軟件和硬件都是所有電機控制系統(tǒng)的組成部分，例如 IGBT、WBG 半導體和 MCU。工業(yè) 4.0 的發(fā)展很大程度上依賴于電機控制，但能源消耗是一個關鍵問題，因為它正在快速增長，并且需求與設計的復雜性一起增長，因為許多電子技術都有嚴格的控制要求。在這種情況下，寬帶隙 (WBG) 材料就是一個例子。

從功能的角度來看，電機控制由幾個層次組成。例如，運動控制需要執(zhí)行非常復雜和計算密集的控制算法。電機控制涵蓋了廣泛的應用，從風扇和泵的簡單控制到更復雜的工業(yè)控制問題，包括機器人和伺服機構。在這里，我們來看看電機控制系統(tǒng)的關鍵組件。

電機和驅動器

直流電機是最常見的，因為它們更便宜并且由定子（固定部分） - 即永磁體 - 和移動部分（轉子）組成，其中包含連接到提供電流的換向器的繞組。電機的速度控制是通過調節(jié)直流來實現(xiàn)的。為此，根據(jù)應用的性質，使用全橋、半橋或降壓轉換器來驅動直流電機。

交流電機基本上由變壓器組成，初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導感應的次級電流。基于微處理器的電子設備、逆變器和信號調節(jié)用于控制該電機的速度。

控制器是一種電子設備，在控制系統(tǒng)中充當“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個過程的數(shù)量而有所不同。對于一個復雜的系統(tǒng)，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向電機發(fā)送命令，同時從執(zhí)行器本身接收指令。

工業(yè)應用中使用的機器人系統(tǒng)主要使用由交流電壓 (AC) 供電的三相電機。例如，?圖 1?顯示了電子控制電路的框圖，其中專用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現(xiàn)復雜的數(shù)字濾波算法。

圖 1：交流供電的三相感應電機控制框圖（來源：德州儀器）

直流電機的控制器示例是 Trinamic 的?TMCM-1637 ?5-A RMS 和?TMCM-1638 ?7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個磁場定向控制器/驅動器，為磁場定向控制（或矢量控制）。這些模塊支持單相直流電機、兩相雙極步進電機和三相無刷直流 (BLDC) 電機（圖 2）。

圖 2：TMCM-163x 解決方案（來源：Trinamic）

IGBT

絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現(xiàn)了電力控制電子技術的真正創(chuàng)新。作為開關解決方案，創(chuàng)新來自于高開關頻率。IGBT 代表了電力控制設備的基本功能，非常適合解決復雜的電機控制問題。

最新的解決方案在特別極端的使用條件下（例如在汽車行業(yè)使用逆變器驅動電動機時）在開關速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關系。一個例子是 STMicroelectronics 的?1,200-V IGBT S 系列?。這些 IGBT 針對低頻（高達 8 kHz）的使用進行了優(yōu)化，并具有低 V ce(sat)的特點。1,200-V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵場終止技術。

氮化鎵和碳化硅

然而，WBG 材料、氮化鎵和碳化硅正在電機控制應用中取得進展，作為硅基器件的替代品。在電力電子領域，WBG 材料提供的主要優(yōu)勢包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠超過硅可實現(xiàn)的 150°C 上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性, 和高擊穿電壓。

例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的更高電子遷移率轉化為更快的開關速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。GaN 可實現(xiàn)的更快的上升時間、更低的漏源導通電阻 ( RDS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容都有助于其低開關損耗和在高達 10 倍的開關頻率下工作的能力高于硅。

降低功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡單的冷卻系統(tǒng)。許多電機控制應用需要風扇來提供強制空氣冷卻，以便在設備的安全運行限制內運行。通過使用 GaN，可以降低功耗并實現(xiàn)“無風扇”操作，這在電子無人機等輕量級應用中尤為重要。

在工業(yè)電源應用中，電子設計人員也可以通過使用 SiC MOSFET 來獲得好處，與傳統(tǒng)的硅基解決方案（如 IGBT）相比，它提供了顯著的效率提升、更小的散熱器尺寸和更低的成本。?SiC 技術在體二極管關閉后發(fā)生的反向恢復階段實現(xiàn)了非常低的每單位面積 R DS(on) 、高開關頻率和可忽略的能量損失。

由于節(jié)能、減小尺寸、更高集成度和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件是一個真正的突破。這些特性使其非常適合汽車和工業(yè)自動化控制等高可靠性領域。

在工業(yè)驅動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dV/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，會導致繞組絕緣和電機軸承出現(xiàn)故障。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于可靠性原因，工業(yè)驅動器中的典型 dV/dt 通常設置為 5 至 10 V/ns。

STMicroelectronics 對兩個相似的 1.2kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強加條件下（圖 3）。

圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅動器（來源：意法半導體）

由于節(jié)能、減小尺寸、集成機會和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件通常是一個真正的突破。除其他選項外，現(xiàn)在可以在逆變器電路中為連接的電機使用最佳開關頻率，這在電機設計中具有重要優(yōu)勢

例如，英飛凌科技基于 SiC 的?CoolSiC MOSFET?采用 .XT 互連技術，采用 1,200V 優(yōu)化的 D2PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅動器等功率密度關鍵電機驅動領域實現(xiàn)被動冷卻，從而支持機器人和自動化行業(yè)實施免維護和無風扇電機逆變器（圖 4）。

在自動化方面，無風扇解決方案帶來了新的設計機會，因為它們節(jié)省了維護和材料方面的成本和精力。例如，英飛凌采用 .XT 互連技術的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供了極具吸引力的散熱能力，使其非常適合在機械臂中集成驅動器。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 μs，額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ。這符合伺服電機的要求。

圖 4：所有操作模式下的傳導損耗降低（來源：英飛凌科技）

微控制器

電機控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件部分是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件部分解決的是硬件的控制，這正變得越來越復雜和精密。針對電源設備的控制和管理進行了優(yōu)化的計算架構的可用性使開發(fā)人員能夠獲得在控制領域無法獲得的性能。

NXP Semiconductors 和 Renesas Electronics 舉了幾個例子。NXP 的?MPC57xx?系列 32 位處理器基于適用于汽車和工業(yè)動力總成應用的 Power Architecture 技術，以及其他汽車控制和功能管理可能性。這些處理器提供 AEC-Q100 質量、用于防篡改的片上安全加密保護，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全 (ISO 26262/IEC 61508)。它們?yōu)椴煌?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/1301/" target="_blank">通信協(xié)議提供以太網(wǎng) (FEC)、雙通道 FlexRay 和多達 6 個 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。

瑞薩電子提供基于 Arm Cortex-M4 內核的?RA6T1 ?32 位 MCU，工作頻率為 120 MHz，并帶有一系列針對高性能和精密電機控制進行了優(yōu)化的外設。單個 RA6T1 MCU 最多可以同時控制兩個 BLDC 電機。此外，用于 TinyML 應用程序的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強的故障檢測功能，為客戶提供智能、易于使用且具有成本效益的無傳感器電機系統(tǒng)，用于預測性維護。

電機要求因應用而異，可能需要針對特定??用例進行優(yōu)化和微調。市場在 IGBT、WBG 半導體和 MCU 方面提供了多種解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發(fā)新的硬件，從處理器中卸載實時關鍵任務，同時支持更多的診斷、預測性維護和人工智能以及功能安全系統(tǒng)。

　　審核編輯：湯梓紅