电机控制专题 | 电机控制技术未来发展创新突破与挑战共存

正如我们在前几期的电机控制专题中所述，电机产品无处不在，它是诸多领域的支柱产品，如工业、新能源汽车等。近几年，在电机控制领域，发生了很多的技术创新和突破，但同时也仍面临着一些技术挑战。

创新和突破

安森美现场应用工程师Tom Huang在接受采访时表示，在电机控制与驱动领域近年来的确发生了一些重大技术创新和突破，主要包括更高性能功率半导体器件的导入，例如碳化硅(SiC) MOSFET的发展，它提供了更高的开关频率、更低的导通和开关损耗，从而提高了电机驱动系统的效率和功率密度。另外，由于这些功率半导体器件可以支持更高的开关频率，这使得可以设计更小的组件尺寸从而减小系统的体积和重量。

而更低的导通损耗和开关损耗，则可以提高电机驱动系统的效率，减少了热损耗，同时也减轻了散热系统的设计难度，因此电机控制系统可以在更小的封装内提供更大的功率，功率密度得到显著提升。

另外，智能功率模块(IPM)和功率集成模块(PIM)的面世，它集成了功率开关、驱动电路、保护功能等，简化了电机的设计并减少了系统体积，同时提高了可靠性和性能。

与此同时，通过集成电机和其驱动器，可以实现更紧凑的设计和更优化的热管理。安森美近期新推出的采用了新的场截止第7代(FS7)绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术的1200V SPM31智能功率模块就是一个很好的例子，与市场上其他的解决方案相比，该产品具有更高能效、更小尺寸，以及更高功率密度等特点，从而使总体系统成本更低，非常适合三相变频驱动应用，如热泵、商用暖通空调系统以及工业泵和风扇等。

在控制算法上，BLDC/PMSM电机的控制解决方案包括有传感器和无传感器的梯形算法，正弦和磁场定向控制(FOC)。有传感器解决方案可以获得更高的控制精度和响应速度，而无传感器解决方案能够节省成本和电路板空间，并通过消除传感器故障风险来提高系统的稳定性。综合来看，正弦波控制和FOC的应用场景会越来越多，传统的梯形波控制在一些高效率、低转矩波动要求的场景中会被慢慢取代。

安森美模拟与混合信号事业部中国区市场经理Jagger Yan补充道：“精密的电机控制取决于对电机位置的检测，为了准确执行电子换向，必须确定转子的位置，传统上这是利用霍尔传感器实现的，更新颖的方案用到了光学或电感传感器，而有些方案则跳过传感器，直接测量反电动势。双电感旋转传感器是一种新型电感传感器，这些新电感位置传感器不仅速度快，而且精度高。”

此外，随着对能源效率和电磁兼容性要求的不断提高，功率因数校正(PFC)电路被越来越广泛的应用。同样的，为了提高系统效率和功率密度，PFC的控制频率也越来越高，使得越来越多的用户选择SiC器件。单相功率因素校正电路常用拓扑包括单相PFC、两路及多路交错PFC，以及图腾柱PFC。而工业电源上常采用三相全桥PFC、三相维也纳以及三相图腾柱PFC。PFC电路的应用使得系统能够实现接近于理想的功率因数，同时显著降低输入电流的谐波失真，进而减少对电网的干扰，有望成为电机控制领域的关键技术之一。

应用领域广泛

如上所述，电机控制技术被广泛应用于多个行业和领域，例如电机控制技术在工业自动化中起着至关重要的作用，用于驱动各种机械设备和生产线；在电动汽车领域，电机控制技术用于驱动电动机，从而实现车辆的动力输出；家电行业也大量使用电机控制技术，例如在空调、洗衣机和冰箱中等。

尤其在工业自动化领域，包括机器人、输送带、装配线等，电机控制技术都被用于精确控制机械臂和自动化设备的运动，安森美的电机控制器及变频驱动(VFD)产品，包括MOSFET、IGBT、二极管、PIM和IPM，用于工业电机驱动器，以提高能效和控制精度。Jagger Yan表示：“安森美为智能制造客户提供智能电机控制和高性价比的前沿尖端的旋转位置传感技术，如无刷直流三相驱动产品NCD83591物料单(BOM)性价比高，易于使用，非常适合5V-60V的工业应用，如工厂自动化、电动工具、机器人等。”

另外，在新能源汽车领域，电机驱动与控制技术已经取得了显著进展，主要体现在以下几个方面：高效功率半导体器件如碳化硅等新型功率半导体器件的应用，提高了电机驱动系统的效率和功率密度；先进控制算法如矢量控制和无传感器控制技术的应用，使得电机能够在更广泛的速度和负载范围内保持高效运行；集成电机和驱动器的设计，减少了系统的复杂性和体积，提高了系统的可靠性和热管理性能;智能传感技术的发展使得电机控制系统能够实时监测电机的运行状态，如温度、振动和电流。

Tom Huang表示：“未来将会有更多基于碳化硅材料的功率半导体器件应用于电机控制系统，以进一步提升效率和性能。电机控制系统将更加智能化，能够通过物联网实现远程监控和控制，并通过数据分析优化电机的运行参数。此外，能量回收技术将进一步发展，特别是在再生制动系统中，将制动时产生的能量回收并重新利用，提高系统的能效。”

挑战和趋势

虽然近几年电机控制技术的发展取得了很多的创新和突破，但同时它仍然面临着一些设计挑战。Tom Huang认为，在电机控制系统的设计和实现过程中，随着控制算法和功率电子器件复杂性的增加，面临的主要挑战包括如何实现精确的速度和位置控制、如何实现电机的系统设计并满足有效的散热管理，以及如何将电机控制系统与现有的工业自动化系统集成等多个方面。

通过采用先进的控制算法，如无传感器控制算法、自适应控制等，导入更高性能的功率器件，通过模块化设计简化系统集成和升级，并进行充分的热模拟，确保系统在各种条件下都能保持良好的热性能，能有效克服上述挑战。

同时，开发应用于工业电机驱动的半导体，需要先进的设计、集成有源和无源器件的能力、精密的封装包括基板材料，以及高质量和可靠性标准，安森美据此推出多个系列的智能功率模块(SPM)，非常适用于电机驱动的工业应用。

未来，电机控制技术的发展也主要体现在以下几个方面：一是高效率与节能。随着全球对节能减排的关注度提高，电机控制技术需要更加注重能效，尤其是在新能源汽车领域，高效率的电机控制能够显著提升车辆的续航里程和能效比。

二是集成化的解决方案。为了提高系统集成度和降低整体成本，未来的电机控制系统将越来越倾向于集成化设计，将驱动器、控制器、传感器和其他组件集成到单个模块中。同时，多相电机控制技术因其更高的可靠性和容错能力而在某些应用中越来越受欢迎，也将成为未来的一个发展方向。

三是安全性和可靠性：无论是工业还是汽车应用，安全性和可靠性都是电机控制技术不可忽视的关键因素，特别是位置传感器技术的发展对于提高电机控制的精确性和可靠性至关重要，除此之外还包括电机的故障检测、诊断和冗余机制的开发。

随着半导体技术的不断发展，以SiC为代表的第三代半导体的引入，也将给电机控制领域带来新的变革和发展。相关法规越来越严格，市场对大幅降低工业电机驱动器能耗的需求变得愈加迫切，这些新一代功率器件的导入也将是势在必行的趋势。相信，随着新技术、新材料等方面的发展，电机控制技术也能够实现更节能、更高效、更智能的目标。