4.0尚远 电机控制是中国工业当前风口_3
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  工业市场对电力的需求正以前所未有的速度增长着,而超过40%的电力需求就来源于各类工业电机。对于工业用电过大及耗能过多的问题,各国政府都出台了一系列严苛的法规来进行控制。顺应这一趋势,更智能、更高效率的电机以及控制系统将成为未来的主要需求之一。就中国工业市场的发展现状、半导体厂商的核心竞争力,以及电机控制的发展趋势,笔者采访了ADI亚太区电机与电源控制行业市场部经理于常涛。

  工业4.0?别闹了,3.0初中期才是我们的现状

  在当前言必谈工业4.0的产业氛围中,中国的实际国情是什么?工业4.0能给中国带来哪些好处?半导体厂商又能获得哪些机会?对于这一系列问题,于常涛表示,中国离所谓的4.0相差甚远,我们现在仅仅处于3.0的初级阶段,即便是日本也才处于3.0的后期。现在谈4.0,更多是在探讨。而前不久出台的中国制造2025,这才是中国工业领域的核心驱动力。

  于常涛表示,中国制造2025规划中明确定义了十大应用领域,其中与电机控制相关的是机器人与CNC。此外,在区域方面,国家也设立了很多产业园,希望通过重点扶持代表性企业,逐渐将国产产品的市场份额提升至45%或更高。而现在的情况是,以交流通用伺服为例,日系的产品(以松下、安川、三菱为代表)占据了近一半的市场份额,欧系(以西门子、施奈德、ABB为代表)占据了20%左右,台湾系(以台达为代表)占了将近10%左右,而国内的厂商全部加在一起可能只占据不到20%的份额。根据规划的发展目标,中国市场的潜力是非常巨大的,这也是ADI近年来针对中国进行持续不断的投入的原因。

  2014年~2020年,就通用伺服这个行业应用,ADI针对中国市场设定了20%的复合增长率目标。于常涛表示,这样的增长一方面来自于ADI自身的产品和系统方案的完善,另一方面则来自于整个市场的宏观增长,这是电机控制行业非常明显的特征。

  为什么有信心在设定了20%的复合增长率目标?于常涛表示,主要来自于三大驱动力。首先是能源效率,现在全球都在倡导节能,而电机在降低能耗方面会有很大的贡献;第二是生产效率,它与工厂自动化密切相关;第三就是连接(互联互通性),它体现在运动控制系统、多轴联动系统等方面,都是在原有的基础设备上实现了网络化。这三方面都是未来的发展趋势,也是非常显著的驱动力。

  于常涛进一步解释,变频器、驱动和伺服三大类合称为电机控制器,硬件上的区别在于,变频器基本是处理器加功率模块为主,再加上一些保护措施,只完成很简单的V/F控制,常用于建筑机械、港口机械、电动自行车、泵、风机、变频空调等应用中;而驱动则额外增加了电流环路检测;伺服则是基于驱动器为基础,再加上了位置和速度,更多用于较为高级的自动化应用。他强调,ADI更加关注驱动和伺服这两大类,正在着力进行相关的产品研发和市场推广。

  ARM平台将成为通用伺服控制器主流之选

  通用伺服架构主要包括处理器、隔离接口、功率模块驱动、电流检测、电压检测等,ADI囊括了除功率模块之外的所有信号链产品。现在越来越多的客户都开始关心平台,即所谓伺服控制所用的是什么样的处理器?现在做伺服控制比较核心的平台有三种,MCU、DSP以及FPGA,究竟哪个好?

  于常涛表示,具体取决于产品需求和市场定位。FPGA灵活,因此非常适合做网络通信以及多轴系统,如果用它来做通用伺服(例如单轴或双轴控制),性能本身完全没问题,但未必是性价比最优的方案。DSP在过往的十年时间里获得了长足的发展,但是也有一些固有问题的存在,例如产品内核互相不兼容,编译器由原厂提供因而对最终用户限制较大;现在比较主流的则是ARM内核的MCU,ADI的ADSP-CM408F处理器就是基于ARM Cortex-M4F内核,主频为240MHz,芯片内部集成高精度ADC以及SINC滤波器,成了伺服控制所需的核心性能。

  于常涛补充,每类产品都有不同性能档次的产品,因此很难在性能上分出伯仲。但是在相同的性能水平下,ARM MCU的性价比最高。其次,基于ARM内核的MCU作为标准化的平台,几乎所有厂商都有ARM授权内核的处理器,当需要在不同平台进行切换时,不需要对代码进行大的更改。此外,中国工程师对ARM处理器的认知度更高,上手更容易,开发门槛也会更低。

  也正是上述原因,许多工业领域的客户由2013年时对ARM处理器的疑虑态度,到2014年时开始进行尝试,现在看来,90%的伺服企业已经切换或正在评估ARM平台,将其作为伺服控制器的主平台。

  磁隔离将成为电机伺服主角

  因为电机伺服控制系统涉及强电、弱电以及一些通信接口,因此安全方面的保证必不可少。强电因为功率模块的存在而产生噪声,而控制部分又是弱电系统,因此两者之间必须进行隔离,否则性能很难得到保障。因此在整个电机系统中,隔离贯穿始终,成为非常核心的环节。

  目前市面上主要有三种隔离技术:光隔离、容隔离以及磁隔离。ADI现在主推的iCoupler磁隔离技术。于常涛评价光隔离技术的核心是发光二极管,主要利用光的原理来进行耦合,存在光衰的问题,可靠性较差,且体积较大、功耗较大。工业上对可靠性、安全性要求都很高,因此容隔离用得不多。

  相较而言,磁隔离的优点在于:第一是速率高,特别是在高速通信时有优势;其次是功耗低;第三是小体积,它集成了很多外围功能,因而简单易用。

  此外,在整个伺服系统当中,功率模块是非常核心的环节。对于IGBT的功率模块,需要前端驱动同时能够完成隔离的功能,ADI的ADuM4135产品正是基于ADI的iCoupler磁隔离技术,然后再配合前端和后端的驱动技术。带给客户的好处包括:首先该功率模块是安全的,因为它集成了很多保护功能;其次它的传输延迟比较小,就可以使整个IGBT 模块的死区时间做优化设置,一旦出现故障可以在很短时间内关断模块。

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