電機(jī)控制專題 | 電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)，看半導(dǎo)體技術(shù)如何賦能電機(jī)設(shè)計(jì)？

電機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)之母”，是現(xiàn)代工業(yè)動(dòng)力來源的主要核心之一。多年來，通過不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，電機(jī)產(chǎn)品在功耗、效率等方面都獲得了極大提升。但隨著全球?qū)δ茉崔D(zhuǎn)型和環(huán)保要求的提高，電機(jī)控制技術(shù)在節(jié)能減排方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

這是因?yàn)?，電機(jī)是一個(gè)耗能大戶。ADI Trinamic產(chǎn)品線經(jīng)理高偉表示：“工業(yè)領(lǐng)域的能耗約占全球總能耗的40%，而其中僅電機(jī)這一項(xiàng)的耗電量就大約占到工業(yè)領(lǐng)域總耗電量的70%。另據(jù)估計(jì)，電機(jī)的能耗成本在其總擁有成本中的占比高達(dá)95%?！彼?，越來越多的企業(yè)傾向于選擇采用更為先進(jìn)的電機(jī)技術(shù)。

但不可否認(rèn)的是，電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是面臨著各種設(shè)計(jì)難題，如電磁設(shè)計(jì)、熱管理、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成，還有小型化以及軟件復(fù)雜性等。以系統(tǒng)集成為例，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要在滿足不斷縮小的芯片尺寸的同時(shí)，還需要集成傳感、電源管理等模塊，并且還需要滿足低功耗的設(shè)計(jì)。

但半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，也為電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來了巨大的靈活性和性能提升，同時(shí)也對(duì)工程師提出了更高的要求，需要他們不斷更新知識(shí)以利用這些新技術(shù)。例如，高性能芯片提供了更先進(jìn)的通信接口，如以太網(wǎng)、CAN、FlexRay等，有助于實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)交換和分布式電機(jī)控制系統(tǒng)；而芯片尺寸的縮小使得電機(jī)控制器可以設(shè)計(jì)得更加緊湊，進(jìn)一步助推實(shí)現(xiàn)小型化和便攜式電機(jī)控制系統(tǒng)。高偉表示：“隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，也使高集成成為一種可能?！?/p>

ADI多年來在電機(jī)運(yùn)控領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)積累，為應(yīng)對(duì)上述電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的諸多挑戰(zhàn)，也不斷地進(jìn)行的技術(shù)的創(chuàng)新，推出了諸多能夠應(yīng)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題的方案。

高偉舉例道：“例如，考慮到電機(jī)非可控故障導(dǎo)致的停機(jī)，可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成重大損失，甚至帶來安全隱患。ADI針對(duì)電機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)進(jìn)行研發(fā)，推出ADI智能電機(jī)傳感器SMS解決方案，這是專為電機(jī)設(shè)計(jì)的基于AI的高性能預(yù)測(cè)性維護(hù)平臺(tái)，它使用ADI先進(jìn)的傳感器、測(cè)量技術(shù)和算法，通過測(cè)量電機(jī)的多軸振動(dòng)、磁場(chǎng)和溫度條件來提供有意義、可操作的信息方案，可以診斷出多達(dá)9種電機(jī)典型故障類型?！?/p>

作為Trinamic產(chǎn)品線的經(jīng)理，高偉也介紹了ADI Trinamic?產(chǎn)品線的特點(diǎn)，他表示：“Trinamic?產(chǎn)品線中的伺服電機(jī)控制芯片內(nèi)置了EightPointTM實(shí)時(shí)無抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器，讓原本結(jié)構(gòu)復(fù)雜的S型曲線變得易于實(shí)現(xiàn)；它還具有無感自適應(yīng)負(fù)載的電流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可幫助節(jié)省75％以上電能；它也可利用電機(jī)自身作為傳感器，無傳感器負(fù)載、失步和堵轉(zhuǎn)檢測(cè)；另外，使用StealthChopTM PWM斬波器，還能使電機(jī)超靜音運(yùn)行?！?/p>

高偉表示：“ADI Trinamic電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案可構(gòu)建靜音、小巧、精確、高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，這些解決方案可幫助降低智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，縮短上市時(shí)間，還支持可能的空間和性能效率改進(jìn)，以適應(yīng)新的市場(chǎng)需求，為智能制造和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用帶來新的生產(chǎn)力水平。”

對(duì)于電機(jī)控制技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)，高偉則認(rèn)為，“電機(jī)控制系統(tǒng)需要更高的精度、更快的速度，以及更高程度的微型化，以適應(yīng)新的市場(chǎng)需求?！倍鵀榱藨?yīng)對(duì)這樣的發(fā)展需求，唯有不斷推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為客戶提供更高效、更智能、更可靠的電機(jī)控制解決方案，才能更好地滿足未來工業(yè)和社會(huì)的需求。

為此，高偉認(rèn)為可以主要關(guān)注以下兩個(gè)發(fā)展方向：一是，AI算法的引入為電機(jī)控制系統(tǒng)帶來了智能化的發(fā)展，如利用PID控制、模糊邏輯控制、自適應(yīng)控制等高級(jí)控制算法，使之可以根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)整參數(shù)以保持性能穩(wěn)定，改善步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、減小振動(dòng)和失步現(xiàn)象；二是，推動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，使客戶能夠根據(jù)自己的特定需求快速定制解決方案，減少開發(fā)時(shí)間和成本。

為此，ADI將先進(jìn)的電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)集成到硬件構(gòu)建模塊中，從柵極驅(qū)動(dòng)器IC到完整的微系統(tǒng)，這些適用于步進(jìn)電機(jī)、BLDC電機(jī)和直流電機(jī)的單封裝產(chǎn)品，均有助于輕松便捷地實(shí)現(xiàn)出色的運(yùn)動(dòng)控制。

電機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，這一方面擴(kuò)大了電機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)，但同時(shí)也讓電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)面臨著更多的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰獫M足不同應(yīng)用領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求。但節(jié)能是所有領(lǐng)域共同的追求，隨著AI技術(shù)的引入，或許會(huì)給電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來一些新的思路，使之能夠更高效、更節(jié)能以及更具成本效益。