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马达控制技术趋势
功耗低、噪音小、效能高
[作者 葉奕緯]   2018年05月31日 星期四 浏览人次: [2479]


马达应用范围相当广泛,从过去的家电产品、工业机器,一直今日的扫地机器人、监视摄影机,甚至是手机里头都包含一颗小型的震动马达。而节能马达以及智慧马达更成为新兴趋势,提供了马达转速及扭力侦测的能力。


东芝半导体(Toshiba)资深经理曾彦闵说道,东芝有能力进行晶圆制造与设计,马达控制除了要能做到逻辑控制外,也需要功率元件的协助。在一般制程上,东芝马达相关产品仅需点一三(130毫米)就够用,除非有20伏特以上的产品才需要更高阶的制程技术,并且在客户所要求整合度高、驱动能力强的条件下,若使用最先进的奈米制程反而会导致杂讯产生的风险。



图1 : 东芝资深经理曾彦闵。(source:东芝)
图1 : 东芝资深经理曾彦闵。(source:东芝)

同时PCB板的尺寸也越做越小,零件也因高集合化而渐少,厂商偏好小尺寸大电流的结构,以及容易上手的马达调整介面,这些都是当前马达控制的趋势。


智慧马达中的自我监测

由於节能的需求渐增,马达也需要更智慧化,因此针对马达的运转侦测、转速侦测、扭力侦测是必不可少的一环。有别以往的马达驱动产品需要工程师自行下叁数,还得花费时间进行马达的软硬体匹配,东芝提供的解决方案只需要一片应该用开发板(evaluation board,EVB)就能够使用。



图2 : 东芝高解析度微步进马达驱动器IC 。(source:东芝)
图2 : 东芝高解析度微步进马达驱动器IC 。(source:东芝)

东芝的直流无刷马达(BLDC)拥有自我监测的能力,能降低使用时产生的转速误差,它会在马达上装设感测器,得知其转速,并自动调整成合适数值,目前东芝在闭环??路的转速误差以降至极低。目前在应用上以家庭电器居多,同时也包含ATM、自动贩卖机、监视器(摆头)、验钞机器等。


瑞萨电子投入AI研发

另外一家微控制器市占率超过两成的日商瑞萨电子,除了持续在微控制器、ASIC半导体元件、马达驱动器以及可程式控制器等产品外,近三年也开始开发嵌入式人工智慧(e-AI)晶片,导入物联网架构以及大数据分析。


瑞萨电子产业事业部经理黎柏均表示:「现在Intel、NVIDIA都在推边缘运算,他们的概念是对的,但当你要在每一台感测器、节点都能够进行强大运算时,布建成本会太高,客户很难接受其成本。」


因此,瑞萨电子提供给各节点进行轻量数据分析的能力,被称之为AI Unit,为一创新的嵌入式人工智慧(e-AI)模式,让感测器在现场收集完数据後再回传至云端,等到云端伺服器处理後,再将数据分析结果回传至现场。



图3 : e-AI开发环境可以将学习的DNN结果实现到MCU上。(source:瑞萨电子)
图3 : e-AI开发环境可以将学习的DNN结果实现到MCU上。(source:瑞萨电子)

在此模式下,现场端的设备成本及功耗皆能大幅降低,且由於已建置高效通讯网路,资料传输的速度也相当得快,藉此工厂可以达成预防保养以及产能调整的工作,甚至是分辨机台是否输出假讯号。


例如透过收集、累积及分析各机器的相关数据,例如耗电量、震动等,并比对正常及异常模式的差异,就能推测出机器的故障可能性并进行预防性保养,减少故障维修及停机成本。


同时现今仍在服役的机台设备,有许多是数十年以上的老旧机台,如果是以汰旧换新的方式升级成智慧工厂,将会耗费大量财力、物力,因此使用AI Unit模组来实现IIoT,是较为现实的方法。


目前瑞萨电子采取与研华的合作,瑞萨电子负责提供网路及e-AI晶片与软体解决方案,研华则负责模组的设计制造。透过研华的WISE-PaaS 2.0所提供的完整软体架构,终端客户可以快速实现应用层,建立自己的AI Unit应用模式,这有助於AI Unit快速被市场接受。


罗姆将增加SiC产能

罗姆台湾设计中心所长林志升表示,罗姆今年宣布了一项投资计画,将在日本福冈县的工厂内扩产,增加碳化矽(SiC)功率元件的产出。SiC需要专用的制程技术,需解决SiC在结晶过程的信赖度,还有高温制程下的特性劣化等问题。虽然成本仍高,但因为SiC能有效提升能源效率,可作业於高温及高电压需求的环境,因此适用於电动车,铁路电车,及工业装置等应用所青睐。



图4 : 针对工具机用电源、UPS研发的1200V 400A、600A额定SiC功率模组。(source:罗姆)
图4 : 针对工具机用电源、UPS研发的1200V 400A、600A额定SiC功率模组。(source:罗姆)

相较於矽(Si)半导体,SiC是一种更能实现小型化/低功耗与高效率目标的功率元件。此种材料可降低导通电阻、切换损耗及能量损耗。SiC为代表的宽能隙功率元件被看好是新世代的低损耗功率半导体元件。



图5 : 罗姆台湾设计中心??所长林志升。(摄影/叶奕纬)
图5 : 罗姆台湾设计中心??所长林志升。(摄影/叶奕纬)

罗姆所提供的全碳化矽功率模组,已可以涵盖100A到600A等主要的额定电流范围,也推出包括碳化矽SiC元件及其搭配的电源管理、变流电路的闸极驱动器、控制器等相关整合性产品,从单一元件、IC甚至模组,为客户提供全面性的解决方案,应用於工业设备用电源、太阳能发电功率调节器或UPS等上面适用的变频器、转换器等,罗姆也已研发出1200V 400A、600A额定的全碳化矽功率模组。另外有对应到1200V的SiC SBD,以及到1700V的SiC MOSFET。


另外要解决耗能问题,就得仰赖变频器技术的开发,让其可以高效驱动用於工业及家用电器的电机。目前可以透过 IPM(智能功率模组)能够提高封装效率,高效率驱动电机,符合低耗能、小尺寸、轻重量的需求,罗姆也提供相关IPM产品。


德州仪器高整合解决方案

各个产业对马达的需求越来越大,同时不同的马达也应用於不同地方,而在马达控制上,强调的就是得要符合低功耗、低噪音、安全的需求,近年来,马达也有朝向自动化发展的趋势,让使用者上手更容易,同时开发者也需要加大驱动IC、MCU的整合度,将更多的功能整合在一起,也让尺寸更小,符合微型化的趋势。



图6 : 整合功率MOSFET的三相无感测器马达驱动器。(source:德州仪器)
图6 : 整合功率MOSFET的三相无感测器马达驱动器。(source:德州仪器)

德州仪器半导体行销与应用经理林家贤比喻道,过去的风扇、吊扇甚至是比电,在开启後总会发出一阵噪音,影响使用者体验,因其往往是藉由MCU来控制,工程师需要自行调校里头的叁数,才能符合客户的需求,而今则已全面和驱动IC进行整合,可以自动进行调校,这些都是源自於软体演算法的进步,以及针对电流侦测的精准度(与制程相关)。



图7 : 德州仪器半导体行销与应用经理林家贤。(摄影/叶奕纬)
图7 : 德州仪器半导体行销与应用经理林家贤。(摄影/叶奕纬)

近期德州仪器所推出的DRV10974,是整合了功率MOSFET的三相无感测器马达驱动器,其拥有180度正弦换向,并配置一个外部低功耗电阻,电流限制可以通过外部低功耗电阻来设置。


以马达控制的技术受限看来,主要是在成本以及效能上仍有进步的空间,并且未来的电压会越做越高,功率范围越高,也能应用於更多不同的领域,同时控制器也势必会越聪明,而客户也喜欢整套解决方案输出,不需要花费大量时间调校,因此整合度也需提升,德州仪器在设计、封装以及制造方面皆有涉猎,更容易达成降低成本的需求。


虽然马达运行的基础技术改变不大,但因为需求提升,各厂也针对不同元件进行优化,提供更低功耗、低噪音、高效能的解方,同时也得节省设计端的作业时间。未来在工控、电动车充电站、车用上,马达也将会有更广泛的运用。


**刊头图:实现马达智慧控制需要零组件的完美搭配。(source:Unjo)


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