电机控制和功率效率：不再是一个没有另一个
电机控制在工业应用中发挥着越来越重要的战略作用。然而，能源消耗正成为一个主要问题，开发商和零部件制造商正在加紧努力优化工业电动机 的功率效率、成本和性能。
在 powerup expo 的电机控制趋势和观点小组会议上，五位行业专家分享了他们的观点，概述了战略和方法的异同。
以宽带隙推动新机遇
作为硅基器件的替代品，碳化硅 (sic) 和氮化镓 (gan) 等宽带隙 (wbg) 半导体材料在电机控制应用中越来越受欢迎。主要优点包括更高的能效、更高的开关频率、更高的可靠性、更低的功率损耗、更小的尺寸和更轻的重量。
碳化硅
在任何解决方案中，主动冷却以管理半导体损耗是性能和可靠性的关键驱动因素，最大限度地减少损耗可能会改变游戏规则。英飞凌科技公司 sic 高级总监 peter friedrichs 表示：“有了宽带隙，您只需提高可靠性、消除散热器和制作非常紧凑的设计，就可以完全消除损耗。” “这些是我预见到的一些中断，我认为未来在实际设计中也会越来越多地出现。”
friedrichs 以 infinitum electric 推出的全新一体化物联网电机控制解决方案为例。“他们完全消除了电机中的重金属部件，并用 pcb 代替它们。最后，它是一个非常紧凑和轻便的解决方案，具有非常低的电感和高开关速度，但对 dv/dt 没有限制。” 在这里，sic 是一种使能元素。
friedrichs 提出了与实际实施 sic mosfet 相关的三个热门话题和挑战。第一个是一般的 sic mosfet 或 wbg 开关的短路性能。随之而来的问题是：它真的是驱动器应用的一个障碍点，“因为我们必须接受 sic mosfet 的短路性能……远远低于当今 igbt 的性能”？那么有必要在设备层面解决吗？
第二个主题是过滤后的输出。“今天，您已经可以将输出滤波器添加到基于硅的逆变器中，然后为电机获得许多潜在优势，因为不再有 dv/dt 限制，也不需要短路，”friedrichs 说。尽管如此，“硅世界中的滤波器非常庞大且昂贵，而 sic 或 wbg 可能非常小。它可能会迎来复兴。”
现在wbg功率器件已经面市，电机技术前沿会不会有更多的创新，在驱动逆变器中培育出sic或gan？弗里德里希斯给出了肯定的回答，他说他正在寻找用于紧凑型解决方案的高速电机、多极电机和磁阻电机技术的方向。
氮化镓
许多人错误地认为在无刷直流电机驱动中使用 gan 器件没有任何好处。epc 电机驱动系统和应用总监 marco palma 表示：“这不是真的，因为它具有突破性优势，例如更平滑的开关、提高 pwm 频率和非常小的死区时间。”
此外，ganfet 和基于 gan 的集成电路的开关速度更快，“如果你有更高的开关频率，你可以省去电解电容器并降低电机损耗，”palma 说。还实现了更高的扭矩/安培比。“这意味着您可以通过将逆变器集成到电机内部来提高逆变器和电机系统的效率，并减少系统尺寸和重量。”
当被问及未来趋势时，palma 表示他不确定传统的三相两电平逆变器是否会成为中长期的解决方案。为了做好更充分的准备，epc 越来越多地与大学和选定的客户合作，并为更高电压寻找合适的解决方案。“这可能有两种不同类型的拓扑，比如多级，在其他一些情况下，多相电机不仅仅是三相[电机]。我们将在 2022 年看到越来越多的情况发生。”
实时控制监控
实时控制使电动汽车 (ev) 充电站和太阳能解决方案等应用变得更加高效、可持续和经济实惠。但什么是实时控制？运行实时控制应用程序需要什么？
德州仪器 c2000 实时微控制器业务部总经理 matt watson 表示：“这是关于以尽可能最快的方式收集、处理和处理数据。” 主要组件是具有一系列选项的控制系统，从数字实时 mcu 到集成驱动器，再到模拟控制器和 dc/dc 控制器。还有其他贡献者：传感（例如，adc、温度、电流和位置传感器、运算放大器、比较器和隔离）、驱动（例如，具有集成栅极驱动器的 gan fet、无刷直流电机驱动器、dac、模拟驱动器和栅极驱动器，隔离）和通信（例如，高速接口，隔离）。
“实时控制并不是一个新话题，但考虑到围绕 [提高] 能源效率和减少全球排放的强度，它正在显着加速，”沃森说。
实时控制的第一个好处是提高了性能和效率。“我们有几个领域，电机的低延迟和高吞吐量可以实现更平滑的扭矩控制，”watson 说。随着控制器的更高处理为数学密集型函数留出更多时间，死区补偿也得到了改善。
另一个性能优势来自重量和尺寸，因为“更轻的重量意味着更少的功率，”watson 说。wbg 材料还有助于实现更小的电机和更高的效率。
下一个好处是可持续性和可靠性。“实时改善了电机和控制器之间的配对，并且……您对故障的响应速度越快，您可以快速采取的行动就越多，”watson 说。“您可以延长电机的使用寿命，不仅可以提高效率，还可以提高耐用性和使用寿命。” ti 表示，其 c2000 业务部门在改善电机生命周期和性能方面进行了大量投资。
负担能力的好处也很重要。“随着开关频率的提高，我们在整个子系统中发挥积极作用以减小尺寸，并且存在集成因素，将更多的系统 bom 带入不同的子系统，”watson 说。
watson 表示，实时控制适用于所有应用，但伺服应用是一个重要领域，“其中精度、准确度和平稳运行是关键，并且非常重视实时”。在汽车领域，仍然需要围绕效率（例如重量、续航里程）进行大量创新。“我们花费大量时间的领域是内部控制回路，即处理能力、整个信号链的精度和延迟。”
watson 总结道：“我们已经讨论了很多关于使 gan 和 sic 具有高开关频率、高 pwm 精度的问题。这需要传感端的终端输入具有相同水平的精度，以及越来越多的可配置性。这些是我们花费大量时间尝试微调的领域，以确保我们可以喂饱野兽。”
运行高效电机控制
据电力和自动化技术供应商abb集团称，目前运行中的许多工业电机驱动系统（约3亿个）效率低下或消耗的能源远远超过必要水平，导致了巨大的能源浪费。如果用优化、高效的设备取代这些系统，收益可能会使全球电力消耗减少多达10%。反过来，这将占实现《巴黎协定》确立的2040年气候目标所需温室气体减排量的40%以上。
克里斯托夫·鲍姆加特纳（christoph baumgartner）说：“我们的主要关注点是大容量消费应用和汽车应用，在这些应用中，需要大量的实际技术来提高磁场定向控制或其他无传感器技术的效率，并真正找到以最高效率和最低成本运行压缩机电机的算法。”，微芯片技术的嵌入式解决方案工程师。“我们提供广泛的硅解决方案和开发工具组合。”
这家总部位于亚利桑那州的公司专注于其8位、16位和32位微控制器的效率，并“尝试将尽可能多的功能与a-d转换器、运算放大器和pwm的正确外围模块集成，以具有更低的bom和更高的可靠性，”鲍姆加特纳说。
加快上市时间对任何组织都至关重要。为此，microchip开发了一个完整的运动控制开发生态系统。其motorbench开发套件旨在帮助电机控制工程师识别电机参数、生成代码、调整控制器参数，并实现快速原型。
microchip还专注于算法，并于2021 6月推出了零速/最大转矩（zs/mt）控制算法，这是无传感器磁场定向控制（foc）算法的一种新变体，使无传感器控制技术能够在高转矩或低速电机控制应用中采用。
当被问及感应式位置传感器相对于现有霍尔效应和磁性传感器的优势时，鲍姆加特纳说，它们“可以在非常恶劣的环境中工作得很好。”虽然感应式传感器已经有相当一段时间了，“客户有顾虑，所以我们必须在现实世界的例子中展示其性能。”该技术正在改进，微芯片声称在机器人手臂方面取得了良好的效果。“与宽带隙等其他技术一样，客户需要被新技术所说服，”他总结道。
减少开关和传导损耗
电力电子市场不断寻求提高电源转换器的效率并降低成本。实现这一目标的一种方法是可靠且经济地降低开关和传导损耗。位于加利福尼亚州圣何塞的 pre-switch 使用人工智能来连续调整开关系统内元件的相对时序，以迫使谐振抵消电流和电压波形，从而最大限度地减少开关损耗。
当晶体管导通或关断时，到达下一个工作状态所需的过渡时间很短，但它不是瞬时的，会引起能量损失（开关损耗）。开关损耗占功率转换器损耗的很大一部分。
2020 年，pre-switch 开始出货其 200kw cleanwave 评估逆变器，并声称在每个开关位置使用三个分立的低成本 35mω sic fet 晶体管在 100khz 时的效率超过 99.3%。“我们预计效率将接近 99.5%，”pre-switch 的首席执行官兼创始人 bruce renouard 说。“我们已经解决了 dv/dt 问题，因为我们的电容电感器放置在开关上。”
预开关控制器逐周期分析多个输入，实时调整到小型强制谐振晶体管以实现最佳软开关。pre-switch ai 算法可处理系统温度、设备退化、输入电压变化和电流突变波动的变化。
renouard 还概述了他所谓的低失真正弦波输出。“这是因为我们的开关频率是大多数人的 10 倍，而开关损耗没有下降。这提供了非常平滑的输出的能力。在大多数情况下，您甚至不再需要输出滤波器，因为您非常接近纯正弦波。
“我们还提供了减少同一开关所需的碳化硅数量的能力，因为现在，您的开关损耗已从等式中有效消除，”renouard 补充道。“这意味着您的设备只需要处理传导损耗。通过快速切换，您可以显着减小直流电容器的尺寸。”
pre-switch 预计将于 2021 年第一季度推出下一代 200 kw cleanwave2 逆变器参考平台。
pre-switch 技术扩大了电动汽车应用的范围，包括电动汽车、电动飞机、电动船和其他船只。renouard 表示，基本上，该公司专注于 50 kw 及以上的应用。“我们的功率越高越好。我们已经完成了高达兆瓦的设计。总体而言，我们专注于需要电池的应用，因为它们是目前真正需要提高效率的应用，而我们主要专注于电机和驱动电机。”
renouard 详细介绍了参与计划和商业模式，他说：“我们的目标不是成为最终客户的逆变器供应商，而是提供我们的技术和许可或出售这些产品，以便他们加快上市时间。我们正在销售硬件、许可软件和芯片。”
计算技术将继续成为电机控制的驱动力，renouard 表示，相信我们将看到更多非传统架构，因为“拥有 50 年历史的架构和晶体管不一定是让自己脱颖而出的唯一途径。” 他补充说：“我们预计电机驱动算法将继续变得更好，但我认为这将与计算机控制方面的创新以及我们在控制实际开关技术中我们喜欢称之为 ai 的创新相结合。”
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碳化硅
在任何解决方案中，主动冷却以管理半导体损耗是性能和可靠性的关键驱动因素，最大限度地减少损耗可能会改变游戏规则。英飞凌科技公司 sic 高级总监 peter friedrichs 表示：“有了宽带隙，您只需提高可靠性、消除散热器和制作非常紧凑的设计，就可以完全消除损耗。” “这些是我预见到的一些中断，我认为未来在实际设计中也会越来越多地出现。”
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friedrichs 提出了与实际实施 sic mosfet 相关的三个热门话题和挑战。第一个是一般的 sic mosfet 或 wbg 开关的短路性能。随之而来的问题是：它真的是驱动器应用的一个障碍点，“因为我们必须接受 sic mosfet 的短路性能……远远低于当今 igbt 的性能”？那么有必要在设备层面解决吗？
第二个主题是过滤后的输出。“今天，您已经可以将输出滤波器添加到基于硅的逆变器中，然后为电机获得许多潜在优势，因为不再有 dv/dt 限制，也不需要短路，”friedrichs 说。尽管如此，“硅世界中的滤波器非常庞大且昂贵，而 sic 或 wbg 可能非常小。它可能会迎来复兴。”
现在wbg功率器件已经面市，电机技术前沿会不会有更多的创新，在驱动逆变器中培育出sic或gan？弗里德里希斯给出了肯定的回答，他说他正在寻找用于紧凑型解决方案的高速电机、多极电机和磁阻电机技术的方向。
氮化镓
许多人错误地认为在无刷直流电机驱动中使用 gan 器件没有任何好处。epc 电机驱动系统和应用总监 marco palma 表示：“这不是真的，因为它具有突破性优势，例如更平滑的开关、提高 pwm 频率和非常小的死区时间。”
此外，ganfet 和基于 gan 的集成电路的开关速度更快，“如果你有更高的开关频率，你可以省去电解电容器并降低电机损耗，”palma 说。还实现了更高的扭矩/安培比。“这意味着您可以通过将逆变器集成到电机内部来提高逆变器和电机系统的效率，并减少系统尺寸和重量。”
当被问及未来趋势时，palma 表示他不确定传统的三相两电平逆变器是否会成为中长期的解决方案。为了做好更充分的准备，epc 越来越多地与大学和选定的客户合作，并为更高电压寻找合适的解决方案。“这可能有两种不同类型的拓扑，比如多级，在其他一些情况下，多相电机不仅仅是三相[电机]。我们将在 2022 年看到越来越多的情况发生。”
实时控制监控
实时控制使电动汽车 (ev) 充电站和太阳能解决方案等应用变得更加高效、可持续和经济实惠。但什么是实时控制？运行实时控制应用程序需要什么？
德州仪器 c2000 实时微控制器业务部总经理 matt watson 表示：“这是关于以尽可能最快的方式收集、处理和处理数据。” 主要组件是具有一系列选项的控制系统，从数字实时 mcu 到集成驱动器，再到模拟控制器和 dc/dc 控制器。还有其他贡献者：传感（例如，adc、温度、电流和位置传感器、运算放大器、比较器和隔离）、驱动（例如，具有集成栅极驱动器的 gan fet、无刷直流电机驱动器、dac、模拟驱动器和栅极驱动器，隔离）和通信（例如，高速接口，隔离）。
“实时控制并不是一个新话题，但考虑到围绕 [提高] 能源效率和减少全球排放的强度，它正在显着加速，”沃森说。
实时控制的第一个好处是提高了性能和效率。“我们有几个领域，电机的低延迟和高吞吐量可以实现更平滑的扭矩控制，”watson 说。随着控制器的更高处理为数学密集型函数留出更多时间，死区补偿也得到了改善。
另一个性能优势来自重量和尺寸，因为“更轻的重量意味着更少的功率，”watson 说。wbg 材料还有助于实现更小的电机和更高的效率。
下一个好处是可持续性和可靠性。“实时改善了电机和控制器之间的配对，并且……您对故障的响应速度越快，您可以快速采取的行动就越多，”watson 说。“您可以延长电机的使用寿命，不仅可以提高效率，还可以提高耐用性和使用寿命。” ti 表示，其 c2000 业务部门在改善电机生命周期和性能方面进行了大量投资。
负担能力的好处也很重要。“随着开关频率的提高，我们在整个子系统中发挥积极作用以减小尺寸，并且存在集成因素，将更多的系统 bom 带入不同的子系统，”watson 说。
watson 表示，实时控制适用于所有应用，但伺服应用是一个重要领域，“其中精度、准确度和平稳运行是关键，并且非常重视实时”。在汽车领域，仍然需要围绕效率（例如重量、续航里程）进行大量创新。“我们花费大量时间的领域是内部控制回路，即处理能力、整个信号链的精度和延迟。”
watson 总结道：“我们已经讨论了很多关于使 gan 和 sic 具有高开关频率、高 pwm 精度的问题。这需要传感端的终端输入具有相同水平的精度，以及越来越多的可配置性。这些是我们花费大量时间尝试微调的领域，以确保我们可以喂饱野兽。”
运行高效电机控制
据电力和自动化技术供应商abb集团称，目前运行中的许多工业电机驱动系统（约3亿个）效率低下或消耗的能源远远超过必要水平，导致了巨大的能源浪费。如果用优化、高效的设备取代这些系统，收益可能会使全球电力消耗减少多达10%。反过来，这将占实现《巴黎协定》确立的2040年气候目标所需温室气体减排量的40%以上。
克里斯托夫·鲍姆加特纳（christoph baumgartner）说：“我们的主要关注点是大容量消费应用和汽车应用，在这些应用中，需要大量的实际技术来提高磁场定向控制或其他无传感器技术的效率，并真正找到以最高效率和最低成本运行压缩机电机的算法。”，微芯片技术的嵌入式解决方案工程师。“我们提供广泛的硅解决方案和开发工具组合。”
这家总部位于亚利桑那州的公司专注于其8位、16位和32位微控制器的效率，并“尝试将尽可能多的功能与a-d转换器、运算放大器和pwm的正确外围模块集成，以具有更低的bom和更高的可靠性，”鲍姆加特纳说。
加快上市时间对任何组织都至关重要。为此，microchip开发了一个完整的运动控制开发生态系统。其motorbench开发套件旨在帮助电机控制工程师识别电机参数、生成代码、调整控制器参数，并实现快速原型。
microchip还专注于算法，并于2021 6月推出了零速/最大转矩（zs/mt）控制算法，这是无传感器磁场定向控制（foc）算法的一种新变体，使无传感器控制技术能够在高转矩或低速电机控制应用中采用。
当被问及感应式位置传感器相对于现有霍尔效应和磁性传感器的优势时，鲍姆加特纳说，它们“可以在非常恶劣的环境中工作得很好。”虽然感应式传感器已经有相当一段时间了，“客户有顾虑，所以我们必须在现实世界的例子中展示其性能。”该技术正在改进，微芯片声称在机器人手臂方面取得了良好的效果。“与宽带隙等其他技术一样，客户需要被新技术所说服，”他总结道。
减少开关和传导损耗
电力电子市场不断寻求提高电源转换器的效率并降低成本。实现这一目标的一种方法是可靠且经济地降低开关和传导损耗。位于加利福尼亚州圣何塞的 pre-switch 使用人工智能来连续调整开关系统内元件的相对时序，以迫使谐振抵消电流和电压波形，从而最大限度地减少开关损耗。
当晶体管导通或关断时，到达下一个工作状态所需的过渡时间很短，但它不是瞬时的，会引起能量损失（开关损耗）。开关损耗占功率转换器损耗的很大一部分。
2020 年，pre-switch 开始出货其 200kw cleanwave 评估逆变器，并声称在每个开关位置使用三个分立的低成本 35mω sic fet 晶体管在 100khz 时的效率超过 99.3%。“我们预计效率将接近 99.5%，”pre-switch 的首席执行官兼创始人 bruce renouard 说。“我们已经解决了 dv/dt 问题，因为我们的电容电感器放置在开关上。”
预开关控制器逐周期分析多个输入，实时调整到小型强制谐振晶体管以实现最佳软开关。pre-switch ai 算法可处理系统温度、设备退化、输入电压变化和电流突变波动的变化。
renouard 还概述了他所谓的低失真正弦波输出。“这是因为我们的开关频率是大多数人的 10 倍，而开关损耗没有下降。这提供了非常平滑的输出的能力。在大多数情况下，您甚至不再需要输出滤波器，因为您非常接近纯正弦波。
“我们还提供了减少同一开关所需的碳化硅数量的能力，因为现在，您的开关损耗已从等式中有效消除，”renouard 补充道。“这意味着您的设备只需要处理传导损耗。通过快速切换，您可以显着减小直流电容器的尺寸。”
pre-switch 预计将于 2021 年第一季度推出下一代 200 kw cleanwave2 逆变器参考平台。
pre-switch 技术扩大了电动汽车应用的范围，包括电动汽车、电动飞机、电动船和其他船只。renouard 表示，基本上，该公司专注于 50 kw 及以上的应用。“我们的功率越高越好。我们已经完成了高达兆瓦的设计。总体而言，我们专注于需要电池的应用，因为它们是目前真正需要提高效率的应用，而我们主要专注于电机和驱动电机。”
renouard 详细介绍了参与计划和商业模式，他说：“我们的目标不是成为最终客户的逆变器供应商，而是提供我们的技术和许可或出售这些产品，以便他们加快上市时间。我们正在销售硬件、许可软件和芯片。”
计算技术将继续成为电机控制的驱动力，renouard 表示，相信我们将看到更多非传统架构，因为“拥有 50 年历史的架构和晶体管不一定是让自己脱颖而出的唯一途径。” 他补充说：“我们预计电机驱动算法将继续变得更好，但我认为这将与计算机控制方面的创新以及我们在控制实际开关技术中我们喜欢称之为 ai 的创新相结合。”
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