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电机控制“需求”与“发展”的爱情长跑。

合乐888登录:变频器仍然是全球最主要的电机控制产品,在2016年全球电控产品市场规模占比超六成,其中,约72%销售额来自于低压变频器。伺服驱动器是仅次于低压变频器的第二大电控品类,2016年贡献了近两成的全球市场销售额。此外,伺服系统在高精度、高性能要求的机械设备领域有望不断扩大市场份额,预期是未来增速最快的电控产品之一。
      电机控制技术及产品一直都是工业领域,乃至整个科技领域的重要内容。本文就市场对电机控制的需求及其当下发展,合乐888登录技术部做了相关先容和分析。
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2016年全球工业电机与电控市场

      IHS Markit持续多年追踪全球各类工业电机与电机控制产品的市场行情趋势,发布相关市场数据与信息。最新统计数据显示,2016年全球工业电机与电机控制市场预计达580亿美金,其中,工业电机市场销售额约为354亿美金,电机控制市场规模在226亿美金左右。总体上,IHS Markit预期2016-2020年全球电机与电控市场保持平稳增长,电控市场增长高于电机。

细分产品市场
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      如图1所示,通用高低压感应电机约占2016年全球电机销售额的44%,特别是低压交流电机因其广泛的下游应用领域,约占30%的全球电机市场总销售额。随着全球不断深入推广高效电机,高效电机的普及率有望得到进一步的提升,IHS Markit预计2020年IE3电机占全球低压电机市场份额达32%,IE4电机增速远高于其他低压电机。总体而言,主要应用于OEM市场的分马力电机与低压电机预期表现好于下游集中在项目型市场的高压电机。此外,具有高精度、高稳定性及适应性等特点的伺服电机预期是未来增速最快的电机品类之一。2016年发电机约占全球电机总销售额的30%,主要受电力、造船等下游行业影响而波动,中小型发电机市场预期增速好于大型发电机市场。
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      变频器仍然是全球最主要的电机控制产品,在2016年全球电控产品市场规模占比超六成,其中,约72%销售额来自于低压变频器。伺服驱动器是仅次于低压变频器的第二大电控品类,2016年贡献了近两成的全球市场销售额。此外,伺服系统在高精度、高性能要求的机械设备领域有望不断扩大市场份额,预期是未来增速最快的电控产品之一。

      不同细分产品市场的集中程度不一,领先企业在不同产品及区域市场的排名各有不同。总体来看,全球电机与电控市场仍较为分散,2015年排名前十的厂家约占全球40%的市场份额,ABB 、西门子保持市场领导地位。

区域市场

      亚太(除日本)是全球电机与电控最大的区域市场,2016年销售额约占全球市场销售总规模的36%,主要受益于庞大的中国市场。IHS Markit估计2016年中国电机与电控市场规模接近129亿美金,是全球最大的单一国家市场。尽管中国市场面临进入经济转型期的增速放缓、产业结构调整等挑战,传统产业升级与智能化改造以及大力发展节能、高端制造业等趋势给未来电机与电控产品的发展带来了新机遇,IHS Markit预期中国是未来增速最快的区域市场之一,2020年市场规模预计超146亿美金。

      欧洲、非洲及中东(EMEA)与美洲保持为全球第二大与第三大区域市场,2016年销售规模分别为170亿美金与156亿美金。IHS Markit预计美洲市场的电机与电控产品在2016-2020年的年均增速略高于欧洲市场。

东芝智能相位控制技术

      就电机驱动芯片而言, 电机控制的趋势是高集成度、低成本、高效率和低噪声。而用户选择不同的电机控制方案,不同的侧重点包括系统性能、系统成本和系统可靠性。 不同的需求对应不同的电机控制方案选择。

      东芝集团内部电力电子技术的横向整合,自有的0.13μm先进模拟集成电路制程以及独有的多种新技术应用于电机驱动并满足客户的需求,是东芝解决方案的优势。东芝宽广的产品线涵盖步进电机、有刷电机和直流无刷电机应用的所有直流电机应用。东芝最新推出了应用于直流无刷电机的智能相位控制技术,能够提高电机控制系统效率,并具有简单易用的特点。主动增益控制能够有效提高高转矩波动的步进马达驱动器的效率,降低电机和驱动器的温度;应用于步进电机驱动高级动态混合衰减技术、高级电流检测技术、主动增益控制技术等独有的先进技术,并相应推出了应用该新技术的新产品。例如TB67B000HG/FG是适应家用空调风扇系统的高集成度低陈本高效率方案,已经为客户大量采用,其中新推出的贴片封装产品TB67B000FG,封装尺寸较TB67B000HG插件封装减小了53%,散热性能基本一致,管脚排布更加优化合理,是东芝在该应用领域的主力产品。 TC78B016FTG 集成应用智能相位控制技术,能有效提高方案效率,且简单易用,在后续将会推出更多应用智能相位控制技术的产品为客户提供多种选择。 TB67S289FTG 采用了主动增益控制技术、高级电流检测技术和高级动态混合衰减技术,特点是缩减了控制板面积,有效地提高了高转矩波动的步进马达驱动器的效率,降低了电机和驱动器的温度。

电机要求位置传感器有更高精度

      现如今,在各个领域(汽车、工业控制和消费类产品)中,电气化无处不在。一个明显的趋势是,有刷电机将会逐渐被无刷电机(直流无刷或永磁同步)替代。而当驱动不同的输出负载时,主要是要尽量减少电机的扭矩波动。大家要准确识别不同的应用场景需求,有些应用无需传感器,有些应用场合需要高精度、高分辨率的位置传感器。为了进一步提高性能,需要采用更精确有效的电机换向方式,而传统的霍尔开关的方式过于粗放,因此,高精度的位置传感器势在必行,能实现精确、高速的位置检测,并且具有很低的时间延迟。显而易见,在未来,人类将会用到越来越多的智能化电气设备和新型的驱动系统,这一切,都需要更智能化、更精确的传感器作为基础。

方案选购考虑因素

      电机控制方案的选购主要取决于实际的应用需求和系统成本预算。当然,系统精度会是一个重要的选择标准。当大家为一个电机控制系统挑选合适的传感器时,分辨率、线性度误差以及延时等参数都需要考虑,而且,传感器的输出必须足够稳定,不受外界杂散磁场和其他电磁干扰的影响。

艾迈斯的解决方案

      针对汽车级和工业级的电机控制场合,艾迈斯半导体提供了一系列基于霍尔技术的位置传感器。得益于大家的专利技术DAECTM(动态角度误差补偿技术),在外界杂散磁场干扰下,传感器依然能保持极高的精度。基于DAECTM专利技术,用户可以实现角度位置检测几乎零延时。大家的传感器均满足汽车级要求,在严苛的环境温度下也能正常工作。

步进电机应用及解决方案

      对于电机驱动芯片,高能效、低噪声、安全可靠、使用方便及高性价比一直是用户长期追求的目标。随着电机驱动产品使用的日益广泛,更高的要求也会被提出。

      步进电机因使用简单,成本优势明显而应用广泛。如在多功能打印机/扫描仪、缝纫机、提款机等工业领域。但步进电机并不是最完美和理想的方案,特别是在多马达同时工作的环境下,音频噪声尤其严重。 此外, 即便在低转速条件下,仍然会产生功耗,以致对某些手持设备电池的寿命有所影响。低能效引起的过热也不可忽视。 在某些情况下,系统不得不另加冷却风扇, 导致成本和系统的复杂程度增加,降低了系统的可靠性。

      设计人员有时会选用BLDC(无刷直流电机)来克服步进电机的缺点,实现高效、平稳和低噪声效果,从而降低功耗和发热。 但随之而来的是成本上升,很多情况下不得不使用MCU,这同样会导致系统设计难度大大提高。从步进电机到BLDC,对于机械子系统设计而言也是很大的改变,设计周期加长及长期可靠性测试也大大延缓了面市时间。

      因此,用户需根据特定的应用需求选购合理的电机控制方案,同时需兼顾低噪声、高能效、高可靠性及成本等因素。

LC898240/LV8702步进电机解决方案

      为满足市场高性能的需求,安森美半导体的LC898240/LV8702可通过两种新的工作方式来改进现有方案,充分解决传统步进电机存在的问题,是高性价比创新的步进电机解决方案。LC898240通过监测马达线圈的BEMF波形来判断负载变化,以调整电机电流和步进脉冲的方法来改善现有的步进方案,而无需改变机械系统来实现类似于BLDC的性能,提高整体能效并降低输出噪声。

      LC898240可以作为辅助设备和传统电机驱动芯片一起工作。除了具备调整电流功能实现高能效外,其内置EEPROM可存储产生九种工作时序,每种时序达440步,实现无MCU的工作模式,便于用户灵活选择。

      LV8702是集成LC898240功能的单芯片产品,集BEMF检测反馈及电机驱动功能于一体,更易于使用,其高效模式可较传统步进电机降低达80%的功耗。

电机驱动芯片的控制趋势

      罗姆半导体(上海)有限企业设计中心表示,除了要求安全、高效、控制性能好之外,数字化、集成化也成为电机控制技术发展的必然趋势。控制系统数字化则包含了硬件与App两方面,硬件即高速、高集成度、低成本的专用芯片。App则体现在电机控制方面,电机控制算法未来的发展方向将着重在高性能的转矩转速控制与在线辨识上。

      集成化是指电机的集成和电力电子器件的集成,它包括电机与电机驱动的集成和开关器件、电路、控制、传感器、电源等的集成。集成方案比传统分立器件方案更有助于降低总体物料单(BOM)成本、减少方案占位面积,并使系统方案更轻、更高能效及更可靠。

      不同应用对电机控制器的要求有很大的区别。目前市场上的控制器/驱动器解决方案各有千秋,包括了针对特定简单应用的标准控制器/驱动器以及采用外部缓冲栅极驱动器和功率级的MCU、DSP和FPGA。

      对于小型电机以及控制精度、反应速度要求不高的应用,专用芯片具有低成本、低功耗、控制简单、易上手等优势。

      对要求苛刻的应用,适合使用DSP、MCU和FPGA,可以增加其他系统管理功能,例如监测电机参数和状态,以及与主机系统的通信等。但是,DSP、MCU和FPGA需要外部栅级驱动器和功率器件,且需要编程控制,在安全、效率方面需要斟酌。

      在权衡了电机的效率和生产的成本基础上选择出来的方案,才是最适合的方案。

ROHM电机控制方案

      随着变频器的变频控制已越来越多地被使用到家电的空调、洗衣机、电冰箱等诸多白色家电的应用中,ROHM的控制方案从最初的BD620X系列,工艺改善进化到BD6201X+BM6202/3(耐压600V,1.5A/2.5A的IPM),发展到高度集成化的BM620X系列(集成了驱动和IPM)、BM622X系列等。同时,随着工业4.0、无人机、智能机器人、汽车电子等市场的兴起,ROHM也推出了相应的控制芯片,比如车载级别的隔离Gate Driver,具有可编程SPI接口的有刷直流电机驱动控制芯片,快速反应的三相有位置/无位置专用控制方案等。

根据实现功能选择电机

      电机控制在各个行业的应用十分广泛,因而趋势也各不相同。不过,对于所有行业来说,最近的主要推动力就是效率。电机设计以及逆变器设计和控制都在不断改进。

      移除或至少缩小同步电机的磁件也是行业关注的焦点。采用同步磁阻电机可实现这一目标,它们基本上是没有磁件的永磁同步电机(PMSM)。由于没有磁件,控制起来比较困难,好处是降低了成本,提高了满负载范围内的效率。

      在汽车领域和消费类产品中还有一大趋势就是集成。比如,将FET驱动器和MCU/DSP组合于一个封装内。这样可以缩小PCB面积,从而轻易地将电路板安装至电机背面。

      选择的标准关键取决于设计要实现什么功能,电机在系统中要完成什么任务,功耗限制如何,是采用交流电供电还是电池供电,以及希望的尺寸(外形因素)是如何的。

      BLDC和PMSM电机颇受欢迎,究其原因,主要是外形小和输出转矩大。由于PMSM运行更平稳、更安静,而且效率更高,取代BLDC已成为一种趋势。因此,汽车中电机几乎都将采用无传感器场定向控制(FOC)或PMSM。

Microchip的数字信号控制器

      Microchip推出适用于电机控制的dsPIC® 数字信号控制器时,大家关注的是需要更高性能来完成复杂计算的应用。正如前面所述,提高效率,降低成本和体积是大势所趋。利用采用无传感器FOC的PMSM可实现这一目标,但前提是MCU/DSP具有足够的数学运算能力。dsPIC33EP系列就是这些拥有强大运算能力的器件中极具价格竞争力的产品。并且,集成智能PWM和模拟外设,减少了外部元件,从而因缩减物料清单而降低成本。

电机控制对无线连接的需求

      大家看到物联网市场正在快速地增长,进而驱动了对低功耗微控制器(MCU)和无线系统级芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前,很多电机控制应用并不具备很好的连接性。大家可以看到一种趋势:很多电机控制应用正在增加无线连接功能以用于控制和监控。这对于电机控制来说是一项重要的改变。这一趋势正在家庭自动化市场中迅速蔓延,而工业市场在这方面则相对缓慢一些。

      考虑到电机控制的连接性,集成式电机控制MCU成为一种较好的选择。根据电机控制应用的不同,有单芯片解决方案、双芯片解决方案和模块化解决方案可用于智能无线连接电机。对许多应用来说,一个MCU用于电机控制,另一个无线SoC则提供无线连接功能,即双芯片解决方案,在这种情况下,选择电机控制MCU可以仅仅基于其运行电机控制的情况优劣来作出判断。然而,集成的可能性或许会受限于电机控制MCU的选择。对于那些对成本非常敏感的应用来说,有可能使用同一个无线SoC将电机控制和无线连接集成到一起。有一种简单的方法可以为电机控制设计增加RF连接功能,即在现有的电机控制板上增加一个无线模块。

节能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

      Silicon Labs的SoC解决方案为智能联网电机带来了无线连接功能,同时大家也为电机控制应用提供了多种多样的节能型MCU。

      对许多电机控制应用来说,节能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU是一种理想的解决方案。它具有一个带有DSP指令支撑的高性能ARM Cortex M4 CPU和一个浮点运算单元(FPU),包含2个带有边沿对齐或中心对齐脉冲宽度调制(PWM)的16位定时器,其中一个片上定时器具有死区插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通过增加一个EFR32MG1 Mighty Gecko无线SoC或一个MGM111 Mighty Gecko模块以增加无线连接功能。

电机驱动器向高集成度和高性价比演进

      好的电机要满足客户的不同需求,有的客户对电压看重,例如要低至1.5V的电压;有的对体积或散热等看重;有的重视精度,例如256微步步进电机的应用场合主要是位置传感,可用于医疗注射泵,对药的注射剂量要非常准确,但速度不一定快;有的重视性价比。ST的一些产品换成了新型的超微型QFN封装,使封装尺寸更小、价格更便宜,也相应地提高了性价比。

      为了实现高集成度,ST正在做SiP(系统级封装)。主要有两种途径。第一种途径是把驱动器和功率芯片进行封装集成,即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8个MOSFET,堪称业界最先进的产品,主要因为性能指标高:85V,5~10A,封装很薄(因此散热好)。另一种途径是“驱动器+STM32 MCU”,例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。优势之一是设计速度快,因为有STM32F0 MCU;二是集成度高,简化了设计,节省了BOM(物料清单)。

      目前市场上只有基于ARM Cortex-M0的集成产品(STSPIN32F0系列),并没有基于M3、M4的集成驱动产品,这是因为M3、M4针对更高端的应用,但ST目前进军的中低端大批量市场还不需要更高端驱动产品,例如电动工具等,过去是8位MCU,现在升级到基于32位的M0控制,已经非常进步了。在中低端市场,M0性价比比M4高,可满足从有传感到无(位置)传感,再到SoC控制等的需要。当然,后续会有集成M4的驱动器系列推出。

电机控制之机器人系统电源解决方案

      电机控制是绝大多数工控设备传动系统里的核心之一。其用途细到玩具、家用电器,广到自动化设备、工业机器人等。电源模块,作为系统供电的主要器件,为电机控制的发展注入“源”动力。

      就电机控制系统而言,电源模块可分为工作电源和驱动电源两大类。工作电源提供稳定的5V电压供给MCU,间接作用于电机控制系统;驱动电源一般功率较大,提供足够动力直接作用于电机控制系统。电源模块除供电功能外,最重要的还有提高系统可靠性的作用。电机控制系统的集成度越来越高,电机工作时噪声干扰问题越来凸显,因此部件小体积、信号隔离需求日益明显。同时,针对有电池供电的系统,电池电压波动范围大,电源模块可以提供稳定的输出电压,高效率的电源模块还有利于提高电池的续航能力。所以,在电机控制系统中电源模块一般有供电、隔离、稳压、提升续航能力等功能,是不可或缺的配套器件。

      当下,智能制造已成为主流。为提升生产效率和控制生产成本,智能机器人行业火热发展,如仓储机器人、物流机器人、扫地机器人等。智能机器人中包含电机控制和电机的传动系统,电机作为传动部件,可以完成某项任务,如扫地机器人轮子实现巡视功能、吸尘部件实现灰尘清理功能等。针对智能机器人多种电压/功率以及应用的需求,金升阳提供多种电源解决方案以满足不同需求。

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