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[导读]电机一直是工业应用中的耗电大户,发展高能效、高可靠性和高耐久的电机势在必行,国家积极推出政策和标准也正加速这一进程。面对来自政策约束和不同领域差异化需求的双重压力,电机控制芯片厂商在控制算法上不断创新

电机一直是工业应用中的耗电大户,发展高能效、高可靠性和高耐久的电机势在必行,国家积极推出政策和标准也正加速这一进程。面对来自政策约束和不同领域差异化需求的双重压力,电机控制芯片厂商在控制算法上不断创新,加紧设计新型降噪降耗降成本方案。

不同领域对电机控制的需求有差异

工业、家电领域对电机的需求一直保持稳定增长,而汽车和以智能手机为代表的消费电子市场增长快速,这些市场对电机的需求也呈大幅增长态势,而且不同领域对电机控制的需求也有些差异。 

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罗姆半导体(上海)电机驱动应用课经理陆晶

罗姆半导体(上海)有限公司设计中心应用技术二部电机驱动应用课经理陆晶认为在家电市场电机直流化是趋势。他表示,目前进度最快的是空调方面,受国家能效等级的要求,空调的压缩机和室内外风机都开始采用直流电机来实现直流变频,其它的如热水器和厨房油烟机的强排风扇都渐渐开始使用直流电机。

因家电种类不同,对电机转速、功率要求不同,因而对电机控制也有不同要求,他指出,一般压缩机的直流马达要求的功率较大,对于力矩的变换响应要求快速,但是在风机方面是要求噪音较低,转速维持平稳,一般功率都不是很大。在冰箱,洗衣机方面的要求基本如是,只是应用的方向稍有不同。

center>满足差异化应用需求,<strong><strong>电机驱动IC</strong></strong>市场升温TI中国区市场推广经理李志林 src="/21ic_image/21icimage/zb-images/122/20121008_1.1_IC_S1_F2(lizhilin).jpg" border=0>
TI中国区市场推广经理李志林

TI中国区市场推广经理李志林认为,家电市场的需求主要来自于家用电器产品对运行效率和待机功耗提出了苛刻的高标准,这要求电机控制更精细和高效,从而也导致电机控制发生变化:由传统的交流电机升级到无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。传统的交流电机不需要任何精密的控制,BLDC和永磁同步电机要求很高的处理能力的驱动器。

在汽车领域,李志林表示:“由于汽车产业的升级,汽车市场对电机的要求也越来越多,一台高端汽车有将近200颗马达。电动汽车,混合能源汽车都需要大功率的精密的电机。”

在工业领域,因用工人力日益紧张,自动化正在逐步取代人工,一些人工操作的产线慢慢地向自动化方面转变。陆晶表示:“近几年纺织方面的设备的自动化进程较快,自动化率提高,所以步进马达和直流伺服马达得到较大的应用。2010-2011年是发展最快的两年,目前受到全球市场需求疲软的影响,进度有所放慢,但是从大的方向来说,自动化是整体趋势。”

智能手机引领消费电子需求

在消费类产品方面,需求主要来自于DV、相机、手机等,近两年随着智能手机的热卖,对电机需求较大,主要体现在两方面:镜头驱动(自动对焦,AF)和触感反馈功能。社交网络的流行使得拍照功能越显重要,像素从500万、800万甚至1200万,一路攀升,现在自动对焦功能也基本是高端手机照相的标配。陆晶表示:“目前国内的主流像素为500万,明年估计800万将作为主流,现在带AF功能的手机比例越来越高,手机行业从原来的定焦切换到AF模式,前后的过渡基本只有2-3年时间,这个应该是托智能手机的福。目前国内的Lens模组厂家,针对AF Lens,产线都已经调整完毕。2012年国内的AF Lens的需求会达到90KK。”

另一大需求是手机触感反馈功能,也是目前高端智能手机标配。很多公司都有类似方案,TI在今年七月推出了DRV2603。TI李志林表示:“这是首款用于控制线性共振传动器,并支持自动共振跟踪的商用触觉驱动器。它支持LRA和ERM,支持线性马达也支持转子马达,可以用自动跟随技术来跟随线性马达的共振频率,并随之变化,提供超过2倍的驱动力的触觉效果;共振驱动可提高效率,功耗降低50%;只需一个旁路电容器,与同类竞争解决方案相比,其总体尺寸锐减66%;10KHz至250KHz的宽泛输入可简化输入信号处理方案,无需缩放共模输入电压。”

而针对上面提到的自动对焦功能,TI也有一款DRV201支持,李志林表示,它是一颗集成线性和PWM开关两种模式的相机模块自动聚焦驱动器,具有振铃自动补偿功能,使得自动聚焦的时间缩减到15毫秒或降低模组用户对聚焦执行部件的误差到正负20%,降低成本。它还具有负载短路和开路检测功能。该驱动器采用PWM模式,可以将效率提高到75%以上,延长用户电池的使用时间。

不同控制方式的选择以及能效上的改进措施

目前的电机控制主要以MCU、DSP为主,但也有些应用采用FPGA控制,从专用性角度看,DSP因为数据处理能力强、运算速度快,适用于高端复杂的电机系统控制。FPGA通过集成逻辑电路及专用电机驱动电路,能够很好地适用于客户化的电机驱动,但在电机控制的通用性方面略有不足。

针对这一问题,赛灵思亚太区新兴业务拓展经理黄文杰认为:“实现高性能无速度传感器的矢量调速系统是未来电机控制市场的发展趋势。磁场定向控制(FOC)等高级算法可提供更高的效率和性能,这通常需要快速的计算和并行处理性能,而这是使用传统MCU所无法实现的。” 与之相比,他强调,赛灵思FPGA具有更紧密的片上系统组件集成,大大提高性能并降低成本。FPGA硬件中的磁场定向控制算法优化了用电效率,缩短开发时间。更重要的是FPGA正在不断提升工业电机控制产品的精密程度。

黄文杰透露,赛灵思FPGA已经在高端数控机床、高端伺服系统、高端变频器、激光打标机、机器人产品中得到了广泛应用。国外的大企业也开始采用FPGA作为核心处理平台来实现SoC的解决方案。

在提升能效方面,各厂商都在做创新尝试,罗姆的陆晶认为电机的效率提升,主要是由电机的定子和转子的结构改变来决定。目前从理论上来说,在中小功率方面(5KW以内的电机),直流电机的效率要比交流电机高。当功率需求更高的时候,交流电机的效率甚至好于直流电机,所以这方面,控制部门主要是逆变器的改进,要求更大功率的器件,并要减小快关损失。[!--empirenews.page--]

他指出,在电机驱动方面,除了降低开关损失,调制的电角度方式也由原来的120度向180度转变,在降低马达的扭矩纹波的情况下,通过矢量控制方式来提升马达的效率。

另外对于驱动IC,在调制精度方面做提升,提高IC内部采用IP core的精度和速度,来实现IC的控制精度提升,让电机的工作更平稳,以此达到电机的理想运行状态。

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