電機(jī)控制“需求”與“發(fā)展”的愛情長跑

作者 王瑩 王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：電機(jī)控制技術(shù)及產(chǎn)品一直都是工業(yè)領(lǐng)域，乃至整個(gè)科技領(lǐng)域的重要內(nèi)容。本文就市場對電機(jī)控制的需求及其當(dāng)下發(fā)展，邀請業(yè)內(nèi)知名廠商及專業(yè)人士做了相關(guān)介紹和分析。

2016年全球工業(yè)電機(jī)與電控市場

　　IHS Markit持續(xù)多年追蹤全球各類工業(yè)電機(jī)與電機(jī)控制產(chǎn)品的市場行情趨勢，發(fā)布相關(guān)市場數(shù)據(jù)與信息。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年全球工業(yè)電機(jī)與電機(jī)控制市場預(yù)計(jì)達(dá)580億美元，其中，工業(yè)電機(jī)市場銷售額約為354億美元，電機(jī)控制市場規(guī)模在226億美元左右。總體上，IHS Markit預(yù)期2016-2020年全球電機(jī)與電控市場保持平穩(wěn)增長，電控市場增長高于電機(jī)。

　　細(xì)分產(chǎn)品市場

　　如圖1所示，通用高低壓感應(yīng)電機(jī)約占2016年全球電機(jī)銷售額的44%，特別是低壓交流電機(jī)因其廣泛的下游應(yīng)用領(lǐng)域，約占30%的全球電機(jī)市場總銷售額。隨著全球不斷深入推廣高效電機(jī)，高效電機(jī)的普及率有望得到進(jìn)一步的提升，IHS Markit預(yù)計(jì)2020年IE3電機(jī)占全球低壓電機(jī)市場份額達(dá)32%，IE4電機(jī)增速遠(yuǎn)高于其他低壓電機(jī)。總體而言，主要應(yīng)用于OEM市場的分馬力電機(jī)與低壓電機(jī)預(yù)期表現(xiàn)好于下游集中在項(xiàng)目型市場的高壓電機(jī)。此外，具有高精度、高穩(wěn)定性及適應(yīng)性等特點(diǎn)的伺服電機(jī)預(yù)期是未來增速最快的電機(jī)品類之一。2016年發(fā)電機(jī)約占全球電機(jī)總銷售額的30%，主要受電力、造船等下游行業(yè)影響而波動(dòng)，中小型發(fā)電機(jī)市場預(yù)期增速好于大型發(fā)電機(jī)市場。

　　變頻器仍然是全球最主要的電機(jī)控制產(chǎn)品，在2016年全球電控產(chǎn)品市場規(guī)模占比超六成，其中，約72%銷售額來自于低壓變頻器。伺服驅(qū)動(dòng)器是僅次于低壓變頻器的第二大電控品類，2016年貢獻(xiàn)了近兩成的全球市場銷售額。此外，伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域有望不斷擴(kuò)大市場份額，預(yù)期是未來增速最快的電控產(chǎn)品之一。

　　不同細(xì)分產(chǎn)品市場的集中程度不一，領(lǐng)先企業(yè)在不同產(chǎn)品及區(qū)域市場的排名各有不同?？傮w來看，全球電機(jī)與電控市場仍較為分散，2015年排名前十的廠家約占全球40%的市場份額，ABB 、西門子保持市場領(lǐng)導(dǎo)地位。

　　區(qū)域市場

　　亞太(除日本)是全球電機(jī)與電控最大的區(qū)域市場，2016年銷售額約占全球市場銷售總規(guī)模的36%，主要受益于龐大的中國市場。IHS Markit估計(jì)2016年中國電機(jī)與電控市場規(guī)模接近129億美元，是全球最大的單一國家市場。盡管中國市場面臨進(jìn)入經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期的增速放緩、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級與智能化改造以及大力發(fā)展節(jié)能、高端制造業(yè)等趨勢給未來電機(jī)與電控產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新機(jī)遇，IHS Markit預(yù)期中國是未來增速最快的區(qū)域市場之一，2020年市場規(guī)模預(yù)計(jì)超146億美元。

　　歐洲、非洲及中東(EMEA)與美洲保持為全球第二大與第三大區(qū)域市場，2016年銷售規(guī)模分別為170億美元與156億美元。IHS Markit預(yù)計(jì)美洲市場的電機(jī)與電控產(chǎn)品在2016-2020年的年均增速略高于歐洲市場。

東芝智能相位控制技術(shù)

　　就電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片而言， 電機(jī)控制的趨勢是高集成度、低成本、高效率和低噪聲。而用戶選擇不同的電機(jī)控制方案，不同的側(cè)重點(diǎn)包括系統(tǒng)性能、系統(tǒng)成本和系統(tǒng)可靠性。 不同的需求對應(yīng)不同的電機(jī)控制方案選擇。

　　東芝集團(tuán)內(nèi)部電力電子技術(shù)的橫向整合，自有的0.13μm先進(jìn)模擬集成電路制程以及獨(dú)有的多種新技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)并滿足客戶的需求，是東芝解決方案的優(yōu)勢。東芝寬廣的產(chǎn)品線涵蓋步進(jìn)電機(jī)、有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)應(yīng)用的所有直流電機(jī)應(yīng)用。東芝最新推出了應(yīng)用于直流無刷電機(jī)的智能相位控制技術(shù)，能夠提高電機(jī)控制系統(tǒng)效率，并具有簡單易用的特點(diǎn)。主動(dòng)增益控制能夠有效提高高轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的效率，降低電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的溫度;應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高級動(dòng)態(tài)混合衰減技術(shù)、高級電流檢測技術(shù)、主動(dòng)增益控制技術(shù)等獨(dú)有的先進(jìn)技術(shù)，并相應(yīng)推出了應(yīng)用該新技術(shù)的新產(chǎn)品。例如TB67B000HG/FG是適應(yīng)家用空調(diào)風(fēng)扇系統(tǒng)的高集成度低陳本高效率方案，已經(jīng)為客戶大量采用，其中新推出的貼片封裝產(chǎn)品TB67B000FG，封裝尺寸較TB67B000HG插件封裝減小了53%，散熱性能基本一致，管腳排布更加優(yōu)化合理，是東芝在該應(yīng)用領(lǐng)域的主力產(chǎn)品。 TC78B016FTG 集成應(yīng)用智能相位控制技術(shù)，能有效提高方案效率，且簡單易用，在后續(xù)將會推出更多應(yīng)用智能相位控制技術(shù)的產(chǎn)品為客戶提供多種選擇。 TB67S289FTG 采用了主動(dòng)增益控制技術(shù)、高級電流檢測技術(shù)和高級動(dòng)態(tài)混合衰減技術(shù)，特點(diǎn)是縮減了控制板面積，有效地提高了高轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的效率，降低了電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的溫度。

電機(jī)要求位置傳感器有更高精度

　　現(xiàn)如今，在各個(gè)領(lǐng)域(汽車、工業(yè)控制和消費(fèi)類產(chǎn)品)中，電氣化無處不在。一個(gè)明顯的趨勢是，有刷電機(jī)將會逐漸被無刷電機(jī)(直流無刷或永磁同步)替代。而當(dāng)驅(qū)動(dòng)不同的輸出負(fù)載時(shí)，主要是要盡量減少電機(jī)的扭矩波動(dòng)。我們要準(zhǔn)確識別不同的應(yīng)用場景需求，有些應(yīng)用無需傳感器，有些應(yīng)用場合需要高精度、高分辨率的位置傳感器。為了進(jìn)一步提高性能，需要采用更精確有效的電機(jī)換向方式，而傳統(tǒng)的霍爾開關(guān)的方式過于粗放，因此，高精度的位置傳感器勢在必行，能實(shí)現(xiàn)精確、高速的位置檢測，并且具有很低的時(shí)間延遲。顯而易見，在未來，人類將會用到越來越多的智能化電氣設(shè)備和新型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這一切，都需要更智能化、更精確的傳感器作為基礎(chǔ)。

　　方案選購考慮因素

　　電機(jī)控制方案的選購主要取決于實(shí)際的應(yīng)用需求和系統(tǒng)成本預(yù)算。當(dāng)然，系統(tǒng)精度會是一個(gè)重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)我們?yōu)橐粋€(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)挑選合適的傳感器時(shí)，分辨率、線性度誤差以及延時(shí)等參數(shù)都需要考慮，而且，傳感器的輸出必須足夠穩(wěn)定，不受外界雜散磁場和其他電磁干擾的影響。

　　艾邁斯的解決方案

　　針對汽車級和工業(yè)級的電機(jī)控制場合，艾邁斯半導(dǎo)體提供了一系列基于霍爾技術(shù)的位置傳感器。得益于我們的專利技術(shù)DAECTM(動(dòng)態(tài)角度誤差補(bǔ)償技術(shù))，在外界雜散磁場干擾下，傳感器依然能保持極高的精度?；贒AECTM專利技術(shù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)角度位置檢測幾乎零延時(shí)。我們的傳感器均滿足汽車級要求，在嚴(yán)苛的環(huán)境溫度下也能正常工作。

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用及解決方案

　　對于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，高能效、低噪聲、安全可靠、使用方便及高性價(jià)比一直是用戶長期追求的目標(biāo)。隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品使用的日益廣泛，更高的要求也會被提出。

　　步進(jìn)電機(jī)因使用簡單，成本優(yōu)勢明顯而應(yīng)用廣泛。如在多功能打印機(jī)/掃描儀、縫紉機(jī)、提款機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。但步進(jìn)電機(jī)并不是最完美和理想的方案，特別是在多馬達(dá)同時(shí)工作的環(huán)境下，音頻噪聲尤其嚴(yán)重。 此外， 即便在低轉(zhuǎn)速條件下，仍然會產(chǎn)生功耗，以致對某些手持設(shè)備電池的壽命有所影響。低能效引起的過熱也不可忽視。 在某些情況下，系統(tǒng)不得不另加冷卻風(fēng)扇， 導(dǎo)致成本和系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　設(shè)計(jì)人員有時(shí)會選用BLDC(無刷直流電機(jī))來克服步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效、平穩(wěn)和低噪聲效果，從而降低功耗和發(fā)熱。 但隨之而來的是成本上升，很多情況下不得不使用MCU，這同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大大提高。從步進(jìn)電機(jī)到BLDC，對于機(jī)械子系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言也是很大的改變，設(shè)計(jì)周期加長及長期可靠性測試也大大延緩了面市時(shí)間。

　　因此，用戶需根據(jù)特定的應(yīng)用需求選購合理的電機(jī)控制方案，同時(shí)需兼顧低噪聲、高能效、高可靠性及成本等因素。

　　LC898240/LV8702步進(jìn)電機(jī)解決方案

　　為滿足市場高性能的需求，安森美半導(dǎo)體的LC898240/LV8702可通過兩種新的工作方式來改進(jìn)現(xiàn)有方案，充分解決傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)存在的問題，是高性價(jià)比創(chuàng)新的步進(jìn)電機(jī)解決方案。LC898240通過監(jiān)測馬達(dá)線圈的BEMF波形來判斷負(fù)載變化，以調(diào)整電機(jī)電流和步進(jìn)脈沖的方法來改善現(xiàn)有的步進(jìn)方案，而無需改變機(jī)械系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)類似于BLDC的性能，提高整體能效并降低輸出噪聲。

　　LC898240可以作為輔助設(shè)備和傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片一起工作。除了具備調(diào)整電流功能實(shí)現(xiàn)高能效外，其內(nèi)置EEPROM可存儲產(chǎn)生九種工作時(shí)序，每種時(shí)序達(dá)440步，實(shí)現(xiàn)無MCU的工作模式，便于用戶靈活選擇。

　　LV8702是集成LC898240功能的單芯片產(chǎn)品，集BEMF檢測反饋及電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能于一體，更易于使用，其高效模式可較傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)降低達(dá)80%的功耗。