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电机控制:节能、高效、精控将进一步显现

  :不久前,我国发布《中国制造2025》宏伟战略,主题之一是智能工厂、智能制造将引领制造业的变革,因此对电机、伺服系统的需求将会大增,尤其是多轴控制和精确位置、电流控制的高端电机;同时,环保和节能/绿色能源是我国七大新兴战略型产业之一,而电机的能耗占用电设备的20%左右,因此,提高电机能效是我国可持续发展的一场持久战。本文通过采访电机控制技术领域的强势公司,解读当下电机控制技术发展趋势。

  摘要:不久前,我国发布《中国制造2025》宏伟战略,主题之一是智能工厂、智能制造将引领制造业的变革,因此对电机、伺服系统的需求将会大增,尤其是多轴控制和精确位置、电流控制的高端电机;同时,环保和节能/绿色能源是我国七大新兴战略型产业之一,而电机的能耗占用电设备的20%左右,因此,提高电机能效是我国可持续发展的一场持久战。本文通过采访电机控制技术领域的强势公司,解读当下电机控制技术发展趋势。

  IHS发布的“2014年中国低压电机市场报告”显示,受益于补贴高效电机与强制淘汰低效电机的政策,2014年二级能效(GB2/IE3)等级低压电机呈现了爆发性的增长趋势,市场份额从2013年的5%一跃升至13%,而低效的IE1电机的市场份额从57%跌落至38%。然而,IHS调研显示目前高效的二级能效(GB2/IE3)份额距离“全国电机能效提升计划”设定的2015年50%低压电机达到高效(GB2/IE3)能效标准还存在一定的距离。此外,高效电机的深入推广面临诸如“假冒”高效电机、补贴流程繁复等亟待解决的问题与挑战。

  我国高效电机(GB2/IE3)所占市场份额与全球高效电机市场相比存在着一定的差距,这一差距随着高效电机大力推广而不断缩小。IHS数据显示,2013年全球高效电机(GB2/IE3)占20%的市场份额,我国同等级电机的市场份额仅为5%(如图1)。自政府2013年底提高补贴电机能效要求三级能效(GB3/IE2)到二级能效(GB2/IE3),2014年我国高效电机的市场份额升至13.5%,与全球高效电机水平之间的差距正逐步缩小。

  IHS工业自动化分析师朱俊卿表示:长远看,我国高效电机的进一步普及是不可逆转的趋势。这在受市场机制逐步淘汰低效电机作用的同时,更依赖于政府的行政监管淘汰低效电机与财政补贴高效电机的政策。我国计划于2016年开始普及推广更高效的一级能效(GB1/IE4)电机。截止2018年,IHS预测我国GB3/IE2低压电机将成为市场的主流能效等级,占近59%的市场份额,紧接着是GB2/IE3电机,市场占有率超过31%。此外,除节能高效的低压电机的推广外,高压电机也是高效电机补贴与推广的领域之一。尽管高压电机因其本身的能效效率比较高,能效提升的空间相对于低压电机较为有限,节能高效也是高压电机的长期发展的一个趋势。

  电机未来的发展方向是更高的效率,调速电机转速更强的可靠性和更广的应用范围。无刷直流电机(BLDC motor)可以满足上述特性与要求,我们看到,现在在很多应用中BLDC逐步开始取代交流电机、有刷电机甚至于步进电机。电机驱动解决方案的集成度越将会来越高,有片上集成电机控制算法,门驱电路,复杂的片上保护电路,针对小功率的应用甚至MOS管也可以集成进去。通常来讲,BLDC的控制比较复杂,需要的资源较多,尤其是如果为了实现复杂的FOC控制,可能越要很多控制器资源,所以DSP会比较合适。TI的C2000系列DSP搭配上DRV830x系列电机门驱动器即提供了一个很高性能的电机解决方案。对于其他相对简单的电机,资源相对弱一点的MCU通常可以满足基本需求。

  TI的InstaSPIN算法可以自动监测电机参数,通过FOC可达到从算法到电机整体运转效率的提升。

  德州仪器(TI)中国区市场开发高性能模拟产品业务拓展经理信本伟,散热主要通过两方面来解决:

  一个是尽量降低驱动端的内阻,对于小功率的电机可以采用内置MOS的方案。对于大功率的电机通常应该采用外置MOS来尽量降低内阻和芯片内的温度;

  在新一代的电机制造业中,高效是技术发展的明确趋势。但越来越多的应用和领域对于电机控制的要求已不仅仅停留在满足节能要求的通用变频器及速度控制上,精确的位置控制及电流控制已成为了新的需求。

  在不远的将来,工业智能化是需要双向互动的,调速电机转速网络通讯与智能化传感技术的发展将会促进工业控制的智能化发展,智能化和网络化将成为电机控制行业,乃至整个工业自动化市场的核心发展趋势。严格的,(我们应该讲电机控制技术)电机控制是一个相对成熟的工业应用,从技术层面以及用户角度,不会有着非常快速的变化。除了上述的描述之外,我们可以看到,在国内有如下的一些新变化:

  (1)ARM Cortex-M4F作为标准化的处理器平台,越来越被国内客户所接受,成为取代DSP的通用伺服控制器的平台;

  (2)MEMS(微机电传感器)在电机控制上的应用,是当前讨论的又一个话题。

  ADI公司亚太区电机与电源控制行业市场部经理于常涛:在MCU、DSP、FPGA或功率、模拟芯片方面,通用功能的DSP处理器的优先级降低,针对通用伺服,ARM Cortex -M4F处理器越来越被广泛应用。FPGA仍然是多轴系统以及实现实时以太网功能的首选方案。

  散热是一个技术难点,更多地应该从机械结构上考虑。但是,从硬件设计角度看,降低功率模块的损耗,无疑是一个方案。噪声同样是一个系统问题,不是某一个芯片产品就可以解决的。

  蓝碧石16-bit MCU在细节下功夫,面向小家电、小型工业设备等领域

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