电机控制行业的下一个风口——节能和智能化

（文/程文智）据最新的《世界能源发展报告（2022）》指出，2021年，我国的全社会用电量为8.31万亿千瓦时，这其中有近50%的电力为电机所消耗，从小型消费品到大型工业设备，到处都有电机的身影，风扇、泵、电动工具、吸尘器、洗衣机、空调、冰箱、汽车、机床、机器人等等都需要电机来提供驱动力。如果能将这些电机的效率提升1%，也能节省不少用电量。
 
一项针对中国、欧盟、美国等 9 个国家和地区的研究分析显示，2018 年，电器设备能效标准帮助这些国家和地区实现年节电量 1500 太瓦时（10⁹ 千瓦时；TWh），相当于这些国家和地区当年的风力和太阳能发电总量之和。
 
因此，全球逾120个国家已经实施，或正在制定强制性的主要电器能效标准或标识项目。在那些实施此项目时间最长的国家，电气能效政策已经推动主要电器能耗减少了一半以上，包括空调、冰箱、电视机、洗衣机和厨房电器等。比如我国新的电机能效标准，以及新版的《电风扇能源效率标识实施规则》等，都需要提升电机的效率，达到节能的目的。
 
而为了实现节能目标，各家企业也都在使出浑身解数，通过一系列的创新，比如集成式智能功率模块和系统级封装、单片式电机驱动器、快速高效的功率开关、具有电压瞬态保护功能的可控硅、以及功能强大且安全的微控制器等等，甚至更加智能的传感器，以及更先进的算法与软件等等。
 
谈到未来电机控制的发展趋势，电子发烧友网在不久前的第四届意法半导体工业峰会上与意法半导体的专家进行了交流，在他们看来未来电机控制行业的发展主要有两个方向，即节能和智能化。
 
节能电机是未来发展趋势之一

虽然根据电机类型的不同和应用要求的不同，电机控制技术和电路也会有所不同，但其最终的目的都是为了能够手动或者自动地对电机进行操作，比如启停、提前反转、速度、扭转，以及电压过载保护等等。也就是说电机的控制需要电子电路的支持，以前这些电子电路采用的都是分立器件，但如今随着半导体技术的发展，芯片企业提供了更多集成化的解决方案，当然除了这些电力电子器件，还需要算法和软件的支持。

图：BLDC/PMSM电机控制框图（来源：ST）

 
为了实现电机节能的目的，电机控制技术大有可为，工程师可以通过采用更集成化的器件、性能更好的器件，以及更加优秀的软件算法来实现提升效率，节省能源的目的。也就是说可以从两个方面来实现。
 
首先是采用更集成化的器件和SiC、GaN等第三代半导体器件。更集成化的器件包括集成化的功率MOSFET、IGBT、单片电机驱动IC、功率模块等等。比如，IGBT现在已经是第三代，它具有电力控制器件的基本功能，非常适合解决复杂的电机控制问题。在特别极端的使用条件下，最新一代的IGBT在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系，汽车中的驱动电机更多都采用了最新的IGBT产品。当然，现在也有不少汽车开始采用SiC器件来替代IGBT。
 
SiC器件在电机控制中的使用，有助于电机的节能和减少尺寸，再加上其高集成度和可靠性等特性，非常适合在汽车和工业自动化控制应用中使用。
 
除了SiC，还有GaN器件，由于其开关性能更好，高频特性突出，已经有厂商推出了基于GaN器件的电机驱动解决方案。不过目前SiC和GaN器件的成本还有点偏高，EMC和EMI问题更突出等限制，还没有大规模推广开来。
 
第二就是算法和软件技术。电机控制需要算法的支持，相同的硬件解决方案，如果算法优化程度不一样，电机的效率也会有很大差别。
 
智能化控制也是未来发展方向之一

除了节能，电机控制技术的智能化也为未来发展的重点方向之一。一般来说，电机控制的智能化可以从两个方面来实现。
 
一是扩展感知范围，也就是说在电机控制方案中加入更多的传感器，比如说振动传感器，通过振动来监测电机的运行状态，在电机发生故障之前就能提前感知，并进行维护，或者自动修复。
 
二是处理器，过去电机控制流行采用DSP，后来经过演变，出现了各种不同的解决方案。在硬件方面，现在常用的MCU，并且在MCU外设方面添加更多功能，例如快速ADC、栅极驱动器、电源模块、及电机控制PWM外设等等；而在软件方面，可以加入更多的AI算法，比如环境感知信息的处理算法、自身参数的识别算法等等。
 
结语

总的来说，电机控制的发展潜力还是非常大的，不过目前很多技术由于成本、技术限制，及市场接受度等因素的限制，还处于实验室阶段，或者市场开拓阶段，产业化还需要一定的时间，但相信随着技术的进步，这些挑战会得到解决。
 
另外，电子发烧友网会在11月17日在深圳湾万怡酒店举办《电机控制先进技术研讨会》，邀请了10来家芯片原厂共同探讨电机控制技术解决方案和未来发展趋势，欢迎感兴趣的工程师朋友们到现场交流。