【嗶哥嗶特導(dǎo)讀】BLDC電機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。隨著國(guó)內(nèi)廠商掌握BLDC電機(jī)技術(shù)，創(chuàng)新意識(shí)也引起了行業(yè)人士的關(guān)注。不難預(yù)測(cè)，未來(lái)伴隨技術(shù)的創(chuàng)新和新領(lǐng)域的興起，BLDC電機(jī)將迎來(lái)更多新興領(lǐng)域的應(yīng)用，開拓更廣闊的市場(chǎng)�！�

　    前言：　

　    BLDC，無(wú)刷直流電機(jī)，利用電子換相技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的電刷換向，是具有高效率、壽命長(zhǎng)、控制性良好等特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)電機(jī)，至今已有50多年的發(fā)展歷史。目前，隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能化和人們生活水平的提高，BLDC電機(jī)廣泛應(yīng)用在家用電器、電動(dòng)工具、工業(yè)控制、無(wú)人機(jī)等諸多領(lǐng)域，也是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商重點(diǎn)布局和投入的市場(chǎng)。BLDC電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新逐漸引起行業(yè)的更多關(guān)注�！　�BLDC電機(jī)創(chuàng)新產(chǎn)品及方案應(yīng)用　

　    技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的不懈源泉，在電機(jī)行業(yè)亦是如此。BLDC電機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新，使得眾多廠商的產(chǎn)品及方案不斷推陳出新，以其出色的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)與其他同類產(chǎn)品及方案區(qū)別開來(lái)。 

　　深圳市航順芯片技術(shù)研發(fā)有限公司(簡(jiǎn)稱：航順芯片)產(chǎn)品經(jīng)理陳水平坦言，航順芯片越來(lái)越重視BLDC的行業(yè)應(yīng)用，目前方案主要集中在電動(dòng)工具、家用電器和工業(yè)控制領(lǐng)域，其中變頻冰箱、變頻器、風(fēng)扇燈、筋膜槍、電剪刀、電扳手等產(chǎn)品都有相關(guān)的方案應(yīng)用;同時(shí)針對(duì)不同產(chǎn)品采用不同的控制方式，大部分產(chǎn)品用FOC控制，轉(zhuǎn)速細(xì)膩，啟動(dòng)平穩(wěn)，以及高效靜音，部分產(chǎn)品，如筋膜槍，電扳手，則采用方波控制，其成本低，力度大，帶堵轉(zhuǎn)保護(hù)，也是低成本方案的最佳選擇。 

　　作為領(lǐng)先的國(guó)產(chǎn)通用安全MCU芯片與方案供應(yīng)商，國(guó)民技術(shù)股份有限公司(簡(jiǎn)稱：國(guó)民技術(shù))提供了多個(gè)系列電機(jī)MCU芯片產(chǎn)品及BLDC電機(jī)應(yīng)用解決方案。MCU芯片性能優(yōu)異，資源豐富，電機(jī)應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)業(yè)界領(lǐng)先，為電機(jī)控制帶來(lái)了更高效率和更低BOM成本。芯片SDK集成自研先進(jìn)電機(jī)控制算法庫(kù)，包括MRAS、SMO在內(nèi)的多種無(wú)感觀測(cè)、高頻注入、電機(jī)參數(shù)識(shí)別等多個(gè)算法。　

　　　圖1：國(guó)民技術(shù)電機(jī)控制MCU Roadmap　

　    基于N32G系列MCU，國(guó)民技術(shù)提供業(yè)界領(lǐng)先的單芯片一拖多BLDC電機(jī)應(yīng)用方案，滿足高性能多FOC、高性價(jià)比、低成本等不同電機(jī)控制需求，適用于消費(fèi)、工業(yè)、家電等領(lǐng)域。應(yīng)用場(chǎng)景包括：空調(diào)壓縮機(jī)、變頻冰箱、洗衣機(jī)、等白色家電，以及高速吸塵器、掃地機(jī)、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)車控制器、高性能電動(dòng)工具等各種電機(jī)應(yīng)用。 

　　珠海極海半導(dǎo)體有限公司(簡(jiǎn)稱：極海半導(dǎo)體)基于中高端工控領(lǐng)域多年的技術(shù)積累與應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)BLDC電機(jī)應(yīng)用，推出了32位APM32系列工業(yè)級(jí)通用MCU;同時(shí)在特定的細(xì)分行業(yè)，也推出了如手持吸塵器、電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、冰箱變頻控制器、以及擺輪分揀設(shè)備滾筒系統(tǒng)等可量產(chǎn)的全套解決方案。 

　　據(jù)極海半導(dǎo)體市場(chǎng)產(chǎn)品總監(jiān)劉濤介紹，APM32工業(yè)級(jí)通用MCU以及電機(jī)應(yīng)用方案，穩(wěn)定性好，安全性高，抗干擾能力強(qiáng);全系列芯片符合工業(yè)級(jí)高可靠性標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍覆蓋-40℃~+105℃，ESD等級(jí)高達(dá)8KV，是國(guó)產(chǎn)MCU率先通過(guò)IEC61508 SIL3認(rèn)證的廠商;同時(shí)與多家行業(yè)知名IDH合作開發(fā)方案，可幫助客戶項(xiàng)目落地量產(chǎn)。 

　　此外，珠海泰芯半導(dǎo)體有限公司(簡(jiǎn)稱：泰芯)的TXM2000系列BLDC專用MCU目前已在電動(dòng)工具、筋膜槍、空氣凈化器、風(fēng)扇、水泵、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域大批量應(yīng)用。該系列產(chǎn)品采用有/無(wú)感器的FOC控制方式;采用32位MCU作為主控制器、高低壓半橋驅(qū)動(dòng)、高低壓電源管理IC，配合高低壓MOSFET及IPM模塊、遙控模塊等產(chǎn)品線，為客戶提供電機(jī)控制完整解決方案。

 　   作為主打高主頻和大內(nèi)存的高性能MCU的企業(yè)，雅特力科技(重慶)有限公司針對(duì)BLDC電機(jī)市場(chǎng)的MCU仍在設(shè)計(jì)中。目前已量產(chǎn)的產(chǎn)品AT32F421系列，具有120MHz的CPU主頻，配合提供的電機(jī)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)十萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速，在吸塵器、破壁機(jī)等需要高轉(zhuǎn)速的市場(chǎng)已量產(chǎn)。 

 　　巧妙應(yīng)對(duì)BLDC電機(jī)技術(shù)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)　

　    早年間，直流無(wú)刷電機(jī)FOC算法大多掌握在歐美廠商手里，隨著國(guó)產(chǎn)電機(jī)MCU的崛起，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的廠商掌握了直流無(wú)刷電機(jī)FOC算法。 

　　由于無(wú)刷電機(jī)屬于自換流型(自我方向轉(zhuǎn)換)，控制起來(lái)更加復(fù)雜。為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機(jī)采用霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)提供絕對(duì)定位感應(yīng)，導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。李少輝指出，無(wú)傳感器BLDC控制省去了對(duì)于霍爾傳感器的需要，而是采用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(電動(dòng)勢(shì))來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無(wú)傳感器控制對(duì)于像風(fēng)扇和泵類的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。 

　　BLDC電機(jī)在不同應(yīng)用場(chǎng)景的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)都有所不同，例如伺服器要求高可靠性和精確控制、風(fēng)機(jī)要求平滑啟動(dòng)和低噪音、吸塵器應(yīng)用要求超高轉(zhuǎn)速FOC控制、而電動(dòng)工具則要求大扭力啟動(dòng)。 

　　劉濤告訴記者，極海半導(dǎo)體APM32電機(jī)控制MCU及應(yīng)用方案，具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)誤差低、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn);支持主流FOC算法庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)正弦波控制，保障電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行;支持浮點(diǎn)乘法運(yùn)算和多種電阻采樣方式，有助于提升應(yīng)用方案的運(yùn)算速度和控制精度;同時(shí)集成快速電流環(huán)技術(shù)，具有極高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 

　　此外，各種電機(jī)應(yīng)用對(duì)核心驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制精度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、可靠性、噪聲震動(dòng)(NVH)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率、弱磁性能、電流響應(yīng)速度等技術(shù)性能的要求越來(lái)高，電機(jī)控制算法日趨復(fù)雜，這對(duì)電機(jī)控制技術(shù)及主控制器芯片的功能性能構(gòu)成了挑戰(zhàn)。 

　　在芯片硬件設(shè)計(jì)方面，為了滿足更靈活的通信和傳感等智能化需求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主控芯片集成更加多樣化的通信接口及更多通道的模擬/數(shù)字(A/D)和數(shù)字/模擬(D/A)接口，以便對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。國(guó)民技術(shù)方案開發(fā)部高級(jí)解決方案經(jīng)理左亮平指出，面向小型化、一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)器場(chǎng)合，芯片內(nèi)部集成更多的運(yùn)放、比較器、數(shù)字濾波器接口，甚至電機(jī)控制算法硬件化�；�于資源豐富的高集成度控制芯片，集成先進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)與算法，可以打造高效能、高性價(jià)比BLDC電機(jī)應(yīng)用解決方案。 

　　陳水平認(rèn)為，目前BLDC 電機(jī)技術(shù)的難點(diǎn)主要集中在中大功率的控制上面，功率變大會(huì)導(dǎo)致很多外圍器件的控制成本上升，控制電路更復(fù)雜;此外，電機(jī)轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，對(duì)MCU的主頻以及其他性能要求越來(lái)越苛刻，需要MCU時(shí)刻都要根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行資源調(diào)整。據(jù)他介紹，航順芯片針對(duì)目前電機(jī)應(yīng)用特推出電機(jī)專用MCU HK32ASPIN0xx 電機(jī)專用MCU，把很多電機(jī)算法硬件化，提升代碼效率，并集成比較器、高速ADC 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)資源讓芯片集成度更高。 

 　   提升電機(jī)能效，有何解決辦法?　

       2021年6月1日，于2020年5月發(fā)布的中國(guó)最新版強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》正式實(shí)施。新國(guó)標(biāo)明確規(guī)定，自標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之日起，IE3能效將成為中國(guó)最低的三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值(三級(jí)能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動(dòng)機(jī)(如YE2系列電機(jī)等)不允許再生產(chǎn)銷售�！�

　    不得不說(shuō)，新國(guó)標(biāo)的正式實(shí)施，使得電機(jī)能效生產(chǎn)的門檻進(jìn)一步提高，但對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商而言，有效提升電機(jī)能效仍然是一個(gè)很大的問(wèn)題。就家電領(lǐng)域而言，目前國(guó)內(nèi)家電行業(yè)BLDC電機(jī)普及率相比歐美日等區(qū)域仍有一定差距，國(guó)內(nèi)大多數(shù)家電應(yīng)用仍采用傳統(tǒng)定頻電機(jī)，高效電機(jī)占有率不足3%�！�

       電機(jī)驅(qū)動(dòng)是電能消耗的主要途徑。劉濤和李少輝一致認(rèn)為，采用變頻調(diào)速技術(shù)改善電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，使電動(dòng)機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，可大大降低輕載運(yùn)行時(shí)的電能消耗，提升電機(jī)能效。另外，劉濤還認(rèn)為，在電機(jī)滿足負(fù)載要求功能的前提下，也可以設(shè)計(jì)、制造和選用合適部件，通過(guò)完善電機(jī)本身設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合效能的提升。 

　　可以說(shuō)，電機(jī)能效永遠(yuǎn)都是新的話題，因?yàn)榇蠹叶枷Ｍ�做到能效越高越好，損耗越低越好，這也是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的策略。陳水平告訴記者，電機(jī)能效的提升可從硬件和軟件方面談，首先電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)電路PCB板的優(yōu)化，選用合適的硬件，再次從軟件上面提升算法能力，優(yōu)化代碼邏輯，讓整個(gè)系統(tǒng)處于最好的運(yùn)行狀態(tài)，就能達(dá)到提升電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能效的目的。

 　　左亮平認(rèn)為，采用高效節(jié)能的變頻電機(jī)，采用復(fù)雜精確控制和變頻驅(qū)動(dòng)，無(wú)疑能夠提升電機(jī)效能，減少電力消耗，從而有助于減少碳排放量。目前包括汽車、消費(fèi)、工業(yè)等各個(gè)電機(jī)行業(yè)都在尋求替代能源方案并實(shí)現(xiàn)更高效的系統(tǒng)，從而減少傳統(tǒng)能耗并降低碳排放。變頻驅(qū)動(dòng)的高效電機(jī)是目前節(jié)能環(huán)保的最佳選擇，采用模塊化的低成本高效率電機(jī)解決方案，可以進(jìn)一步滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。

 　　圖2：國(guó)民技術(shù)支持多種行業(yè)應(yīng)用的變頻電機(jī)控制技術(shù)　

       BLDC電機(jī)技術(shù)或?qū)⒊蔀橹髁鳌?/strong>

　    BLDC電機(jī)和傳統(tǒng)電機(jī)相比有許多顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，在各行各業(yè)都會(huì)逐步替代傳統(tǒng)電機(jī)，行業(yè)前景廣闊。劉濤認(rèn)為，由于軟件算法的不斷進(jìn)步，未來(lái)，無(wú)傳感器控制方式將成為技術(shù)的主流，逐漸替代高成本、高故障率的位置傳感器;另外FOC空間矢量控制技術(shù)，憑借更高效率、更平穩(wěn)運(yùn)行，也將逐步替代方波控制。 

　　不可否認(rèn)，BLDC電機(jī)具有體積小、重量輕、噪聲小、轉(zhuǎn)矩特性好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、效率高，以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。李少輝認(rèn)為，未來(lái)BLDC電機(jī)在生產(chǎn)成本仍有優(yōu)化空間，如采用新材料、新技術(shù)，成本能無(wú)限接近傳統(tǒng)電機(jī)，到那時(shí)BLDC電機(jī)將會(huì)全面普及�！　￡愃�平告訴記者，BLDC電機(jī)是未來(lái)永久的趨勢(shì)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)不管是從小的行業(yè)還是大的行業(yè)都將是BLDC電機(jī)的天下，目前新能源汽車也是采用BLDC電機(jī)，市場(chǎng)潛力巨大。未來(lái)BLDC行業(yè)大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，尤其永磁同步電機(jī)將是行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展方向。

 　　電機(jī)應(yīng)用已經(jīng)深入到社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，其中電機(jī)的高效節(jié)能是一大趨勢(shì)，而變頻技術(shù)是主要發(fā)展方向之一。盡管BLDC在中低速、大功率電機(jī)應(yīng)用方面并不具優(yōu)勢(shì)，但BLDC驅(qū)動(dòng)硬件或者驅(qū)動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性更強(qiáng)，更有利于將算法與硬件電路進(jìn)行集成化。未來(lái)BLDC電機(jī)在小功率電機(jī)應(yīng)用、高速電機(jī)應(yīng)用等方面將獲得大量應(yīng)用。 

　　左亮平還表示，BLDC控制系統(tǒng)是個(gè)典型的非線性、多變量耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制算法簡(jiǎn)單易行，但不易滿足高精度伺服控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度運(yùn)行。未來(lái)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、參數(shù)變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用將大大提高被控系統(tǒng)高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。　

　據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年BLDC電機(jī)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將會(huì)是6.5%左右，2021年BLDC的市場(chǎng)規(guī)模約為185億美元，預(yù)計(jì)到2024年將會(huì)達(dá)到224.4億美元左右�？梢�(jiàn)，未來(lái)BLDC電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將被持續(xù)增長(zhǎng)擴(kuò)大。 

 　　結(jié)語(yǔ)　

　    BLDC電機(jī)已不是陌生的應(yīng)用市場(chǎng)，其優(yōu)勢(shì)和未來(lái)的發(fā)展方向已被多數(shù)工程師認(rèn)可和廣泛創(chuàng)新應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，新材料的應(yīng)用，以及MCU和驅(qū)動(dòng)組件的普及，BLDC電機(jī)的總體成本也將大大降低，其性能得到更好的優(yōu)化。未來(lái)，BLDC電機(jī)行業(yè)的發(fā)展，將隨著創(chuàng)新動(dòng)力的推動(dòng)和新能源汽車、5G等新興方向的應(yīng)用，不斷走向更為廣闊的市場(chǎng)空間。 

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