大佬分析工业电机控制最新发展趋势

2019-07-10 11:41

  电机在工业技术领域具有非常重要的地位,电机控制及驱动则是能否充分发挥电机效能的关键。在全球能源日趋紧张的大背景下,如何提高电机控制的能效成为工业领域所关注的重点。针对工业电机控制领域的热点问题,本刊专访了多家业内相关厂商,就工业电机控制技术的发展趋势、技术热点等问题作了深入探讨。

  问:电机控制系统的发展趋势是怎样的?工业方面的电机控制系统出现了哪些新的应用趋势和新技术?

  赛灵思公司亚太区销售与市场副总裁

  Xilinx(杨飞):

  最近两年,电机市场正在从使用低能效的直流电机、步进电机、通用或交流感应电机转向更高能效的无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM),这一趋势构成的部分原因是政府法规强制使用符合特定国际能效分类规范(IE1、IE2及IE3)的电机,另外还在于推动高能效BLDC或PMSM电机应用所需的半导体产品价格的快速下降。

  同时,电机一直都在朝着高效能、小型化、低成本、高兼容性、结构简单化的方向发展,这催生了更多先进的电机控制技术出现,从而不断改变着电机控制市场的发展趋势。

  客户的策略趋向使用更高集成度的控制方案,这些方案比传统分立器件方案更有助降低总体物料单(BOM)成本、减少方案占位面积,并使系统方案更轻、更高能效及更可靠。

  就目前的发展看,更多的控制功能将集成到电机控制一体化中,像位置检测及伺服功能模块化、伺服电机及伺服控制集成化等都会很快实施。在这个趋势中,对半导体芯片的要求将是高可靠性、简约设计及功能集成、小型化、宽温度范围等多项新要求。

  飞兆半导体市场拓展经理

  Fairchild(张瑞斌):

  如今的运动控制系统综合了多个领域的技术,整体趋势是:变频驱动、实现更高频率和模块化的功率转换器、数字控制以及智能化和网络化。

  尤其是在工业应用中,最大的趋势是BLDC/PMSM电机正在取代交流和直流有刷电机,控制策略也由原来的VVVF进步到FOC矢量控制,并且快速发展的功率半导体技术允许以更高的功率密度和更小的尺寸实现变频功率转换。

  英飞凌科技工业功率控制事业部应用技术部总监

  Infineon(江伟石):

  电机控制系统正朝着节能、节省成本以及高效运转这三大趋势发展。就节能来说,变频器的变频控制已越来越多地被使用到家电的空调、洗衣机、电冰箱等诸多白家电的应用,而一些电力电子转换原理所开发出来的四象限驱动器结合控制技术使得节能效果变得明显。此外,拓扑架构中的三电平逆变器也被应用在变频器的设计中来提高运转效率。

  就节省成本而言,电机驱动功率正越来越往高功率密度发展,尤其,为了缩小体积,集成化的解决方案越来越被应用在诸如电机和电机驱动的集成、电机控制器和PLC的集成、电机控制器和驱动的集成中。另一方面,某些对精度要求不是太高的应用,越来越多使用了无感测器的控制技术来节省成本。

  在高效运转方面,近几年被广泛应用的分布式电机控制系统可提供一套模块化解决方案,使机器能高效运转,提高生产线的运转效率及可靠性。有些电机驱动的控制,在设计上同时考虑了多种电机兼容,能够适用异步电机和永磁同步电机的矢量控制,有效减少用户库存,无需考虑电机类型兼容问题,也是属于高效运转的表现。

  此外,通过设计驱动线路,减少马达在高速运转中损失的热量,使马达运转更平滑,也是当今工业电机控制系统方面出现的新技术之一。例如,向量空间(Space Vector)技术的应用可以使马达的损失进一步的降低。

  ADI Asia MPC Marketing

  ADI(于常涛):

  在未来,工业智能化是需要双向互动的,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。网络通讯技术可以将工业控制整合成一个系统,可以在优化的控制系统中实现智能化,网络通讯也可以很容易将各个分立的子系统及节点连接成大的系统,越来越多的工业控制系统实现了联网并更加网络化与智能化。传感技术也在不断地更新与变化中,越来越多的智能技术被用在传感器上,网络技术也已开始与传感器紧密结合;像这几年非常热的物联网概念,都是工业控制智能化的具体体现。

  在这当中,软件技术的发展将面临巨大的技术挑战,真正双向的通讯、智能传感及智能通讯,都需要高可靠性的软件来支撑,针对于不同的控制对象也需要更多专业化与定制的软件;另外,针对于工业应用复杂的现场及特定的条件,高温、高可靠性、需要隔离的器件也需要更多的新技术去支撑。

  另外,模块化设计也是对电机控制提出的新要求,新一代的工业希望电机控制只是作为系统中的一个执行单元,或一个模块,通讯及接口将标准化、统一化,各种传感信号也将逐步过渡到标准化接口,系统地搭建将是各种模块的选择。

  就电机控制单元而言,高效是技术发展的明确趋势,但高效并不单单只节能、提高能源的效率,还包括精确控制、快速响应,从而提高生产效率,还包括工程师的人力资源效率。这些要求都促生了PMSM的推广、伺服控制系统比例的提高以及相应软件工具的普及,如Matlab。

  问:在电机控制方面,控制方案包括基于MCU、DSP及FPGA等不同模式,各有怎样的特点?电机控制系统的发展为MCU/DSP/FPGA技术的发展提供了怎样的机会?

  Fairchild(张瑞斌):

  对电机控制器的应用要求有很大不同。MCU通常着重于I/O口数量和可编程存储接口的大小,非常适合需要支持大量I/O操作和多功能的电机系统;而DSP芯片集成了模拟/数字转换、数字输入/输出、串行通信、电机控制PWM信号输出接口,从而使得电机控制系统硬件设计更加灵活、简单;DSP擅长高速计算,通常用于高级控制系统,如伺服电机控制。最后,FPGA由于它单纯通过硬件方式实现并行处理,不占用CPU资源,因此系统能够实现高性能,支持快速响应、多轴同步处理、灵活的外围接口,并支持各种工业总线。将来,随着运动控制和半导体技术的巨大发展,我们将会看到出现一系列MCU/DSP/FPGA混合功能的 控制器,专门针对特定应用设计。

  ADI(于常涛):

  DSP与FPGA都具有各自的优势。相比FPGA,DSP具有高性能、低功耗与易编程的竞争优势,并在传统的应用市场发挥着巨大的作用。而FPGA是通过逻辑组合来实现各种功能的器件,可以进行任何类型的处理。在多轴控制系统中,高性能FPGA有其先天优势系统设计更简化、处理速度更快、同时可以实现各种硬件扩展和连接。

  尽管DSP与FPGA有着自身的优势,但值得注意的是,ARM Cortex-M4内核的MCU以其突出的性价比,越来越强势地应用于电机控制领域,特别是针对传统的DSP占主导的领域。该内核的MCU具备浮点运算单元,弥补了浮点能力的不足。ARM内核,作为相对标准化的平台,以及相应的开发工具,被很多工程师所熟悉。并且,半导体厂家基于Cortex-M4内核,对MCU进行了功能强化。如ADI的产品,集成了高性能的ADC、SINC滤波以及谐波分析引擎等。

  Xilinx(杨飞):

  MCU通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小,非常适用于有大量的I/O操作的场合,所以广泛应用在低成本,低功耗和对精度要求不高的系统中。但由于本身处理能力有限,应用的场合受到了比较大的限制。DSP芯片内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口,因此使得电机控制系统硬件设计灵活、简易,而且DSP比较擅长高速运算,所以一般用于相对高档的控制系统中,如伺服电机控制。FPGA则在高端电机应用中显示出卓越的性能,它实现了快速响应、多轴同时处理、灵活多样的外设接口、多种工业总线的支持。

  对于电机控制提出的不同要求,FPGA芯片固有的可编程性和并行处理的特点十分适合于中高端的电机控制应用。由于它以纯硬件的方式进行并行处理,而且不占用CPU的资源,所以可以使系统达到很高的性能。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化,现场也提出越来越苛刻的性能要求。因此客户有可能考虑自己开发专用的控制芯片,FPGA的可编程性正可以满足这种需求。

  Infineon(江伟石):

  从技术上讲,MCU借用ARM平台,已经发展出从成本较低的M0到高性能浮点运算的M4,覆盖了不同需求的电机应用,其优势体现在控制方面。DSP是以数字信号来处理大量信息的器件,它能进行加密解密、调制解调等,强大的数据处理能力和高速的数据读取是它的绝对优势。FPGA则能让硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

  从应用角度来讲,FPGA因其可自主编程的特性,适用于高速高性能的应用,较多用于高端市场,比如高铁内部的某些重要部位。相比较之下,MCU和DSP作为电机控制市场的主流产品,占据了中低端市场的绝大部分份额。

  电机控制技术的发展也越来越专业化。有专门为了马达驱动的应用而开发的DSP或MCU,这显示MCU、DSP有迎合专业应用而开发的趋势,有的是加强性能,有的则是减少成本。

  问:变频控制是电机应用中重要的节能手段,请问贵公司如何看待这一市场?电机控制领域还有哪些新的控制算法或技术?

  Infineon(江伟石):

  随着半导体技术的发展和数字控制的普及,变频控制技术得到了广泛的应用。变频控制使我们有机会不断地改进控制策略和提升系统效率以达到更节能的效果。要安全、高效地实现变频控制,高效的控制算法开发离不开半导体基础芯片的支持。英飞凌非常看好变频控制的市场发展,它帮忙驱动马达运转更有效率,比如在空调、冰箱等家电设备上的应用,实现了节能降耗和节省电费。未来,如何降低变频空调的制造成本,关键在于变频控制可否得到广泛应用。只要成本能减低,未来变频控制的市场肯定会越来越好。

  此外,多相多维矢量控制算法也是目前的研究热点。这一算法通过控制变频器的功率电子元件IGBT,使传送给马达的变压有更好的磁通量,从而让马达运转得更高效。另一个热点控制算法应用是自适应控制法,它与矢量控制一起,更好的控制温度,速度和位置。这一法则可以让控制器自行调整各类参数,修正控制量,让马达运转得更顺畅。除了自适应控制技术,某些近代控制理论诸如模糊控制也有被应用在马达的伺服控制应用中。

  英飞凌科技(中国)有限公司中国区汽车电子事业部市场总监

  Infineon(杜曦):

  汽车方面,由于汽车控制对实时性提出了较高的要求,这就需要一个复杂的变频调速控制系统策略。英飞凌下一代的多核处理芯片AURIX,是一颗可达1300DMIPS,拥有8 MB内存的32位单片机,可以在运算复杂的控制算法的同时,通过特定的PWM生成模块,不断优化输出,使系统的可靠性、实时性和安全性都得到最大的发挥。

  控制算法主要取决于电机和传感器的类型。目前在汽车行业,电动汽车的电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机四类。在控制策略方面,变结构控制、模糊控制、神经网络控制、专家系统等等控制方法应用于电动汽车驱动系统中。

  ADI(于常涛):

  变频控制是电机应用中最重要的节能手段,这是因为它实现了对存量最大并成本低廉的交流感应电机的速度控制及力矩控制,该市场是非常成熟的市场,各类产品都已在市场上流通较长时间也比较稳定,不是一个快速增长型的市场。从控制本身我们没有看到更多的新算法或控制技术。

  Xilinx(杨飞):

  要安全、高效地实现变频控制,高效的控制算法开发离不开半导体基础芯片的支持。尽管基于变频控制方式的电机驱动,有效地提高能效比,复杂的设计却是开发人员必须面对的一个不小挑战,而且为了辅助复杂的运算,此类方案多会使用一些昂贵的处理器,如数字信号控制器。

  Fairchild(张瑞斌):

  电机中的变频驱动是最有效的节能方法,在未来几年中,它的市场应该会呈几何方式增长。公开资料表明中国目前的总发电容量为2亿千瓦,而其中大约60%的电量被电机消耗掉。每年变频电机的需求量也相当可观。目前变频型电机的比例仅为6%,而其他采用交流调速的工业国家已经达到了60%至70%。现在,最新的控制算法是FOC(磁场定向控制)以及很多无传感器评估算法

  问:工业领域的电机控制有哪些独特的特点?贵公司有哪些相应设计?

  Fairchild(张瑞斌):

  通常来说,工业运动应用要求系统体现快速响应、较大的零速启动转矩、稳健的系统环路和重载/过载工作状况。Fairchild一直致力于提高运动控制系统的效率和功率器件的稳健性,从而为终端客户提供具有最佳性能的运动控制器。最典型的产品组是SPM?誖系列,该系列产品可将功率提高到10 kW。

  Infineon(江伟石):

  工业领域的电机控制主要是要达到准确、稳定、可靠及高效运转、节省成本等几个主要要求。英飞凌的芯片具有高可靠性和高安全性,我们每一款产品的设计完全以汽车行业对于安全性能的高应用标准为基准。在工业领域,英飞凌拥有全面的产品设计,我们提供各种汽车和工业级质量标准的功率MOSFET、微控制器、驱动IC以及全系列IGBT 分立元件,在汽车工业上还提供各类传感器。

  作为全球最大的IGBT芯片及模块供应商,在高铁应用和电磁炉等家电产品方面,英飞凌提供高可靠性的IGBT,用于电机控制驱动器。在汽车工业,英飞凌可以为电动汽车提供电机驱动。

  ADI(于常涛):

  ADI在电机控制应用领域有非常完整地信号链,无论是驱动器、变频器和伺服系统。ADI具有业界领先的ADC技术,包括了隔离ADC产品,它们可以很好地满足高精度控制的要求。位置检测性能是伺服控制的关键,常常使用光学编码器和旋转变压器作为位置传感器,对于高污染及强震动的工业及汽车应用环境,旋转变压器将会被越来越多采用;ADI可以提供高精度RDC来满足使用旋转变压器的位置检测场合。从优先考虑安全和保护的角度,信号采样和功率器件驱动应采用隔离技术,ADI公司的iCoupler数字隔离器产品可满足高压安全隔离要求。为实现矢量控制和无传感器控制,对DSP等高性能处理器提出了更高的要求。

  混合信号控制处理器ADSP-CM40x,这款处理器集成了精度高达13位的行业唯一一款嵌入式双通道16位模数转换器,搭载了一枚240 MHz浮点ARM?誖CortexTM-M4处理器内核。设备制造商要求高精度、伺服闭环控制、电机驱动、太阳能光伏(PV)逆变器和其他嵌入式工业应用,以提高其产品的能源效率和性能。ADSP-CM40x凭借较高的精度模拟转换性能,很好地实现了这些目标。

  Xilinx(杨飞):

  Xilinx All Programmable FPGA和基于SoC的解决方案和平台可充分满足当今磁场定向控制(FOC)等复杂控制算法所提出的苛刻的时序和性能要求。Xilinx 28 nm FPGA 和 ZynqTM-7000 All Programmable SoC 与仅在软件处理简单的电机控制和低时钟速率的传统MCU和ASSP不同,它可以提供卓越的并行处理能力、实时的性能、快速的计算速率以及连接的多样性。此外,Xilinx器件还通过更紧密的可编程系统集成来降低成本,通过实时的可编程性来减少风险和设计周期,并通过可处理PID控制器、Clark/Park转换和空间矢量 PWM 等计算密集型功能的高性能数字信号处理(DSP)来缩短时延。

  Xilinx还广泛地与合作伙伴QDesys合作,提供了高性能的马达控制方案,并被一些主要的工业客户采用。同时Xilinx也提供了RPFM的调制方案,用于降低马达系统的噪声和电磁干扰。针对工业实时以太网的需求,Xilinx也密切和倍福以及贝加莱合作推出了EtherCAT和POWERLINK 方案,向伺服驱动网络化迈进了一步。

  问:贵公司在电机控制方面的发展是如何规划的?如何看待未来五年中国电机控制市场的发展趋势?

  ADI(于常涛):

  在未来电机应用领域,工业伺服将扮演越来越重要的角色,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,而越来越多的应用领域需要精确的位置控制及电流控制;无论是工业生产线、工业自动化设备及机械设备,还是智能物流及机器人,都已将伺服控制作为重要的执行器件。对于家用领域,将更多地考虑成本及无传感器控制。而在汽车及交通领域,可靠性将是最重要的因素。

  ADI非常看好电机控制,特别是伺服系统的市场前景,针对这一应用领域,ADI具备完善的解决方案,确切说是系统级方案,不单是硬件方案,还包括控制算法。未来五年,在节能这个大趋势下,伴随着国家政策的扶持,中国工业自动化水平的提高,我们认为电机控制市场将保持15%的年增长率。

  Fairchild(张瑞斌):

  Fairchild作为运动控制行业的先行者,尤其注重提供具有最佳性能的功率器件,如 SPM?誖产品(智能功率模块)和分立功率器件和驱动器器件。我们将一直坚持大力开发运动控制解决方案,我们的产品轮廓以解决方案为基础,我们将继续努力领导该市场。在我们的发展蓝图中,我们计划扩展到更高功率的应用并重点开发具有最高集成度的解决方案。

  我们认为未来5年中,运动行业,尤其是工业运动将步入上升阶段, 中国国内的BLDC/PMSM电机设计和生产技术已趋向完美,目前主要的问题是实现标准化和系列化。高可靠性、低成本以及富有竞争力的产品是瓶颈所在,原因是缺乏实用的数字电机控制算法和高度可靠的功率模块,这大大限制了国内电机尤其是伺服系统的进步。

  Infineon(江伟石):

  未来五年,中国电机控制市场的增长是毋庸置疑的,竞争也会愈加激烈。电机控制市场的发展将呈现高端化和低端应用的两极分化现象,市场应用领域也将细分化。生产厂家不仅需要降低产品的研发和制作成本,更需要通过增加产品的控制性能,来满足不同应用领域的需求。

  可以预见的是,电机控制的功率会越来越大,或者相反会越来越微型。随着物联网的发展,电机控制的功能也将变得更加智能化,会增加人机互动界面,并实现机器与机器之间的无线及有线的通讯。

  Infineon(杜曦):

  在汽车行业,电机的电子控制应用会越来越广泛。从小到雨刷电机,油泵电机,大到电动汽车的驱动电机,电机的电子控制系统的市场将会有突飞猛进的发展。电动汽车(xEV)应用作为国家可持续发展计划的关键组成部分,也将是这个行业的未来。在减排增效的推动之下,更清洁的能源解决方案也将变得越来越重要,高效的发动机技术引入和新能源系统,都离不开高效电机控制技术以实现更高能效。

  Xilinx(杨飞):

  在全球降低能耗的背景下,高效节能电机成为全球电机产业发展的共识。美国、加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亚和新西兰等国家都相继制定了电动机的能效标准与能效标识制度,明确了电机节能与效率提高的时间表、执行方式与实施范围。

  高效节能电机将带动产业链实现快速发展。高效节能电机产业链上游是铜、铝、硅钢、永磁材料等原材料供应商,下游是渠道销售商、高效电机应用厂。

  Xilinx针对未来高效节能电机的发展方向,除了利用Zynq SOC器件提供了很好的硬件平台,同时也与第三方紧密合作以提供众多的解决方案和先进的设计方法学,这些无疑都为工程师设计出高效的节能电机打下了坚实的平台基础。我们相信在国家大力发展制造强国的宏伟战略下,高效节能电机的发展必将带动传统产业进行转型和升级,迎接新的产业革命的到来。

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