電機(jī)控制在白色家電、工業(yè)控制以及汽車電子中的發(fā)展與動(dòng)向

摘要：本文針對(duì)家電、工業(yè)以及汽車三大領(lǐng)域中的電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)以及相關(guān)重要模塊的發(fā)展趨勢(shì)，邀請(qǐng)相關(guān)專業(yè)廠商做了專業(yè)的介紹，并就當(dāng)下的發(fā)展趨勢(shì)介紹了專業(yè)廠商的解決方案。

電機(jī)控制市場(chǎng)分析

　　2015年全球運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)下滑超過(guò)10%

　　IHS最新發(fā)布的2016年全球運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2014年的良好增長(zhǎng)勢(shì)頭未能在2015年延續(xù)，全球運(yùn)動(dòng)控制硬件市場(chǎng)在2015年遭遇強(qiáng)烈震蕩，與2014年同期相比，市場(chǎng)下滑10.6%，規(guī)模約104億美金。

 從區(qū)域市場(chǎng)看，2015年，歐元與日元的大幅貶值，導(dǎo)致了歐洲及日本市場(chǎng)以美元計(jì)的銷售額分別下滑13.7%及10.8%。中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期的經(jīng)濟(jì)增速放緩、機(jī)械行業(yè)投資大幅減少，與其緊密相關(guān)的韓國(guó)以及臺(tái)灣市場(chǎng)也受到?jīng)_擊，亞太整體市場(chǎng)表現(xiàn)低迷，銷售同比下滑11.8%。美洲市場(chǎng)基本與2014年持平，但通用運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)控產(chǎn)品表現(xiàn)各異，前者增長(zhǎng)5.2%，數(shù)控產(chǎn)品受低迷的機(jī)床行業(yè)影響下降15.3%。

　　從下游行業(yè)看，據(jù)IHS估算，2015年機(jī)床(金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)床)超運(yùn)動(dòng)控制銷售額的40%。IHS季度機(jī)械行業(yè)追蹤數(shù)據(jù)顯示，機(jī)床行業(yè)在連續(xù)兩年增長(zhǎng)后，2015年出現(xiàn)下滑，特別是在亞太及美國(guó)市場(chǎng)，機(jī)床行業(yè)大幅下滑。金屬切削及成形機(jī)床均在2015年出現(xiàn)兩位數(shù)下滑，嚴(yán)重沖擊運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)需求。美國(guó)機(jī)床行業(yè)同樣遭遇寒冬，行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2015年機(jī)床行業(yè)訂單比2014年減少17.4%。

　　預(yù)計(jì)2015-2020年期間全球運(yùn)動(dòng)控市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)趨勢(shì)為3.3%

　　不考慮匯率變化因素，IHS預(yù)計(jì)2016年運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)基本與上年持平，通用運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品增長(zhǎng)而數(shù)控市場(chǎng)略有下滑;市場(chǎng)整體預(yù)計(jì)于2017年恢復(fù)增長(zhǎng)，其中亞太市場(chǎng)增速最快，2015年 到2020年期間年均增長(zhǎng)3.6%。

　　IHS預(yù)計(jì)機(jī)床行業(yè)在2016延續(xù)下行態(tài)勢(shì)，中長(zhǎng)期保持低速增長(zhǎng)，2015至2020年年均增長(zhǎng)率約1.9%。下游市場(chǎng)的工業(yè)機(jī)器人行業(yè)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)期，IHS最新發(fā)布的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2015年至2020年全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)18.9%。作為機(jī)器人核心部件的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品將受益，預(yù)計(jì)年均增速高達(dá)12.6%，是運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)增速最快的下游行業(yè)。

白色家電中的電機(jī)控制

　　高效電機(jī)控制需要逆變器的協(xié)同發(fā)展

　　逆變器的控制技術(shù)與電機(jī)的發(fā)展一起在不斷進(jìn)步。想要提升節(jié)能效率，單靠電機(jī)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，還需要與驅(qū)動(dòng)相適應(yīng)的矢量控制(FOC)和使用了低功耗元器件的逆變器。2009年，搭載了當(dāng)時(shí)作為新理念和新技術(shù)的磁化狀態(tài)可變的“可變磁通電機(jī)”的洗衣機(jī)開(kāi)始了實(shí)際應(yīng)用，并開(kāi)始銷售。這樣一來(lái)，無(wú)需進(jìn)行矢量控制的弱磁控制即可實(shí)現(xiàn)高效率的可變速控制。之后，能夠滿足變速運(yùn)轉(zhuǎn)范圍擴(kuò)大和高效率運(yùn)轉(zhuǎn)范圍擴(kuò)大需求的“特性可變控制”的開(kāi)發(fā)案例相繼問(wèn)世，新一代控制技術(shù)的發(fā)展備受矚目。

　　在這樣的技術(shù)趨勢(shì)下，現(xiàn)在ROHM正在不斷努力將BLDC電機(jī)的高效率驅(qū)動(dòng)控制算法盡可能地進(jìn)行硬件邏輯化，從而讓功率電子的相關(guān)技術(shù)人員能夠輕松使用。作為解決方案的一個(gè)例子，ROHM已經(jīng)建立起了能夠?qū)C/DC(含PFC)、DC/DC、逆變器(正弦波自動(dòng)進(jìn)角控制)的換流器/逆變器進(jìn)行系統(tǒng)提案的體制。ROHM同時(shí)也在進(jìn)行FOC等控制算法的軟件開(kāi)發(fā)，今后計(jì)劃將根據(jù)各種不同的應(yīng)用方向進(jìn)行提案。

　　在封裝與散熱方面，為了提高有高通用性標(biāo)準(zhǔn)封裝的功率密度(電力/容積)，在作為基本構(gòu)成要素的高熱傳導(dǎo)封裝材料、LSI回路、功率元器件的低損耗化方面進(jìn)行最優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)。另外，還可以針對(duì)客戶基板提供ROHM獨(dú)有的散熱解決方案服務(wù)。

　　為了實(shí)現(xiàn)小型化和高可靠性，需要進(jìn)行一體化整合，例如通過(guò)使用像IPM這樣的構(gòu)造來(lái)提升保護(hù)功能，提高安全性。最終還需要對(duì)電容器、電感等無(wú)源器件進(jìn)行小型化。另一方面，為了滿足低價(jià)格要求，由LSI(柵極驅(qū)動(dòng)器)和分立器件(IGBT、MOS)所組成的解決方案也是比較有效的。

 電機(jī)控制對(duì)MCU的要求

　　我們正在目睹電動(dòng)工具類應(yīng)用從交流(AC)電機(jī)向無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)轉(zhuǎn)移，例如電鉆頭、電鋸和割草機(jī)等產(chǎn)品。通常，為專業(yè)人員和消費(fèi)者開(kāi)發(fā)電動(dòng)工具的這類客戶并不具備電機(jī)控制軟件知識(shí)，因此他們依靠MCU供應(yīng)商來(lái)提供電機(jī)控制固件。我們也看到了對(duì)更高性能電機(jī)控制的更多新需求，如用于無(wú)人駕駛直升機(jī)和電扇等新興使用案例的正弦波(Sine Wave)控制和磁場(chǎng)定向控制(FOC)。

　　作為一家為工業(yè)應(yīng)用提供8位MCU的領(lǐng)先供應(yīng)商，Silicon Labs為諸如數(shù)碼照相機(jī)和電動(dòng)自行車等電池供電型應(yīng)用提供電池管理系統(tǒng)(BMS)技術(shù)。支持這些應(yīng)用的MCU必須具備非常低的待機(jī)電流以及一個(gè)非常精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和片上基準(zhǔn)電壓。

　　Silicon Labs的EFM8系列為我們的客戶提供了優(yōu)異性能和簡(jiǎn)易性，從而滿足了他們的需求。在性能方面，Silicon Labs提供高達(dá)72 MIPS的快速處理能力、快速數(shù)字外設(shè)和出眾的模擬外設(shè)，例如信噪比(SNR)大于300的電容式感應(yīng)控制器，以及一個(gè)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。Silicon Labs的EFM8器件上提供的交叉式內(nèi)存控制器架構(gòu)(crossbar architecture)，可以簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，同時(shí)在非常小的封裝中提供了靈活性。

工業(yè)控制中的電機(jī)控制

 電機(jī)的控制器、隔離技術(shù)和相電流檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)

　　作為一家致力于技術(shù)創(chuàng)新的半導(dǎo)體廠商，ADI的許多產(chǎn)品一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。 ADI電機(jī)控制方案的核心競(jìng)爭(zhēng)力突出表現(xiàn)在控制器、隔離技術(shù)、相電流檢測(cè)及IGBT門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)等多方面。

　　處理器平臺(tái)的選擇是伺服控制方案的核心因素，ADI的基于ARM Cortex-M4F內(nèi)核的處理器ADSP-CM408具有M4F內(nèi)核(主頻為240 MHz)和內(nèi)部集成的SAR ADC，此外還集成多通道的SINC濾波器，這些特點(diǎn)集成了伺服控制所需要的核心性能，為客戶實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精確、快速的伺服控制提供了充分保證。

　　隔離技術(shù)是伺服控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，目前市場(chǎng)中應(yīng)用的隔離技術(shù)主要有光隔、容隔和磁隔。ADI在伺服控制系統(tǒng)中采用的是其擁有專利的iCoupler磁隔離技術(shù)。磁隔離技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括速率高、體積小、集成度高和使用壽命長(zhǎng)等。

　　對(duì)于相電流檢測(cè)部分，ADI有隔離型Σ-Δ調(diào)制器AD740X。目前市場(chǎng)應(yīng)用中，中小功率等級(jí)應(yīng)用的電流檢測(cè)通常采用采樣電阻采集電流。因ADI處理器集成了SINC濾波器，AD740X與ADI處理器結(jié)合，可完美解決伺服控制中最核心的電流環(huán)路控制。對(duì)于大功率應(yīng)用，通常采用Hall元件+ADC的方式，ADI處理器集成的SAR ADC與Hall元件搭配，同樣非常具有優(yōu)勢(shì)。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第8頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。