电机控制专题 | 耗电大户电机怎样实现更高性能和效率？

电机，也被称为电动机或马达，是现今工业自动化不可或缺的重要核心零部件之一。它被广泛应用于诸多领域，如家用电器（空调、冰箱、洗衣机等）、商业空调（楼宇、储能、数据中心等的温控系统）、工业自动化（机床、机器人、输送系统等），以及电动汽车（主驱、空调等）等。

根据国际能源署报告显示，地球上产生的总电能中有53%是通过电机转化为电能的。可以看出，电机转换效率的提升，将是节能减排的关键之一。在之前的电机控制专题文章中我们就已经提到过，虽然电机是电能转换的主要零部件，但其耗电量也是非常巨大的，约占据工业领域耗电量的大约三分之二。消耗如此多的能源，业界急需对电机控制技术进行创新和突破，以提高电机的性能和转换效率。

近几年，在电机控制领域，在以下这几个方面有了一定的技术创新和突破：一是电机矢量控制算法，矢量控制（Vector Control）也称为磁场导向控制（Field-Oriented Control，FOC），是一种利用变频器（VFD）控制三相交流电机的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电机的输出。简而言之，它通过实时控制电机的磁场方向，提高了电机的动态响应性能和效率。

二是无传感器控制技术，即通过估算电机的状态变量（如转速和位置），减少对物理传感器的依赖，从而降低系统成本和复杂性；三是永磁同步电机（PMSM），稀土永磁材料的应用，使该类电机具有高功率密度和高效率的特点，被广泛应用于电动汽车和高性能工业驱动系统。

还有就是宽禁带半导体材料的应用：如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件，这些材料具有高击穿电压、高热导率和高电子迁移率的特点，使得电力电子器件能够在更高的频率和温度下工作，从而提高了电机驱动系统的效率和功率密度。

另外，通过高性能微控制器，能够以更高的速度和精度执行复杂的控制算法，从而也提高了电机控制系统的性能。还有一点就是人工智能(AI)技术的应用，它通过预测性维护提高了电机及控制系统的安全和可靠性、提升电机控制应用层的性能（如洗衣机衣物称重、防撞筒等），实现自适应控制。

意法半导体（STMicroelectronics）的AI洗衣机解决方案，就很好地体现了上述在电机控制领域的这些创新和突破。这款AI洗衣机整合了意法半导体的NanoEdge AI、矢量控制（FOC）无感MCSDK（基于STM32G4）和电机控制功率技术（基于STGIPQ8C60T-HZ），能够以±100克的精度测量衣物重量，根据重量设置洗涤模式和用水量，优化能源效率以及水和洗涤剂的用量。如果以一台洗衣机每次使用可以节省100克水，0.01度电来估算，一年使用100次，那么每年可以节水10公斤，节电一度，在中国按一亿台洗衣机来估算，一年就可以节水10亿公斤，节电100万度电，如果考虑全球的洗衣机数量，节水、节能的总量将更为客观。

上述电机控制领域的创新和突破多集中于材料、算法等方面。另外，半导体技术的不断发展，也能从诸多方面赋能电机控制技术的发展。如半导体技术的发展可以实现更高性能的芯片的同时，也能使成本逐渐降低，从而降低电机控制系统的整体成本；另外，半导体技术的发展也能让更多功能集成到单一芯片上，从而减少了系统的复杂性和芯片面积；半导体技术的发展也能不断提升微控制器的性能，使得电机控制系统能够执行更复杂和精细的控制算法；最后，半导体技术的发展让芯片的处理能力提升后，能显著提高电机控制系统的实时性和响应速度。

未来，电机控制技术的发展也将受到多种因素的推动，如上述的能源效率的提升、智能化以及新材料的应用等。尤其是人工智能技术，它将越来越多地被应用于电机控制技术中，帮助提高控制精度与效率，以及进行预测性维护等。另外，宽禁带半导体材料（如SiC和GaN等）在电机控制技术应用中也将持续增长，帮助实现具备更高效率、更高性能、更高可靠性以及更具成本效益的电机产品。

电机控制技术必将向更可持续的方向发展，ST也将可持续视为其发展的DNA和价值主张的核心。不论是现在还是未来，技术的本质就是为了提高人们的生活质量。通过如ST这些企业提供的先进半导体解决方案，针对电机控制技术不断进行创新和突破，相信将有助于解决全球环境所面临的环境和能源挑战。