電機驅動芯片的控制趨勢

　　羅姆半導體(上海)有限公司設計中心表示，除了要求安全、高效、控制性能好之外，數(shù)字化、集成化也成為電機控制技術發(fā)展的必然趨勢?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字化則包含了硬件與軟件兩方面，硬件即高速、高集成度、低成本的專用芯片。軟件則體現(xiàn)在電機控制方面，電機控制算法未來的發(fā)展方向將著重在高性能的轉矩轉速控制與在線辨識上。

　　集成化是指電機的集成和電力電子器件的集成，它包括電機與電機驅動的集成和開關器件、電路、控制、傳感器、電源等的集成。集成方案比傳統(tǒng)分立器件方案更有助于降低總體物料單(BOM)成本、減少方案占位面積，并使系統(tǒng)方案更輕、更高能效及更可靠。

　　不同應用對電機控制器的要求有很大的區(qū)別。目前市場上的控制器/驅動器解決方案各有千秋，包括了針對特定簡單應用的標準控制器/驅動器以及采用外部緩沖柵極驅動器和功率級的MCU、DSP和FPGA。

　　對于小型電機以及控制精度、反應速度要求不高的應用，專用芯片具有低成本、低功耗、控制簡單、易上手等優(yōu)勢。

　　對要求苛刻的應用，適合使用DSP、MCU和FPGA，可以增加其他系統(tǒng)管理功能，例如監(jiān)測電機參數(shù)和狀態(tài)，以及與主機系統(tǒng)的通信等。但是，DSP、MCU和FPGA需要外部柵級驅動器和功率器件，且需要編程控制，在安全、效率方面需要斟酌。

　　在權衡了電機的效率和生產(chǎn)的成本基礎上選擇出來的方案，才是最適合的方案。

　　ROHM電機控制方案

　　隨著變頻器的變頻控制已越來越多地被使用到家電的空調、洗衣機、電冰箱等諸多白色家電的應用中，ROHM的控制方案從最初的BD620X系列，工藝改善進化到BD6201X+BM6202/3(耐壓600V，1.5A/2.5A的IPM)，發(fā)展到高度集成化的BM620X系列(集成了驅動和IPM)、BM622X系列等。同時，隨著工業(yè)4.0、無人機、智能機器人、汽車電子等市場的興起，ROHM也推出了相應的控制芯片，比如車載級別的隔離Gate Driver，具有可編程SPI接口的有刷直流電機驅動控制芯片，快速反應的三相有位置/無位置專用控制方案等。

根據(jù)實現(xiàn)功能選擇電機

　　電機控制在各個行業(yè)的應用十分廣泛，因而趨勢也各不相同。不過，對于所有行業(yè)來說，最近的主要推動力就是效率。電機設計以及逆變器設計和控制都在不斷改進。

　　移除或至少縮小同步電機的磁件也是行業(yè)關注的焦點。采用同步磁阻電機可實現(xiàn)這一目標，它們基本上是沒有磁件的永磁同步電機(PMSM)。由于沒有磁件，控制起來比較困難，好處是降低了成本，提高了滿負載范圍內(nèi)的效率。

　　在汽車領域和消費類產(chǎn)品中還有一大趨勢就是集成。比如，將FET驅動器和MCU/DSP組合于一個封裝內(nèi)。這樣可以縮小PCB面積，從而輕易地將電路板安裝至電機背面。

　　選擇的標準關鍵取決于設計要實現(xiàn)什么功能，電機在系統(tǒng)中要完成什么任務，功耗限制如何，是采用交流電供電還是電池供電，以及期望的尺寸(外形因素)是如何的。

　　BLDC和PMSM電機頗受歡迎，究其原因，主要是外形小和輸出轉矩大。由于PMSM運行更平穩(wěn)、更安靜，而且效率更高，取代BLDC已成為一種趨勢。因此，汽車中電機幾乎都將采用無傳感器場定向控制(FOC)或PMSM。

　　Microchip的數(shù)字信號控制器

　　Microchip推出適用于電機控制的dsPIC? 數(shù)字信號控制器時，我們關注的是需要更高性能來完成復雜計算的應用。正如前面所述，提高效率，降低成本和體積是大勢所趨。利用采用無傳感器FOC的PMSM可實現(xiàn)這一目標，但前提是MCU/DSP具有足夠的數(shù)學運算能力。dsPIC33EP系列就是這些擁有強大運算能力的器件中極具價格競爭力的產(chǎn)品。并且，集成智能PWM和模擬外設，減少了外部元件，從而因縮減物料清單而降低成本。

電機控制對無線連接的需求

　　我們看到物聯(lián)網(wǎng)市場正在快速地增長，進而驅動了對低功耗微控制器(MCU)和無線系統(tǒng)級芯片(SoC)等器件的巨大需求。目前，很多電機控制應用并不具備很好的連接性。我們可以看到一種趨勢：很多電機控制應用正在增加無線連接功能以用于控制和監(jiān)控。這對于電機控制來說是一項重要的改變。這一趨勢正在家庭自動化市場中迅速蔓延，而工業(yè)市場在這方面則相對緩慢一些。

　　考慮到電機控制的連接性，集成式電機控制MCU成為一種較好的選擇。根據(jù)電機控制應用的不同，有單芯片解決方案、雙芯片解決方案和模塊化解決方案可用于智能無線連接電機。對許多應用來說，一個MCU用于電機控制，另一個無線SoC則提供無線連接功能，即雙芯片解決方案，在這種情況下，選擇電機控制MCU可以僅僅基于其運行電機控制的情況優(yōu)劣來作出判斷。然而，集成的可能性或許會受限于電機控制MCU的選擇。對于那些對成本非常敏感的應用來說，有可能使用同一個無線SoC將電機控制和無線連接集成到一起。有一種簡單的方法可以為電機控制設計增加RF連接功能，即在現(xiàn)有的電機控制板上增加一個無線模塊。

　　節(jié)能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU

　　Silicon Labs的SoC解決方案為智能聯(lián)網(wǎng)電機帶來了無線連接功能，同時我們也為電機控制應用提供了多種多樣的節(jié)能型MCU。

　　對許多電機控制應用來說，節(jié)能型EFM32PG12Pearl Gecko MCU是一種理想的解決方案。它具有一個帶有DSP指令支持的高性能ARM Cortex M4 CPU和一個浮點運算單元(FPU)，包含2個帶有邊沿對齊或中心對齊脈沖寬度調制(PWM)的16位定時器，其中一個片上定時器具有死區(qū)插入(DTI)特性。EFM32PG12 Pearl Gecko可以通過增加一個EFR32MG1 Mighty Gecko無線SoC或一個MGM111 Mighty Gecko模塊以增加無線連接功能。

電機驅動器向高集成度和高性價比演進

　　好的電機要滿足客戶的不同需求，有的客戶對電壓看重，例如要低至1.5V的電壓;有的對體積或散熱等看重;有的重視精度，例如256微步步進電機的應用場合主要是位置傳感，可用于醫(yī)療注射泵，對藥的注射劑量要非常準確，但速度不一定快;有的重視性價比。ST的一些產(chǎn)品換成了新型的超微型QFN封裝，使封裝尺寸更小、價格更便宜，也相應地提高了性價比。

　　為了實現(xiàn)高集成度，ST正在做SiP(系統(tǒng)級封裝)。主要有兩種途徑。第一種途徑是把驅動器和功率芯片進行封裝集成，即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8個MOSFET，堪稱業(yè)界最先進的產(chǎn)品，主要因為性能指標高：85V，5~10A，封裝很薄(因此散熱好)。另一種途徑是“驅動器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢之一是設計速度快，因為有STM32F0 MCU;二是集成度高，簡化了設計，節(jié)省了BOM(物料清單)。

　　目前市場上只有基于ARM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列)，并沒有基于M3、M4的集成驅動產(chǎn)品，這是因為M3、M4針對更高端的應用，但ST目前進軍的中低端大批量市場還不需要更高端驅動產(chǎn)品，例如電動工具等，過去是8位MCU，現(xiàn)在升級到基于32位的M0控制，已經(jīng)非常進步了。在中低端市場，M0性價比比M4高，可滿足從有傳感到無(位置)傳感，再到SoC控制等的需要。當然，后續(xù)會有集成M4的驅動器系列推出。

電機控制之機器人系統(tǒng)電源解決方案

　　電機控制是絕大多數(shù)工控設備傳動系統(tǒng)里的核心之一。其用途細到玩具、家用電器，廣到自動化設備、工業(yè)機器人等。電源模塊，作為系統(tǒng)供電的主要器件，為電機控制的發(fā)展注入“源”動力。

　　就電機控制系統(tǒng)而言，電源模塊可分為工作電源和驅動電源兩大類。工作電源提供穩(wěn)定的5V電壓供給MCU，間接作用于電機控制系統(tǒng);驅動電源一般功率較大，提供足夠動力直接作用于電機控制系統(tǒng)。電源模塊除供電功能外，最重要的還有提高系統(tǒng)可靠性的作用。電機控制系統(tǒng)的集成度越來越高，電機工作時噪聲干擾問題越來凸顯，因此部件小體積、信號隔離需求日益明顯。同時，針對有電池供電的系統(tǒng)，電池電壓波動范圍大，電源模塊可以提供穩(wěn)定的輸出電壓，高效率的電源模塊還有利于提高電池的續(xù)航能力。所以，在電機控制系統(tǒng)中電源模塊一般有供電、隔離、穩(wěn)壓、提升續(xù)航能力等功能，是不可或缺的配套器件。

　　當下，智能制造已成為主流。為提升生產(chǎn)效率和控制生產(chǎn)成本，智能機器人行業(yè)火熱發(fā)展，如倉儲機器人、物流機器人、掃地機器人等。智能機器人中包含電機控制和電機的傳動系統(tǒng)，電機作為傳動部件，可以完成某項任務，如掃地機器人輪子實現(xiàn)巡視功能、吸塵部件實現(xiàn)灰塵清理功能等。針對智能機器人多種電壓/功率以及應用的需求，金升陽提供多種電源解決方案以滿足不同需求。

　　金升陽DC-DC寬壓電源模塊產(chǎn)品特點：

　　● 寬輸入電壓范圍，適合電池供電場合。適應變化的電池電壓，輸出電壓穩(wěn)定;

　　● 多種輸出電壓可選，適用于不同工作模塊;

　　● 多種隔離電壓可選，隔離電機噪聲干擾，減少對系統(tǒng)其他敏感器件的干擾;

　　金升陽AC-DC電源模塊特點：

　　● 直接取市電，安全隔離;

　　● 認證齊全，推廣不受國家區(qū)域限制;

　　● 1-120W功率可選，為系統(tǒng)提供足夠動力;

　　● EMC特性好，能適應不同電磁環(huán)境正常工作。

　　參考文獻：

　　[1]王瑩.電機驅動走向高效節(jié)能[J].電子產(chǎn)品世界,2013(9):12-14.

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第14頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。