2015：工業與汽車電子展望

摘要：通過走訪部分電機驅動、汽車電子、測試測量的領先廠商，展望了相關領域的發展趨勢。本文網絡版地址：http：//wwww.eepw.com.cn/article/267421.htm

關鍵詞：電機驅動；汽車電子；測量；MCU；FPGA

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.1.002

電機驅動的關鍵詞：高效、一對多和遠程控制

縱觀2014年，電機控制的發展速度雖然不像消費品那樣迅猛，但是一直在不斷進步，比如近兩年大熱的FOC控制和家電變頻化，以及因傳感器的一些弊端引發的無傳感器控制需求，業界都有很強烈的興趣。

Microchips公司16位單片機產品部產品營銷經理ErlendurKristjansson指出，在接下來幾年，采用梯形波或6步逆變器控制的BLDC電機正轉向依靠無傳感器磁場定向控制（FOC）的永磁同步電機（PMSM）。隨著對能源效率關注度的增加，電機首當其沖成為了改進的目標，因為它們的耗電量幾乎達到了全球的一半。全球數百萬家庭中，電冰箱、空調和循環泵等應用都有電機：而這些電機幾乎一刻不停地運轉著。改進這些電機的效率，延長其使用壽命可降低污染、節省金錢。使用無傳感器FOC來控制電機需要更加復雜的數學算法，進而提高了對性能的要求。它還要求更多模擬功能，如運放、PGA或是ADC的多路同時采樣，以測量相電流。

飛思卡爾半導體公司的業務擴展經理李唐山：電機驅動面臨的技術上挑戰比較多，比如在無傳感器的情況下使用FOC，尤其是啟動前沒有反電動勢的存在，控制系統無法知道目前轉子的位置，所以啟動過程一般是直接開環拉起再逐步測量切入閉環，這種方式的失敗率偏高，在工業領域一般難以接受。也可以用高頻注入法等方式來獲取大概的轉子位置，再進行細分調節，這又需要更高的MCU性能。

還有低速的問題，變頻家電要求夜晚超低速，轉速越低反電動勢越低，反饋信號的波動也越大，如何在低速情況下保持對電機的快速準確控制一直是個很具挑戰性的技術難題。

隨著系統的復雜程度增加，需要用單個芯片控制多個電機，比如三合一的變頻空調，壓縮機風機和交錯式PFC的控制都由一塊MCU完成，這就需要MCU性能強大并且配有相對完整的參考代碼，因為交錯式PFC雖然節約空間但是控制要更加復雜，PFC的控制又必須不能打擾兩個電機的控制，只能見縫插針來進行。

另外，因為IoT的發展，遠程調試的需求也逐漸出現，強大數據處理能力的MCU和靈活多變的針對不同類型馬達的自學習算法越來越重要。

在新產品方面，過去幾年間，Micro chip一直提供自帶運放的dsPIC數字信號控制器，以提供更好的系統集成和成本。這些運放具有10MHz的增益帶寬（GBW）。這一點很重要，因為分流電阻需要盡可能小才能使系統功耗和對電機電壓的影響均最小。這樣，分流電阻兩端電壓將比控制器中ADC的工作電壓范圍小很多。因此需要一個增益放大器來放大信號。然而，這會帶來這樣的問題，DSC中集成的運放的GBW會被縮小與增益相同的倍率。例如，若運放的GBW為5MHz，需要增益為10，那么最終增益放大器的GBW將為約500kHz。dsPICDSC允許客戶實現高增益的增益放大器來測量分流電流，并保持較高的動態響應。

飛思卡爾針對電機驅動特性，特別推出了既有DSP核的FreescaleDSC，也有ARM核的電機專用KV系列，還有SV的KE系列，都適合電機控制的應用。

此外，飛思卡爾的DSC系列性價比高，內含很多靈活易用的外設模塊，適用于要求較高的電機控制應用。KV系列分為MO+和M4兩個子系列，后續還將有M7核的系列加入KV系列。外設借鑒了DSC的部分設計，比如兩路硬件ADC的速度可以達到4.lMsps，在高速時仍然保證精度。KE系列特點是純SV和高魯棒性，比常見的3.3V系統更適合復雜的工業系統中。

環保、安全、智能是汽車電子的時尚旋律

根據咨詢公司Strategy Analytic近期的報告，2014年全球汽車產量預計達到8700萬輛，未來五年仍將保持穩定的增速，龐大的產量表明人們的出行已越來越離不開汽車。如何使汽車更環保、更安全、更智能，是汽車行業共同努力的方向。對于普通的民眾而言，一輛智能、環保、娛樂功能豐富的汽車似乎越來越接近，特別是車聯網的概念出現，讓汽車變成了不僅僅局限于一個家庭的交通工具，更像是一個可以行駛的“家”。這些變化的出現都歸功于半導體技術的創新。

在2015年，汽車電子廠商關注主要點是在智能、環保和安全。如何實現駕乘人員的便利性、保障車內數據以及聯網數據的安全性和完整性，并最終實現自動駕駛的最高境界：如何降低二氧化碳排放，需要清潔的內燃機、高效的能源管理和電力驅動系統：如何被動安全向主動安全、可預防安全的方向發展。

英飛凌科技（中國）有限公司中國區汽車電子業務負責人徐輝表示：英飛凌未來汽車電子將在以下三個方面注重：

智能方面：英飛凌先進的半導體解決方案應用于輔助駕駛的多個領域，包括自動泊車，側視輔助、變道輔助、自動緊急制動等，通過這些功能的一一實現，從而最終達成自動駕駛的目標。此外，隨著車聯網的發展，車內電子控制單元之間的通訊，車內與車外內容商、服務商的通訊，都要求保證通訊數據的安全、完整以及隱私。

環保方面：電子助力轉向系統、胎壓監測、48V起停系統方案都能有效地幫助節能減排。同時，英飛凌電機控制系統芯片能使發動機附件實現智能電氣化，車內的泵類和電機只需根據需求而運轉，從而進一步降低二氧化碳排放。

安全方面：隨著汽車安全等級要求的不斷提升和高級駕駛輔助系統（ADAS）等先進安全技術的發展，汽車安全系統對車用微控制器提出了更高的要求，包括更快的運算速度、更復雜的任務處理。

瑞薩電子在汽車電子領域，瑞薩憑借在汽車功能安全解決方案、車輛安全方面長期積累的技術和豐富經驗，在全球汽車電子MCU市場擁有43%（2012）的份額，在先進駕駛輔助系統（ADAS）、車載信息、車輛控制相關的動力傳動、底盤、安全、車身等領域都擁有世界一流的技術和產品解決方案。瑞薩電子推出的頂級汽車安全芯片RH850/PIX-C系列，屬于汽車級安全MCU，將功能安全技術、安全加密技術和汽車控制網絡技術整合在一塊芯片上，而這些技術是實現安全汽車控制的關鍵。為駕駛員輔助系統提供一體化解決方案，使無人駕駛成為可能。

測試平臺的模塊化、平臺化是大勢所趨

兼容最新技術、適應最新的測控需求，一直是推動測試測量不斷發展的動力。隨著科技的發展，我們一部智能手機的運算能力已經和1969年時，把宇航員送上月球的NASA計算機性能相當。這是因為最新的商業現成可用技術（包括總線技術、處理器技術、AD/DA轉換器技術、FPGA技術）受到摩爾定律影響，已經在性能上遠遠超過了幾年、十幾年之前。

科技改變了我們的生活，而測試測量界也因為待測設備不斷的復雜化，對縮短上市時間、提高測試效率、縮減長期成本等提出了更高的挑戰。所以，測試平臺的模塊化、平臺化已經成為了測試測量一個重要的發展趨勢。

NI資深工程師陳宇睿：軟件定義的模塊化平臺有其固有的優點，以PXI平臺為例：第一，它一直可以融入最新的技術，所以我們看到了PXI平臺的處理器已經使用了Intel第三代處理器技術、機箱基于PCIeGen-2技術、系統帶寬可以達到12GB/s，而PXI平臺上使用的也已經是Xilinx最新的7系列FPGA技術；第二，軟件定義的平臺可以靈活的完成自定義的功能實現，從而滿足一些最前沿的設計驗證需求（如SG技術）和非標的高速自動化測試需求（如自定制ATE設備）；第三，當測試需求發生變化的時候，PXI平臺可以通過替換模塊的方式快速的通過進行升級，從而降低了長期成本。

FPGA可以給測試測量帶來更高的測試吞吐量、高確定性和可靠性，進行自定義的創新測試，以及縮減測試成本。而早在2003年，NI就看到了這些優勢，將FPGA技術引入了PXI平臺。在2012年，NI發布了第一款軟件設計的儀器矢量信號收發儀（VST），無論是進行最新的通信網絡算法驗證，還是進行高速的射頻產線測試，我們只需要修改FPGA里面的代碼，就可以完成各種不同的射頻測試功能。