电机控制“需求”与“发展”的爱情长跑

电机驱动芯片的控制趋势

　　罗姆半导体(上海)有限公司设计中心表示，除了要求安全、高效、控制性能好之外，数字化、集成化也成为电机控制技术发展的必然趋势。控制系统数字化则包含了硬件与软件两方面，硬件即高速、高集成度、低成本的专用芯片。软件则体现在电机控制方面，电机控制算法未来的发展方向将着重在高性能的转矩转速控制与在线辨识上。

　　集成化是指电机的集成和电力电子器件的集成，它包括电机与电机驱动的集成和开关器件、电路、控制、传感器、电源等的集成。集成方案比传统分立器件方案更有助于降低总体物料单(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。

　　不同应用对电机控制器的要求有很大的区别。目前市场上的控制器/驱动器解决方案各有千秋，包括了针对特定简单应用的标准控制器/驱动器以及采用外部缓冲栅极驱动器和功率级的MCU、DSP和FPGA。

　　对于小型电机以及控制精度、反应速度要求不高的应用，专用芯片具有低成本、低功耗、控制简单、易上手等优势。

　　对要求苛刻的应用，适合使用DSP、MCU和FPGA，可以增加其他系统管理功能，例如监测电机参数和状态，以及与主机系统的通信等。但是，DSP、MCU和FPGA需要外部栅级驱动器和功率器件，且需要编程控制，在安全、效率方面需要斟酌。

　　在权衡了电机的效率和生产的成本基础上选择出来的方案，才是最适合的方案。

　　ROHM电机控制方案

　　随着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、电冰箱等诸多白色家电的应用中，ROHM的控制方案从最初的BD620X系列，工艺改善进化到BD6201X+BM6202/3(耐压600V，1.5A/2.5A的IPM)，发展到高度集成化的BM620X系列(集成了驱动和IPM)、BM622X系列等。同时，随着工业4.0、无人机、智能机器人、汽车电子等市场的兴起，ROHM也推出了相应的控制芯片，比如车载级别的隔离Gate Driver，具有可编程SPI接口的有刷直流电机驱动控制芯片，快速反应的三相有位置/无位置专用控制方案等。

根据实现功能选择电机

　　电机控制在各个行业的应用十分广泛，因而趋势也各不相同。不过，对于所有行业来说，最近的主要推动力就是效率。电机设计以及逆变器设计和控制都在不断改进。

　　移除或至少缩小同步电机的磁件也是行业关注的焦点。采用同步磁阻电机可实现这一目标，它们基本上是没有磁件的永磁同步电机(PMSM)。由于没有磁件，控制起来比较困难，好处是降低了成本，提高了满负载范围内的效率。

　　在汽车领域和消费类产品中还有一大趋势就是集成。比如，将FET驱动器和MCU/DSP组合于一个封装内。这样可以缩小PCB面积，从而轻易地将电路板安装至电机背面。

　　选择的标准关键取决于设计要实现什么功能，电机在系统中要完成什么任务，功耗限制如何，是采用交流电供电还是电池供电，以及期望的尺寸(外形因素)是如何的。

　　BLDC和PMSM电机颇受欢迎，究其原因，主要是外形小和输出转矩大。由于PMSM运行更平稳、更安静，而且效率更高，取代BLDC已成为一种趋势。因此，汽车中电机几乎都将采用无传感器场定向控制(FOC)或PMSM。

　　Microchip的数字信号控制器

　　Microchip推出适用于电机控制的dsPIC® 数字信号控制器时，我们关注的是需要更高性能来完成复杂计算的应用。正如前面所述，提高效率，降低成本和体积是大势所趋。利用采用无传感器FOC的PMSM可实现这一目标，但前提是MCU/DSP具有足够的数学运算能力。dsPIC33EP系列就是这些拥有强大运算能力的器件中极具价格竞争力的产品。并且，集成智能PWM和模拟外设，减少了外部元件，从而因缩减物料清单而降低成本。

电机控制对无线连接的需求

　　我们看到物联网市场正在快速地增长，进而驱动了对低功耗微控制器(MCU)和无线系统级芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前，很多电机控制应用并不具备很好的连接性。我们可以看到一种趋势：很多电机控制应用正在增加无线连接功能以用于控制和监控。这对于电机控制来说是一项重要的改变。这一趋势正在家庭自动化市场中迅速蔓延，而工业市场在这方面则相对缓慢一些。

　　考虑到电机控制的连接性，集成式电机控制MCU成为一种较好的选择。根据电机控制应用的不同，有单芯片解决方案、双芯片解决方案和模块化解决方案可用于智能无线连接电机。对许多应用来说，一个MCU用于电机控制，另一个无线SoC则提供无线连接功能，即双芯片解决方案，在这种情况下，选择电机控制MCU可以仅仅基于其运行电机控制的情况优劣来作出判断。然而，集成的可能性或许会受限于电机控制MCU的选择。对于那些对成本非常敏感的应用来说，有可能使用同一个无线SoC将电机控制和无线连接集成到一起。有一种简单的方法可以为电机控制设计增加RF连接功能，即在现有的电机控制板上增加一个无线模块。

　　节能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

　　Silicon Labs的SoC解决方案为智能联网电机带来了无线连接功能，同时我们也为电机控制应用提供了多种多样的节能型MCU。

　　对许多电机控制应用来说，节能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU是一种理想的解决方案。它具有一个带有DSP指令支持的高性能ARM Cortex M4 CPU和一个浮点运算单元(FPU)，包含2个带有边沿对齐或中心对齐脉冲宽度调制(PWM)的16位定时器，其中一个片上定时器具有死区插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通过增加一个EFR32MG1 Mighty Gecko无线SoC或一个MGM111 Mighty Gecko模块以增加无线连接功能。

电机驱动器向高集成度和高性价比演进

　　好的电机要满足客户的不同需求，有的客户对电压看重，例如要低至1.5V的电压;有的对体积或散热等看重;有的重视精度，例如256微步步进电机的应用场合主要是位置传感，可用于医疗注射泵，对药的注射剂量要非常准确，但速度不一定快;有的重视性价比。ST的一些产品换成了新型的超微型QFN封装，使封装尺寸更小、价格更便宜，也相应地提高了性价比。

　　为了实现高集成度，ST正在做SiP(系统级封装)。主要有两种途径。第一种途径是把驱动器和功率芯片进行封装集成，即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8个MOSFET，堪称业界最先进的产品，主要因为性能指标高：85V，5~10A，封装很薄(因此散热好)。另一种途径是“驱动器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。优势之一是设计速度快，因为有STM32F0 MCU;二是集成度高，简化了设计，节省了BOM(物料清单)。

　　目前市场上只有基于ARM Cortex-M0的集成产品(STSPIN32F0系列)，并没有基于M3、M4的集成驱动产品，这是因为M3、M4针对更高端的应用，但ST目前进军的中低端大批量市场还不需要更高端驱动产品，例如电动工具等，过去是8位MCU，现在升级到基于32位的M0控制，已经非常进步了。在中低端市场，M0性价比比M4高，可满足从有传感到无(位置)传感，再到SoC控制等的需要。当然，后续会有集成M4的驱动器系列推出。

电机控制之机器人系统电源解决方案

　　电机控制是绝大多数工控设备传动系统里的核心之一。其用途细到玩具、家用电器，广到自动化设备、工业机器人等。电源模块，作为系统供电的主要器件，为电机控制的发展注入“源”动力。

　　就电机控制系统而言，电源模块可分为工作电源和驱动电源两大类。工作电源提供稳定的5V电压供给MCU，间接作用于电机控制系统;驱动电源一般功率较大，提供足够动力直接作用于电机控制系统。电源模块除供电功能外，最重要的还有提高系统可靠性的作用。电机控制系统的集成度越来越高，电机工作时噪声干扰问题越来凸显，因此部件小体积、信号隔离需求日益明显。同时，针对有电池供电的系统，电池电压波动范围大，电源模块可以提供稳定的输出电压，高效率的电源模块还有利于提高电池的续航能力。所以，在电机控制系统中电源模块一般有供电、隔离、稳压、提升续航能力等功能，是不可或缺的配套器件。

　　当下，智能制造已成为主流。为提升生产效率和控制生产成本，智能机器人行业火热发展，如仓储机器人、物流机器人、扫地机器人等。智能机器人中包含电机控制和电机的传动系统，电机作为传动部件，可以完成某项任务，如扫地机器人轮子实现巡视功能、吸尘部件实现灰尘清理功能等。针对智能机器人多种电压/功率以及应用的需求，金升阳提供多种电源解决方案以满足不同需求。

　　金升阳DC-DC宽压电源模块产品特点：

　　● 宽输入电压范围，适合电池供电场合。适应变化的电池电压，输出电压稳定;

　　● 多种输出电压可选，适用于不同工作模块;

　　● 多种隔离电压可选，隔离电机噪声干扰，减少对系统其他敏感器件的干扰;

　　金升阳AC-DC电源模块特点：

　　● 直接取市电，安全隔离;

　　● 认证齐全，推广不受国家区域限制;

　　● 1-120W功率可选，为系统提供足够动力;

　　● EMC特性好，能适应不同电磁环境正常工作。

　　参考文献：

　　[1]王莹.电机驱动走向高效节能[J].电子产品世界,2013(9):12-14.

　　[2]于寅虎.新型电机控制技术用于电动汽车的机遇与挑战[J].电子产品世界,2014(9):12-14.

　　[3]Richard Chung,Roy Davis,Steven Hong,等. 更高效电机驱动的基本挑战和解决方案[J].电子产品世界,2015(7):15-19.

　　[4]王莹.电机控制在白色家电、工业控制以及汽车电子中的发展与动向 [J].电子产品世界,2016(7):8-12.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第14页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。