工业4.0大背景下的电机控制

工业4.0(Industry 4.0)是德国政府《高技术战略2020》确定的项目之一，该项目旨在通过利用信息通讯技术和网络技术，将制造业向智能化转型，工业4.0已上升为德国的国家战略。“工业4.0”分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，意味着设备之间可以相互沟通，并能在智能联网的生产流程中独立运作;二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

　　IHS公司高级分析师周万木指出，德国提出工业4.0， 美国提出先进制造业国家战略计划，我国也在推进传统制造业的转型与升级，在这样的大背景下，传统的电机和电机控制行业也正在发生变化，对电机控制芯片也提出了新的需求。分析师周万木认为主要的趋势包括以下三个方面：

　　分布式电机控制系统与集成的电机控制产品趋势

　　单独的机械设备中电机的轴数正变得更多，多轴控制越来越多的应用在包装机械、电子组装机械、食品饮料机械， 机械手和印刷机械中。为了满足小批量，定制化和柔性化的加工需求，客户需要灵活的调整电机控制的轴数，要求电机控制系统更加开放，可以重复编程。

　　另外，现代工厂的生产线正变得越来越复杂，比如汽车制造，包装，食品饮料，仓储物流等产线正在使用成百上千个变频器、伺服和电机来控制物料流动， 这些产线对分布式电机控制系统需求量比较大。以前的电机控制系统会有个中央电气控制柜安装电机驱动器，而分布式电机控制系统可提供一套紧凑的模块化解决方案，有助于简化接线、缩短调试时间和降低对额外机柜空间的需求，更少的线缆连接也可以减少干扰，提高生产线的可靠性，无需使用电气控制柜使得电机可以快速连接到工业以太网。

　　电机控制系统的分布式同时意味着电机控制产品的集成化， 比如电机和电机驱动的集成，电机控制器和PLC的集成，电机控制器和驱动的集成。电机，电机驱动及其控制系统的高度集成化，使得三者的设计，制造和运行都紧密融为一体，与传统电力传动系统相比，它们体积更小，重量更轻，功率密度更高。IHS公司高级分析师周万木提到，集成的概念不仅仅停留在电机，电机驱动和电机控制器，还包括整个电机系统的集成。 西门子公司正在推广IDS(Integrated Drive System)集成驱动系统包括两个层面，第一个层面是横向集成，包括电机控制器，电机驱动，电机和减速机的集成;第二个层面是纵向集成，是将电机系统纳入到整个工业控制系统，也叫TIA(Totally Integrated Automation Portal)。

　　电机控制的集成化趋势使客户对电机控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越来越高，同时要求半导体芯片厂商也能提供集成的解决方案，在单颗芯片中集成更多的功能，I/O，驱动，控制算法以及工业以太网模块等。

　　智能化、网络化和远程控制趋势

　　整个电机控制系统的智能化、网络化和远程控制将是大势所趋。电机控制系统不但是转换和传送能量的装置，也是传递和交换信息的通道，未来的工业电机系统不仅仅是一个执行机构，同时也会是整个工厂系统的一个有机组成部分和能源使用监控点。IHS公司高级分析师周万木举例说，比如西门子，ABB生产的一些电机，可以自动的采集和记录电机内的电压，电流，温升，振动等状态变化，并通过以太网将数据实时的送到控制中心，以供对电机的运行状态进行检测和故障诊断，使操作员无论身在何处均可访问参数、状态和诊断信息，并可进行参数设置。

　　8位MCU因为价格便宜，性能稳定，应用范围极为广范，比如信号检测，LED照明控制，电源转换控制和BLDC电机控制，这些应用中8位MCU就已经足够。而电机系统自动故障报警、远程监控和远程诊断调试等需求，将会使用越来越多的功能更多，处理能力更强的MCU、DSP和FPGA。8位MCU在变频器控制、伺服电机控制、电力与能源监控， 越来越多的以太网应用等现代工业环境下遇到了瓶颈。另外，32位MCU价格在进一步的走低，8位MCU和32位MCU的价格差异在缩小，所以未来的电机控制系统会用到越来越多的32位MCU。另外，远程电机温度检测、异常震动检测和电流电压监测等需求将会为模拟芯片创造更多的市场机会。

　　电机系统节能趋势

　　电机系统节能也是大势所趋。为提升能效等级，工信部今年6月份公布了电机能效提升计划(2013-2015年)，到2015年，实现电机产品升级换代，50%的低压三相笼型异步电动机产品、40%的高压电动机产品达到高效电机能效标准规范;累计推广高效电机1.7亿千瓦，淘汰在用低效电机1.6亿千瓦，实施电机系统节能技改1亿千瓦，实施淘汰电机高效再制造2000万千瓦。

　　但是仅仅用高效电机替换普通电机对整个电机系统的节能效果提升并不明显，整个电机系统的节能才是真正的节能。因此，变频器，伺服，逆变器和专用电机驱动大量用在风机、泵、压缩机、升降机、电焊机、电动车电机、空调压缩机、洗衣机电机和冰箱压缩机中。变频器是电机系统节能的主力，节能主要表现在风机、泵类的应用上，采用变频器后, 可以通过降低供电频率来降低泵或风机的转速, 随 着转速的降低, 功率会快速下降。 同时变频器通常采用交-直-交变频供电的方式, 交流异步电机吸收滞后的无功功率, 通过变频器供电, 对电网而言, 功率因数也有了一定提高, 总体上节约了一部分电网输电过程中损耗的 电能。

　　而变频器，伺服驱动，逆变器和专用控制器中的IPM模块，IGBT和MOSFET对节能降耗起到关键性作用。 客户对这些功率器件要求也越来越多，比如要求更低的产品成本、更紧凑的封装尺寸、更好的散热性能，对功率器件的多样化也提出要求，比如低功耗器件、紧凑设计的大功率器件、低压大功率器件、大电流高电压器件等等 。