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正如我們在前幾期的電機控制專題中所述，電機產(chǎn)品無處不在，它是諸多領(lǐng)域的支柱產(chǎn)品，如工業(yè)、新能源汽車等。近幾年，在電機控制領(lǐng)域，發(fā)生了很多的技術(shù)創(chuàng)新和突破，但同時也仍面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新和突破
安森美現(xiàn)場應用工程師Tom Huang在接受采訪時表示，在電機控制與驅(qū)動領(lǐng)域近年來的確發(fā)生了一些重大技術(shù)創(chuàng)新和突破，主要包括更高性能功率半導體器件的導入，例如碳化硅(SiC) MOSFET的發(fā)展，它提供了更高的開關(guān)頻率、更低的導通和開關(guān)損耗，從而提高了電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率和功率密度。另外，由于這些功率半導體器件可以支持更高的開關(guān)頻率，這使得可以設計更小的組件尺寸從而減小系統(tǒng)的體積和重量。
而更低的導通損耗和開關(guān)損耗，則可以提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率，減少了熱損耗，同時也減輕了散熱系統(tǒng)的設計難度，因此電機控制系統(tǒng)可以在更小的封裝內(nèi)提供更大的功率，功率密度得到顯著提升。
另外，智能功率模塊(IPM)和功率集成模塊(PIM)的面世，它集成了功率開關(guān)、驅(qū)動電路、保護功能等，簡化了電機的設計并減少了系統(tǒng)體積，同時提高了可靠性和性能。
與此同時，通過集成電機和其驅(qū)動器，可以實現(xiàn)更緊湊的設計和更優(yōu)化的熱管理。安森美近期新推出的采用了新的場截止第7代(FS7)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)技術(shù)的1200V SPM31智能功率模塊就是一個很好的例子，與市場上其他的解決方案相比，該產(chǎn)品具有更高能效、更小尺寸，以及更高功率密度等特點，從而使總體系統(tǒng)成本更低，非常適合三相變頻驅(qū)動應用，如熱泵、商用暖通空調(diào)系統(tǒng)以及工業(yè)泵和風扇等。
在控制算法上，BLDC/PMSM電機的控制解決方案包括有傳感器和無傳感器的梯形算法，正弦和磁場定向控制(FOC)。有傳感器解決方案可以獲得更高的控制精度和響應速度，而無傳感器解決方案能夠節(jié)省成本和電路板空間，并通過消除傳感器故障風險來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合來看，正弦波控制和FOC的應用場景會越來越多，傳統(tǒng)的梯形波控制在一些高效率、低轉(zhuǎn)矩波動要求的場景中會被慢慢取代。
安森美模擬與混合信號事業(yè)部中國區(qū)市場經(jīng)理Jagger Yan補充道：“精密的電機控制取決于對電機位置的檢測，為了準確執(zhí)行電子換向，必須確定轉(zhuǎn)子的位置，傳統(tǒng)上這是利用霍爾傳感器實現(xiàn)的，更新穎的方案用到了光學或電感傳感器，而有些方案則跳過傳感器，直接測量反電動勢。雙電感旋轉(zhuǎn)傳感器是一種新型電感傳感器，這些新電感位置傳感器不僅速度快，而且精度高。”
此外，隨著對能源效率和電磁兼容性要求的不斷提高，功率因數(shù)校正(PFC)電路被越來越廣泛的應用。同樣的，為了提高系統(tǒng)效率和功率密度，PFC的控制頻率也越來越高，使得越來越多的用戶選擇SiC器件。單相功率因素校正電路常用拓撲包括單相PFC、兩路及多路交錯PFC，以及圖騰柱PFC。而工業(yè)電源上常采用三相全橋PFC、三相維也納以及三相圖騰柱PFC。PFC電路的應用使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)接近于理想的功率因數(shù)，同時顯著降低輸入電流的諧波失真，進而減少對電網(wǎng)的干擾，有望成為電機控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。
應用領(lǐng)域廣泛
如上所述，電機控制技術(shù)被廣泛應用于多個行業(yè)和領(lǐng)域，例如電機控制技術(shù)在工業(yè)自動化中起著至關(guān)重要的作用，用于驅(qū)動各種機械設備和生產(chǎn)線；在電動汽車領(lǐng)域，電機控制技術(shù)用于驅(qū)動電動機，從而實現(xiàn)車輛的動力輸出；家電行業(yè)也大量使用電機控制技術(shù)，例如在空調(diào)、洗衣機和冰箱中等。
尤其在工業(yè)自動化領(lǐng)域，包括機器人、輸送帶、裝配線等，電機控制技術(shù)都被用于精確控制機械臂和自動化設備的運動，安森美的電機控制器及變頻驅(qū)動(VFD)產(chǎn)品，包括MOSFET、IGBT、二極管、PIM和IPM，用于工業(yè)電機驅(qū)動器，以提高能效和控制精度。Jagger Yan表示：“安森美為智能制造客戶提供智能電機控制和高性價比的前沿尖端的旋轉(zhuǎn)位置傳感技術(shù)，如無刷直流三相驅(qū)動產(chǎn)品NCD83591物料單(BOM)性價比高，易于使用，非常適合5V-60V的工業(yè)應用，如工廠自動化、電動工具、機器人等?！?/p>
另外，在新能源汽車領(lǐng)域，電機驅(qū)動與控制技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：高效功率半導體器件如碳化硅等新型功率半導體器件的應用，提高了電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率和功率密度；先進控制算法如矢量控制和無傳感器控制技術(shù)的應用，使得電機能夠在更廣泛的速度和負載范圍內(nèi)保持高效運行；集成電機和驅(qū)動器的設計，減少了系統(tǒng)的復雜性和體積，提高了系統(tǒng)的可靠性和熱管理性能;智能傳感技術(shù)的發(fā)展使得電機控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，如溫度、振動和電流。
Tom Huang表示：“未來將會有更多基于碳化硅材料的功率半導體器件應用于電機控制系統(tǒng)，以進一步提升效率和性能。電機控制系統(tǒng)將更加智能化，能夠通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制，并通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化電機的運行參數(shù)。此外，能量回收技術(shù)將進一步發(fā)展，特別是在再生制動系統(tǒng)中，將制動時產(chǎn)生的能量回收并重新利用，提高系統(tǒng)的能效。”
挑戰(zhàn)和趨勢
雖然近幾年電機控制技術(shù)的發(fā)展取得了很多的創(chuàng)新和突破，但同時它仍然面臨著一些設計挑戰(zhàn)。Tom Huang認為，在電機控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)過程中，隨著控制算法和功率電子器件復雜性的增加，面臨的主要挑戰(zhàn)包括如何實現(xiàn)精確的速度和位置控制、如何實現(xiàn)電機的系統(tǒng)設計并滿足有效的散熱管理，以及如何將電機控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的工業(yè)自動化系統(tǒng)集成等多個方面。
通過采用先進的控制算法，如無傳感器控制算法、自適應控制等，導入更高性能的功率器件，通過模塊化設計簡化系統(tǒng)集成和升級，并進行充分的熱模擬，確保系統(tǒng)在各種條件下都能保持良好的熱性能，能有效克服上述挑戰(zhàn)。
同時，開發(fā)應用于工業(yè)電機驅(qū)動的半導體，需要先進的設計、集成有源和無源器件的能力、精密的封裝包括基板材料，以及高質(zhì)量和可靠性標準，安森美據(jù)此推出多個系列的智能功率模塊(SPM)，非常適用于電機驅(qū)動的工業(yè)應用。
未來，電機控制技術(shù)的發(fā)展也主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是高效率與節(jié)能。隨著全球?qū)?jié)能減排的關(guān)注度提高，電機控制技術(shù)需要更加注重能效，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域，高效率的電機控制能夠顯著提升車輛的續(xù)航里程和能效比。
二是集成化的解決方案。為了提高系統(tǒng)集成度和降低整體成本，未來的電機控制系統(tǒng)將越來越傾向于集成化設計，將驅(qū)動器、控制器、傳感器和其他組件集成到單個模塊中。同時，多相電機控制技術(shù)因其更高的可靠性和容錯能力而在某些應用中越來越受歡迎，也將成為未來的一個發(fā)展方向。
三是安全性和可靠性：無論是工業(yè)還是汽車應用，安全性和可靠性都是電機控制技術(shù)不可忽視的關(guān)鍵因素，特別是位置傳感器技術(shù)的發(fā)展對于提高電機控制的精確性和可靠性至關(guān)重要，除此之外還包括電機的故障檢測、診斷和冗余機制的開發(fā)。
寫在最后
隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，以SiC為代表的第三代半導體的引入，也將給電機控制領(lǐng)域帶來新的變革和發(fā)展。相關(guān)法規(guī)越來越嚴格，市場對大幅降低工業(yè)電機驅(qū)動器能耗的需求變得愈加迫切，這些新一代功率器件的導入也將是勢在必行的趨勢。相信，隨著新技術(shù)、新材料等方面的發(fā)展，電機控制技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)更節(jié)能、更高效、更智能的目標。
