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电机驱动与控制的新思路、新技术、新市场
来源:电子工程专辑 发布:2024/05/20 浏览量:86

人们日常生活中的各种电子产品,小到电动玩具、电吹风机和智能手机,大到机器人、新能源汽车和各类工业自动化设备等,都有电机的身影。电机的控制与驱动技术带来了无数应用新体验,是当代工业和汽车自动化、智能化的核心技术之一,对于提高生产效率、降低能源消耗和改善产品质量具有重要意义。

人们日常生活中的各种电子产品,小到电动玩具、电吹风机和智能手机,大到机器人、新能源汽车和各类工业自动化设备等,都有电机的身影。电机的控制与驱动技术带来了无数应用新体验,是当代工业和汽车自动化、智能化的核心技术之一,对于提高生产效率、降低能源消耗和改善产品质量具有重要意义。

 

快速增长的电机驱动市场也对电子设计与芯片性能提出了更高的要求,例如高可靠性、更加全面的保护与诊断功能、智能化以及灵活性等方面。电机的运转离不开电机驱动控制芯片,控制技术作为电机驱动系统的核心,直接影响到电机的运行效率、性能和稳定性。驱动技术则是实现电机运行的关键环节,它与电机控制技术紧密相关。

 

一款电机驱动控制芯片往往包含速度控制、力矩控制、位置控制及过载保护等功能,可以根据输入信号,按照内置的算法控制电机绕组电路流动方向,从而控制电机的启停与转动方向。芯片内集成的逻辑运算电路与功率驱动电路,可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统,用来驱动直流电机、步进电机及继电器等感性负载。

 

随着科技的进步和工业的发展,电机控制与驱动技术也在不断地创新和发展。从市面上各家厂商的产品可以看到,数字化控制技术、矢量控制技术以及智能控制技术等成为控制器发展的新趋势。

 

同时,随着宽禁带半导体(WBG)功率器件的广泛引入,更复杂的电路拓扑结构以及先进的调制策略,使电机驱动也要有相应的创新与其匹配,动态宽调速范围、多电平驱动和智能化驱动等也给电机驱动带来了新机遇。

 

本文聚焦电机驱动控制来谈谈这个老行业,如何在新技术、新思路的加持下,“卷”出更好更多的新兴市场。

 

风口中的风口——无刷直流电机(BLDC)

 

谈到电机新技术,必须提到BLDC。过去,由于成本的关系,BLDC电机只在汽车和家电等部分市场有应用。如今,随着技术的进步和规模化生产的推进,BLDC电机以其不可替代的优势,在新能源、工业自动化、医疗设备和伺服机器人等许多新兴领域得到了广泛应用。

图1:传统感应电机与BLDC电机对比(来源:ROHM)

 

BLDC电机的优势主要反映在效率、寿命和性能三方面(图1)。首先,BLDC电机的效率比有刷电机和感应电机高,特别是在负载较轻时仍能保持较高的效率,因此有助于节能减排。其次,相比有刷电机而言,BLDC电机去掉了电刷,没有磨损问题,让其使用寿命更长,维护成本也低。最后,BLDC电机能够提供更大的转矩和更快的响应速度等性能优势。

 

此外,BLDC电机在高精度、低噪声和可持续性上,也较传统电机更具优势。由于无需使用碳刷,BLDC电机在运行时噪声和振动较小,适用于对噪声要求较高的场合。其更广泛的速度范围和更精确的控制特性,也适用于各种工业和消费电子应用。同时,BLDC电机在运行时产生的污染较少,符合环保和可持续发展的要求。

 

目前业界对BLDC电机控制技术的研发创新也在持续中,这不仅将提升了电机的控制精度和运行效率,而且进一步扩大了其潜在的应用范围。随着智能制造和电动化趋势的加速,BLDC电机将保持强劲的发展势头。

 

在不同领域,终端需求促使BLDC电机芯片市场迅速发展,如在智能家电类应用——落地扇、高速风筒、空气炸锅和扫地机器人等,电动工具类应用——电剪刀、电钻和电锤等,以及医疗、新能源和汽车应用等新兴行业,BLDC电机正在逐步替代传统电机。

 

举例来说,过去由于成本高以及实施技术复杂,BLDC电机未用于超低温冷柜的压缩机中,但是近期一些用于新式空调的压缩机验证了这项理念的可行性。

 

如同前面提到的BLDC优势,得益于BLDC电机在将电能转化为物理做功方面比感应电机更高效,这类压缩机设计应用在超低温冷柜中能够令电源效率提高、自发热量降低并实现功率因数校正。由于BLDC电机产生的热量显著降低,因此制冷系统中进入的热量更少,从而可实现更高效的冷却。BLDC电机可以通过使用功率因数校正技术使其在功率因数接近1的情况下运行,从而降低视在功率的损耗

 

除了国际半导体巨头,中国半导体公司近年来也在BLDC领域持续发力。

 

电机驱动的架构选择和布局

 

电机的驱动分为硬件层面和软件层面,具体到架构选择和布局,每家企业都不尽相同。

 

随着技术的不断进步,相比以往,很多特殊场景的电机驱动控制开始强调半导体器件的专用性。控制算法硬件化已成为一种趋势,这主要是由电机应用场景的特殊性和对性能及效率要求的提升所推动的。

 

针对不同的应用场景(如汽车、工业和消费电子等)和特定的电机类型(如BLDC和PMSM等),开发出专门设计的半导体解决方案,往往能提供更高的效率、更好的性能和更佳的系统集成度。例如,用于电动汽车领域的半导体器件不仅要求具有高效率和高功率密度,还要求能够在极端环境下稳定工作,同时满足严格的安全标准。

 

预驱集成和算法硬件化的未来

 

算法硬件化的突出优势就是处理速度快,控制精度高,此外,在成熟的平台中具有应用简单的特性,便于快速启动开发,有助加快客户量产进程。那么,未来控制与预驱集成化以及控制算法硬件化的空间有多大呢?

 

目前在单相风机、办公自动化(OA)打印机领域,都已存在产品控制算法硬件化的现象,这也是细分市场的特性所决定的。以OA打印机为例,基于算法硬件化,可以用较低成本实现转速波动在万分之一以下的精度,但是数字控制以同样成本就很难达到这个精度。

 

总的来看,硬件算法化有性能高效和开发便捷的优势,更适用高精度、高动态的控制场景。集成化不仅能进一步提升系统的性能和效率,还能降低成本和系统设计的复杂性。通过将更多的功能集成到更少的器件中,可以提高系统的可靠性和稳定性,并为系统设计提供更大的灵活性。

 

尤其是在特定场景中,比如落地扇、电动工具、水泵、吸尘器和汽车应用等,控制和预驱动的集成化需求正在持续增长。部分小尺寸、轻量化和低成本的应用领域受空间限制,控制和预驱动的集成化也更具开发优势。

 

此外,随着人工智能技术的发展,集成高级控制算法和智能预测功能成为可能。这将进一步提升电机驱动系统的性能和智能化水平。未来控制与预驱集成化的空间可以说十分广阔。

 

降低电机功耗,宽禁带器件发力

 

要说当前电机驱动技术面临的最大挑战,功耗问题当仁不让。随着工业和汽车领域对电池供电设备的需求增大,以及物联网设备的小型化、智能化和无绳化趋势,芯片厂商需要从电机控制算法的优化、增强芯片集成度和采用更高效的半导体材料上,帮助降低电机驱动器整体功耗。

 

芯片设计改善主要体现在三个方面:
  1. 采用低功耗的工艺,降低内核和模拟等部分的功耗;
  2. 加入低功耗模式;
  3. 设计与功率器件更匹配的预驱,通过稳定性和可靠性保护来降低功耗。

 

优化后的算法可以根据负载情况动态调整匹配,确保电机在各种操作条件下都能以接近最佳效率运行,减少不必要的功率损耗。

 

最后,使用氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等更高效的半导体材料是降低功耗的关键一步。这些材料的特性使得它们在高频操作下具有更低的开关损耗和传导损耗,从而显著提高了电机驱动系统的总体效率。

 

通过以上方式,即可显著降低电机驱动器的整体功耗,帮助工业领域和汽车方向实现更高的能效和更长的运行时间,进一步推动设备向小型化、智能化和无绳化发展。

 

再来细说宽禁带半导体的采用,用性能更优异的SiC和GaN代替传统的硅(Si)器件进行电机控制器设计是当前一大趋势,已经开始引领电机驱动与控制技术的发展。

 

宽禁带半导体在部分行业的应用已经比较普遍了,比如手机和电脑充电器。电机市场中,特斯拉(Tesla)的电动汽车Model 3已率先使用SiC器件。目前,基于成本的考量,小功率电机大部分还是采用传统的Si器件。但是,随着宽禁带半导体产量的增加和工艺等生产环节的成熟,预计越来越多的领域会开始采用。

 

可以预见,宽禁带器件的加持能让未来电机驱动行业控制器做到更小,容易和电机配合形成集成驱动。散热系统的缩小,也将为行业与客户带来更多便利。

  1. 高温稳定性:在高温环境下仍能保持良好的性能稳定性与高效率,这对于电机驱动系统尤其重要,因为它们经常在发热较严重的环境中工作。
  2. 高频运行能力:能够在更高的开关频率下运行,有利于缩小无源元件的大小,从而减轻重量并提高整体系统的功率密度和效率。
  3. 低导通和切换损耗:宽禁带材料能够显著降低器件的导通损耗和开关损耗,有助于提高电机控制器的整体效率。
  4. 高电压容量:SiC具有更高的击穿电压特性,让它们能够用于更高电压级别的应用,这对于需要高电压驱动的工业应用而言尤为重要。
  5. 高耐压/高电流密度:允许器件在更紧凑的尺寸下处理更大的功率,提升了设计灵活性和系统集成度。

 

宽禁带功率半导体器件的进步不仅推动了电机驱动技术的发展,而且为整个行业带来了质的飞跃。

  • 首先,在提高系统效率上,SiC和GaN器件的低损耗特性能显著提高电机驱动系统的运行效率,减少能源消耗,特别是在电动汽车和可再生能源领域,能显著提升续航里程和能效转换率。
  • 第二是减小系统体积和重量。由于能够在高频下操作,允许使用更小的滤波器和冷却系统,有助于减小整体系统的体积和重量,这对于对体型和重量敏感的应用(如航空航天和便携式电器等)尤其重要。
  • 第三是提升系统可靠性。耐高温、耐高电压工作的特性,有助于提高电机控制系统的可靠性和长期稳定性,在恶劣环境下的应用(如工业和汽车应用)中尤为突出。
  • 第四是降低总体成本。尽管宽禁带器件的初始成本相对较高,但其高效率和高可靠性特性能够降低运行和维护成本,从长远看,有助于降低系统的总体拥有成本。

 

随着技术的不断成熟和成本的进一步降低,预计将会在更多领域实现广泛应用和突破,同时也会促进新应用的发展。

 

新兴市场的突破口

 

在当前消费电子行业整体不景气的情况下,方案商们正积极开展多样化的应用领域布局。电机驱动控制芯片厂商也在寻找应用市场的突破口,例如电动汽车、数据中心、机器人、工业自动化以及可再生能源等,以确保技术和产品能满足不同市场的需求。

 

随着全球对降低碳排放的重视不断加深以及技术的持续进步,电动汽车产业正在经历一个快速的增长阶段。

 

人工智能(AI)大潮下,数据中心耗电量惊人,服务器电源和风扇能效成了业界普遍关注的问题。优化运行效率和降低能耗,对于打造更加环保和经济高效的数据中心很重要。

 

此外,无论是在工业机器人还是服务型机器人中,电机驱动控制技术都是实现精确动作控制不可或缺的一环。

 

在这些新兴领域中,电机驱动控制芯片都扮演着关键角色。从发展的规律来看,芯片厂商们必然会逐步开拓对算力和资源等要求更高的领域。同样,由于高效、低维护成本和长寿命等优点,无刷电机替代传统有刷电机也是一个“以旧换新”的突破口,类似的行业革新意味着电机驱动控制还有广阔的增量空间。

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