電機控制行業(yè)的下一個風(fēng)口——節(jié)能和智能化

（文/程文智）據(jù)最新的《世界能源發(fā)展報告（2022）》指出，2021年，我國的全社會用電量為8.31萬億千瓦時，這其中有近50%的電力為電機所消耗，從小型消費品到大型工業(yè)設(shè)備，到處都有電機的身影，風(fēng)扇、泵、電動工具、吸塵器、洗衣機、空調(diào)、冰箱、汽車、機床、機器人等等都需要電機來提供驅(qū)動力。如果能將這些電機的效率提升1%，也能節(jié)省不少用電量。

一項針對中國、歐盟、美國等 9 個國家和地區(qū)的研究分析顯示，2018 年，電器設(shè)備能效標準幫助這些國家和地區(qū)實現(xiàn)年節(jié)電量 1500 太瓦時（10⁹ 千瓦時；TWh），相當(dāng)于這些國家和地區(qū)當(dāng)年的風(fēng)力和太陽能發(fā)電總量之和。

因此，全球逾120個國家已經(jīng)實施，或正在制定強制性的主要電器能效標準或標識項目。在那些實施此項目時間最長的國家，電氣能效政策已經(jīng)推動主要電器能耗減少了一半以上，包括空調(diào)、冰箱、電視機、洗衣機和廚房電器等。比如我國新的電機能效標準，以及新版的《電風(fēng)扇能源效率標識實施規(guī)則》等，都需要提升電機的效率，達到節(jié)能的目的。

而為了實現(xiàn)節(jié)能目標，各家企業(yè)也都在使出渾身解數(shù)，通過一系列的創(chuàng)新，比如集成式智能功率模塊和系統(tǒng)級封裝、單片式電機驅(qū)動器、快速高效的功率開關(guān)、具有電壓瞬態(tài)保護功能的可控硅、以及功能強大且安全的微控制器等等，甚至更加智能的傳感器，以及更先進的算法與軟件等等。

談到未來電機控制的發(fā)展趨勢，電子發(fā)燒友網(wǎng)在不久前的第四屆意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會上與意法半導(dǎo)體的專家進行了交流，在他們看來未來電機控制行業(yè)的發(fā)展主要有兩個方向，即節(jié)能和智能化。

節(jié)能電機是未來發(fā)展趨勢之一

雖然根據(jù)電機類型的不同和應(yīng)用要求的不同，電機控制技術(shù)和電路也會有所不同，但其最終的目的都是為了能夠手動或者自動地對電機進行操作，比如啟停、提前反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn)，以及電壓過載保護等等。也就是說電機的控制需要電子電路的支持，以前這些電子電路采用的都是分立器件，但如今隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片企業(yè)提供了更多集成化的解決方案，當(dāng)然除了這些電力電子器件，還需要算法和軟件的支持。

為了實現(xiàn)電機節(jié)能的目的，電機控制技術(shù)大有可為，工程師可以通過采用更集成化的器件、性能更好的器件，以及更加優(yōu)秀的軟件算法來實現(xiàn)提升效率，節(jié)省能源的目的。也就是說可以從兩個方面來實現(xiàn)。

首先是采用更集成化的器件和SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體器件。更集成化的器件包括集成化的功率MOSFET、IGBT、單片電機驅(qū)動IC、功率模塊等等。比如，IGBT現(xiàn)在已經(jīng)是第三代，它具有電力控制器件的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機控制問題。在特別極端的使用條件下，最新一代的IGBT在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系，汽車中的驅(qū)動電機更多都采用了最新的IGBT產(chǎn)品。當(dāng)然，現(xiàn)在也有不少汽車開始采用SiC器件來替代IGBT。

SiC器件在電機控制中的使用，有助于電機的節(jié)能和減少尺寸，再加上其高集成度和可靠性等特性，非常適合在汽車和工業(yè)自動化控制應(yīng)用中使用。

除了SiC，還有GaN器件，由于其開關(guān)性能更好，高頻特性突出，已經(jīng)有廠商推出了基于GaN器件的電機驅(qū)動解決方案。不過目前SiC和GaN器件的成本還有點偏高，EMC和EMI問題更突出等限制，還沒有大規(guī)模推廣開來。

第二就是算法和軟件技術(shù)。電機控制需要算法的支持，相同的硬件解決方案，如果算法優(yōu)化程度不一樣，電機的效率也會有很大差別。

智能化控制也是未來發(fā)展方向之一

除了節(jié)能，電機控制技術(shù)的智能化也為未來發(fā)展的重點方向之一。一般來說，電機控制的智能化可以從兩個方面來實現(xiàn)。

一是擴展感知范圍，也就是說在電機控制方案中加入更多的傳感器，比如說振動傳感器，通過振動來監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，在電機發(fā)生故障之前就能提前感知，并進行維護，或者自動修復(fù)。

二是處理器，過去電機控制流行采用DSP，后來經(jīng)過演變，出現(xiàn)了各種不同的解決方案。在硬件方面，現(xiàn)在常用的MCU，并且在MCU外設(shè)方面添加更多功能，例如快速ADC、柵極驅(qū)動器、電源模塊、及電機控制PWM外設(shè)等等；而在軟件方面，可以加入更多的AI算法，比如環(huán)境感知信息的處理算法、自身參數(shù)的識別算法等等。

結(jié)語

總的來說，電機控制的發(fā)展?jié)摿€是非常大的，不過目前很多技術(shù)由于成本、技術(shù)限制，及市場接受度等因素的限制，還處于實驗室階段，或者市場開拓階段，產(chǎn)業(yè)化還需要一定的時間，但相信隨著技術(shù)的進步，這些挑戰(zhàn)會得到解決。

另外，電子發(fā)燒友網(wǎng)會在11月17日在深圳灣萬怡酒店舉辦《電機控制先進技術(shù)研討會》，邀請了10來家芯片原廠共同探討電機控制技術(shù)解決方案和未來發(fā)展趨勢，歡迎感興趣的工程師朋友們到現(xiàn)場交流。