(文/程文智)據(jù)最新的《世界能源發(fā)展報(bào)告(2022)》指出,2021年,我國的全社會用電量為8.31萬億千瓦時(shí),這其中有近50%的電力為電機(jī)所消耗,從小型消費(fèi)品到大型工業(yè)設(shè)備,到處都有電機(jī)的身影,風(fēng)扇、泵、電動(dòng)工具、吸塵器、洗衣機(jī)、空調(diào)、冰箱、汽車、機(jī)床、機(jī)器人等等都需要電機(jī)來提供驅(qū)動(dòng)力。如果能將這些電機(jī)的效率提升1%,也能節(jié)省不少用電量。
一項(xiàng)針對中國、歐盟、美國等 9 個(gè)國家和地區(qū)的研究分析顯示,2018 年,電器設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)幫助這些國家和地區(qū)實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量 1500 太瓦時(shí)(109 千瓦時(shí);TWh),相當(dāng)于這些國家和地區(qū)當(dāng)年的風(fēng)力和太陽能發(fā)電總量之和。
因此,全球逾120個(gè)國家已經(jīng)實(shí)施,或正在制定強(qiáng)制性的主要電器能效標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)識項(xiàng)目。在那些實(shí)施此項(xiàng)目時(shí)間最長的國家,電氣能效政策已經(jīng)推動(dòng)主要電器能耗減少了一半以上,包括空調(diào)、冰箱、電視機(jī)、洗衣機(jī)和廚房電器等。比如我國新的電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn),以及新版的《電風(fēng)扇能源效率標(biāo)識實(shí)施規(guī)則》等,都需要提升電機(jī)的效率,達(dá)到節(jié)能的目的。
而為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo),各家企業(yè)也都在使出渾身解數(shù),通過一系列的創(chuàng)新,比如集成式智能功率模塊和系統(tǒng)級封裝、單片式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、快速高效的功率開關(guān)、具有電壓瞬態(tài)保護(hù)功能的可控硅、以及功能強(qiáng)大且安全的微控制器等等,甚至更加智能的傳感器,以及更先進(jìn)的算法與軟件等等。
談到未來電機(jī)控制的發(fā)展趨勢,電子發(fā)燒友網(wǎng)在不久前的第四屆意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會上與意法半導(dǎo)體的專家進(jìn)行了交流,在他們看來未來電機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展主要有兩個(gè)方向,即節(jié)能和智能化。
節(jié)能電機(jī)是未來發(fā)展趨勢之一
雖然根據(jù)電機(jī)類型的不同和應(yīng)用要求的不同,電機(jī)控制技術(shù)和電路也會有所不同,但其最終的目的都是為了能夠手動(dòng)或者自動(dòng)地對電機(jī)進(jìn)行操作,比如啟停、提前反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn),以及電壓過載保護(hù)等等。也就是說電機(jī)的控制需要電子電路的支持,以前這些電子電路采用的都是分立器件,但如今隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,芯片企業(yè)提供了更多集成化的解決方案,當(dāng)然除了這些電力電子器件,還需要算法和軟件的支持。
圖:BLDC/PMSM電機(jī)控制框圖(來源:ST)
為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能的目的,電機(jī)控制技術(shù)大有可為,工程師可以通過采用更集成化的器件、性能更好的器件,以及更加優(yōu)秀的軟件算法來實(shí)現(xiàn)提升效率,節(jié)省能源的目的。也就是說可以從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。
首先是采用更集成化的器件和SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體器件。更集成化的器件包括集成化的功率MOSFET、IGBT、單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC、功率模塊等等。比如,IGBT現(xiàn)在已經(jīng)是第三代,它具有電力控制器件的基本功能,非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問題。在特別極端的使用條件下,最新一代的IGBT在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系,汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)更多都采用了最新的IGBT產(chǎn)品。當(dāng)然,現(xiàn)在也有不少汽車開始采用SiC器件來替代IGBT。
SiC器件在電機(jī)控制中的使用,有助于電機(jī)的節(jié)能和減少尺寸,再加上其高集成度和可靠性等特性,非常適合在汽車和工業(yè)自動(dòng)化控制應(yīng)用中使用。
除了SiC,還有GaN器件,由于其開關(guān)性能更好,高頻特性突出,已經(jīng)有廠商推出了基于GaN器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。不過目前SiC和GaN器件的成本還有點(diǎn)偏高,EMC和EMI問題更突出等限制,還沒有大規(guī)模推廣開來。
第二就是算法和軟件技術(shù)。電機(jī)控制需要算法的支持,相同的硬件解決方案,如果算法優(yōu)化程度不一樣,電機(jī)的效率也會有很大差別。
智能化控制也是未來發(fā)展方向之一
除了節(jié)能,電機(jī)控制技術(shù)的智能化也為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。一般來說,電機(jī)控制的智能化可以從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。
一是擴(kuò)展感知范圍,也就是說在電機(jī)控制方案中加入更多的傳感器,比如說振動(dòng)傳感器,通過振動(dòng)來監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),在電機(jī)發(fā)生故障之前就能提前感知,并進(jìn)行維護(hù),或者自動(dòng)修復(fù)。
二是處理器,過去電機(jī)控制流行采用DSP,后來經(jīng)過演變,出現(xiàn)了各種不同的解決方案。在硬件方面,現(xiàn)在常用的MCU,并且在MCU外設(shè)方面添加更多功能,例如快速ADC、柵極驅(qū)動(dòng)器、電源模塊、及電機(jī)控制PWM外設(shè)等等;而在軟件方面,可以加入更多的AI算法,比如環(huán)境感知信息的處理算法、自身參數(shù)的識別算法等等。
結(jié)語
總的來說,電機(jī)控制的發(fā)展?jié)摿€是非常大的,不過目前很多技術(shù)由于成本、技術(shù)限制,及市場接受度等因素的限制,還處于實(shí)驗(yàn)室階段,或者市場開拓階段,產(chǎn)業(yè)化還需要一定的時(shí)間,但相信隨著技術(shù)的進(jìn)步,這些挑戰(zhàn)會得到解決。
另外,電子發(fā)燒友網(wǎng)會在11月17日在深圳灣萬怡酒店舉辦《電機(jī)控制先進(jìn)技術(shù)研討會》,邀請了10來家芯片原廠共同探討電機(jī)控制技術(shù)解決方案和未來發(fā)展趨勢,歡迎感興趣的工程師朋友們到現(xiàn)場交流。
一項(xiàng)針對中國、歐盟、美國等 9 個(gè)國家和地區(qū)的研究分析顯示,2018 年,電器設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)幫助這些國家和地區(qū)實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量 1500 太瓦時(shí)(109 千瓦時(shí);TWh),相當(dāng)于這些國家和地區(qū)當(dāng)年的風(fēng)力和太陽能發(fā)電總量之和。
因此,全球逾120個(gè)國家已經(jīng)實(shí)施,或正在制定強(qiáng)制性的主要電器能效標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)識項(xiàng)目。在那些實(shí)施此項(xiàng)目時(shí)間最長的國家,電氣能效政策已經(jīng)推動(dòng)主要電器能耗減少了一半以上,包括空調(diào)、冰箱、電視機(jī)、洗衣機(jī)和廚房電器等。比如我國新的電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn),以及新版的《電風(fēng)扇能源效率標(biāo)識實(shí)施規(guī)則》等,都需要提升電機(jī)的效率,達(dá)到節(jié)能的目的。
而為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo),各家企業(yè)也都在使出渾身解數(shù),通過一系列的創(chuàng)新,比如集成式智能功率模塊和系統(tǒng)級封裝、單片式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、快速高效的功率開關(guān)、具有電壓瞬態(tài)保護(hù)功能的可控硅、以及功能強(qiáng)大且安全的微控制器等等,甚至更加智能的傳感器,以及更先進(jìn)的算法與軟件等等。
談到未來電機(jī)控制的發(fā)展趨勢,電子發(fā)燒友網(wǎng)在不久前的第四屆意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會上與意法半導(dǎo)體的專家進(jìn)行了交流,在他們看來未來電機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展主要有兩個(gè)方向,即節(jié)能和智能化。
節(jié)能電機(jī)是未來發(fā)展趨勢之一
雖然根據(jù)電機(jī)類型的不同和應(yīng)用要求的不同,電機(jī)控制技術(shù)和電路也會有所不同,但其最終的目的都是為了能夠手動(dòng)或者自動(dòng)地對電機(jī)進(jìn)行操作,比如啟停、提前反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn),以及電壓過載保護(hù)等等。也就是說電機(jī)的控制需要電子電路的支持,以前這些電子電路采用的都是分立器件,但如今隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,芯片企業(yè)提供了更多集成化的解決方案,當(dāng)然除了這些電力電子器件,還需要算法和軟件的支持。
圖:BLDC/PMSM電機(jī)控制框圖(來源:ST)
為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能的目的,電機(jī)控制技術(shù)大有可為,工程師可以通過采用更集成化的器件、性能更好的器件,以及更加優(yōu)秀的軟件算法來實(shí)現(xiàn)提升效率,節(jié)省能源的目的。也就是說可以從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。
首先是采用更集成化的器件和SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體器件。更集成化的器件包括集成化的功率MOSFET、IGBT、單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC、功率模塊等等。比如,IGBT現(xiàn)在已經(jīng)是第三代,它具有電力控制器件的基本功能,非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問題。在特別極端的使用條件下,最新一代的IGBT在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系,汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)更多都采用了最新的IGBT產(chǎn)品。當(dāng)然,現(xiàn)在也有不少汽車開始采用SiC器件來替代IGBT。
SiC器件在電機(jī)控制中的使用,有助于電機(jī)的節(jié)能和減少尺寸,再加上其高集成度和可靠性等特性,非常適合在汽車和工業(yè)自動(dòng)化控制應(yīng)用中使用。
除了SiC,還有GaN器件,由于其開關(guān)性能更好,高頻特性突出,已經(jīng)有廠商推出了基于GaN器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。不過目前SiC和GaN器件的成本還有點(diǎn)偏高,EMC和EMI問題更突出等限制,還沒有大規(guī)模推廣開來。
第二就是算法和軟件技術(shù)。電機(jī)控制需要算法的支持,相同的硬件解決方案,如果算法優(yōu)化程度不一樣,電機(jī)的效率也會有很大差別。
智能化控制也是未來發(fā)展方向之一
除了節(jié)能,電機(jī)控制技術(shù)的智能化也為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。一般來說,電機(jī)控制的智能化可以從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。
一是擴(kuò)展感知范圍,也就是說在電機(jī)控制方案中加入更多的傳感器,比如說振動(dòng)傳感器,通過振動(dòng)來監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),在電機(jī)發(fā)生故障之前就能提前感知,并進(jìn)行維護(hù),或者自動(dòng)修復(fù)。
二是處理器,過去電機(jī)控制流行采用DSP,后來經(jīng)過演變,出現(xiàn)了各種不同的解決方案。在硬件方面,現(xiàn)在常用的MCU,并且在MCU外設(shè)方面添加更多功能,例如快速ADC、柵極驅(qū)動(dòng)器、電源模塊、及電機(jī)控制PWM外設(shè)等等;而在軟件方面,可以加入更多的AI算法,比如環(huán)境感知信息的處理算法、自身參數(shù)的識別算法等等。
結(jié)語
總的來說,電機(jī)控制的發(fā)展?jié)摿€是非常大的,不過目前很多技術(shù)由于成本、技術(shù)限制,及市場接受度等因素的限制,還處于實(shí)驗(yàn)室階段,或者市場開拓階段,產(chǎn)業(yè)化還需要一定的時(shí)間,但相信隨著技術(shù)的進(jìn)步,這些挑戰(zhàn)會得到解決。
另外,電子發(fā)燒友網(wǎng)會在11月17日在深圳灣萬怡酒店舉辦《電機(jī)控制先進(jìn)技術(shù)研討會》,邀請了10來家芯片原廠共同探討電機(jī)控制技術(shù)解決方案和未來發(fā)展趨勢,歡迎感興趣的工程師朋友們到現(xiàn)場交流。
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