2023電機向高能效持續(xù)演進，2024集成化趨勢繼續(xù)引領電機高效驅控風向

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）電機作為工業(yè)生產的核心，被廣泛應用于各種機械設備中用于提供動力。毫不夸張地說，絕大部分能動起來的產品里都有著電機相關的應用。從傳統(tǒng)的風機、水泵、電動工具，到新興的機器人、電動汽車等領域，這些行業(yè)的發(fā)展與電機應用的發(fā)展息息相關。

在過去的一年中，不少推動行業(yè)發(fā)展的電機應用一直都保持著相當高的熱度，如人形機器人中靈巧手核心空心杯電機、XR設備必不可少的微特電機以及年末小米發(fā)布的高壓高轉速超級電機系列等等?；厥走@些推動行業(yè)發(fā)展的電機應用上，我們也得以窺見未來電機本體、電機控制、電機驅動的發(fā)展趨勢。

電機本體發(fā)展趨勢：向高能效與智能化兩大方向持續(xù)迭代

電機的發(fā)展歷程和能效升級密切相關，近年來，全球的相關環(huán)保政策均為提高電機的效能指出了明確的政策導向，而且隨著各國更加嚴格的能效標準的推出，電機的效率必須提升，高能效已經(jīng)成為各個電機應用領域的核心發(fā)展目標。

因此，電機行業(yè)也在加快現(xiàn)有生產裝備的節(jié)能改造，推廣高效綠色生產工藝，開發(fā)新一代節(jié)能電機、電機系統(tǒng)及控制產品、測試設備等。完善電動機及系統(tǒng)技術標準體系，著力提升電機及系統(tǒng)產品的核心競爭力。

由于高能效的推進，市場也更加偏向于采用BLDC/PMSM等高效的電機方案，而且受益于高能效電機控制電子設備的成本急劇下降以及新的控制算法激增，BLDC/PMSM等高效的電機方案在工業(yè)、家電、汽車等領域越來越普及。

制造和控制BLDC/PMSM電機的成本繼續(xù)下降，并且會有越來越多的應用選擇BLDC/PMSM電機，特別是對于可靠性和電磁兼容性要求更高的應用尤其如此，電機高能效發(fā)展是大勢所趨。

智能化是現(xiàn)在很多領域都在說的概念，具體到電機應用領域智能化應該實現(xiàn)怎樣的具體目標呢？目前國內外先進的電機系統(tǒng)已集成了診斷、保護等多種功能，可實現(xiàn)電機系統(tǒng)的自我診斷、自我保護、自我調速、遠程控制等，這其實就是一部分智能化的體現(xiàn)。

隨著電機技術向智能化方向發(fā)展，通過更多傳感器的加入，擴展整個電機系統(tǒng)的感知范圍，并加入AI算法等手段來實現(xiàn)智能的電機控制。電機系統(tǒng)智能化能對電機運行過程中的各種數(shù)據(jù)進行采集和處理，并根據(jù)當前的運行情況對電機運行參數(shù)進行相應調整，將會極大地提高電機的運行效率和穩(wěn)定性，從而更好地滿足未來各種場景的需求。

目前，許多領域對電機的體積和重量提出了更高的要求，未來的電機也將會朝著輕量化小型化的方向發(fā)展，通過更加科學地設計和優(yōu)化，實現(xiàn)電機的減重和體積縮小。這不僅能夠降低電機的能耗和成本，同時也能夠更好地適應各種工作環(huán)境和應用場景。

此外，無刷化、直驅化還有機電一體化也都是未來電機會持續(xù)演進的重要發(fā)展方向。

電機控制發(fā)展趨勢：高水平集成提高系統(tǒng)效率，主控算力需求提升

電機行業(yè)的發(fā)展，需要電機供應商和上游半導體廠商、材料廠商的共同努力，近幾年我們也的確看到隨著半導體技術的發(fā)展、MCU與驅動組件的普及，使得高能效電機的總體成本降低了很多，再加上永磁新材料、自動控制技術，電力電子技術，特別是大功率開關器件的發(fā)展，以及高壓、高速電機制造技術的提升，高能效電機得以快速發(fā)展。

單從高能效電機控制方案來說，高能效電機的控制解決方案包括有傳感器和無傳感器的梯形算法，正弦和磁場定向。有傳感器解決方案成本低和易于換向，而無傳感器解決方案能夠節(jié)省電路板空間，并通過消除傳感器故障風險來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。正弦波控制和FOC效率更高已經(jīng)取代了很多梯形波控制，尤其是FOC帶來的更高的轉矩和電機效率以及更低的噪音和轉矩脈動，已經(jīng)成為未來高能效電機控制方案的確定趨勢。

回到硬件層面，控制IC和驅動IC有一個共同發(fā)展的趨勢那就是不約而同地往集成化方向轉變，而且還是在高水平下實現(xiàn)控制和驅動的集成。從市面上控制IC廠商提供的產品來看，其控制IC產品中集成了越來越多的模擬和功率器件，不少針對電機應用的MCU廠商將柵極驅動器，甚至將后面的驅動電路也集成封裝在一起了。

高水平集成帶來的更小的控制板、更為優(yōu)化的設計大大減少了電機系統(tǒng)中的IC數(shù)量，降低系統(tǒng)對于各種資源的需求，同時也能幫助電機本體實現(xiàn)小型緊湊的設計。

為了更方便執(zhí)行電機控制算法，不少控制IC廠商還將算法也硬件化在MCU當中，從而讓下游開發(fā)更加簡單，BOM成本更低。內環(huán)代碼通過原廠這樣的算法硬件化設計可以執(zhí)行更快，而且減少了對控制資源的需求。

為了電機實現(xiàn)更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和電機抖動，以及隨著電機更多智能化功能的引入，電機控制對更快的指令響應時間和更優(yōu)異的高頻擾動抑制能力的需求也在提升，因此我們也看到現(xiàn)在不少廠商正大力推進更高主頻或者雙核來增強主控算力，提高代碼執(zhí)行效率。這樣的方案也解決了電機控制性能上的限制，而且契合現(xiàn)在電機多核驅控一體的發(fā)展趨勢。

電機驅動發(fā)展趨勢：多功能集成提高效率優(yōu)勢，第三代功率器件為高效電機驅動賦能

從器件集成度的角度來講，現(xiàn)在驅動方案有很多，有分立的功率管，也有集成的模塊，有無需MCU參與的獨立驅動方案，也有完全集成了控制器、驅動和功率管的SoC方案，分別適用于不同的應用場景。每種電機方案都可以根據(jù)功率水平、架構、電機控制類型、接口和集成要求進行選擇。

就像上面說到控制IC在往高集成度方向走，眾多驅動IC也在將一些邏輯控制功能集成進了原來的驅動IC當中，通過功能集成可以減少電機系統(tǒng)中所需的IC數(shù)量，這樣可以降低電機系統(tǒng)對于各種資源的需求，減少電流消耗，從而直接提高系統(tǒng)效率。

在小封裝內集成了眾多保護和診斷功能的高低邊開關和功率器件柵極驅動，既緊湊、輕量，又功率高效。

對于電機驅動器來說，這種高集成度消除了在電機系統(tǒng)中實施時所需的驗證工藝角，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的進一步優(yōu)化。未來電機驅動器還會通過集成更多MCU中的功能，帶來更多電機驅動上的創(chuàng)新。

功率器件的選擇對電機驅動來說也是至關重要的，高散熱小型化的功率器件對電機驅動的提升是巨大的。除了傳統(tǒng)的IPM、IGBT產品外，GaN與SiC第三代半導體技術受到了電機控制與驅動行業(yè)的廣泛關注。目前，已經(jīng)有GaN和SiC的產品應用在電機驅動上了。

GaN與SiC的電機應用在提高電機效率、提升電機整體性能上已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)異的特性，第三代功率器件正在加速向電機行業(yè)普及，為高能效電機賦能。

小結

電機行業(yè)的發(fā)展離不開整個產業(yè)鏈的努力，高能效的發(fā)展目標也離不開產業(yè)鏈上每個環(huán)節(jié)的技術進步。目前高能效電機的占比仍然不高，未來具有巨大的增長空間，相關高效控制驅動需求還會繼續(xù)增加。