電機(jī)控制行業(yè)的下一個(gè)風(fēng)口——節(jié)能和智能化

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（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(guó)的全社會(huì)用電量為8.31萬(wàn)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(chē)、機(jī)床、機(jī)器人等等都需要電機(jī)來(lái)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(duì)中國(guó)、歐盟、美國(guó)等 9 個(gè)國(guó)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(guó)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(guó)家和地區(qū)當(dāng)年的風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電總量之和。

因此，全球逾120個(gè)國(guó)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(shí)項(xiàng)目。在那些實(shí)施此項(xiàng)目時(shí)間最長(zhǎng)的國(guó)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(guó)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(shí)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(guò)一系列的創(chuàng)新，比如集成式智能功率模塊和系統(tǒng)級(jí)封裝、單片式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、快速高效的功率開(kāi)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(lái)電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)，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(huì)上與意法半導(dǎo)體的專(zhuān)家進(jìn)行了交流，在他們看來(lái)未來(lái)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一

雖然根據(jù)電機(jī)類(lèi)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(huì)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(duì)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(guò)載保護(hù)等等。也就是說(shuō)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(lái)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)提升效率，節(jié)省能源的目的。也就是說(shuō)可以從兩個(gè)方面來(lái)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(wèn)題。在特別極端的使用條件下，最新一代的IGBT在開(kāi)關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系，汽車(chē)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(chē)開(kāi)始采用SiC器件來(lái)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(chē)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(kāi)關(guān)性能更好，高頻特性突出，已經(jīng)有廠(chǎng)商推出了基于GaN器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。不過(guò)目前SiC和GaN器件的成本還有點(diǎn)偏高，EMC和EMI問(wèn)題更突出等限制，還沒(méi)有大規(guī)模推廣開(kāi)來(lái)。

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(huì)有很大差別。

智能化控制也是未來(lái)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(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)控制的智能化可以從兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一是擴(kuò)展感知范圍，也就是說(shuō)在電機(jī)控制方案中加入更多的傳感器，比如說(shuō)振動(dòng)傳感器，通過(guò)振動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)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(guò)去電機(jī)控制流行采用DSP，后來(lái)經(jīng)過(guò)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(shí)別算法等等。

結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，電機(jī)控制的發(fā)展?jié)摿€是非常大的，不過(guò)目前很多技術(shù)由于成本、技術(shù)限制，及市場(chǎng)接受度等因素的限制，還處于實(shí)驗(yàn)室階段，或者市場(chǎng)開(kāi)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(huì)得到解決。

另外，電子發(fā)燒友網(wǎng)會(huì)在11月17日在深圳灣萬(wàn)怡酒店舉辦《電機(jī)控制先進(jìn)技術(shù)研討會(huì)》，邀請(qǐng)了10來(lái)家芯片原廠(chǎng)共同探討電機(jī)控制技術(shù)解決方案和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，歡迎感興趣的工程師朋友們到現(xiàn)場(chǎng)交流。

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