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大佬分析工业电机控制最新发展趋势

发布日期:2015-01-21 11:02:32 【关闭】
摘要:

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。

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