Motor Control技术专题电机控制电机控制在白色家电、工业控制以及汽车电子中的发展与动向The development of motor contol in white goods, industrial control and automobile electronics作者 / 王莹 《电子产品世界》编辑摘要：本文针对家电、工业以及汽车三大领域中的电机控制的发展趋势以及相关重要模块的发展趋势，邀请相关专业厂商做了专业的介绍，并就当下的发展趋势介绍了专业厂商的解决方案。关键词：电机控制；白色家电；工业控制；汽车电子DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.6.002电机控制市场分析2015年全球运动控制市场下滑超过10%示，机床行业在连续两年增长后，2015年出现下滑，特别是在亚太及美国市场，机床行业大幅下滑。金属切削及成形机床均IHS最新发布的2016年全球运动控制市场研究报告显示，在2015年出现两位数下滑，严重冲击运动控制市场需求。美国2014年的良好增长势头未能在2015年延续，全球运动控制硬件机床行业同样遭遇寒冬，行业数据显示，2015年机床行业订单市场在2015年遭遇强烈震荡，与2014年同期相比，市场下滑比2014年减少17.4%。10.6%，规模约104亿美金。从区域市场看，2015年，欧元与日元的大幅贬值，导致了欧洲及日本市场以美元计的销售额分别下滑13.7%及10.8%。中预计2015-2020年期间全球运动控市场年复国经济转型期的经济增速放缓、机械行业投资大幅减少，与其合增长趋势为3.3%紧密相关的韩国以及市场也受到冲击，亚太整体市场表现低迷，销售同比下滑11.8%。美洲市场基本与2014年持平，但通用运动控制与数控产品表现各异，前者增长5.2%，数控产品受低迷的机床行业影响下降15.3%。从下业看，据IHS估算，2015年机床（金属切削机床、金属成形机床）超运动控制销售额的IHS工业自动化分析师朱俊卿40%。IHS季度机械行业追踪数据显图1 2015年全球运动控制市场区域市场划分820ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2016.7Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.Motor Control技术专题电机控制场整体预计于2017年恢复增长，其中亚太市场增速最快，2015年 到2020年期间年均增长3.6%。IHS预计机床行业在2016延续下行态势，中长期保持低速增长，2015至2020年年均增长率约1.9%。下游市场的工业机器人行业迎来爆发式增长期，IHS最新发布的工业机器人市场研究报图2 全球运动控制市场下游机械行业告显示，2015年至2020年全球工业机器人市场的年复合增长率高达18.9%。作为机器人核心部件的运动控制产品将受益，预计年均增速高达12.6%，是运动控制行业增速最快的下业。不考虑汇率变化因素，IHS预计2016年运动控制市场基本与上年持平，通用运动控制产品增长而数控市场略有下滑；市白色家电中的电机控制高效电机控制需要逆变器的协同发展逆变器的控制技术与电机的发展一起在不断进步。想要提升节能效率，单靠电机是无法实现的，还需要与驱动相适应的矢量控制（FOC）和使用了低功耗元器件的逆变器。2009年，搭载了当时作为新理念和ROHM半导体(深圳)有限公司设计中心所长吉富 哲也料、LSI回路、功率元器件的低损耗化方面进行最优化的散热设计。另外，还可以针对客户基板提供ROHM独有的散热解决方案服务。为了实现小型化和高可靠性，需要进行一体化整合，例如通过使用像IPM这样的构造来提升保护功能，提高安全性。最终还需要对电容器、电感等无源器件进行小型化。另一方面，为了满足低价格要求，由LSI（栅极驱动器）和分立器件（IGBT、MOS）所组成的解决方案也是比较有效的。新技术的磁化状态可变的“可变磁通电机”的洗衣机开始了实际应用，并开始销售。这样一来，无需进行矢量控制的弱磁控制即可实现高效率的可电机控制对MCU的要求 我们正在目睹电动工具类应用从交流（AC）电机向无刷直流电机（BLDC）转移，例如电钻头、电锯和割草机等产品。通常，为专业人员和消费者开发电动工具的这类客户并不具备电机控制软件知识，因此他们依靠MCU供应商来提供电机控制固件。我们也看到了对更高性能电机控制的更多新需求，如用于无人驾驶直升机和电扇等新兴使用案例的正弦波（Sine Wave）控制和磁场定向控制（FOC）。作为一家为工业应用提供8位MCU的领先供应商，Silicon Labs为诸如数码照相机和电动自行车等电池供电型应用提供电Silicon Labs亚太地区物联网（IoT）产品资深营销经理 彭志昌变速控制。之后，能够满足变速运转范围扩大和高效率运转范围扩大需求的“特性可变控制”的开发案例相继问世，新一代控制技术的发展备受瞩目。在这样的技术趋势下，现在ROHM正在不断努力将BLDC电机的高效率驱动控制算法尽可能地进行硬件逻辑化，从而让功率电子的相关技术人员能够轻松使用。作为解决方案的一个例子，ROHM已经建立起了能够对AC/DC（含PFC）、DC/DC、逆变器(正弦波自动进角控制）的换流器/逆变器进行系统提案的。ROHM同时也在进行FOC等控制算法的软件开发，今后计划将根据各种不同的应用方向进行提案。在封装与散热方面，为了提高有高通用性标准封装的功率密度（电力/容积），在作为基本构成要素的高热传导封装材922ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2016.7Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.责任编辑：王莹池管理系统（BMS）技术。支持这些应用的MCU必须具备非常低的待机电流以及一个非常精确的模数转换器（ADC）和片上基准电压。Silicon Labs的EFM8系列为我们的客户提供了优异性能和简易性，从而满足了他们的需求。在性能方面，Silicon Labs提供高达72 MIPS的快速处理能力、快速数字外设和出众的模拟外设，例如信噪比（SNR）大于300的电容式感应控制器，以及一个高分辨率模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。Silicon Labs的EFM8器件上提供的交叉式内存控制器架构（crossbar architecture），可以简化电路板设计，同时在非常小的封装中提供了灵活性。工业控制中的电机控制电机的控制器、隔离技术和相电流检测技术指标ADI公司亚太区电机与电源控制行业市场部经理 于常涛作为一家致力于技术创新的半导体厂商，ADI的许多产品一直以来被广泛应用于电机控制领域。 ADI电机控制方案的核心竞争力突出表现在控制器、隔离技术、相电流检测及IGBT门级驱动等多方面。处理器平台的选择是伺服控制方案的核心因素，ADI的基于ARM Cortex-M4F内核的处理器ADSP-CM408具有M4F内核（主频为240 MHz）和内部集成的SAR ADC，此外还集成多通道的SINCwww.eepw.com.cn 2016.71023Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.Motor Control技术专题电机控制滤波器，这些特点集成了伺服控制所需要的核心性能，为客户实现复杂、精确、快速的伺服控制提供了充分保证。隔离技术是伺服控制系统的重要环节，目前市场中应用的隔离技术主要有光隔、容隔和磁隔。ADI在伺服控制系统中采用的是其拥有专利的iCoupler磁隔离技术。磁隔离技术的主要优势包括速率高、体积小、集成度高和使用寿命长等。对于相电流检测部分，ADI有隔离型Σ-Δ调制器AD740X。目前市场应用中，中小功率等级应用的电流检测通常采用采样电阻采集电流。因ADI处理器集成了SINC滤波器，AD740X与ADI处理器结合，可完美解决伺服控制中最核心的电流环路控制。对于大功率应用，通常采用Hall元件+ADC的方式，ADI处理器集成的SAR ADC与Hall元件搭配，同样非常具有优势。伺服系统中，功率模块前端需要有一个驱动器，ADI提供了针对此应用的ADuM4135，该产品隔离部分基于ADI的iCoupler磁隔离技术，能够为功率器件提供充分的保护，此外，其具有非常小的传输延时以及很高的可靠性。智能电机成为提高电机效率的需要据统计，全球大约50%的电能都是被电机/马达消耗的，而数量巨大的家用电器及工业设备占比很大，如家电类的冰箱、空调、洗衣机、风扇、水泵等都需要电机提供动力， 而工业图3 智能去除无效电流输出用于运动的位置控制步进电机 工业控制领域的趋势集中在符合安全法规和减轻对环境的影响方面。从电机控制的角度，提高能效和降低噪声是技术趋势。行业趋向采用单芯片方案，集成高技术32位处理器和用于驱动外部分立功率FET或电源模块的门极驱动器。在控制安森美半导体系统方案部大中华及亚太区域营销经理 余辉 设备中大量的步进马达，如打印机、复印机、雕刻机、纺织机等。如今，90%已经安装的电机无论需要与否，都连续不断地全速运作，有些电机驱动效率低下，发热严重，而有些使用机械系统调节输出，就像我们开车时，时而油门时而刹车调整车速一样，非常浪费。单纯从民用角度讲，高效电机的发展趋势是发展智能马达，提高效率并减少不必要的输出。现代的家用电器，在满足使用需求的基础上，已经在非常努力地提高电机的效率，但是同样面临多重工况下无法兼顾效率的问题，同样需要智能电机驱动技术。工业设备中的智能电机驱动的推广，同样能大幅度提高电机的使用效率。东芝电子的MCD产品，致力于满足客户需求，提供可靠高效的产品。针对提高电机效率，不断使用新技术满足客户需求。1. INPAC 技术（智能相位控制技术）应用于直流无刷电机驱动，在不同速度下智能调节电机电流相位，提高电机在不同工况下的效率；2.步进电机AGC技术，应用于步进电机驱动，能够智能检测步进电机负载的高低，在电机处于轻负载的情况下，智能降低电机电流及转矩输出，在保证电机正常工作的状态下降低功率。算法方面，矢量控制是一种趋势，矢量控制由采用精心编制的软件的处理器控制。步进电机用于运动的位置控制是很有用的，且易于使用。安森美半导体是电机控制领域的关键供应商，公司新的步进电机控制技术为提高能效和降低噪声提供了新的方案。传统的步进电机电流控制模式是恒定的，而安森美半导体的高电源能效步进电机适当地调节电流，匹配电机的转子角度，无需任何软件和高技术处理器。LC8240是步进电机电流控制器，它与传统的步进电机驱动器协同工作。LV8702V包含驱动电源及电流控制器。 91124ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2016.7Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.责任编辑：王莹汽车电子中的电机控制高集成度将是主驱电机的发展趋势日本车厂合作。另一种为更加成熟的方案，是体积在2.9L液冷的电机控制器（40~60KW）。与目前国内主流产品比较契合，未来高集成度将会成为所有主要器件的主流趋势。现阶段瑞萨已经将很多器件集成在一起，从MCU、IGBT、预驱动等主驱电机相关产品，瑞萨提供了全套的电机解决方案。例如：1)MCU(RH850/C1X)集成了旋变解码器(RDC)以及硬件电流环算法（EMU）。同时又是锁已经开始与国内车厂进行产品研发。而0.9L和(下转第27页)瑞萨电子大中国区市场策略中心汽车电子部高级经理 于宗源步双核，可以满足ISO26262的ASIL-D标准的功能安全性要求。2)IGBT，除了在电压上有多种选择外（650V/900V/1200V）,自身晶圆(Die)还内置了温度传感器。从而可以更加精确地提供IGBT实时的温度信息。这在以前都是没有的。3)预驱动，除了集成有为IGBT温度传感器所配置的A/D外，还把隔离功能进行了内置。瑞萨电子的主驱电机控制目前面向市场的方案有两种，一个是体积为0.9L的电机控制器(Inverter)，风冷的机电一体化20KW方案，此方案对合作车厂技术能力要求较高，目前正与某www.eepw.com.cn 2016.71225Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.Focus Technology热门技术式移动电源。ISL9237提供了丰富的功能特性，并且是一种能够与SMBus主机通信的SMBus充电器。它符合USB 3.1规范和最新的英特尔IMVP8 PROCHOT#和PSYS要求，具备针对电池压降、适配器过流、电池过流及过热的保护功能。ISL9237提供两级适配器电流功能，完全支持对电流限值和持续时间进行编程，以利用适配器的浪涌电流承受能力。另外它还支持外部移动电源及任何旅行电源适配器，包括那些未公布其电流处理能力的产品。图4显示了一种基于降压充电器或升压充电器概念的方案。该方案从USB电源适配器获得电压，并根据输入/输出电压关系使用降压充电器或升压充电器。虽然该方案消除了预升压方案的额外功率损耗，但其仍然需要一个额外的升压充电器，这也会增加解决方案尺寸和成本。图5所示为升压-降压拓扑方案。升压-降压拓扑能够在存在“输入至输出”关系时，在降压模式下工作，在存在“输出至输入”关系时，在升压模式下工作，或者在存在双向“输入≈输出”关系时，在升压-降压模式下工作。这种灵活性有助于实现具有最小解决方案尺寸和最佳总体效率的更佳设计。这种方案可满足系统设计工程师的要求。市场上首款USB-C升压-降压电池充电解决方案是Intersil ISL9237。图6显示了ISL9237升压-降压充电器的拓扑。该器件由四个开关FET、一个电感以及电池连接FET（BEFT）组成。四个开关FET分成两组：正向降压端口和正向升压端口。通过运行其中任一端口，该拓扑可在正向降压模式或正向升压模式下工作，为电池充电。另外，它还能在反向降压模式下工作，通过USB端口为外部电子设备供电，例如平板电脑、智能手机或能够为任何设备充电的新兴便携结论由于ISL9237 USB-C升压-降压电池充电器的出现，移动PC系统和其他便携式设备现在能够采用基于可反转USB Type-C连接器的最佳双向输电技术。USB-C简化了计算机和外部电子设备双向传输电力与数据的方式。USB-C生态系统正在迎来一个全新的未来，到时任何设备只需一根细小的线缆即可实现传输数据和供电。(上接第12页)2.9L的控制器体积，将会大大提升产品在车内配置的灵活性。案的物料成本。除此以外，离散的霍尔效应芯片，当作为一个整体用于电机换向反馈时并不精确，影响磁性角位置传感器芯片将成为马达新的应用潮流马达制造商正从昂贵的旋转变压器、光学编码器以及廉价的霍尔闩锁器转为使用磁性角位置传感器芯片。和磁性角位置传感器芯片相比，旋转变压器和光学编码器价格昂贵、耗电、笨重和占地面积大。此外，光学编码器不适合在恶劣的环境下运行并且容易受到污染。而艾迈斯半导体的磁性角度位置传感器在磁场噪声严重等其他恶劣环境下也能运作。同时，该芯片也基本可以免受环境的污染。在电机换向反馈应用中，马达供应商正从离散的霍尔效应芯片转为使用磁性角度位置传感器芯片。向马达控制器提供电机换向反馈时，通常需要使用3~5个离散的霍尔效应芯片。虽然离散的霍尔效应传感器价格并不高，但芯片的数量加上需要的被动元件和相关导线大幅增加了整套马达解决方参考文献：了马达总体的效率和性能。与之相反的是只需一个磁性角度位置传感器芯片，便可提供高精确性的电机艾迈斯半导体高级产品市场经理Mark Donovan换向反馈，降低了系统成本同时实现更高性能和效率的马达。艾迈斯半导体最新推出的磁性角度位置传感器AS5x47产品系列，凭借其在传感器芯片硬件上具备的同样功能，正帮助免除马达控制器和处理器软件计算任务。AS5x47产品系列集成的这一特点被称作动态角误差补偿(DAEC)。[1]王莹.电机驱动走向高效节能[J].北京：电子产品世界，2013，（9）：12-14.[2]于寅虎.新型电机控制技术用于电动汽车的机遇与挑战[J].北京：电子产品世界，2014，（9）：12-14.[3]Richard Chung，Roy Davis，Steven Hong，等.更高效电机驱动的基本挑战和解决方案[J].北京：电子产品世界，2015，（7）：12-14.92740ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2016.7Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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