電機(jī)控制專題 | 耗電大戶電機(jī)怎樣實(shí)現(xiàn)更高性能和效率？

電機(jī)，也被稱為電動(dòng)機(jī)或馬達(dá)，是現(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化不可或缺的重要核心零部件之一。它被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如家用電器（空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等）、商業(yè)空調(diào)（樓宇、儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等的溫控系統(tǒng)）、工業(yè)自動(dòng)化（機(jī)床、機(jī)器人、輸送系統(tǒng)等），以及電動(dòng)汽車（主驅(qū)、空調(diào)等）等。

根據(jù)國際能源署報(bào)告顯示，地球上產(chǎn)生的總電能中有53%是通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的?？梢钥闯觯姍C(jī)轉(zhuǎn)換效率的提升，將是節(jié)能減排的關(guān)鍵之一。在之前的電機(jī)控制專題文章中我們就已經(jīng)提到過，雖然電機(jī)是電能轉(zhuǎn)換的主要零部件，但其耗電量也是非常巨大的，約占據(jù)工業(yè)領(lǐng)域耗電量的大約三分之二。消耗如此多的能源，業(yè)界急需對電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和突破，以提高電機(jī)的性能和轉(zhuǎn)換效率。

近幾年，在電機(jī)控制領(lǐng)域，在以下這幾個(gè)方面有了一定的技術(shù)創(chuàng)新和突破：一是電機(jī)矢量控制算法，矢量控制（Vector Control）也稱為磁場導(dǎo)向控制（Field-Oriented Control，F(xiàn)OC），是一種利用變頻器（VFD）控制三相交流電機(jī)的技術(shù)，利用調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制電機(jī)的輸出。簡而言之，它通過實(shí)時(shí)控制電機(jī)的磁場方向，提高了電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和效率。

二是無傳感器控制技術(shù)，即通過估算電機(jī)的狀態(tài)變量（如轉(zhuǎn)速和位置），減少對物理傳感器的依賴，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性；三是永磁同步電機(jī)（PMSM），稀土永磁材料的應(yīng)用，使該類電機(jī)具有高功率密度和高效率的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和高性能工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

還有就是寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用：如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件，這些材料具有高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率和高電子遷移率的特點(diǎn)，使得電力電子器件能夠在更高的頻率和溫度下工作，從而提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和功率密度。

另外，通過高性能微控制器，能夠以更高的速度和精度執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，從而也提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。還有一點(diǎn)就是人工智能(AI)技術(shù)的應(yīng)用，它通過預(yù)測性維護(hù)提高了電機(jī)及控制系統(tǒng)的安全和可靠性、提升電機(jī)控制應(yīng)用層的性能（如洗衣機(jī)衣物稱重、防撞筒等），實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的AI洗衣機(jī)解決方案，就很好地體現(xiàn)了上述在電機(jī)控制領(lǐng)域的這些創(chuàng)新和突破。這款A(yù)I洗衣機(jī)整合了意法半導(dǎo)體的NanoEdge AI、矢量控制（FOC）無感MCSDK（基于STM32G4）和電機(jī)控制功率技術(shù)（基于STGIPQ8C60T-HZ），能夠以±100克的精度測量衣物重量，根據(jù)重量設(shè)置洗滌模式和用水量，優(yōu)化能源效率以及水和洗滌劑的用量。如果以一臺洗衣機(jī)每次使用可以節(jié)省100克水，0.01度電來估算，一年使用100次，那么每年可以節(jié)水10公斤，節(jié)電一度，在中國按一億臺洗衣機(jī)來估算，一年就可以節(jié)水10億公斤，節(jié)電100萬度電，如果考慮全球的洗衣機(jī)數(shù)量，節(jié)水、節(jié)能的總量將更為客觀。

上述電機(jī)控制領(lǐng)域的創(chuàng)新和突破多集中于材料、算法等方面。另外，半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，也能從諸多方面賦能電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。如半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)更高性能的芯片的同時(shí)，也能使成本逐漸降低，從而降低電機(jī)控制系統(tǒng)的整體成本；另外，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也能讓更多功能集成到單一芯片上，從而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性和芯片面積；半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也能不斷提升微控制器的性能，使得電機(jī)控制系統(tǒng)能夠執(zhí)行更復(fù)雜和精細(xì)的控制算法；最后，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展讓芯片的處理能力提升后，能顯著提高電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度。

未來，電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展也將受到多種因素的推動(dòng)，如上述的能源效率的提升、智能化以及新材料的應(yīng)用等。尤其是人工智能技術(shù)，它將越來越多地被應(yīng)用于電機(jī)控制技術(shù)中，幫助提高控制精度與效率，以及進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)等。另外，寬禁帶半導(dǎo)體材料（如SiC和GaN等）在電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用中也將持續(xù)增長，幫助實(shí)現(xiàn)具備更高效率、更高性能、更高可靠性以及更具成本效益的電機(jī)產(chǎn)品。

電機(jī)控制技術(shù)必將向更可持續(xù)的方向發(fā)展，ST也將可持續(xù)視為其發(fā)展的DNA和價(jià)值主張的核心。不論是現(xiàn)在還是未來，技術(shù)的本質(zhì)就是為了提高人們的生活質(zhì)量。通過如ST這些企業(yè)提供的先進(jìn)半導(dǎo)體解決方案，針對電機(jī)控制技術(shù)不斷進(jìn)行創(chuàng)新和突破，相信將有助于解決全球環(huán)境所面臨的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)。