已趋成熟的电机控制技术还将如何变化？——效率、安全与智能

芝能智芯出品

近期英飞凌的工程师做了一个讲座《Changes In Motor Control》电机控制技术作为一项历经数十年发展的成熟技术，已广泛应用于工业、家庭和商业领域。

然而，随着市场对能源效率、电池续航能力以及系统安全性的需求日益增长，电机控制技术正在经历深刻变革。新电机类型、控制拓扑结构的演进，以及对更高开关频率和更紧密控制环路的要求，成为技术进步的核心驱动力。

这种变化不仅限于传统工业领域，还扩展至家庭电器、智能家居和特定垂直市场。

我们根据这个讲座，来跟踪下电机控制技术的最新变化、推动这些变化的因素，以及这些技术进步如何为用户和市场带来显著价值。

电机控制技术的历史可以追溯到几十年前，当时主要依赖交流感应电机和直流有刷电机。这些电机在工业和家用场景中长期占据主导地位。

然而，随着市场对效率和动态性能的要求提升，永磁同步电机（PMSM）和无刷直流电机（BLDC）等新型电机逐渐崭露头角。

这些电机通过更高的效率和更优的控制特性，满足了现代应用的需求。例如，BLDC电机在电动工具和家用电器中，因其无刷设计减少了机械损耗，效率较传统有刷电机提升了约20%。

● 控制拓扑结构也在显著演进。

◎ 传统标量控制（V/f控制）因其简单性曾被广泛使用，但其动态响应能力有限。

◎ 矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）通过解耦转矩和磁通，显著提升了控制精度和系统响应速度。

◎ 此外，模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）等新兴策略进一步优化了高精度和高动态应用中的性能。

这些控制技术的进步，使得电机能够在变载和高速工况下保持稳定运行。

近年来，从墙电供电向电池供电的应用转变，成为电机控制技术变革的重要推动力。电池供电设备，如电动工具、吸尘器和轻型电动车辆，对能耗和续航时间提出了更高要求。

为优化能量利用效率，电机控制系统需要实现更紧密的控制环路，以最小化损耗并提升性能。

● 实现这一目标的关键在于提高开关频率。

◎ 传统电机控制系统中，开关频率通常在几kHz至几十kHz范围内，而现代系统则要求频率提升至数百kHz甚至更高。

◎ 高开关频率能够减小电机的纹波电流，提升控制精度，同时减小滤波器电感和电容的体积。在电动机器人吸尘器中，采用200kHz开关频率的控制系统，可将滤波器尺寸减小约30%，从而优化整体设计。

宽禁带半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），为电机控制技术带来了革命性突破。这些材料具有更高的击穿电压、更低的导通电阻和更快的开关速度，特别适用于高频、高压场景。

与传统硅基器件相比，SiC和GaN器件在开关损耗和热管理方面表现出色。例如，SiC MOSFET在电机驱动器中的应用，可将开关损耗降低约40%，支持更高的开关频率，从而提升系统效率。

在电动汽车和工业自动化领域，宽禁带半导体的应用尤为显著。以电动汽车为例，采用SiC器件的电机驱动器不仅提高了能效，还通过减小散热器需求，使系统体积减少约40%，为整车设计提供了更大灵活性。

为满足电机控制系统对实时性和计算能力的需求，微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）的性能也在持续提升。

现代MCU通常集成高性能ARM Cortex-M33内核，运行频率可达180MHz以上，并配备高速ADC（高达12Msps）、高分辨率PWM和专用加速器（如CORDIC协处理器）。

这些硬件特性支持复杂控制算法的实时执行，确保高开关频率下的紧密控制环路。

MCU的存储容量显著增加。例如，支持256KB双银行闪存的器件，允许在固件更新时实现无缝切换和回滚功能，确保系统在野外升级时的可靠性。

RAM容量提升至64KB，并加入ECC（错误校验码）功能，进一步增强了系统鲁棒性。这些进步为开发者提供了更大的灵活性，支持从家用电器到工业设备的广泛应用。

电机控制技术的进步显著提升了系统效率。新电机类型和控制算法的应用，使得电机在各种负载条件下都能保持高效率运行，尤其在轻载和变载场景中表现突出。对于电池供电设备，这直接转化为更长的续航时间和更小的电池体积。

以家用吸尘器为例，采用BLDC电机和FOC控制的设备，效率提升约25%，电池续航时间延长近35%，显著改善了用户体验。

在工业领域，高效率电机控制系统减少了能源消耗。例如，在空调室外机中，集成了双电机控制和功率因数校正（PFC）的MCU，可将整体能耗降低约15%，为用户节省了运营成本。

高开关频率和宽禁带半导体材料的应用，推动了电机控制系统的小型化。

高频开关允许使用更小的电感和电容，减小了滤波器体积；而SiC和GaN器件的低损耗特性，减少了散热器需求。

例如，在电动工具中，采用GaN器件的电机驱动器体积减小约35%，重量减轻约25%，同时降低了材料成本。

在市场层面，小型化设计提升了产品的便携性和竞争力。对于智能家居和便携式设备而言，更小的体积意味着更强的市场吸引力，同时降低了运输和安装成本。

随着电机控制系统在物联网环境中的广泛应用，安全性成为关键考量。

现代MCU集成了TrustZone技术、加密模块和随机数发生器，支持PSA Level 2认证，确保系统免受网络攻击。例如，在连接云端的智能家电中，这些安全特性能够保护用户数据和设备固件，防止未经授权的访问。

智能化趋势也在加速。通过集成AI和机器学习算法，电机控制系统能够实时监测运行状态，预测潜在故障。例如，基于振动和温度数据的异常检测算法，可在电机故障前发出警报，避免意外停机。这种预测性维护功能在工业自动化中尤为重要，能够显著减少生产损失。

电机控制技术的进步为市场带来了显著机遇。据统计，全球电机控制市场规模预计从2023年的17亿欧元增长至2029年的23亿欧元，年复合增长率约为7%。

家用电器、智能家居和工业自动化是主要增长领域。

此外，电力转换市场（包括AI服务器电源）预计增长更快，从当前的8亿欧元增至更高规模，受到宽禁带半导体需求的推动。

技术进步也带来了挑战。开发人员需要掌握新的控制算法和硬件平台，以适应快速变化的市场需求。同时，安全性和合规性要求的提升增加了设计复杂性和成本。例如，家电中的Class B功能安全要求和SEAL 2认证，迫使制造商投入更多资源以满足标准。

电机控制技术正迎来效率、安全和智能化的新时代。新电机类型、控制拓扑结构、宽禁带半导体材料和高性能MCU的引入，提升了系统性能和能效，还为用户带来了更长的电池续航、更小的设备体积和更高的安全性。这些变化由市场对效率和可持续性的需求驱动，深刻影响了从家庭到工业的广泛应用。