【導讀】軟件和硬件都是所有電機控制系統的一部分，例如 IGBT、WBG 半導體和 MCU。工業4.0的發展強烈依賴于電機控制，但能源消耗是一個關鍵問題，因為它正在快速增長，并且需求隨著設計的復雜性而增長，因為許多電子技術都有嚴格的控制要求。寬帶隙 (WBG) 材料就是這種情況的一個例子。
軟件和硬件都是所有電機控制系統的一部分，例如 IGBT、WBG 半導體和 MCU。工業4.0的發展強烈依賴于電機控制，但能源消耗是一個關鍵問題，因為它正在快速增長，并且需求隨著設計的復雜性而增長，因為許多電子技術都有嚴格的控制要求。寬帶隙 (WBG) 材料就是這種情況的一個例子。
從功能的角度來看，電機控制由幾個層次組成。例如，運動控制需要執行非常復雜且計算密集型的控制算法。電機控制涵蓋了廣泛的應用，從風扇和泵的簡單控制到更復雜的工業控制問題，包括機器人和伺服機構。在這里，我們來看看電機控制系統的關鍵組件。
電機和驅動器直流電機是常見的，因為它們更便宜，并且由定子（固定部分）（即永磁體）和運動部分（轉子）組成，運動部分容納連接到提供電流的換向器的繞組。電機的速度控制是通過調節直流電流來實現的。為此，根據應用的性質，使用全橋、半橋或降壓轉換器來驅動直流電機。
交流電機基本上由變壓器組成，變壓器的初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導感應次級電流。基于微處理器的電子設備、逆變器和信號調節用于控制該電機的速度。
控制器是一種電子設備，在控制系統中充當“大腦”。使用的控制器數量根據需要控制的單個進程的數量而變化。對于一個復雜的系統，可能有很多控制器。每個控制器都可以向電機發送命令，同時接收來自執行器本身的指令。
工業應用中使用的機器人系統主要使用由交流電壓（AC）供電的三相電機。作為示例， 圖 1 顯示了電子控制電路的框圖，其中專用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現復雜的數字濾波算法。
交流供電三相感應電機控制框圖圖 1：交流供電三相感應電機控制框圖（德州儀器）直流電機的控制器示例是 Trinamic 的 TMCM-1637 5-A RMS 和 TMCM-1638 7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個磁場定向控制器/驅動器，添加了霍爾和 ABN 編碼器功能，用于磁場定向控制（或矢量控制）。這些模塊支持單相直流電機、兩相雙極步進電機和三相無刷直流（BLDC）電機（圖2）。
TMCM-163x 解決方案圖 2：TMCM-163x 解決方案（Trinamic）IGBT絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現了電力控制電子領域的真正創新。作為開關解決方案，創新來自于高開關頻率。IGBT 代表了電力控制設備的基本功能，非常適合解決復雜的電機控制問題。
的解決方案在特別極端的使用條件下，例如在汽車領域實施逆變器來驅動電動機時，在開關速度和行為穩定性之間建立了良好的關系。 STMicroElectronics 的1,200V IGBT S 系列就是一個例子 。這些 IGBT 針對低頻（高達 8 kHz）使用進行了優化，并具有低 V ce(sat)的特點。1,200V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵極場截止技術。
氮化鎵和碳化硅然而，寬帶隙材料、氮化鎵和碳化硅正在作為硅基器件的替代品，在電機控制應用領域取得進展。在電力電子領域，WBG材料的主要優點包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠超過硅可實現的150°C上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性和高擊穿電壓。
例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的電子遷移率較高，可轉化為更高的開關速度，因為通常積聚在接頭中的電荷可以更快地分散。GaN可實現更快的上升時間、更低的漏源導通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容，這些都有助于其實現低開關損耗以及在高達 10 倍開關頻率下工作的能力高于硅。
減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱以及更簡單的冷卻系統。許多電機控制應用需要風扇提供強制空氣冷卻，以便在設備的安全操作限制內運行。通過使用 GaN，可以降低功耗并實現“無風扇”操作，這對于電子無人機等輕量應用尤為重要。
在工業電源應用中，電子設計人員還可以通過使用 SiC MOSFET 來獲益，與 IGBT 等傳統硅基解決方案相比，它可顯著提高效率、縮小散熱器尺寸并降低成本。 SiC 技術可實現單位面積極低的 R DS(on) 、高開關頻率以及體二極管關斷后發生的反向恢復階段中可忽略不計的能量損失。
SiC器件在電機控制和電力控制應用中的使用是一個真正的突破，因為它具有節能、尺寸減小、集成度更高和可靠性高等特點。這些功能使其非常適合汽車和工業自動化控制等高可靠性領域。
在工業驅動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dV/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，這些電流會導致繞組絕緣和電機軸承出現故障。盡管更快的開啟/關閉可以提高效率，但出于可靠性原因，工業驅動器中的典型 dV/dt 通常設置為 5 至 10 V/ns。
意法半導體對兩種類似的 1.2kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的施加條件下（圖 3）。
基于兩電平、三相逆變器的驅動圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅動器（STMicroElectronics）由于節能、尺寸減小、集成機會和可靠性等特點，碳化硅器件在電機控制和電力控制應用中的使用總體上是一個真正的突破。除其他選項外，現在可以在所連接電機的逆變器電路中使用開關頻率，這為電機設計帶來了重要優勢例如，英飛凌科技公司基于 SiC 的 CoolSiC MOSFET 采用 .XT 互連技術，采用 1,200V 優化的 D?PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅動器等功率密度關鍵型電機驅動領域實現被動冷卻，從而為機器人和自動化行業提供支持實施免維護和無風扇電機逆變器（圖 4）。
在自動化領域，無風扇解決方案帶來了新的設計機會，因為它們節省了維護和材料方面的成本和精力。例如，英飛凌采用 .XT 互連技術的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供極具吸引力的散熱能力，非常適合機器人手臂中的驅動集成。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 ?s，額定電阻為 30 mΩ 至 350 mΩ。這滿足了伺服電機的要求。
所有工作模式下的傳導損耗均降低圖 4：所有工作模式下的傳導損耗降低（英飛凌科技）微控制器電機控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件組件是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件組件則解決日益復雜和精密的硬件控制問題。針對功率器件的控制和管理而優化的計算架構的出現使開發人員能夠獲得控制領域無法獲得的性能。
恩智浦半導體和瑞薩電子就是幾個例子。NXP 的 MPC57xx 系列 32 位處理器基于 Power Architecture 技術，除了其他汽車控制和功能管理功能外，還適用于汽車和工業動力總成應用。該處理器提供 AEC-Q100 質量、用于防篡改的片上安全加密保護，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全（ISO 26262/ IEC 61508）。它們提供以太網 (FEC)、雙通道 FlexRay 以及針對不同通信協議的多 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。
Renesas 提供 基于 Arm Cortex-M4 內核的RA6T1 32 位 MCU，運行頻率為 120 MHz，并具有一系列針對高性能和精密電機控制而優化的外設。單個 RA6T1 MCU 多可同時控制兩個 BLDC 電機。此外，適用于 TinyML 應用的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強型故障檢測功能，為客戶提供智能、易于使用且經濟高效的無傳感器電機系統，以實現預測性維護。
電機要求因應用而異，可能需要針對特定??用例進行優化和微調。市場提供了多種 IGBT、WBG 半導體和 MCU 解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發新的硬件來卸載處理器的實時關鍵任務，同時支持更多的診斷、預測性維護和人工智能以及功能安全系統。
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