正如我們?cè)谇皫灼诘碾姍C(jī)控制專題中所述，電機(jī)產(chǎn)品無(wú)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(jī)控制領(lǐng)域，發(fā)生了很多的技術(shù)創(chuàng)新和突破，但同時(shí)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(chǎng)應(yīng)用工程師Tom Huang在接受采訪時(shí)表示，在電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體器件的導(dǎo)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(dǎo)通和開關(guān)損耗，從而提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和功率密度。另外，由于這些功率半導(dǎo)體器件可以支持更高的開關(guān)頻率，這使得可以設(shè)計(jì)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(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，則可以提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，減少了熱損耗，同時(shí)也減輕了散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，因此電機(jī)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(dòng)電路、保護(hù)功能等，簡(jiǎn)化了電機(jī)的設(shè)計(jì)并減少了系統(tǒng)體積，同時(shí)提高了可靠性和性能。

與此同時(shí)，通過集成電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)和更優(yōu)化的熱管理。安森美近期新推出的采用了新的場(chǎng)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(gè)很好的例子，與市場(chǎng)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(diǎn)，從而使總體系統(tǒng)成本更低，非常適合三相變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，如熱泵、商用暖通空調(diào)系統(tǒng)以及工業(yè)泵和風(fēng)扇等。

在控制算法上，BLDC/PMSM電機(jī)的控制解決方案包括有傳感器和無(wú)傳感器的梯形算法，正弦和磁場(chǎng)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(yīng)速度，而無(wú)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(fēng)險(xiǎn)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合來看，正弦波控制和FOC的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)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(dòng)要求的場(chǎng)景中會(huì)被慢慢取代。

安森美模擬與混合信號(hào)事業(yè)部中國(guó)區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理Jagger Yan補(bǔ)充道：“精密的電機(jī)控制取決于對(duì)電機(jī)位置的檢測(cè)，為了準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)的，更新穎的方案用到了光學(xué)或電感傳感器，而有些方案則跳過傳感器，直接測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)。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?！?/p>

此外，隨著對(duì)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(yīng)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?fù)浒▎蜗郟FC、兩路及多路交錯(cuò)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(yīng)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(shí)顯著降低輸入電流的諧波失真，進(jìn)而減少對(duì)電網(wǎng)的干擾，有望成為電機(jī)控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

如上所述，電機(jī)控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，例如電機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中起著至關(guān)重要的作用，用于驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)線；在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，電機(jī)控制技術(shù)用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)力輸出；家電行業(yè)也大量使用電機(jī)控制技術(shù)，例如在空調(diào)、洗衣機(jī)和冰箱中等。

尤其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，包括機(jī)器人、輸送帶、裝配線等，電機(jī)控制技術(shù)都被用于精確控制機(jī)械臂和自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，安森美的電機(jī)控制器及變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)產(chǎn)品，包括MOSFET、IGBT、二極管、PIM和IPM，用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)控制和高性價(jià)比的前沿尖端的旋轉(zhuǎn)位置傳感技術(shù)，如無(wú)刷直流三相驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品NCD83591物料單(BOM)性價(jià)比高，易于使用，非常適合5V-60V的工業(yè)應(yīng)用，如工廠自動(dòng)化、電動(dòng)工具、機(jī)器人等?！?/p>

另外，在新能源汽車領(lǐng)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：高效功率半導(dǎo)體器件如碳化硅等新型功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和功率密度；先進(jìn)控制算法如矢量控制和無(wú)傳感器控制技術(shù)的應(yīng)用，使得電機(jī)能夠在更廣泛的速度和負(fù)載范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行；集成電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，減少了系統(tǒng)的復(fù)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(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如溫度、振動(dòng)和電流。

Tom Huang表示：“未來將會(huì)有更多基于碳化硅材料的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升效率和性能。電機(jī)控制系統(tǒng)將更加智能化，能夠通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，并通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。此外，能量回收技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，特別是在再生制動(dòng)系統(tǒng)中，將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回收并重新利用，提高系統(tǒng)的能效?！?/p>

挑戰(zhàn)和趨勢(shì)

雖然近幾年電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展取得了很多的創(chuàng)新和突破，但同時(shí)它仍然面臨著一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。Tom Huang認(rèn)為，在電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，隨著控制算法和功率電子器件復(fù)雜性的增加，面臨的主要挑戰(zhàn)包括如何實(shí)現(xiàn)精確的速度和位置控制、如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)并滿足有效的散熱管理，以及如何將電機(jī)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成等多個(gè)方面。

通過采用先進(jìn)的控制算法，如無(wú)傳感器控制算法、自適應(yīng)控制等，導(dǎo)入更高性能的功率器件，通過模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成和升級(jí)，并進(jìn)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(shí)，開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體，需要先進(jìn)的設(shè)計(jì)、集成有源和無(wú)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(biāo)準(zhǔn)，安森美據(jù)此推出多個(gè)系列的智能功率模塊(SPM)，非常適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)應(yīng)用。

未來，電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展也主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jī)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng)將越來越傾向于集成化設(shè)計(jì)，將驅(qū)動(dòng)器、控制器、傳感器和其他組件集成到單個(gè)模塊中。同時(shí)，多相電機(jī)控制技術(shù)因其更高的可靠性和容錯(cuò)能力而在某些應(yīng)用中越來越受歡迎，也將成為未來的一個(gè)發(fā)展方向。

三是安全性和可靠性：無(wú)論是工業(yè)還是汽車應(yīng)用，安全性和可靠性都是電機(jī)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(duì)于提高電機(jī)控制的精確性和可靠性至關(guān)重要，除此之外還包括電機(jī)的故障檢測(cè)、診斷和冗余機(jī)制的開發(fā)。

寫在最后

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體的引入，也將給電機(jī)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(yán)格，市場(chǎng)對(duì)大幅降低工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能耗的需求變得愈加迫切，這些新一代功率器件的導(dǎo)入也將是勢(shì)在必行的趨勢(shì)。相信，隨著新技術(shù)、新材料等方面的發(fā)展，電機(jī)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(biāo)。

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