帳號:
密碼:
智動化 / 文章 /

馬達控制技術趨勢
功耗低、噪音小、效能高
[作者 葉奕緯]   2018年05月31日 星期四 瀏覽人次: [2129]


馬達應用範圍相當廣泛,從過去的家電產品、工業機器,一直今日的掃地機器人、監視攝影機,甚至是手機裡頭都包含一顆小型的震動馬達。而節能馬達以及智慧馬達更成為新興趨勢,提供了馬達轉速及扭力偵測的能力。


東芝半導體(Toshiba)資深經理曾彥閔說道,東芝有能力進行晶圓製造與設計,馬達控制除了要能做到邏輯控制外,也需要功率元件的協助。在一般製程上,東芝馬達相關產品僅需點一三(130毫米)就夠用,除非有20伏特以上的產品才需要更高階的製程技術,並且在客戶所要求整合度高、驅動能力強的條件下,若使用最先進的奈米製程反而會導致雜訊產生的風險。



圖1 : 東芝資深經理曾彥閔。(source:東芝)
圖1 : 東芝資深經理曾彥閔。(source:東芝)

同時PCB板的尺寸也越做越小,零件也因高集合化而漸少,廠商偏好小尺寸大電流的結構,以及容易上手的馬達調整介面,這些都是當前馬達控制的趨勢。


智慧馬達中的自我監測

由於節能的需求漸增,馬達也需要更智慧化,因此針對馬達的運轉偵測、轉速偵測、扭力偵測是必不可少的一環。有別以往的馬達驅動產品需要工程師自行下參數,還得花費時間進行馬達的軟硬體匹配,東芝提供的解決方案只需要一片應該用開發板(evaluation board,EVB)就能夠使用。



圖2 : 東芝高解析度微步進馬達驅動器IC 。(source:東芝)
圖2 : 東芝高解析度微步進馬達驅動器IC 。(source:東芝)

東芝的直流無刷馬達(BLDC)擁有自我監測的能力,能降低使用時產生的轉速誤差,它會在馬達上裝設感測器,得知其轉速,並自動調整成合適數值,目前東芝在閉環迴路的轉速誤差以降至極低。目前在應用上以家庭電器居多,同時也包含ATM、自動販賣機、監視器(擺頭)、驗鈔機器等。


瑞薩電子投入AI研發

另外一家微控制器市占率超過兩成的日商瑞薩電子,除了持續在微控制器、ASIC半導體元件、馬達驅動器以及可程式控制器等產品外,近三年也開始開發嵌入式人工智慧(e-AI)晶片,導入物聯網架構以及大數據分析。


瑞薩電子產業事業部經理黎柏均表示:「現在Intel、NVIDIA都在推邊緣運算,他們的概念是對的,但當你要在每一台感測器、節點都能夠進行強大運算時,佈建成本會太高,客戶很難接受其成本。」


因此,瑞薩電子提供給各節點進行輕量數據分析的能力,被稱之為AI Unit,為一創新的嵌入式人工智慧(e-AI)模式,讓感測器在現場收集完數據後再回傳至雲端,等到雲端伺服器處理後,再將數據分析結果回傳至現場。



圖3 : e-AI開發環境可以將學習的DNN結果實現到MCU上。(source:瑞薩電子)
圖3 : e-AI開發環境可以將學習的DNN結果實現到MCU上。(source:瑞薩電子)

在此模式下,現場端的設備成本及功耗皆能大幅降低,且由於已建置高效通訊網路,資料傳輸的速度也相當得快,藉此工廠可以達成預防保養以及產能調整的工作,甚至是分辨機台是否輸出假訊號。


例如透過收集、累積及分析各機器的相關數據,例如耗電量、震動等,並比對正常及異常模式的差異,就能推測出機器的故障可能性並進行預防性保養,減少故障維修及停機成本。


同時現今仍在服役的機台設備,有許多是數十年以上的老舊機台,如果是以汰舊換新的方式升級成智慧工廠,將會耗費大量財力、物力,因此使用AI Unit模組來實現IIoT,是較為現實的方法。


目前瑞薩電子採取與研華的合作,瑞薩電子負責提供網路及e-AI晶片與軟體解決方案,研華則負責模組的設計製造。透過研華的WISE-PaaS 2.0所提供的完整軟體架構,終端客戶可以快速實現應用層,建立自己的AI Unit應用模式,這有助於AI Unit快速被市場接受。


羅姆將增加SiC產能

羅姆台灣設計中心所長林志昇表示,羅姆今年宣布了一項投資計畫,將在日本福岡縣的工廠內擴產,增加碳化矽(SiC)功率元件的產出。SiC需要專用的製程技術,需解決SiC在結晶過程的信賴度,還有高溫製程下的特性劣化等問題。雖然成本仍高,但因為SiC能有效提升能源效率,可作業於高溫及高電壓需求的環境,因此適用於電動車,鐵路電車,及工業裝置等應用所青睞。



圖4 : 針對工具機用電源、UPS研發的1200V 400A、600A額定SiC功率模組。(source:羅姆)
圖4 : 針對工具機用電源、UPS研發的1200V 400A、600A額定SiC功率模組。(source:羅姆)

相較於矽(Si)半導體,SiC是一種更能實現小型化/低功耗與高效率目標的功率元件。此種材料可降低導通電阻、切換損耗及能量損耗。SiC為代表的寬能隙功率元件被看好是新世代的低損耗功率半導體元件。



圖5 : 羅姆台灣設計中心副所長林志昇。(攝影/葉奕緯)
圖5 : 羅姆台灣設計中心副所長林志昇。(攝影/葉奕緯)

羅姆所提供的全碳化矽功率模組,已可以涵蓋100A到600A等主要的額定電流範圍,也推出包括碳化矽SiC元件及其搭配的電源管理、變流電路的閘極驅動器、控制器等相關整合性產品,從單一元件、IC甚至模組,為客戶提供全面性的解決方案,應用於工業設備用電源、太陽能發電功率調節器或UPS等上面適用的變頻器、轉換器等,羅姆也已研發出1200V 400A、600A額定的全碳化矽功率模組。另外有對應到1200V的SiC SBD,以及到1700V的SiC MOSFET。


另外要解決耗能問題,就得仰賴變頻器技術的開發,讓其可以高效驅動用於工業及家用電器的電機。目前可以透過 IPM(智能功率模組)能夠提高封裝效率,高效率驅動電機,符合低耗能、小尺寸、輕重量的需求,羅姆也提供相關IPM產品。


德州儀器高整合解決方案

各個產業對馬達的需求越來越大,同時不同的馬達也應用於不同地方,而在馬達控制上,強調的就是得要符合低功耗、低噪音、安全的需求,近年來,馬達也有朝向自動化發展的趨勢,讓使用者上手更容易,同時開發者也需要加大驅動IC、MCU的整合度,將更多的功能整合在一起,也讓尺寸更小,符合微型化的趨勢。



圖6 : 整合功率MOSFET的三相無感測器馬達驅動器。(source:德州儀器)
圖6 : 整合功率MOSFET的三相無感測器馬達驅動器。(source:德州儀器)

德州儀器半導體行銷與應用經理林家賢比喻道,過去的風扇、吊扇甚至是比電,在開啟後總會發出一陣噪音,影響使用者體驗,因其往往是藉由MCU來控制,工程師需要自行調校裡頭的參數,才能符合客戶的需求,而今則已全面和驅動IC進行整合,可以自動進行調校,這些都是源自於軟體演算法的進步,以及針對電流偵測的精準度(與製程相關)。



圖7 : 德州儀器半導體行銷與應用經理林家賢。(攝影/葉奕緯)
圖7 : 德州儀器半導體行銷與應用經理林家賢。(攝影/葉奕緯)

近期德州儀器所推出的DRV10974,是整合了功率MOSFET的三相無感測器馬達驅動器,其擁有180度正弦換向,並配置一個外部低功耗電阻,電流限制可以通過外部低功耗電阻來設置。


以馬達控制的技術受限看來,主要是在成本以及效能上仍有進步的空間,並且未來的電壓會越做越高,功率範圍越高,也能應用於更多不同的領域,同時控制器也勢必會越聰明,而客戶也喜歡整套解決方案輸出,不需要花費大量時間調校,因此整合度也需提升,德州儀器在設計、封裝以及製造方面皆有涉獵,更容易達成降低成本的需求。


雖然馬達運行的基礎技術改變不大,但因為需求提升,各廠也針對不同元件進行優化,提供更低功耗、低噪音、高效能的解方,同時也得節省設計端的作業時間。未來在工控、電動車充電站、車用上,馬達也將會有更廣泛的運用。


**刊頭圖:實現馬達智慧控制需要零組件的完美搭配。(source:Unjo)


相關文章
活用AIoT的智造新思維
打造智慧工廠:機器視覺的整合與應用
一站式滿足人工智慧全方位服務
塑膠射出成型設備開始導入人工智慧
AIoT趨勢明顯 邊緣運算將是台灣重要契機
comments powered by Disqus
  相關新聞
» 制振奈米複合碳材應用 串接產業鏈創新商機
» 紡織業邁向智慧化 四年一度紡織暨製衣機械展南港登場
» 淡江大學蟬連五屆「上銀智慧機器手」冠軍 虎尾科大異軍突起
» 第11屆『上銀智慧機器手』實作競賽成績揭曉
» 工研院行動機器人結合仿生手動作更細膩
  相關產品
» 瑞薩電子推出單一封裝的簡化型數位電源模組系列產品
» 瑞薩擴大提供強固智財(IP)組合的授權
» Nikuni VDF遠心式固液分離機 工具機切削液回收再利用
» 英飛凌推出TPM 2.0 原始碼軟體堆疊
» igus 新型低成本機器人關節 降低服務機器人的成本


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2018 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw