電機控制「需求」與「發展」的愛情長跑

作者 王瑩 王金旺《電子產品世界》編輯

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/361117.htm

摘要：電機控制技術及產品一直都是工業領域，乃至整個科技領域的重要內容。本文就市場對電機控制的需求及其當下發展，邀請業內知名廠商及專業人士做了相關介紹和分析。

2016年全球工業電機與電控市場

　　IHS Markit持續多年追蹤全球各類工業電機與電機控制產品的市場行情趨勢，發布相關市場數據與信息。最新統計數據顯示，2016年全球工業電機與電機控制市場預計達580億美元，其中，工業電機市場銷售額約為354億美元，電機控制市場規模在226億美元左右。總體上，IHS Markit預期2016-2020年全球電機與電控市場保持平穩增長，電控市場增長高於電機。

　　細分產品市場

　　如圖1所示，通用高低壓感應電機約佔2016年全球電機銷售額的44%，特別是低壓交流電機因其廣泛的下遊應用領域，約佔30%的全球電機市場總銷售額。隨著全球不斷深入推廣高效電機，高效電機的普及率有望得到進一步的提升，IHS Markit預計2020年IE3電機佔全球低壓電機市場份額達32%，IE4電機增速遠高於其他低壓電機。總體而言，主要應用於OEM市場的分馬力電機與低壓電機預期表現好於下遊集中在項目型市場的高壓電機。此外，具有高精度、高穩定性及適應性等特點的伺服電機預期是未來增速最快的電機品類之一。2016年發電機約佔全球電機總銷售額的30%，主要受電力、造船等下遊行業影響而波動，中小型發電機市場預期增速好於大型發電機市場。

　　變頻器仍然是全球最主要的電機控制產品，在2016年全球電控產品市場規模佔比超六成，其中，約72%銷售額來自於低壓變頻器。伺服驅動器是僅次於低壓變頻器的第二大電控品類，2016年貢獻了近兩成的全球市場銷售額。此外，伺服系統在高精度、高性能要求的機械設備領域有望不斷擴大市場份額，預期是未來增速最快的電控產品之一。

　　不同細分產品市場的集中程度不一，領先企業在不同產品及區域市場的排名各有不同。總體來看，全球電機與電控市場仍較為分散，2015年排名前十的廠家約佔全球40%的市場份額，ABB 、西門子保持市場領導地位。

　　區域市場

　　亞太(除日本)是全球電機與電控最大的區域市場，2016年銷售額約佔全球市場銷售總規模的36%，主要受益於龐大的中國市場。IHS Markit估計2016年中國電機與電控市場規模接近129億美元，是全球最大的單一國家市場。儘管中國市場面臨進入經濟轉型期的增速放緩、產業結構調整等挑戰，傳統產業升級與智能化改造以及大力發展節能、高端製造業等趨勢給未來電機與電控產品的發展帶來了新機遇，IHS Markit預期中國是未來增速最快的區域市場之一，2020年市場規模預計超146億美元。

　　歐洲、非洲及中東(EMEA)與美洲保持為全球第二大與第三大區域市場，2016年銷售規模分別為170億美元與156億美元。IHS Markit預計美洲市場的電機與電控產品在2016-2020年的年均增速略高於歐洲市場。

東芝智能相位控制技術

　　就電機驅動晶片而言， 電機控制的趨勢是高集成度、低成本、高效率和低噪聲。而用戶選擇不同的電機控制方案，不同的側重點包括系統性能、系統成本和系統可靠性。 不同的需求對應不同的電機控制方案選擇。

　　東芝集團內部電力電子技術的橫向整合，自有的0.13μm先進模擬集成電路製程以及獨有的多種新技術應用於電機驅動並滿足客戶的需求，是東芝解決方案的優勢。東芝寬廣的產品線涵蓋步進電機、有刷電機和直流無刷電機應用的所有直流電機應用。東芝最新推出了應用於直流無刷電機的智能相位控制技術，能夠提高電機控制系統效率，並具有簡單易用的特點。主動增益控制能夠有效提高高轉矩波動的步進馬達驅動器的效率，降低電機和驅動器的溫度;應用於步進電機驅動高級動態混合衰減技術、高級電流檢測技術、主動增益控制技術等獨有的先進技術，並相應推出了應用該新技術的新產品。例如TB67B000HG/FG是適應家用空調風扇系統的高集成度低陳本高效率方案，已經為客戶大量採用，其中新推出的貼片封裝產品TB67B000FG，封裝尺寸較TB67B000HG插件封裝減小了53%，散熱性能基本一致，管腳排布更加優化合理，是東芝在該應用領域的主力產品。 TC78B016FTG 集成應用智能相位控制技術，能有效提高方案效率，且簡單易用，在後續將會推出更多應用智能相位控制技術的產品為客戶提供多種選擇。 TB67S289FTG 採用了主動增益控制技術、高級電流檢測技術和高級動態混合衰減技術，特點是縮減了控制板面積，有效地提高了高轉矩波動的步進馬達驅動器的效率，降低了電機和驅動器的溫度。

電機要求位置傳感器有更高精度

　　現如今，在各個領域(汽車、工業控制和消費類產品)中，電氣化無處不在。一個明顯的趨勢是，有刷電機將會逐漸被無刷電機(直流無刷或永磁同步)替代。而當驅動不同的輸出負載時，主要是要儘量減少電機的扭矩波動。我們要準確識別不同的應用場景需求，有些應用無需傳感器，有些應用場合需要高精度、高解析度的位置傳感器。為了進一步提高性能，需要採用更精確有效的電機換向方式，而傳統的霍爾開關的方式過於粗放，因此，高精度的位置傳感器勢在必行，能實現精確、高速的位置檢測，並且具有很低的時間延遲。顯而易見，在未來，人類將會用到越來越多的智能化電氣設備和新型的驅動系統，這一切，都需要更智能化、更精確的傳感器作為基礎。

　　方案選購考慮因素

　　電機控制方案的選購主要取決於實際的應用需求和系統成本預算。當然，系統精度會是一個重要的選擇標準。當我們為一個電機控制系統挑選合適的傳感器時，解析度、線性度誤差以及延時等參數都需要考慮，而且，傳感器的輸出必須足夠穩定，不受外界雜散磁場和其他電磁幹擾的影響。

　　艾邁斯的解決方案

　　針對汽車級和工業級的電機控制場合，艾邁斯半導體提供了一系列基於霍爾技術的位置傳感器。得益於我們的專利技術DAECTM(動態角度誤差補償技術)，在外界雜散磁場幹擾下，傳感器依然能保持極高的精度。基於DAECTM專利技術，用戶可以實現角度位置檢測幾乎零延時。我們的傳感器均滿足汽車級要求，在嚴苛的環境溫度下也能正常工作。

步進電機應用及解決方案

　　對於電機驅動晶片，高能效、低噪聲、安全可靠、使用方便及高性價比一直是用戶長期追求的目標。隨著電機驅動產品使用的日益廣泛，更高的要求也會被提出。

　　步進電機因使用簡單，成本優勢明顯而應用廣泛。如在多功能印表機/掃描儀、縫紉機、提款機等工業領域。但步進電機並不是最完美和理想的方案，特別是在多馬達同時工作的環境下，音頻噪聲尤其嚴重。 此外， 即便在低轉速條件下，仍然會產生功耗，以致對某些手持設備電池的壽命有所影響。低能效引起的過熱也不可忽視。 在某些情況下，系統不得不另加冷卻風扇， 導致成本和系統的複雜程度增加，降低了系統的可靠性。

　　設計人員有時會選用BLDC(無刷直流電機)來克服步進電機的缺點，實現高效、平穩和低噪聲效果，從而降低功耗和發熱。 但隨之而來的是成本上升，很多情況下不得不使用MCU，這同樣會導致系統設計難度大大提高。從步進電機到BLDC，對於機械子系統設計而言也是很大的改變，設計周期加長及長期可靠性測試也大大延緩了面市時間。

　　因此，用戶需根據特定的應用需求選購合理的電機控制方案，同時需兼顧低噪聲、高能效、高可靠性及成本等因素。

　　LC898240/LV8702步進電機解決方案

　　為滿足市場高性能的需求，安森美半導體的LC898240/LV8702可通過兩種新的工作方式來改進現有方案，充分解決傳統步進電機存在的問題，是高性價比創新的步進電機解決方案。LC898240通過監測馬達線圈的BEMF波形來判斷負載變化，以調整電機電流和步進脈衝的方法來改善現有的步進方案，而無需改變機械系統來實現類似於BLDC的性能，提高整體能效並降低輸出噪聲。

　　LC898240可以作為輔助設備和傳統電機驅動晶片一起工作。除了具備調整電流功能實現高能效外，其內置EEPROM可存儲產生九種工作時序，每種時序達440步，實現無MCU的工作模式，便於用戶靈活選擇。

　　LV8702是集成LC898240功能的單晶片產品，集BEMF檢測反饋及電機驅動功能於一體，更易於使用，其高效模式可較傳統步進電機降低達80%的功耗。