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电机控制“需求”与“发展”的爱情长跑

作者:王莹 王金旺时间:2017-06-28来源:电子产品世界
编者按:电机控制技术及产品一直都是工业领域,乃至整个科技领域的重要内容。本文就市场对电机控制的需求及其当下发展,邀请业内知名厂商及专业人士做了相关介绍和分析。

作者 王莹 王金旺《电子产品世界》编辑

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/361117.htm

摘要技术及产品一直都是工业领域,乃至整个科技领域的重要内容。本文就市场对及其当下,邀请业内知名厂商及专业人士做了相关介绍和分析。

2016年全球工业电机与电控市场

  IHS Markit持续多年追踪全球各类工业电机与产品的市场行情趋势,发布相关市场数据与信息。最新统计数据显示,2016年全球工业电机与电机控制市场预计达580亿美元,其中,工业电机市场销售额约为354亿美元,电机控制市场规模在226亿美元左右。总体上,IHS Markit预期2016-2020年全球电机与电控市场保持平稳增长,电控市场增长高于电机。

  细分产品市场

  如图1所示,通用高低压感应电机约占2016年全球电机销售额的44%,特别是低压交流电机因其广泛的下游应用领域,约占30%的全球电机市场总销售额。随着全球不断深入推广高效电机,高效电机的普及率有望得到进一步的提升,IHS Markit预计2020年IE3电机占全球低压电机市场份额达32%,IE4电机增速远高于其他低压电机。总体而言,主要应用于OEM市场的分马力电机与低压电机预期表现好于下游集中在项目型市场的高压电机。此外,具有高精度、高稳定性及适应性等特点的伺服电机预期是未来增速最快的电机品类之一。2016年发电机约占全球电机总销售额的30%,主要受电力、造船等下游行业影响而波动,中小型发电机市场预期增速好于大型发电机市场。

  变频器仍然是全球最主要的电机控制产品,在2016年全球电控产品市场规模占比超六成,其中,约72%销售额来自于低压变频器。伺服驱动器是仅次于低压变频器的第二大电控品类,2016年贡献了近两成的全球市场销售额。此外,伺服系统在高精度、高性能要求的机械设备领域有望不断扩大市场份额,预期是未来增速最快的电控产品之一。

  不同细分产品市场的集中程度不一,领先企业在不同产品及区域市场的排名各有不同。总体来看,全球电机与电控市场仍较为分散,2015年排名前十的厂家约占全球40%的市场份额,ABB 、西门子保持市场领导地位。

  区域市场

  亚太(除日本)是全球电机与电控最大的区域市场,2016年销售额约占全球市场销售总规模的36%,主要受益于庞大的中国市场。IHS Markit估计2016年中国电机与电控市场规模接近129亿美元,是全球最大的单一国家市场。尽管中国市场面临进入经济转型期的增速放缓、产业结构调整等挑战,传统产业升级与智能化改造以及大力节能、高端制造业等趋势给未来电机与电控产品的带来了新机遇,IHS Markit预期中国是未来增速最快的区域市场之一,2020年市场规模预计超146亿美元。

  欧洲、非洲及中东(EMEA)与美洲保持为全球第二大与第三大区域市场,2016年销售规模分别为170亿美元与156亿美元。IHS Markit预计美洲市场的电机与电控产品在2016-2020年的年均增速略高于欧洲市场。

东芝智能相位控制技术

  就电机驱动芯片而言, 电机控制的趋势是高集成度、低成本、高效率和低噪声。而用户选择不同的电机控制方案,不同的侧重点包括系统性能、系统成本和系统可靠性。 不同的对应不同的电机控制方案选择。

  东芝集团内部电力电子技术的横向整合,自有的0.13μm先进模拟集成电路制程以及独有的多种新技术应用于电机驱动并满足客户的,是东芝解决方案的优势。东芝宽广的产品线涵盖步进电机、有刷电机和直流无刷电机应用的所有直流电机应用。东芝最新推出了应用于直流无刷电机的智能相位控制技术,能够提高电机控制系统效率,并具有简单易用的特点。主动增益控制能够有效提高高转矩波动的步进马达驱动器的效率,降低电机和驱动器的温度;应用于步进电机驱动高级动态混合衰减技术、高级电流检测技术、主动增益控制技术等独有的先进技术,并相应推出了应用该新技术的新产品。例如TB67B000HG/FG是适应家用空调风扇系统的高集成度低陈本高效率方案,已经为客户大量采用,其中新推出的贴片封装产品TB67B000FG,封装尺寸较TB67B000HG插件封装减小了53%,散热性能基本一致,管脚排布更加优化合理,是东芝在该应用领域的主力产品。 TC78B016FTG 集成应用智能相位控制技术,能有效提高方案效率,且简单易用,在后续将会推出更多应用智能相位控制技术的产品为客户提供多种选择。 TB67S289FTG 采用了主动增益控制技术、高级电流检测技术和高级动态混合衰减技术,特点是缩减了控制板面积,有效地提高了高转矩波动的步进马达驱动器的效率,降低了电机和驱动器的温度。

电机要求位置传感器有更高精度

  现如今,在各个领域(汽车、工业控制和消费类产品)中,电气化无处不在。一个明显的趋势是,有刷电机将会逐渐被无刷电机(直流无刷或永磁同步)替代。而当驱动不同的输出负载时,主要是要尽量减少电机的扭矩波动。我们要准确识别不同的应用场景需求,有些应用无需传感器,有些应用场合需要高精度、高分辨率的位置传感器。为了进一步提高性能,需要采用更精确有效的电机换向方式,而传统的霍尔开关的方式过于粗放,因此,高精度的位置传感器势在必行,能实现精确、高速的位置检测,并且具有很低的时间延迟。显而易见,在未来,人类将会用到越来越多的智能化电气设备和新型的驱动系统,这一切,都需要更智能化、更精确的传感器作为基础。

  方案选购考虑因素

  电机控制方案的选购主要取决于实际的应用需求和系统成本预算。当然,系统精度会是一个重要的选择标准。当我们为一个电机控制系统挑选合适的传感器时,分辨率、线性度误差以及延时等参数都需要考虑,而且,传感器的输出必须足够稳定,不受外界杂散磁场和其他电磁干扰的影响。

  艾迈斯的解决方案

  针对汽车级和工业级的电机控制场合,艾迈斯半导体提供了一系列基于霍尔技术的位置传感器。得益于我们的专利技术DAECTM(动态角度误差补偿技术),在外界杂散磁场干扰下,传感器依然能保持极高的精度。基于DAECTM专利技术,用户可以实现角度位置检测几乎零延时。我们的传感器均满足汽车级要求,在严苛的环境温度下也能正常工作。

步进电机应用及解决方案

  对于电机驱动芯片,高能效、低噪声、安全可靠、使用方便及高性价比一直是用户长期追求的目标。随着电机驱动产品使用的日益广泛,更高的要求也会被提出。

  步进电机因使用简单,成本优势明显而应用广泛。如在多功能打印机/扫描仪、缝纫机、提款机等工业领域。但步进电机并不是最完美和理想的方案,特别是在多马达同时工作的环境下,音频噪声尤其严重。 此外, 即便在低转速条件下,仍然会产生功耗,以致对某些手持设备电池的寿命有所影响。低能效引起的过热也不可忽视。 在某些情况下,系统不得不另加冷却风扇, 导致成本和系统的复杂程度增加,降低了系统的可靠性。

  设计人员有时会选用BLDC(无刷直流电机)来克服步进电机的缺点,实现高效、平稳和低噪声效果,从而降低功耗和发热。 但随之而来的是成本上升,很多情况下不得不使用MCU,这同样会导致系统设计难度大大提高。从步进电机到BLDC,对于机械子系统设计而言也是很大的改变,设计周期加长及长期可靠性测试也大大延缓了面市时间。

  因此,用户需根据特定的应用需求选购合理的电机控制方案,同时需兼顾低噪声、高能效、高可靠性及成本等因素。

  LC898240/LV8702步进电机解决方案

  为满足市场高性能的需求,安森美半导体的LC898240/LV8702可通过两种新的工作方式来改进现有方案,充分解决传统步进电机存在的问题,是高性价比创新的步进电机解决方案。LC898240通过监测马达线圈的BEMF波形来判断负载变化,以调整电机电流和步进脉冲的方法来改善现有的步进方案,而无需改变机械系统来实现类似于BLDC的性能,提高整体能效并降低输出噪声。

  LC898240可以作为辅助设备和传统电机驱动芯片一起工作。除了具备调整电流功能实现高能效外,其内置EEPROM可存储产生九种工作时序,每种时序达440步,实现无MCU的工作模式,便于用户灵活选择。

  LV8702是集成LC898240功能的单芯片产品,集BEMF检测反馈及电机驱动功能于一体,更易于使用,其高效模式可较传统步进电机降低达80%的功耗。



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