工業(yè)4.0大背景下的電機(jī)控制

　　工業(yè)4.0(Industry 4.0)是德國(guó)政府《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》確定的項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目旨在通過(guò)利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，工業(yè)4.0已上升為德國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略。“工業(yè)4.0”分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)，意味著設(shè)備之間可以相互溝通，并能在智能聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)流程中獨(dú)立運(yùn)作;二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。

　　IHS公司高級(jí)分析師周萬(wàn)木指出，德國(guó)提出工業(yè)4.0， 美國(guó)提出先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃，我國(guó)也在推進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，在這樣的大背景下，傳統(tǒng)的電機(jī)和電機(jī)控制行業(yè)也正在發(fā)生變化，對(duì)電機(jī)控制芯片也提出了新的需求。分析師周萬(wàn)木認(rèn)為主要的趨勢(shì)包括以下三個(gè)方面：

　　分布式電機(jī)控制系統(tǒng)與集成的電機(jī)控制產(chǎn)品趨勢(shì)

　　單獨(dú)的機(jī)械設(shè)備中電機(jī)的軸數(shù)正變得更多，多軸控制越來(lái)越多的應(yīng)用在包裝機(jī)械、電子組裝機(jī)械、食品飲料機(jī)械， 機(jī)械手和印刷機(jī)械中。為了滿(mǎn)足小批量，定制化和柔性化的加工需求，客戶(hù)需要靈活的調(diào)整電機(jī)控制的軸數(shù)，要求電機(jī)控制系統(tǒng)更加開(kāi)放，可以重復(fù)編程。

　　另外，現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)線正變得越來(lái)越復(fù)雜，比如汽車(chē)制造，包裝，食品飲料，倉(cāng)儲(chǔ)物流等產(chǎn)線正在使用成百上千個(gè)變頻器、伺服和電機(jī)來(lái)控制物料流動(dòng)， 這些產(chǎn)線對(duì)分布式電機(jī)控制系統(tǒng)需求量比較大。以前的電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)有個(gè)中央電氣控制柜安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而分布式電機(jī)控制系統(tǒng)可提供一套緊湊的模塊化解決方案，有助于簡(jiǎn)化接線、縮短調(diào)試時(shí)間和降低對(duì)額外機(jī)柜空間的需求，更少的線纜連接也可以減少干擾，提高生產(chǎn)線的可靠性，無(wú)需使用電氣控制柜使得電機(jī)可以快速連接到工業(yè)以太網(wǎng)。

　　電機(jī)控制系統(tǒng)的分布式同時(shí)意味著電機(jī)控制產(chǎn)品的集成化， 比如電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成，電機(jī)控制器和PLC的集成，電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)的集成。電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)的高度集成化，使得三者的設(shè)計(jì)，制造和運(yùn)行都緊密融為一體，與傳統(tǒng)電力傳動(dòng)系統(tǒng)相比，它們體積更小，重量更輕，功率密度更高。IHS公司高級(jí)分析師周萬(wàn)木提到，集成的概念不僅僅停留在電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)控制器，還包括整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的集成。 西門(mén)子公司正在推廣IDS(Integrated Drive System)集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括兩個(gè)層面，第一個(gè)層面是橫向集成，包括電機(jī)控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和減速機(jī)的集成;第二個(gè)層面是縱向集成，是將電機(jī)系統(tǒng)納入到整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，也叫TIA(Totally Integrated Automation Portal)。

　　電機(jī)控制的集成化趨勢(shì)使客戶(hù)對(duì)電機(jī)控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來(lái)越高，同時(shí)要求半導(dǎo)體芯片廠商也能提供集成的解決方案，在單顆芯片中集成更多的功能，I/O，驅(qū)動(dòng)，控制算法以及工業(yè)以太網(wǎng)模塊等。

　　智能化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制趨勢(shì)

　　整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制將是大勢(shì)所趨。電機(jī)控制系統(tǒng)不但是轉(zhuǎn)換和傳送能量的裝置，也是傳遞和交換信息的通道，未來(lái)的工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)是整個(gè)工廠系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分和能源使用監(jiān)控點(diǎn)。IHS公司高級(jí)分析師周萬(wàn)木舉例說(shuō)，比如西門(mén)子，ABB生產(chǎn)的一些電機(jī)，可以自動(dòng)的采集和記錄電機(jī)內(nèi)的電壓，電流，溫升，振動(dòng)等狀態(tài)變化，并通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的送到控制中心，以供對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和故障診斷，使操作員無(wú)論身在何處均可訪問(wèn)參數(shù)、狀態(tài)和診斷信息，并可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

　　8位MCU因?yàn)閮r(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，應(yīng)用范圍極為廣范，比如信號(hào)檢測(cè)，LED照明控制，電源轉(zhuǎn)換控制和BLDC電機(jī)控制，這些應(yīng)用中8位MCU就已經(jīng)足夠。而電機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)故障報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷調(diào)試等需求，將會(huì)使用越來(lái)越多的功能更多，處理能力更強(qiáng)的MCU、DSP和FPGA。8位MCU在變頻器控制、伺服電機(jī)控制、電力與能源監(jiān)控， 越來(lái)越多的以太網(wǎng)應(yīng)用等現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境下遇到了瓶頸。另外，32位MCU價(jià)格在進(jìn)一步的走低，8位MCU和32位MCU的價(jià)格差異在縮小，所以未來(lái)的電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)用到越來(lái)越多的32位MCU。另外，遠(yuǎn)程電機(jī)溫度檢測(cè)、異常震動(dòng)檢測(cè)和電流電壓監(jiān)測(cè)等需求將會(huì)為模擬芯片創(chuàng)造更多的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

　　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能趨勢(shì)

　　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能也是大勢(shì)所趨。為提升能效等級(jí)，工信部今年6月份公布了電機(jī)能效提升計(jì)劃(2013-2015年)，到2015年，實(shí)現(xiàn)電機(jī)產(chǎn)品升級(jí)換代，50%的低壓三相籠型異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品、40%的高壓電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品達(dá)到高效電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;累計(jì)推廣高效電機(jī)1.7億千瓦，淘汰在用低效電機(jī)1.6億千瓦，實(shí)施電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實(shí)施淘汰電機(jī)高效再制造2000萬(wàn)千瓦。

　　但是僅僅用高效電機(jī)替換普通電機(jī)對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果提升并不明顯，整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能才是真正的節(jié)能。因此，變頻器，伺服，逆變器和專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)大量用在風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、升降機(jī)、電焊機(jī)、電動(dòng)車(chē)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、洗衣機(jī)電機(jī)和冰箱壓縮機(jī)中。變頻器是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的主力，節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的應(yīng)用上，采用變頻器后, 可以通過(guò)降低供電頻率來(lái)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 隨 著轉(zhuǎn)速的降低, 功率會(huì)快速下降。 同時(shí)變頻器通常采用交-直-交變頻供電的方式, 交流異步電機(jī)吸收滯后的無(wú)功功率, 通過(guò)變頻器供電, 對(duì)電網(wǎng)而言, 功率因數(shù)也有了一定提高, 總體上節(jié)約了一部分電網(wǎng)輸電過(guò)程中損耗的 電能。

　　而變頻器，伺服驅(qū)動(dòng)，逆變器和專(zhuān)用控制器中的IPM模塊，IGBT和MOSFET對(duì)節(jié)能降耗起到關(guān)鍵性作用。 客戶(hù)對(duì)這些功率器件要求也越來(lái)越多，比如要求更低的產(chǎn)品成本、更緊湊的封裝尺寸、更好的散熱性能，對(duì)功率器件的多樣化也提出要求，比如低功耗器件、緊湊設(shè)計(jì)的大功率器件、低壓大功率器件、大電流高電壓器件等等 。