2023電機(jī)向高能效持續(xù)演進(jìn)，2024集成化趨勢(shì)繼續(xù)引領(lǐng)電機(jī)高效驅(qū)控風(fēng)向

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）電機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)的核心，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中用于提供動(dòng)力。毫不夸張地說(shuō)，絕大部分能動(dòng)起來(lái)的產(chǎn)品里都有著電機(jī)相關(guān)的應(yīng)用。從傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)工具，到新興的機(jī)器人、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，這些行業(yè)的發(fā)展與電機(jī)應(yīng)用的發(fā)展息息相關(guān)。

在過(guò)去的一年中，不少推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的電機(jī)應(yīng)用一直都保持著相當(dāng)高的熱度，如人形機(jī)器人中靈巧手核心空心杯電機(jī)、XR設(shè)備必不可少的微特電機(jī)以及年末小米發(fā)布的高壓高轉(zhuǎn)速超級(jí)電機(jī)系列等等?；厥走@些推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的電機(jī)應(yīng)用上，我們也得以窺見(jiàn)未來(lái)電機(jī)本體、電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。

電機(jī)本體發(fā)展趨勢(shì)：向高能效與智能化兩大方向持續(xù)迭代

電機(jī)的發(fā)展歷程和能效升級(jí)密切相關(guān)，近年來(lái)，全球的相關(guān)環(huán)保政策均為提高電機(jī)的效能指出了明確的政策導(dǎo)向，而且隨著各國(guó)更加嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)的推出，電機(jī)的效率必須提升，高能效已經(jīng)成為各個(gè)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的核心發(fā)展目標(biāo)。

因此，電機(jī)行業(yè)也在加快現(xiàn)有生產(chǎn)裝備的節(jié)能改造，推廣高效綠色生產(chǎn)工藝，開(kāi)發(fā)新一代節(jié)能電機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)及控制產(chǎn)品、測(cè)試設(shè)備等。完善電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，著力提升電機(jī)及系統(tǒng)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

由于高能效的推進(jìn)，市場(chǎng)也更加偏向于采用BLDC/PMSM等高效的電機(jī)方案，而且受益于高能效電機(jī)控制電子設(shè)備的成本急劇下降以及新的控制算法激增，BLDC/PMSM等高效的電機(jī)方案在工業(yè)、家電、汽車等領(lǐng)域越來(lái)越普及。

制造和控制BLDC/PMSM電機(jī)的成本繼續(xù)下降，并且會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用選擇BLDC/PMSM電機(jī)，特別是對(duì)于可靠性和電磁兼容性要求更高的應(yīng)用尤其如此，電機(jī)高能效發(fā)展是大勢(shì)所趨。

智能化是現(xiàn)在很多領(lǐng)域都在說(shuō)的概念，具體到電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域智能化應(yīng)該實(shí)現(xiàn)怎樣的具體目標(biāo)呢？目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的電機(jī)系統(tǒng)已集成了診斷、保護(hù)等多種功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的自我診斷、自我保護(hù)、自我調(diào)速、遠(yuǎn)程控制等，這其實(shí)就是一部分智能化的體現(xiàn)。

隨著電機(jī)技術(shù)向智能化方向發(fā)展，通過(guò)更多傳感器的加入，擴(kuò)展整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的感知范圍，并加入AI算法等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)智能的電機(jī)控制。電機(jī)系統(tǒng)智能化能對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行情況對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，將會(huì)極大地提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，從而更好地滿足未來(lái)各種場(chǎng)景的需求。

目前，許多領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的體積和重量提出了更高的要求，未來(lái)的電機(jī)也將會(huì)朝著輕量化小型化的方向發(fā)展，通過(guò)更加科學(xué)地設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的減重和體積縮小。這不僅能夠降低電機(jī)的能耗和成本，同時(shí)也能夠更好地適應(yīng)各種工作環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景。

此外，無(wú)刷化、直驅(qū)化還有機(jī)電一體化也都是未來(lái)電機(jī)會(huì)持續(xù)演進(jìn)的重要發(fā)展方向。

電機(jī)控制發(fā)展趨勢(shì)：高水平集成提高系統(tǒng)效率，主控算力需求提升

電機(jī)行業(yè)的發(fā)展，需要電機(jī)供應(yīng)商和上游半導(dǎo)體廠商、材料廠商的共同努力，近幾年我們也的確看到隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、MCU與驅(qū)動(dòng)組件的普及，使得高能效電機(jī)的總體成本降低了很多，再加上永磁新材料、自動(dòng)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)，特別是大功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，以及高壓、高速電機(jī)制造技術(shù)的提升，高能效電機(jī)得以快速發(fā)展。

單從高能效電機(jī)控制方案來(lái)說(shuō)，高能效電機(jī)的控制解決方案包括有傳感器和無(wú)傳感器的梯形算法，正弦和磁場(chǎng)定向。有傳感器解決方案成本低和易于換向，而無(wú)傳感器解決方案能夠節(jié)省電路板空間，并通過(guò)消除傳感器故障風(fēng)險(xiǎn)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。正弦波控制和FOC效率更高已經(jīng)取代了很多梯形波控制，尤其是FOC帶來(lái)的更高的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)效率以及更低的噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，已經(jīng)成為未來(lái)高能效電機(jī)控制方案的確定趨勢(shì)。

回到硬件層面，控制IC和驅(qū)動(dòng)IC有一個(gè)共同發(fā)展的趨勢(shì)那就是不約而同地往集成化方向轉(zhuǎn)變，而且還是在高水平下實(shí)現(xiàn)控制和驅(qū)動(dòng)的集成。從市面上控制IC廠商提供的產(chǎn)品來(lái)看，其控制IC產(chǎn)品中集成了越來(lái)越多的模擬和功率器件，不少針對(duì)電機(jī)應(yīng)用的MCU廠商將柵極驅(qū)動(dòng)器，甚至將后面的驅(qū)動(dòng)電路也集成封裝在一起了。

高水平集成帶來(lái)的更小的控制板、更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)大大減少了電機(jī)系統(tǒng)中的IC數(shù)量，降低系統(tǒng)對(duì)于各種資源的需求，同時(shí)也能幫助電機(jī)本體實(shí)現(xiàn)小型緊湊的設(shè)計(jì)。

為了更方便執(zhí)行電機(jī)控制算法，不少控制IC廠商還將算法也硬件化在MCU當(dāng)中，從而讓下游開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單，BOM成本更低。內(nèi)環(huán)代碼通過(guò)原廠這樣的算法硬件化設(shè)計(jì)可以執(zhí)行更快，而且減少了對(duì)控制資源的需求。

為了電機(jī)實(shí)現(xiàn)更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和電機(jī)抖動(dòng)，以及隨著電機(jī)更多智能化功能的引入，電機(jī)控制對(duì)更快的指令響應(yīng)時(shí)間和更優(yōu)異的高頻擾動(dòng)抑制能力的需求也在提升，因此我們也看到現(xiàn)在不少?gòu)S商正大力推進(jìn)更高主頻或者雙核來(lái)增強(qiáng)主控算力，提高代碼執(zhí)行效率。這樣的方案也解決了電機(jī)控制性能上的限制，而且契合現(xiàn)在電機(jī)多核驅(qū)控一體的發(fā)展趨勢(shì)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)：多功能集成提高效率優(yōu)勢(shì)，第三代功率器件為高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)賦能

從器件集成度的角度來(lái)講，現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)方案有很多，有分立的功率管，也有集成的模塊，有無(wú)需MCU參與的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方案，也有完全集成了控制器、驅(qū)動(dòng)和功率管的SoC方案，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。每種電機(jī)方案都可以根據(jù)功率水平、架構(gòu)、電機(jī)控制類型、接口和集成要求進(jìn)行選擇。

就像上面說(shuō)到控制IC在往高集成度方向走，眾多驅(qū)動(dòng)IC也在將一些邏輯控制功能集成進(jìn)了原來(lái)的驅(qū)動(dòng)IC當(dāng)中，通過(guò)功能集成可以減少電機(jī)系統(tǒng)中所需的IC數(shù)量，這樣可以降低電機(jī)系統(tǒng)對(duì)于各種資源的需求，減少電流消耗，從而直接提高系統(tǒng)效率。

在小封裝內(nèi)集成了眾多保護(hù)和診斷功能的高低邊開(kāi)關(guān)和功率器件柵極驅(qū)動(dòng)，既緊湊、輕量，又功率高效。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，這種高集成度消除了在電機(jī)系統(tǒng)中實(shí)施時(shí)所需的驗(yàn)證工藝角，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化。未來(lái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還會(huì)通過(guò)集成更多MCU中的功能，帶來(lái)更多電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的創(chuàng)新。

功率器件的選擇對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的，高散熱小型化的功率器件對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的提升是巨大的。除了傳統(tǒng)的IPM、IGBT產(chǎn)品外，GaN與SiC第三代半導(dǎo)體技術(shù)受到了電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)行業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，已經(jīng)有GaN和SiC的產(chǎn)品應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上了。

GaN與SiC的電機(jī)應(yīng)用在提高電機(jī)效率、提升電機(jī)整體性能上已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)異的特性，第三代功率器件正在加速向電機(jī)行業(yè)普及，為高能效電機(jī)賦能。

小結(jié)

電機(jī)行業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的努力，高能效的發(fā)展目標(biāo)也離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)鏈上每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)進(jìn)步。目前高能效電機(jī)的占比仍然不高，未來(lái)具有巨大的增長(zhǎng)空間，相關(guān)高效控制驅(qū)動(dòng)需求還會(huì)繼續(xù)增加。