控制已越來越多地被使用到家電的空調、洗衣機、電冰箱等諸多白色家電的應用中，ROHM的控制方案從最初的BD620X系列，工藝改善進化到BD6201X+BM6202/3(耐壓600V，1.5A/2.5A的IPM)，發展到高度集成化的BM620X系列(集成了驅動和IPM)、BM622X系列等。同時，隨著工業4.0、無人機、智能機器人、汽車電子等市場的興起，ROHM也推出了相應的控制芯片，比如車載級別的隔離Gate Driver，具有可編程SPI接口的有刷直流電機驅動控制芯片，快速反應的三相有位置/無位置專用控制方案等。

根據實現功能選擇電機

      電機控制在各個行業的應用十分廣泛，因而趨勢也各不相同。不過，對于所有行業來說，最近的主要推動力就是效率。電機設計以及逆變器設計和控制都在不斷改進。

      移除或至少縮小同步電機的磁件也是行業關注的焦點。采用同步磁阻電機可實現這一目標，它們基本上是沒有磁件的永磁同步電機(PMSM)。由于沒有磁件，控制起來比較困難，好處是降低了成本，提高了滿負載范圍內的效率。

      在汽車領域和消費類產品中還有一大趨勢就是集成。比如，將FET驅動器和MCU/DSP組合于一個封裝內。這樣可以縮小PCB面積，從而輕易地將電路板安裝至電機背面。

      選擇的標準關鍵取決于設計要實現什么功能，電機在系統中要完成什么任務，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電機頗受歡迎，究其原因，主要是外形小和輸出轉矩大。由于PMSM運行更平穩、更安靜，而且效率更高，取代BLDC已成為一種趨勢。因此，汽車中電機幾乎都將采用無傳感器場定向控制(FOC)或PMSM。

Microchip的數字信號控制器

      Microchip推出適用于電機控制的dsPIC® 數字信號控制器時，我們關注的是需要更高性能來完成復雜計算的應用。正如前面所述，提高效率，降低成本和體積是大勢所趨。利用采用無傳感器FOC的PMSM可實現這一目標，但前提是MCU/DSP具有足夠的數學運算能力。dsPIC33EP系列就是這些擁有強大運算能力的器件中極具價格競爭力的產品。并且，集成智能PWM和模擬外設，減少了外部元件，從而因縮減物料清單而降低成本。

電機控制對無線連接的需求

      我們看到物聯網市場正在快速地增長，進而驅動了對低功耗微控制器(MCU)和無線系統級芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前，很多電機控制應用并不具備很好的連接性。我們可以看到一種趨勢：很多電機控制應用正在增加無線連接功能以用于控制和監控。這對于電機控制來說是一項重要的改變。這一趨勢正在家庭自動化市場中迅速蔓延，而工業市場在這方面則相對緩慢一些。

      考慮到電機控制的連接性，集成式電機控制MCU成為一種較好的選擇。根據電機控制應用的不同，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線連接電機。對許多應用來說，一個MCU用于電機控制，另一個無線SoC則提供無線連接功能，即雙芯片解決方案，在這種情況下，選擇電機控制MCU可以僅僅基于其運行電機控制的情況優劣來作出判斷。然而，集成的可能性或許會受限于電機控制MCU的選擇。對于那些對成本非常敏感的應用來說，有可能使用同一個無線SoC將電機控制和無線連接集成到一起。有一種簡單的方法可以為電機控制設計增加RF連接功能，即在現有的電機控制板上增加一個無線模塊。

節能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

      Silicon Labs的SoC解決方案為智能聯網電機帶來了無線連接功能，同時我們也為電機控制應用提供了多種多樣的節能型MCU。

      對許多電機控制應用來說，節能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU是一種理想的解決方案。它具有一個帶有DSP指令支持的高性能ARM Cortex M4 CPU和一個浮點運算單元(FPU)，包含2個帶有邊沿對齊或中心對齊脈沖寬度調制(PWM)的16位定時器，其中一個片上定時器具有死區插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通過增加一個EFR32MG1 Mighty Gecko無線SoC或一個MGM111 Mighty Gecko模塊以增加無線連接功能。

電機驅動器向高集成度和高性價比演進

      好的電機要滿足客戶的不同需求，有的客戶對電壓看重，例如要低至1.5V的電壓;有的對體積或散熱等看重;有的重視精度，例如256微步步進電機的應用場合主要是位置傳感，可用于醫療注射泵，對藥的注射劑量要非常準確，但速度不一定快;有的重視性價比。ST的一些產品換成了新型的超微型QFN封裝，使封裝尺寸更小、價格更便宜，也相應地提高了性價比。

      為了實現高集成度，ST正在做SiP(系統級封裝)。主要有兩種途徑。第一種途徑是把驅動器和功率芯片進行封裝集成，即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8個MOSFET，堪稱業界最先進的產品，主要因為性能指標高：85V，5~10A，封裝很薄(因此散熱好)。另一種途徑是“驅動器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優勢之一是設計速度快，因為有STM32F0 MCU;二是集成度高，簡化了設計，節省了BOM(物料清單)。

      目前市場上只有基于ARM Cortex-M0的集成產品(STSPIN32F0系列)，并沒有基于M3、M4的集成驅動產品，這是因為M3、M4針對更高端的應用，但ST目前進軍的中低端大批量市場還不需要更高端驅動產品，例如電動工具等，過去是8位MCU，現在升級到基于32位的M0控制，已經非常進步了。在中低端市場，M0性價比比M4高，可滿足從有傳感到無(位置)傳感，再到SoC控制等的需要。當然，后續會有集成M4的驅動器系列推出。

電機控制之機器人系統電源解決方案

      電機控制是絕大多數工控設備傳動系統里的核心之一。其用途細到玩具、家用電器，廣到自動化設備、工業機器人等。電源模塊，作為系統供電的主要器件，為電機控制的發展注入“源”動力。

      就電機控制系統而言，電源模塊可分為工作電源和驅動電源兩大類。工作電源提供穩定的5V電壓供給MCU，間接作用于電機控制系統;驅動電源一般功率較大，提供足夠動力直接作用于電機控制系統。電源模塊除供電功能外，最重要的還有提高系統可靠性的作用。電機控制系統的集成度越來越高，電機工作時噪聲干擾問題越來凸顯，因此部件小體積、信號隔離需求日益明顯。同時，針對有電池供電的系統，電池電壓波動范圍大，電源模塊可以提供穩定的輸出電壓，高效率的電源模塊還有利于提高電池的續航能力。所以，在電機控制系統中電源模塊一般有供電、隔離、穩壓、提升續航能力等功能，是不可或缺的配套器件。

      當下，智能制造已成為主流。為提升生產效率和控制生產成本，智能機器人行業火熱發展，如倉儲機器人、物流機器人、掃地機器人等。智能機器人中包含電機控制和電機的傳動系統，電機作為傳動部件，可以完成某項任務，如掃地機器人輪子實現巡視功能、吸塵部件實現灰塵清理功能等。針對智能機器人多種電壓/功率以及應用的需求，金升陽提供多種電源解決方案以滿足不同需求。

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