電機在工業技術領域具有非常重要的地位，電機控制及驅動則是能否充分發揮電機效能的關鍵。在全球能源日趨緊張的大背景下，如何提高電機控制的能效成為工業領域所關注的重點。針對工業電機控制領域的熱點問題，本刊專訪了多家業內相關廠商，就工業電機控制技術的發展趨勢、技術熱點等問題作了深入探討。

問：電機控制系統的發展趨勢是怎樣的？工業方面的電機控制系統出現了哪些新的應用趨勢和新技術？

賽靈思公司亞太區銷售與市場副總裁  楊飛

Xilinx（楊飛）：
    最近兩年，電機市場正在從使用低能效的直流電機、步進電機、通用或交流感應電機轉向更高能效的無刷直流(BLDC)電機和永磁同步電機(PMSM)，這一趨勢構成的部分原因是政府法規強制使用符合特定國際能效分類規范(IE1、IE2及IE3)的電機，另外還在于推動高能效BLDC或PMSM電機應用所需的半導體產品價格的快速下降。

    同時，電機一直都在朝著高效能、小型化、低成本、高兼容性、結構簡單化的方向發展，這催生了更多先進的電機控制技術出現，從而不斷改變著電機控制市場的發展趨勢。

    客戶的策略趨向使用更高集成度的控制方案，這些方案比傳統分立器件方案更有助降低總體物料單(BOM)成本、減少方案占位面積，并使系統方案更輕、更高能效及更可靠。

    就目前的發展看，更多的控制功能將集成到電機控制一體化中，像位置檢測及伺服功能模塊化、伺服電機及伺服控制集成化等都會很快實施。在這個趨勢中，對半導體芯片的要求將是高可靠性、簡約設計及功能集成、小型化、寬溫度范圍等多項新要求。

飛兆半導體市場拓展經理  張瑞斌

Fairchild（張瑞斌）：
　　如今的運動控制系統綜合了多個領域的技術，整體趨勢是：變頻驅動、實現更高頻率和模塊化的功率轉換器、數字控制以及智能化和網絡化。

    尤其是在工業應用中，最大的趨勢是BLDC/PMSM電機正在取代交流和直流有刷電機，控制策略也由原來的VVVF進步到FOC矢量控制，并且快速發展的功率半導體技術允許以更高的功率密度和更小的尺寸實現變頻功率轉換。

英飛凌科技工業功率控制事業部應用技術部總監  江偉石

Infineon（江偉石）：
    電機控制系統正朝著節能、節省成本以及高效運轉這三大趨勢發展。就節能來說，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、電冰箱等諸多白家電的應用，而一些電力電子轉換原理所開發出來的四象限驅動器結合控制技術使得節能效果變得明顯。此外，拓撲架構中的三電平逆變器也被應用在變頻器的設計中來提高運轉效率。

    就節省成本而言，電機驅動功率正越來越往高功率密度發展，尤其，為了縮小體積，集成化的解決方案越來越被應用在諸如電機和電機驅動的集成、電機控制器和PLC的集成、電機控制器和驅動的集成中。另一方面，某些對精度要求不是太高的應用，越來越多使用了無感測器的控制技術來節省成本。

    在高效運轉方面，近幾年被廣泛應用的分布式電機控制系統可提供一套模塊化解決方案，使機器能高效運轉，提高生產線的運轉效率及可靠性。有些電機驅動的控制，在設計上同時考慮了多種電機兼容，能夠適用異步電機和永磁同步電機的矢量控制，有效減少用戶庫存，無需考慮電機類型兼容問題，也是屬于高效運轉的表現。

    此外，通過設計驅動線路，減少馬達在高速運轉中損失的熱量，使馬達運轉更平滑，也是當今工業電機控制系統方面出現的新技術之一。例如，向量空間（Space Vector）技術的應用可以使馬達的損失進一步的降低。

ADI Asia MPC Marketing  于常濤

ADI（于常濤）：
    在未來，工業智能化是需要雙向互動的，網絡通訊與智能化傳感技術的發展將會促進工業控制的智能化發展。網絡通訊技術可以將工業控制整合成一個系統，可以在優化的控制系統中實現智能化，網絡通訊也可以很容易將各個分立的子系統及節點連接成大的系統，越來越多的工業控制系統實現了聯網并更加網絡化與智能化。傳感技術也在不斷地更新與變化中，越來越多的智能技術被用在傳感器上，網絡技術也已開始與傳感器緊密結合；像這幾年非常熱的物聯網概念，都是工業控制智能化的具體體現。

    在這當中，軟件技術的發展將面臨巨大的技術挑戰，真正雙向的通訊、智能傳感及智能通訊，都需要高可靠性的軟件來支撐，針對于不同的控制對象也需要更多專業化與定制的軟件；另外，針對于工業應用復雜的現場及特定的條件，高溫、高可靠性、需要隔離的器件也需要更多的新技術去支撐。

    另外，模塊化設計也是對電機控制提出的新要求，新一代的工業希望電機控制只是作為系統中的一個執行單元，或一個模塊，通訊及接口將標準化、統一化，各種傳感信號也將逐步過渡到標準化接口，系統地搭建將是各種模塊的選擇。

    就電機控制單元而言，高效是技術發展的明確趨勢，但高效并不單單只節能、提高能源的效率，還包括精確控制、快速響應，從而提高生產效率，還包括工程師的人力資源效率。這些要求都促生了PMSM的推廣、伺服控制系統比例的提高以及相應軟件工具的普及，如Matlab。

問：在電機控制方面，控制方案包括基于MCU、DSP及FPGA等不同模式，各有怎樣的特點？電機控制系統的發展為MCU/DSP/FPGA技術的發展提供了怎樣的機會？

Fairchild（張瑞斌）：
    對電機控制器的應用要求有很大不同。MCU通常著重于I/O口數量和可編程存儲接口的大小，非常適合需要支持大量I/O操作和多功能的電機系統；而DSP芯片集成了模擬/數字轉換、數字輸入/輸出、串行通信、電機控制PWM信號輸出接口，從而使得電機控制系統硬件設計更加靈活、簡單；DSP擅長高速計算，通常用于高級控制系統，如伺服電機控制。最后，FPGA由于它單純通過硬件方式實現并行處理，不占用CPU資源，因此系統能夠實現高性能，支持快速響應、多軸同步處理、靈活的外圍接口，并支持各種工業總線。將來，隨著運動控制和半導體技術的巨大發展，我們將會看到出現一系列MCU/DSP/FPGA混合功能的 控制器，專門針對特定應用設計。

ADI（于常濤）:
    DSP與FPGA都具有各自的優勢。相比FPGA，DSP具有高性能、低功耗與易編程的競爭優勢，并在傳統的應用市場發揮著巨大的作用。而FPGA是通過邏輯組合來實現各種功能的器件，可以進行任何類型的處理。在多軸控制系統中，高性能FPGA有其先天優勢——系統設計更簡化、處理速度更快、同時可以實現各種硬件擴展和連接。

    盡管DSP與FPGA有著自身的優勢，但值得注意的是，ARM Cortex－M4內核的MCU以其突出的性價比，越來越強勢地應用于電機控制領域，特別是針對傳統的DSP占主導的領域。該內核的MCU具備浮點運算單元，彌補了浮點能力的不足。ARM內核，作為相對標準化的平臺，以及相應的開發工具，被很多工程師所熟悉。并且，半導體廠家基于Cortex－M4內核，對MCU進行了功能強化。如ADI的產品，集成了高性能的ADC、SINC濾波以及諧波分析引擎等。

Xilinx（楊飛）：
    MCU通常側重于I/O接口的數量和可編程存儲器的大小，非常適用于有大量的I/O操作的場合，所以廣泛應用在低成本,低功耗和對精度要求不高的系統中。但由于本身處理能力有限，應用的場合受到了比較大的限制。DSP芯片內部集成了模/數轉換、數字輸入/輸出、串口通信、電機控制PWM信號輸出等接口，因此使得電機控制系統硬件設計靈活、簡易，而且DSP比較擅長高速運算，所以一般用于相對高檔的控制系統中，如伺服電機控制。FPGA則在高端電機應用中顯示出卓越的性能，它實現了快速響應、多軸同時處理、靈活多樣的外設接口、多種工業總線的支持。

    對于電機控制提出的不同要求，FPGA芯片固有的可編程性和并行處理的特點十分適合于中高端的電機控制應用。由于它以純硬件的方式進行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統達到很高的性能。當前電機控制的發展越來越趨于多樣化、復雜化，現場也提出越來越苛刻的性能要求。因此客戶有可能考慮自己開發專用的控制芯片，FPGA的可編程性正可以滿足這種需求。

Infineon（江偉石）：
    從技術上講，MCU借用ARM平臺，已經發展出從成本較低的M0到高性能浮點運算的M4，覆蓋了不同需求的電機應用，其優勢體現在控制方面。DSP是以數字信號來處理大量信息的器件，它能進行加密解密、調制解調等，強大的數據處理能力和高速的數據讀取是它的絕對優勢。FPGA則能讓硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。

    從應用角度來講，FPGA因其可自主編程的特性，適用于高速高性能的應用，較多用于高端市場，比如高鐵內部的某些重要部位。相比較之下，MCU和DSP作為電機控制市場的主流產品，占據了中低端市場的絕大部分份額。

    電機控制技術的發展也越來越專業化。有專門為了馬達驅動的應用而開發的DSP或MCU,這顯示MCU、DSP有迎合專業應用而開發的趨勢，有的是加強性能，有的則是減少成本。

問：變頻控制是電機應用中重要的節能手段，請問貴公司如何看待這一市場？電機控制領域還有哪些新的控制算法或技術？

Infineon（江偉石）：
    隨著半導體技術的發展和數字控制的普及，變頻控制技術得到了廣泛的應用。變頻控制使我們有機會不斷地改進控制策略和提升系統效率以達到更節能的效果。要安全、高效地實現變頻控制，高效的控制算法開發離不開半導體基礎芯片的支持。英飛凌非常看好變頻控制的市場發展，它幫忙驅動馬達運轉更有效率，比如在空調、冰箱等家電設備上的應用，實現了節能降耗和節省電費。未來，如何降低變頻空調的制造成本，關鍵在于變頻控制可否得到廣泛應用。只要成本能減低，未來變頻控制的市場肯定會越來越好。

    此外，多相多維矢量控制算法也是目前的研究熱點。這一算法通過控制變頻器的功率電子元件IGBT，使傳送給馬達的變壓有更好的磁通量，從而讓馬達運轉得更高效。另一個熱點控制算法應用是自適應控制法，它與矢量控制一起，更好的控制溫度,速度和位置。這一法則可以讓控制器自行調整各類參數，修正控制量，讓馬達運轉得更順暢。除了自適應控制技術，某些近代控制理論諸如模糊控制也有被應用在馬達的伺服控制應用中。

英飛凌科技（中國）有限公司中國區汽車電子事業部市場總監  杜曦

Infineon（杜曦）:
　　汽車方面，由于汽車控制對實時性提出了較高的要求，這就需要一個復雜的變頻調速控制系統策略。英飛凌下一代的多核處理芯片AURIX，是一顆可達1300DMIPS，擁有8 MB內存的32位單片機，可以在運算復雜的控制算法的同時，通過特定的PWM生成模塊，不斷優化輸出，使系統的可靠性、實時性和安全性都得到最大的發揮。

    控制算法主要取決于電機和傳感器的類型。目前在汽車行業，電動汽車的電機主要有直流電動機、感應電動機、永磁同步電動機、開關磁阻電動機四類。在控制策略方面，變結構控制、模糊控制、神經網絡控制、專家系統等等控制方法應用于電動汽車驅動系統中。

ADI（于常濤）:
    變頻控制是電機應用中最重要的節能手段，這是因為它實現了對存量最大并成本低廉的交流感應電機的速度控制及力矩控制，該市場是非常成熟的市場，各類產品都已在市場上流通較長時間也比較穩定，不是一個快速增長型的市場。從控制本身我們沒有看到更多的新算法或控制技術。

Xilinx（楊飛）：
    要安全、高效地實現變頻控制，高效的控制算法開發離不開半導體基礎芯片的支持。盡管基于變頻控制方式的電機驅動，有效地提高能效比，復雜的設計卻是開發人員必須面對的一個不小挑戰，而且為了輔助復雜的運算，此類方案多會使用一些昂貴的處理器，如數字信號控制器。

Fairchild（張瑞斌）：
    電機中的變頻驅動是最有效的節能方法，在未來幾年中，它的市場應該會呈幾何方式增長。公開資料表明中國目前的總發電容量為2億千瓦，而其中大約60%的電量被電機消耗掉。每年變頻電機的需求量也相當可觀。目前變頻型電機的比例僅為6%，而其他采用交流調速的工業國家已經達到了60%至70%。現在，最新的控制算法是FOC（磁場定向控制）以及很多無傳感器評估算法

問：工業領域的電機控制有哪些獨特的特點？貴公司有哪些相應設計？

Fairchild（張瑞斌）：
    通常來說，工業運動應用要求系統體現快速響應、較大的零速啟動轉矩、穩健的系統環路和重載/過載工作狀況。Fairchild一直致力于提高運動控制系統的效率和功率器件的穩健性，從而為終端客戶提供具有最佳性能的運動控制器。最典型的產品組是SPM?誖系列，該系列產品可將功率提高到10 kW。

Infineon（江偉石）：
    工業領域的電機控制主要是要達到準確、穩定、可靠及高效運轉、節省成本等幾個主要要求。英飛凌的芯片具有高可靠性和高安全性，我們每一款產品的設計完全以汽車行業對于安全性能的高應用標準為基準。在工業領域，英飛凌擁有全面的產品設計，我們提供各種汽車和工業級質量標準的功率MOSFET、微控制器、驅動IC以及全系列IGBT 分立元件，在汽車工業上還提供各類傳感器。

    作為全球最大的IGBT芯片及模塊供應商，在高鐵應用和電磁爐等家電產品方面，英飛凌提供高可靠性的IGBT，用于電機控制驅動器。在汽車工業，英飛凌可以為電動汽車提供電機驅動。

ADI（于常濤）:
    ADI在電機控制應用領域有非常完整地信號鏈，無論是驅動器、變頻器和伺服系統。ADI具有業界領先的ADC技術，包括了隔離ADC產品，它們可以很好地滿足高精度控制的要求。位置檢測性能是伺服控制的關鍵，常常使用光學編碼器和旋轉變壓器作為位置傳感器，對于高污染及強震動的工業及汽車應用環境，旋轉變壓器將會被越來越多采用；ADI可以提供高精度RDC來滿足使用旋轉變壓器的位置檢測場合。從優先考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅動應采用隔離技術，ADI公司的iCoupler數字隔離器產品可滿足高壓安全隔離要求。為實現矢量控制和無傳感器控制，對DSP等高性能處理器提出了更高的要求。

    混合信號控制處理器ADSP-CM40x，這款處理器集成了精度高達13位的行業唯一一款嵌入式雙通道16位模數轉換器，搭載了一枚240 MHz浮點ARM?誖CortexTM-M4處理器內核。設備制造商要求高精度、伺服閉環控制、電機驅動、太陽能光伏(PV)逆變器和其他嵌入式工業應用，以提高其產品的能源效率和性能。ADSP-CM40x憑借較高的精度模擬轉換性能，很好地實現了這些目標。

Xilinx（楊飛）：
    Xilinx All Programmable FPGA和基于SoC的解決方案和平臺可充分滿足當今磁場定向控制(FOC)等復雜控制算法所提出的苛刻的時序和性能要求。Xilinx 28 nm FPGA 和 ZynqTM-7000 All Programmable SoC 與僅在軟件處理簡單的電機控制和低時鐘速率的傳統MCU和ASSP不同，它可以提供卓越的并行處理能力、實時的性能、快速的計算速率以及連接的多樣性。此外，Xilinx器件還通過更緊密的可編程系統集成來降低成本，通過實時的可編程性來減少風險和設計周期，并通過可處理PID控制器、Clark/Park轉換和空間矢量 PWM 等計算密集型功能的高性能數字信號處理(DSP)來縮短時延。

    Xilinx還廣泛地與合作伙伴QDesys合作，提供了高性能的馬達控制方案，并被一些主要的工業客戶采用。同時Xilinx也提供了RPFM的調制方案，用于降低馬達系統的噪聲和電磁干擾。針對工業實時以太網的需求，Xilinx也密切和倍福以及貝加萊合作推出了EtherCAT和POWERLINK 方案，向伺服驅動網絡化邁進了一步。

問：貴公司在電機控制方面的發展是如何規劃的？如何看待未來五年中國電機控制市場的發展趨勢？

ADI（于常濤）：
    在未來電機應用領域，工業伺服將扮演越來越重要的角色，對于電機控制的要求，已不僅僅停留在滿足節能要求的通用變頻器及速度控制，而越來越多的應用領域需要精確的位置控制及電流控制；無論是工業生產線、工業自動化設備及機械設備，還是智能物流及機器人，都已將伺服控制作為重要的執行器件。對于家用領域，將更多地考慮成本及無傳感器控制。而在汽車及交通領域，可靠性將是最重要的因素。

    ADI非常看好電機控制，特別是伺服系統的市場前景，針對這一應用領域，ADI具備完善的解決方案，確切說是系統級方案，不單是硬件方案，還包括控制算法。未來五年，在節能這個大趨勢下，伴隨著國家政策的扶持，中國工業自動化水平的提高，我們認為電機控制市場將保持>15%的年增長率。

Fairchild（張瑞斌）：
    Fairchild作為運動控制行業的先行者，尤其注重提供具有最佳性能的功率器件，如 SPM?誖產品(智能功率模塊)和分立功率器件和驅動器器件。我們將一直堅持大力開發運動控制解決方案，我們的產品輪廓以解決方案為基礎，我們將繼續努力領導該市場。在我們的發展藍圖中，我們計劃擴展到更高功率的應用并重點開發具有最高集成度的解決方案。

    我們認為未來5年中，運動行業，尤其是工業運動將步入上升階段， 中國國內的BLDC/PMSM電機設計和生產技術已趨向完美，目前主要的問題是實現標準化和系列化。高可靠性、低成本以及富有競爭力的產品是瓶頸所在，原因是缺乏實用的數字電機控制算法和高度可靠的功率模塊，這大大限制了國內電機尤其是伺服系統的進步。

Infineon（江偉石）：
    未來五年，中國電機控制市場的增長是毋庸置疑的，競爭也會愈加激烈。電機控制市場的發展將呈現高端化和低端應用的兩極分化現象，市場應用領域也將細分化。生產廠家不僅需要降低產品的研發和制作成本，更需要通過增加產品的控制性能，來滿足不同應用領域的需求。

    可以預見的是，電機控制的功率會越來越大，或者相反會越來越微型。隨著物聯網的發展，電機控制的功能也將變得更加智能化，會增加人機互動界面，并實現機器與機器之間的無線及有線的通訊。

Infineon（杜曦）：
    在汽車行業，電機的電子控制應用會越來越廣泛。從小到雨刷電機，油泵電機，大到電動汽車的驅動電機，電機的電子控制系統的市場將會有突飛猛進的發展。電動汽車(xEV)應用作為國家可持續發展計劃的關鍵組成部分，也將是這個行業的未來。在減排增效的推動之下，更清潔的能源解決方案也將變得越來越重要，高效的發動機技術引入和新能源系統，都離不開高效電機控制技術以實現更高能效。

Xilinx（楊飛）：
    在全球降低能耗的背景下，高效節能電機成為全球電機產業發展的共識。美國、加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亞和新西蘭等國家都相繼制定了電動機的能效標準與能效標識制度，明確了電機節能與效率提高的時間表、執行方式與實施范圍。

    高效節能電機將帶動產業鏈實現快速發展。高效節能電機產業鏈上游是銅、鋁、硅鋼、永磁材料等原材料供應商，下游是渠道銷售商、高效電機應用廠。

    Xilinx針對未來高效節能電機的發展方向，除了利用Zynq SOC器件提供了很好的硬件平臺，同時也與第三方緊密合作以提供眾多的解決方案和先進的設計方法學，這些無疑都為工程師設計出高效的節能電機打下了堅實的平臺基礎。我們相信在國家大力發展制造強國的宏偉戰略下，高效節能電機的發展必將帶動傳統產業進行轉型和升級，迎接新的產業革命的到來。