2022電機控制先進技術(shù)研討會成功舉辦，多種創(chuàng)新電機控制方案亮相

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌、周凱揚、莫婷婷）近幾年來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動控制，以及電力電子，特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，再加上國內(nèi)高壓、高速電機制造技術(shù)的提升，電機系統(tǒng)智能化的趨勢越來越明顯。2022年11月17日，由<電子發(fā)燒友>主辦的2022電機控制先進技術(shù)研討會在深圳灣萬怡酒店成功舉辦。本次會議，意法半導(dǎo)體、凌鷗創(chuàng)芯、國民技術(shù)、Microchip、杰開科技、Qorvo、ADI、靈動微電子、先楫半導(dǎo)體等國內(nèi)外知名企業(yè)的專家和領(lǐng)導(dǎo)帶來了電機控制領(lǐng)域最新的技術(shù)分享。

杰開科技專注于汽車電子芯片和相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計，其MCU系統(tǒng)應(yīng)用高級工程師王娟娟在本次研討會上分享了《基于自研算法的電機控制方案助力國產(chǎn)汽車邁向電動化時代》這一主題。杰開科技所有產(chǎn)品線均通過車規(guī)認(rèn)證，且每條產(chǎn)品線至少完成兩代以上量產(chǎn)迭代。

AC7840x系列是杰開科技首款基于ARM Cortex-M4F內(nèi)核的車規(guī)級MCU，符合ISO 26262功能安全ASIL-B，支持AUTOSAR 4.4并提供MCAL及配置工具。基于AC7840x，杰開科技推出了兩大電機開發(fā)板，分別支持單電機和雙電機的控制。

杰開科技MCU系統(tǒng)應(yīng)用高級工程師 王娟娟

本次研討會上，王娟娟也對電機控制中MCU的資源性能要求，以及杰開科技的MCU解決方案進行了介紹。首先是電機控制中對算力的需求，需要在PWM斬波中斷里執(zhí)行相關(guān)的操作，所以需要考慮中斷負(fù)載率。杰開科技的AC7840x MCU主頻高達(dá)120MHz，而且支持DSP、FPU，此外，F(xiàn)OC，AC7801x則支持硬件除法、硬件開方根。杰開科技通過內(nèi)聯(lián)函數(shù)、代碼優(yōu)化進行了軟件優(yōu)化，充分利用的杰開科技MCU的算力。

另外電機控制中最主要的外設(shè)PWM對MCU提出了需求，比如PWM精度，精度越高電機的控制越精細(xì)。通道可互補、可同向，死區(qū)插入等等。

無感方波控制也對比較器提出了需求，反電動勢檢測，獲得過零點。需要三個比較器分別將3相電壓與中心電壓比較，從而獲得過零信號用于換相。杰開科技的MCU優(yōu)勢就在于芯片內(nèi)部集成了比較器，無需外部器件，節(jié)省了成本和空間，同時擁有多個通道，可實現(xiàn)無感方波過零檢測，其MCU產(chǎn)品還支持遲滯，避免在某個電壓點結(jié)果波動。

霍爾傳感器電機控制提出的另一大需求就是HALL檢測，MCU不僅需要及時響應(yīng)外部HALL信號的變化，還要能夠讀取Hall狀態(tài)，通過Hall信號計算電頻率。杰開科技在其MCU處理方式上選擇了HALL捕獲模式，在每個HALL發(fā)生變化時觸發(fā)中斷從而做到邊緣檢測，邊緣中斷時會將高低電平時間捕獲至寄存器，寄存器可以直接讀出HALL狀態(tài)。

電機的應(yīng)用多種多樣，根據(jù)應(yīng)用的不同，電壓、電機種類等的不同，對于控制方案也提出了很多不同需求。針對不同的電機應(yīng)用，往往在方案以及平臺上也有不同選擇。那么有沒有可能用一個平臺應(yīng)對大部分的應(yīng)用？

Qorvo 電機與電源應(yīng)用部門經(jīng)理 Calvin Li

Qorvo電機與電源應(yīng)用部門經(jīng)理 Calvin Li在本次研討會上就帶來了主題為《高配置性電機控制方案》的分享。

顧名思義，高配置性的電機控制平臺，意味著可以用一個平臺來應(yīng)對不同的應(yīng)用。如何做到可配置？這要從馬達(dá)的幾個基本要求來談起，包括動態(tài)啟動（SIM）、初始位置檢測（IPD)、開相檢測、失速檢測、調(diào)制方式（SPWM、SVM、OM、HI）等。在高階要求方面，則包括更快轉(zhuǎn)速、獲取馬達(dá)參數(shù)、運轉(zhuǎn)過程中自動調(diào)整參數(shù)、待機啟動等。

Calvin Li從電源應(yīng)用控制器的數(shù)字部分軟件以及模擬部分的硬件兩方面講解了Qorvo是如何做到高配置性。

除此之外，電源的效率一直以來都是不能忽略的一個性能參數(shù)。Qorvo在低功耗方面以PAC5256為例，冬眠模式在待機狀態(tài)下，330V情況時電流只有18微安，換算過來的待機功耗低至5.94mW，而一般來說電源在待機時，普遍經(jīng)過優(yōu)化后待機功率功率可以做到0.5-0.3W，極致的可以做到0.5W，因此不到6mW的待機功率是非常有優(yōu)勢的。

而在MCU的生態(tài)上，Calvin Li表示在Qrovo官網(wǎng)上，為工程師提供了用戶指南、數(shù)據(jù)表等，同時提供參考設(shè)計以及EVK評價套件、SDK、為BLDC和永磁同步電機的參考固件以及GUIs。Qrovo從硬件、軟件、開發(fā)到調(diào)試，都有整套支持團隊，同時其上海的研發(fā)和應(yīng)用團隊為國內(nèi)市場做了很多本土化文檔，這對于國內(nèi)工程師而言大大降低了上手難度。

ADI業(yè)務(wù)經(jīng)理高偉在本次研討會上帶來了主題為《ADI Trinamic 運動控制解決方案》的分享，主要從五個方面對ADI的Trinamic產(chǎn)品線進行介紹，包括TMC運動控制方案、伺服控制解決方案、BLDC無感FOC控制、步進伺服方案以及DC/Step功率驅(qū)動方案。

ADI業(yè)務(wù)經(jīng)理 高偉

高偉著重介紹了TMC4671，這是一款具有場向控制的伺服控制器，集成了增量式編碼器、數(shù)字霍爾傳感器、模擬霍爾傳感器、模擬正弦/余弦編碼器、2個通用ADCs。

TMC4671較大的優(yōu)勢是將FOC算法集成到硬件，可以支持有刷、無刷、步進電機。同時PWM頻率可以達(dá)到100kHz，并可以支持配置（25kHz-100kHz），滿足低電感電機的控制。由于他的高動態(tài)響應(yīng)，現(xiàn)在越來越多產(chǎn)品上會使用到，比如電動工具等。

總體而言，ADI Trinamic解決方案包括一體機、模塊、控制+驅(qū)動、運動控制、驅(qū)動、預(yù)驅(qū)等，比如一體機PANdrive可以提供集成了先進數(shù)字和模擬IP的解決方案，同時還會將一些應(yīng)用控制包括加減速、FOC算法等集成到方案中，使用戶可以快速將產(chǎn)品推向市場。

靈動成立于2011年，專注于MCU平臺與解決方案，在國內(nèi)32位通用MCU公司中位居前列，累計交付超4億顆。為了滿足客戶不同的要求，靈動微電子打造了豐富的產(chǎn)品系列。其MCU產(chǎn)品家族包括MM32F（高性能微控制器）、MM32L（低功耗微控制器）、MM32A（汽車微控制器）、MM32 SPIN（電機與電源微控制器）、MM32W（無線微控制器）。其中，MM32 SPIN系列分為驅(qū)動MCU、預(yù)驅(qū)MCU、專用MCU。

圖：靈動微電子市場經(jīng)理官兵

靈動微電子市場經(jīng)理官兵提到，客戶選擇MCU，不僅是選擇這個MCU資源，更多的是會考慮到MCU完整的生態(tài)系統(tǒng)。目前，靈動微電子打造了MCU生態(tài)體系——生態(tài)系統(tǒng)Ecosystem，為客戶提供從芯片硬件到軟件算法、從參考方案到系統(tǒng)設(shè)計的全方位支持。

電機控制對MCU有著更高的要求，包括高算力、高級定時器、ADC、專用外設(shè)、高集成。例如，高速風(fēng)筒需要把MCU做到手柄里，對產(chǎn)品的尺寸有一定的要求，此時就需要用高度集成方案。目前，針對電機控制領(lǐng)域，靈動微電子已經(jīng)推出了多款高集成電機解決方案、電機專用MCU。

具體來看，靈動高集成電機解決方案集成了高壓預(yù)驅(qū)、LDO，比較器等，可用于DC供電的水泵、風(fēng)機方案等。例如MM32 SPIN560C，這是一顆工業(yè)級芯片，集成6N驅(qū)動與5V LDO，官兵提到，該產(chǎn)品即將進行AEC-Q100認(rèn)證，最高工作頻率達(dá) 96MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)。

靈動電機專用MCU具備轉(zhuǎn)子位置偵測、閉環(huán)啟動、順逆風(fēng)接轉(zhuǎn)、霍爾相位自學(xué)習(xí)自校準(zhǔn)等特點，靈活度更高，適用于市電供電水泵、風(fēng)機、壓縮機等項目。例如MM32SPIN0802系列32位MCU，同樣是一顆工業(yè)級芯片，并且即將進行AEC-Q100認(rèn)證。在性能上，該產(chǎn)品基于Arm Cortex-M0內(nèi)核，可用于高速吹風(fēng)筒、伺服驅(qū)動器等。

Grand View Research數(shù)據(jù)顯示，2021年永磁同步的市場規(guī)模是179億美元，預(yù)計2025年的市場規(guī)?？蛇_(dá)223億美元。年復(fù)合增長率為5.7%。永磁同步市場不斷發(fā)展，這也帶動了永磁同步電機需求量的快速上升。

會議上，先楫半導(dǎo)體資深電機應(yīng)用專家周城提到，永磁同步電機可以通過轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等改進優(yōu)化反電勢波形，適用于醫(yī)療、變頻器、伺服、汽車等領(lǐng)域。常見的永磁同步電機控制策略有反電勢正弦波、反電勢梯形波兩種，反電勢正弦波基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，反電勢梯形波基于霍爾或者電壓檢測的閉環(huán)控制。

圖：先楫半導(dǎo)體資深電機應(yīng)用專家周城

先楫半導(dǎo)體致力于高性能嵌入式解決方案，產(chǎn)品包括微控制器、微處理器和周邊芯片，以及配套的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)。目前已經(jīng)推出全球超高性能通用MCU系列——HPM6700/6400系列，高性價比通用MCU系列——HPM6300系列等產(chǎn)品。公司的產(chǎn)品具有主頻、采樣精度更高，電流環(huán)多軸同步化，豐富的外設(shè)接口，以及芯片能承受的溫度范圍會更寬等特點。

先楫半導(dǎo)體的產(chǎn)品具備超高性能、高可靠性、高安全性等競爭優(yōu)勢。在超高性能方面，周城介紹到，HPM6000系列采用RISC-V架構(gòu)，具備高效能、低功耗、高安全的特點，應(yīng)用于智能工業(yè)、金融終端支付系統(tǒng)、邊緣計算及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。其中HPM6360的主頻達(dá)648 MHz，Coremark 跑分達(dá)到3390；HPM6750的主頻高提升到816 MHz，Coremark 跑分達(dá)到9220，超過國際多款高性能MCU。

電機的正常工作離不開電機驅(qū)動器IC的支持，電機驅(qū)動器IC包含了速度控制、力矩控制、位置控制及過載保護等功能，它可以根據(jù)輸入信號，按照內(nèi)置的算法控制電機繞組電路流動方向，從而控制電動機的啟停與轉(zhuǎn)動方向。

一般來說，電機驅(qū)動IC集成了CMOS 控制電路和DMOS 功率器件，它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。可以用來驅(qū)動直流電機、步進電機和繼電器等感性負(fù)載。電機驅(qū)動器IC采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號控制，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

電子發(fā)燒友行業(yè)分析師 程文智

電子發(fā)燒友行業(yè)分析師程文智在今天的分享中表示，這幾年電機控制與驅(qū)動器IC一直在增長，主要是因為市場對高性能和節(jié)能電機的需求不斷增加，消費、家電、工業(yè)，及汽車中采用BLDC電機越來越多。

據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)The Insight Partners統(tǒng)計，2021年全球電機驅(qū)動器IC市場規(guī)模為38.82億美元，預(yù)計2028年將達(dá)到55.89億美元，年復(fù)合增長率為5.3%（2021-2028）。

電機驅(qū)動IC的主要玩家有：TI、ST、ADI、英飛凌、安森美、羅姆、Allegro、東芝、Microchip和Qorvo等。這10家公司的份額超過了整個市場的60%以上。除此之外，還有瑞薩、松下、恩智浦，MPS、PI、邁來芯、峰岹科技、富滿微、普誠科技、數(shù)明半導(dǎo)體、圣邦微、澎湃微、芯朋微、凌鷗創(chuàng)芯、必易微、拓爾微、瑞盟、艾為、思瑞浦、納芯微、誠芯微、瞻芯、智芯、率能半導(dǎo)體、智浦欣微、芯北科技、巴丁微、晶致、禹創(chuàng)半導(dǎo)體、士蘭微、燦瑞科技、芯派科技、晶豐明源等等國內(nèi)外企業(yè)都有相關(guān)的產(chǎn)品。

從消費地區(qū)層面來看，據(jù)QYResearch統(tǒng)計，2020年，亞太占全球電機驅(qū)動器IC市場份額達(dá)50.75%，其次為北美，占22.59%，歐洲占17.09%，拉美占5.52%，中東和非洲占4.05%。中國市場在過去幾年變化較快，2020年市場規(guī)模為7.2億美元，約占全球的25.48%，預(yù)計2027年將達(dá)到10.1億美元，屆時全球占比將達(dá)到26.57%。

從產(chǎn)品市場應(yīng)用情況來看，2020年，消費電子是電機驅(qū)動器IC最大的行業(yè)市場，占比達(dá)到24.23%，工業(yè)及汽車領(lǐng)域，辦公用品緊隨其后，分別占比18.47%和15.02%。

電機控制器方面，主要以MCU為主，中國地區(qū)的MCU市場中，主要還是以海外廠商的MCU為主，前六大MCU廠商瑞薩電子、Microchip、ST、恩智浦、英飛凌和TI加起來超過了80%的市場份額。另外，國內(nèi)MCU企業(yè)這兩年發(fā)展迅速，目前在國內(nèi)上市的MCU相關(guān)企業(yè)有20家之多，還有BYD半導(dǎo)、輝芒微電子等處在上市進程當(dāng)中，以及靈動、小華半導(dǎo)體、芯旺微、沁恒微、極?？萍肌⑷A芯微特、凌鷗創(chuàng)芯、領(lǐng)芯微等發(fā)展不錯的MCU企業(yè)。

還有，在電機控制領(lǐng)域，這幾年有控制IC和驅(qū)動器IC開始集成化的趨勢，不少廠商開始采用SiP的方式將二者集成在一起。

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