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贸易战下的电机驱动芯片选择

“选择有时比努力更重要。”这句话也同样适用于电机驱动行业,选择合适的器件、方案、合作伙伴,再加上专业的努力,毕竟我们不但要应对技术与需求的难题,还要从容面对错综复杂的新形势。

无论是作为技术专家还是供应链专家,早些年可以不懂时政、不管市场,一头扎身技术,依然设计出好的产品。但现在,新形势下带来了更迫切的新挑战。当然,对电机驱动行业来说,新的挑战绝不只是贸易战,还有价格战、市场战、以及工业4.0等新应用带来的产品升级的技术挑战等等。hzIesmc

小身材驱动大工业

工业范畴很大,尤其是随着工业4.0概念的提出,不止是数据采集、大数据分析、企业上云,还需要将分析处理完的数据返回到现场,参与到具体的控制中,从而形成真正的闭环。而电机驱动作为整个闭环中的执行器环节,其性能好坏直接影响到整个闭环的性能。hzIesmc

因此,工业4.0对电机驱动提出了更高的性能和功能要求,例如更快的响应速度、更高的带宽、更高精度的位置和速度控制、以及更丰富的网络互联功能等。同时,还迫切要求电机尺寸越来越小、功率密度越大越好,就像当前应用于工业机器人领域的书本型伺服驱动器,通常还没有一本《新华字典》大。hzIesmc

在富昌电子(Future Electronics)中国区工业电机驱动市场商务拓展经理余国民看来,当面对这些林林总总的挑战时,根据设计要求选择一颗合适的微控制器(MCU)会是业内人士率先做出的选择,这也是整个产品最核心的部分,毕竟MCU的CPU频率、ADC采样速度、PWM性能从硬件上决定着电机控制环路中电流环、速度环和位置环的响应速度,MCU的集成度也决定了整个系统的复杂程度和成本控制。hzIesmc

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富昌电子(Future Electronics)中国区工业电机驱动市场商务拓展经理余国民hzIesmc

“MCU是核心、是大脑,而模拟和功率器件是躯干、是手脚,只有头脑聪明、手脚灵敏才能满足工业4.0的要求。”余国民说,在富昌电子所参与的具体项目设计中,适合中端市场的STM新贵-STM32G4系列、适合双轴伺服的NXP“跨界之王”-RT1020系列、适合高端伺服的瑞萨电子(Renesas)-RT/T1系列和电驱老牌玩家Microchip的dsPIC33系列都是各有特点的MCU产品。而安森美(OnSemi)的IPM、美信的隔离器件、LittelFuse的保护器件、英飞凌的驱动和MOSFET等产品都是非常不错的选择。hzIesmc

圣邦微电子(北京)股份有限公司产品线经理李志林则进一步指出,其实不止在工业4.0领域,随着无人机、智慧家居、新能源汽车和机器人等领域的蓬勃发展,电机行业全面走向高端化、智能化已经成为行业发展共识,以直流电机、步进电机、直流无刷电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)为代表的市场宠儿们正迎来前所未有的市场机遇。hzIesmc

圣邦微电子(北京)股份有限公司产品线经理李志林.jpghzIesmc

圣邦微电子(北京)股份有限公司产品线经理李志林hzIesmc

例如直流有刷电机由于驱动简单,被大批量使用在日常消费品中;步进电机,特别是闭环步进电机,非常适合应用于对精度有一定要求的低成本市场,如纺织机具、ATM机、验钞机等低成本的工业控制;无人机、花园工具等需要小体积但大转矩的应用尤其青睐直流无刷电机;而永磁同步电机主要应用于需要对位置、转速、转矩进行高精度控制的产品中。hzIesmc

这其中又以控制更加方便、简洁的BLDC/PMSM电机市场最为火热。数据显示,2018年全球仅BLDC电机市场规模就约为153.6亿美元,未来5年将以6.5%的年复合增长率增长,预计到2022年市场规模将达到200亿美元。hzIesmc

同时,为了顺应市场要求,使产品获得竞争力,高精度、高可靠性、长寿命、低功耗、小型化、高集成度是现今电机产品需要努力的方向。比如在高集成度的应用中,传统电机控制链路MCU+Gate Driver+MOSFET中已经出现了MCU+预驱动(Pre-Driver)集成,或是预驱动(Pre-Driver)+MOSFET功率模组集成的方式,甚至在一些小功率应用中还出现了集成全部链路的情形。而在便携设备、IOT和5G应用中,对电机驱动在高精度、小型化、高集成度、低功耗的要求越来越高;而自动化生产线则对电机驱动的高可靠性和长寿命提出了苛刻的要求。[!--empirenews.page--]hzIesmc

从目前的市场情形来看,吸尘器和电动工具两个高速成长的行业正在快速推动直流电机从有刷到无刷,从带传感器到无传感器的转换。Qorvo可编程电机控制高级销售经理张鲲说这种变化带来的竞争优势是显而易见的,除了尺寸的缩小外,带传感器安装通常存在安装角度问题,会导致15%-20%的电机产品无法达到性能要求,而直流无刷电机可以依靠算法进行控制,从而使性能得到大幅提升。hzIesmc

Qorvo可编程电机控制高级销售经理张鲲.jpghzIesmc

Qorvo可编程电机控制高级销售经理张鲲hzIesmc

但另一方面,由于电机驱动过程实际上是模拟数据的连续变化,所以用算法对电机进行控制的难度是增加的。而算法恰恰是目前中国电机工程师面临的最大短板之一,这就对电机驱动芯片厂商提出了挑战。在他看来,最科学的做法是必须和对具体应用场景极为熟悉的客户共同合作。hzIesmc

“电机驱动应用看似简单,但实际上存在着非常大的挑战。电机的启动、运行、停止,不同的温度、电阻、磁场变化都会影响电机运行,这是复杂的系统工程,需要长期的、反复的系统级验证与测试,失败的概率远远高于成功概率。”张鲲认为快速的上市时间要求也给用户带来了压力,导致他们很难针对某项技术做长期稳定的研发投入,这是现实问题。因此,作为驱动IC厂商,最大的责任就是要把芯片平台设计的更友好、更清晰、更符合采购需求,在充分考虑芯片的整体架构、终端调配和资源分配前提下,确保和芯片相关的算法能够尽快落地。hzIesmc

如何选择优良的电机控制器

“选择有时比努力更重要。”余国民说这句话也同样适用于电机驱动行业,选择合适的器件、方案、合作伙伴,再加上专业的努力,毕竟我们不但要应对技术与需求的难题,还要从容面对错综复杂的新形势。hzIesmc

例如对于MCU的选择,最新的、高性价比的器件往往能有效地降低BOM成本,最简单的案例是如果选用RT1020替代TMS320F2833X,不但单颗成本降低10美金,主频更是从150MHz提高到400MHz。当然,降低元器件的成本固然是降成本的关键,系统成本和研发成本的降低也是企业经营者需要考虑的问题。hzIesmc

李志林对此表达了类似的观点。他说作为一家国内半导体公司,离客户最近,能否积极听取客户意见并有效解决客户疼点,提高产品性能,才是用户最终选择并信任你的理由。以圣邦微电子针对纺织机械控制板用户设计的步进电机控制器SGM42630为例,不但通过小体积解决了发热不好处理的困惑,还依靠自适应控制衰减模式省去了用户针对不同电机类型都要进行调试的麻烦。此外,针对手机升降相机模组的需求,圣邦微还设计了体积更小,细分度更高,功耗更低的高集成度方案。hzIesmc

但张鲲认为在一个竞争充分的市场里对硬件进行选择不会是一个很大的难题。换句话说,技术不是赢得电机驱动市场的唯一条件。以他的经验来看,工程师在不同MCU平台之间做技术迁移的时间可能都不会超过一周,如何从应用的角度出发选择合适的方案,统筹好性能、成本、尺寸、功耗、控制精度、可靠性等核心要素之间的关系,才是最核心的问题,毕竟电机驱动生意不是“一锤子的买卖”,只有保证技术投资的延续性才能产生持续的价值。hzIesmc

“电机是海量市场,应用需求各不相同,很难有放之四海皆准的标准。我知道有国内公司将算法做硬件固化,有便利性但牺牲了灵活性,适合功能单一确定的市场。但如果要面对高度灵活性的市场,高集成度、可控制、可编程的方案就能脱颖而出。”张鲲说。hzIesmc

除了正确的选择外,考虑到尽管从传统AC电机设计转换到更为成熟的BLDC/PMSM电机设计是当前的热点,但BLDC/PMSM电机需要更复杂的电子控制,很多传统电机行业工程师只了解硬件,缺乏对电子控制算法和将复杂数学计算转换为软件编码的经验和专有技术,因此,如何从系统层面加以支持,是很多电机驱动IC厂商正在思考的事情。hzIesmc

意法半导体(ST)亚太区功率分立和模拟产品器件部区域市场和应用副总裁FRANCESCO MUGGERI称稳定性和可靠性是电机控制最重要的考虑因素,这是毋庸置疑的。但如果没有生态系统和软件的支持,电机控制硬件将不可避免的落入孤掌难鸣的境地。因此,为了更好的提供系统级支持,ST通过遍布整个大中华区的技术/销售/支持团队和电机驱动应用中心向用户提供从硬件、软件、库和整个市场架构的全方位支持。[!--empirenews.page--]hzIesmc

意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁FRANCESCO MUGGERI.JPGhzIesmc

意法半导体(ST)亚太区功率分立和模拟产品器件部区域市场和应用副总裁FRANCESCO MUGGERIhzIesmc

也就是说,从产品设计本身来看,ST既有只内置了最基本电路的产品,也有集成了算法的高集成产品,用户完全可以基于自己的设计能力进行选用;从产品生态系统来看,当用户需要搭一个系统时,如果完全从零开始做系统设计、硬件设计和软件设计会比较困难。ST推出了不同的评估板,如果客户熟悉STM,可以模拟一个系统,只要选对应产品的拓展板,就可以像搭积木一样模拟出一个系统,从而大幅降低原型机的开发成本。此外,ST还针对某些特定应用推出了完整的参考方案,客户不但可以从ST网站上免费下载软硬件资料,甚至可以直接使用参考板的原理图,这对他们的设计帮助极大。hzIesmc

目前,ST可以面向家用电器及商用电器、工业电源和工业工具、工业电机、消费类机器人等应用提供电机控制整体解决方案。以扫地机器人为例,ST实现了从实现监测位置、防撞的传感器,到包括蓝牙在内的各种无线通讯芯片,再到无线充电、电机驱动芯片的“一条龙”供货。截止到2018年,ST智能电机控制产品已达130多款,销售量突破10亿。hzIesmc

备胎与可替代

如果说来自各行各业的技术挑战,还只是对电机驱动性能本身提出了更高的要求,是在本质上促进电机驱动行业的发展,那么贸易战则似乎是一个外来的、并且不是很有助益的考验。hzIesmc

众所周知,在传统的电机驱动中,使用了大量来自美国供应商的芯片和产品,如TI 的C2000 DSP是目前国内变频器和伺服驱动器行业流行使用的MCU,TMS320F28335则堪称伺服驱动器的标配,现在依然有很多厂商在使用。hzIesmc

贸易战的一再升级,同样也让电机驱动行业有先觉意识的厂商开始寻找更为丰富的解决方案。当然,不论是国产、欧洲还是日本器件,各家产品有各自的特点,分别适应不同的应用场景,根据具体使用场景和技术要求选择合适的产品才是更为重要的。而且平台的移植和关键器件的替换并非简单工作,需要在产品选型、评估、设计分析、系统与结构权衡等各方面仔细斟酌。hzIesmc

其实,贸易战固然来得突然,使人发懵,但还有一项挑战却由来已久,并且有愈演愈烈的趋势,那就是行业竞争。余国民说,良性的竞争能促进行业发展,但恶性的竞争会让整个行业停滞不前。正如前几年工缝伺服的竞争,就是一场杀敌一千,自损八百的价格战,最后带来的影响非常之大。只有用新的技术和产品带来新的价格和性能优势,才能在严酷的市场竞争中赢得先机。hzIesmc

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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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