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电机驱动与控制未来发展方向:高能效、智能化、集成化

在当前绿色低碳成为行业发展的主旋律下,电机驱动与控制正朝着高能效、智能化、集成化方向发展。一方面,先进电子技术、智能控制技术不断交叉融合,推动着电机系统控制、传感、驱动等功能集成设计制造,同时针对不同应用领域,相关电机产品也正向着专业性、差异化、专业化的方向发展。另一方面,在目前全球相关环保政策要求下,电动机行业亟需加快现有生产装备的节能改造,推广高效绿色生产工艺,开发新一代节能电机、电机系统及控制产品、测试设备等,进一步提升电动机及系统产品的核心竞争力。

2023全球MCU生态发展大会——电机驱动与控制分论坛

与此同时,随着电机技术不断进步与发展,软件与控制算法在电机控制系统的中的作用越来越重要,同时也造成系统复杂性和成本的提高,给电机技术与应用带来了新的机遇与挑战。

行业分析机构Omdia数据显示,2021年全球MCU销售额达到219亿美元;2022年同比增长5.3%,达到230亿美元;预计2021-2026年复合增长率为4%,到2026年市场规模将达到266亿美元。针对中国MCU市场,Omdia统计数据显示,2021年为72亿美元,预计2025年市场规模将达到约82亿美元。中国市场相比全球市场增长更快主要归因于新能源汽车、物联网和工业控制应用的快速增长。

7月21日,由AspenCore主办的2023全球MCU生态发展大会——电机驱动与控制分论坛特别邀请了国内外代表厂商、专家学者,从效能控制、创新控制算法、控制平台设计等不同角度,以及电机应用解决方案及应用案例,对电机驱动与控制最新技术与应用趋势作了全面、深入的探讨与分析。

国民技术电控技术总监舒晓华

国民技术电控技术总监舒晓华介绍了电控市场发展趋势、BLDC技术实现路径、通用电控平台产品化需求等,以及基于国民技术电机控制技术在消费、家用电器、工业、交通等众多领域实现的典型案例。

舒晓华表示,作为通用MCU、安全芯片领先企业,国民技术聚焦“通用+安全”市场,创新研发通用MCU、安全芯片、无线射频、电源管理等技术与产品,广泛应用于汽车电子、能源管理、工业控制、医疗电子、家用电器、物联网安全、金融安全、消费电子等领域。

关于BLDC技术实现路径,舒晓华也指出,代码管理非常重要。其中,代码设计的原则主要有:功能单一;不占用内存资源;提高利用率,不出现功能相似的代码;标准C,不使用依赖编译器的代码;灵活使用函数指针,指针数组,进行动态邦定。在此设计原则下,代码具有多电机应用,行为一致;一次测试,处处可信;继承性开发,降低开发难度,缩短开发周期;快速定位问题等优势。

同时,他也表示,开发通用MCU电控平台是顺应产品化需求,主要优势在于:一是平台级代码,统一的OS平台,统一的数据管理,以及满足多功能应用;二是利于认证过检,降低MCU认证过检的时间,降低过检的人力成本;三是升级维护,支持多种接口升级;四是减少购料号,集采降低成本,减少硬件硬件依赖性,电控技术自主可控。

厦门澎湃微电子有限公司产品经理叶益浩

厦门澎湃微电子有限公司产品经理叶益浩详细介绍了基于澎拜微MCU的BLDC驱动平台技术以及相关应用解决方案及应用案例。

叶益浩表示,当前BLDC电机主要应用趋势为:一是丰富多彩且渗透率不断提升;二是无感的BLDC解决方案越来越受欢迎;三是高速和超高速BLDC电机使用越来越多。同时,BLDC电机控制开发也存在诸多难点。他介绍,BLDC电机开发难题主要在于:一是硬软件开发都不易;二是算法库(FOC/方波)是不是可用;三是PWM模块和ADC模块如何协调;四是硬件加速/乘法除法三角函数;五是ADC模块采样转换速度以及通道数量够不够;六是参数调试/上位机软件好不好用。

关于BLDC无刷驱动板,叶益浩介绍,澎湃微电机针对BLDC无感应用推出一系列高压低压驱动评估板,可提供相关参考原理及PCB设计文档,以及基于澎湃微 Thor2.0库的相关应用例程。目前澎湃微主要有基于PT32X031/PT32X030系列单片机的2种BLDC驱动板,可以运行无感FOC或方波驱动,两个系列的评估板分别单独提供低压驱动板及高压驱动板。

南京凌鸥创芯电子有限公司电控方案研发总监李自愿

南京凌鸥创芯电子有限公司电控方案研发总监李自愿介绍了凌鸥创芯新控制平台的设计,以及在汽车电子、大家电、小家电等热门应用的新技术研发进展。

李自愿指出,电机控制的核心要素是要求电流电压等输入信号采样精准可靠,但精度、抗干扰、稳定性仍然是比较大的挑战。为此,凌鸥创芯从产品选型、开发设计、技术支持、量产服务四大方面,构建产品服务生态体系,在解决电机控制存在的技术挑战的同时,全方位帮助客户快速实现产品设计与开发。

关于产品级算法平台,李自愿介绍,该算法平台可以提供超过20种以上产品级控制算法平台化的算法与库的支持,可以实现可直接闭环零速启动;灵活的转矩上升率配置,启动扭矩缓升;最大扭矩下可直接正反转切换;电机堵转可重启,不失速;支持顺风启和逆风启动;长时间堵转不丢失转子位置信息;通过高频注入连续探测转子位置。

李自愿还重点介绍了神经网络风量模型辨识的新进展,包括特征量选取、样本采集、模型学习、学习模型工具等,同时为低成本的实现恒风量控制,针对单片机系统设计了一个优化过的神经网络,此外还可以使用优化后的程序开始训练。

杭州领芯微电子有限公司电机研发部副经理潘勇

杭州领芯微电子有限公司电机研发部副经理潘勇介绍了无感FOC方案的原理和实现,在扇类、水泵、高速风机等领域的成功应用,且通过案例分享展示了领芯微电子MCU和模块化设计在电机控制领域的创新成果。

潘勇首先介绍了电机控制开发的痛点,主要体现在:MCU的配置、黑盒开发,无法知道内部变量之间的关系与变化过程;电机控制参数设计难度大;电机模型建立困难等。目前领芯微主要产品线为两大类:一是永磁同步电机(PMSM),包括三霍尔/双霍尔/单霍尔/无感,配置自研高性能自适应位置观测器;二是无刷直流电机(BLDC),包括有霍尔/无霍尔,比较器和ADC联动换相。

潘勇特别介绍了领芯微的核心电机控制技术。其中,高性能位置观测器是领芯微具有自主知识产权的技术,具有速度控制范围宽,基频最高达3kHz;高速数字延时补偿;低速范围观测器稳定运行;观测器闭环直接起动;起动扭矩大等特点。

另外,潘勇也介绍了领芯微的灵犀平台,其具有丰富的功能选择、直观的LCM32产品线选择、易用的用户配置界面,支持外设复用引脚的搜索,引脚模式提示,支持动态验证时钟树配置,以及IP模块之间的级联。他还指出,未来灵犀平台还将导入AI技术,可以利用AI技术引导客户调试程序。

Microchip Technology主任应用工程师宋伟

Microchip Technology主任应用工程师宋伟则介绍dsPIC DSC如何轻松实现电机控制,提升电机的运行性能,从而广泛应用于汽车和工业等各类设计之中。

宋伟特别介绍了dsPIC®数字信号控制(DSC),其集成数字信号处理内核的CISC CPU,配置双40位定点累加器,实时闭环控制,集成模拟外设(ADC、DAC、运放和LDO) ,符合ISO26262、IEC61508和IEC60730的功能安全支持,确保引导、固件升级和节点身份认证的安全性,通过了AECQ-100标准且支持AUTOSAR,同时有单核+双核解决方案。

目前,Microchip针对电机控制领域,提供了丰富的8/16/32位单片机(PIC®/AVR® MCU、dsPIC® DSC和SAM MCU),有多种解决方案来满足客户的应用需求。特别是产品中新颖的电机控制专用外设,让工程师轻松实现从简单有刷电机到复杂高精度无传感器电机的控制。

泰克科技(中国)有限公司技术经理刘剑

泰克科技(中国)有限公司技术经理刘剑详细介绍了宽禁带功率半导体面临的测试测量的技术挑战,以及泰克科技的800V电驱开发全流程测试方案。

刘剑表示,当前以碳化硅为代表的宽禁带半导体逐渐在汽车上广泛应用,比如OBC、车载电源、主驱、充电桩—800V技术等,但SiC/GaN给电源设计带来了诸多挑战,主要体现在Vgs范围变窄、过充过大、Crosstalk串扰、误导通、电路杂感控制等问题。

刘剑指出,宽禁带功率半导体面临的具体挑战为:SiC的Vth阈值电压漂移;SiC的体二极管退化;GaN动态导通电阻漂移(HCI引起,主要与硬开关有关);应用端可靠性问题(application test)。

随着宽禁带半导体不断应用,以及常规测试设备的性能限制难以抓取信号,那么SiC/GaN的测量需要多大的带宽呢?其中,SiC功率半导体模块开通时刻波形图,PEM电源探头测试带宽为50MHz,shunt电流分流器带宽为200MHz。

主要负责家电应用中的电机驱动与电池包的系统解决方案研发与设计的德州仪器系统工程师方钲鑫在关于无刷电机驱动技术的演讲中介绍了在电机设计过程中,什么样的驱动应用会适合什么样的驱动芯片;TI在电机驱动的应用优势,包括产品的特点以及能够带来的好处;TI关于电机驱动设计上的网络资源,以帮助工程师们去更好的开发,更好的了解TI的系统级产品。

TI的BLDC Motor Driver主要分为Gate Drivers(DRV8x), Inegrated FET Drivers(DRV831x),  Integrated Control Drivers(MCx)三大类。各产品对应的应用场景也有所不同。

珠海极海资深应用工程师王衍绪介绍了极海的APM32电机专用系列MCU新品,在面向BLDC热门技术应用方面提供了哪些创新解决方案及配套的开发平台,工具和算法。

极海的MCU产品的年出货量超过了4.5亿,年营业额超过19亿人民币。主要分为微控制器和微处理器、模拟与混合信号IC以及定制SoC/ASIC解决方案。

产品覆盖了智慧家居、高端消费电子、汽车电子、工业控制、智慧能源、通信设备等等场景。

中微半导致力于提供完善电机控制芯片、完整生态系统(如演示板、参考设计、电机算法和开发工具),以期帮助客户快速适应不同电机类型,共同开发更小、更高效、更智能的电机解决方案。

电机控制事业部专家肖英强调了生态和技术趋势的重要性:当客户需要芯片产品、算法、方案和服务时,不仅要满足当前的需求和痛点,还要帮助客户去打造长久的竞争力。

在演讲中肖英针对驱动与控制技术进行了深入探讨,将前沿的产品与创新应用进行了全面分享,通过低分辨率HALL有感FOC、高鲁棒性自适应无感FOC、方弦一体控制等方案解析,对国产电机驱动技术发展进行了展望。

Power Integrations资深FA陈东升介绍了BridgeSwitch在电机驱动器设计中的优势

具有典型的三相变频器架构;

具备精确控制的开关电压变化率,因此EMI响应性能更高,需要更小的EMI滤波器;

硬件保护取代保护电子电路,可将认证时间缩短三个月。

使用PI XLS仿真设计工具能够实现高效散热的设计

传统的控制方案利用硬件和信号调节来产生相电流,而BS IPH输出用于构建每个相位的完整电流信息,更有优势:

三相无传感器FOC控制方式可省去90%的传统电流反馈电流,节省PCB面积并简化BOM。

BS方案不容易受到噪声的影响,有助于改进电机的工作性能(调制、噪声)。

效率更高:使用IPH引脚的BS可将逆变器损耗降低10%以上。

随着新兴产业快速发展,工业自动化技术有了很大发展。其中微型驱动系统作为工业自动化中的重要一环,正向着产品向智能化、集成化发展迈进,例如滚筒电机、智能门阔在工业自动化中应用广泛。微型驱动系统的场景应用不仅仅局限于工业自动化,包括汽车电子、智能家居、智慧医疗等领域,实现协作处理,带来更多高效,低成本的商业价值和创新。

深圳市兆威机电股份有限公司控制BU总负责人陈毅东博士首先介绍了微型驱动行业,然后对效率和能耗、高精度和高稳定性、低噪声和低振动等需求导致的高性能方面,设备集成、热量管理、组装维修等形成体积受限方面,数据处理和分析、联网和通信、自适应控制等智能化要求方面,复杂的设计和验证过程、硬件软件的协同、制造工艺复杂等引起的开发周期长等行业痛点进行了分析,再根据兆威机电的行业经验提供了标准化开发平台解决方案,并就方案和应用做了深入介绍。

哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院副教授、博导詹瀚林从学术的角度介绍了开绕组电机驱动技术背景、共母线开绕组PMSM的等效零序建模、基于零序回路模型的无感控制策略、基于零序电流控制的转矩优化控制的研究与利用成果。

最后詹瀚林博导对整个研究过程进行了梳理总结:首次提出并验证“非理想同步电机”零序交叉耦合效应,逆变器非线性精确零序扰动解析表达,建立开绕组共母线驱动系统零序环流机理模型,开发了基于反电势信息的非参数化无感位置观测算法和零序电流注入高带竞转矩波动抑制算法,最终实现了极限峰值转矩增强技术。

AspenCore举办的2023全球MCU生态发展大会的电机驱动与控制理论论坛完美闭幕。此次论坛上,各专家既分析了当前电机驱动行业的技术趋势,也剖析了实际应用过程中的痛点,并提出了各自领域的解决方案,也有从学术的角度提出了问题,并通过分析研究解决了问题,完美诠释了从学术到应用落地相结合的整个研究链。这次论坛给众多观众奉上了精彩的实践与理论相结合的科技”盛宴“,2024年,AspenCore将以”高效响应、精准控制“为主题举办下一届电机驱动与控制论坛,敬请关注和期待。

文章来自:https://www.eet-china.com/

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