【嗶哥嗶特導讀】BLDC電機以其獨特的優(yōu)勢廣泛應用在眾多領(lǐng)域。隨著國內(nèi)廠商掌握BLDC電機技術(shù)，創(chuàng)新意識也引起了行業(yè)人士的關(guān)注。不難預測，未來伴隨技術(shù)的創(chuàng)新和新領(lǐng)域的興起，BLDC電機將迎來更多新興領(lǐng)域的應用，開拓更廣闊的市場�！�

　    前言：　

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

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

　　深圳市航順芯片技術(shù)研發(fā)有限公司(簡稱：航順芯片)產(chǎn)品經(jīng)理陳水平坦言，航順芯片越來越重視BLDC的行業(yè)應用，目前方案主要集中在電動工具、家用電器和工業(yè)控制領(lǐng)域，其中變頻冰箱、變頻器、風扇燈、筋膜槍、電剪刀、電扳手等產(chǎn)品都有相關(guān)的方案應用;同時針對不同產(chǎn)品采用不同的控制方式，大部分產(chǎn)品用FOC控制，轉(zhuǎn)速細膩，啟動平穩(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，也是低成本方案的最佳選擇。 

　　作為領(lǐng)先的國產(chǎn)通用安全MCU芯片與方案供應商，國民技術(shù)股份有限公司(簡稱：國民技術(shù))提供了多個系列電機MCU芯片產(chǎn)品及BLDC電機應用解決方案。MCU芯片性能優(yōu)異，資源豐富，電機應用技術(shù)指標業(yè)界領(lǐng)先，為電機控制帶來了更高效率和更低BOM成本。芯片SDK集成自研先進電機控制算法庫，包括MRAS、SMO在內(nèi)的多種無感觀測、高頻注入、電機參數(shù)識別等多個算法�！�

　　　圖1：國民技術(shù)電機控制MCU Roadmap　

　    基于N32G系列MCU，國民技術(shù)提供業(yè)界領(lǐng)先的單芯片一拖多BLDC電機應用方案，滿足高性能多FOC、高性價比、低成本等不同電機控制需求，適用于消費、工業(yè)、家電等領(lǐng)域。應用場景包括：空調(diào)壓縮機、變頻冰箱、洗衣機、等白色家電，以及高速吸塵器、掃地機、無人機、電動車控制器、高性能電動工具等各種電機應用。 

　　珠海極海半導體有限公司(簡稱：極海半導體)基于中高端工控領(lǐng)域多年的技術(shù)積累與應用實踐經(jīng)驗，針對BLDC電機應用，推出了32位APM32系列工業(yè)級通用MCU;同時在特定的細分行業(yè)，也推出了如手持吸塵器、電動車電機驅(qū)動、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)極海半導體市場產(chǎn)品總監(jiān)劉濤介紹，APM32工業(yè)級通用MCU以及電機應用方案，穩(wěn)定性好，安全性高，抗干擾能力強;全系列芯片符合工業(yè)級高可靠性標準，工作溫度范圍覆蓋-40℃~+105℃，ESD等級高達8KV，是國產(chǎn)MCU率先通過IEC61508 SIL3認證的廠商;同時與多家行業(yè)知名IDH合作開發(fā)方案，可幫助客戶項目落地量產(chǎn)。 

　　此外，珠海泰芯半導體有限公司(簡稱：泰芯)的TXM2000系列BLDC專用MCU目前已在電動工具、筋膜槍、空氣凈化器、風扇、水泵、無人機等領(lǐng)域大批量應用。該系列產(chǎn)品采用有/無感器的FOC控制方式;采用32位MCU作為主控制器、高低壓半橋驅(qū)動、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BLDC電機市場的MCU仍在設(shè)計中。目前已量產(chǎn)的產(chǎn)品AT32F421系列，具有120MHz的CPU主頻，配合提供的電機庫，可實現(xiàn)十萬轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速，在吸塵器、破壁機等需要高轉(zhuǎn)速的市場已量產(chǎn)。 

 　　巧妙應對BLDC電機技術(shù)的難點和挑戰(zhàn)　

　    早年間，直流無刷電機FOC算法大多掌握在歐美廠商手里，隨著國產(chǎn)電機MCU的崛起，國內(nèi)越來越多的廠商掌握了直流無刷電機FOC算法。 

　　由于無刷電機屬于自換流型(自我方向轉(zhuǎn)換)，控制起來更加復雜。為了感應轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機采用霍爾效應傳感器來提供絕對定位感應，導致了更多線的使用和更高的成本。李少輝指出，無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機的反電動勢(電動勢)來預測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對于像風扇和泵類的低成本變速應用至關(guān)重要。 

　　BLDC電機在不同應用場景的難點和挑戰(zhàn)都有所不同，例如伺服器要求高可靠性和精確控制、風機要求平滑啟動和低噪音、吸塵器應用要求超高轉(zhuǎn)速FOC控制、而電動工具則要求大扭力啟動。 

　　劉濤告訴記者，極海半導體APM32電機控制MCU及應用方案，具有響應速度快、穩(wěn)態(tài)/動態(tài)誤差低、可靠性高、抗干擾性強等特點;支持主流FOC算法庫，可實現(xiàn)正弦波控制，保障電機穩(wěn)定運行;支持浮點乘法運算和多種電阻采樣方式，有助于提升應用方案的運算速度和控制精度;同時集成快速電流環(huán)技術(shù)，具有極高動態(tài)響應速度。 

　　此外，各種電機應用對核心驅(qū)動電機控制精度、轉(zhuǎn)矩脈動、可靠性、噪聲震動(NVH)、電機驅(qū)動效率、弱磁性能、電流響應速度等技術(shù)性能的要求越來高，電機控制算法日趨復雜，這對電機控制技術(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)計方面，為了滿足更靈活的通信和傳感等智能化需求，電機驅(qū)動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，以便對電機驅(qū)動系統(tǒng)多傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行采集和分析。國民技術(shù)方案開發(fā)部高級解決方案經(jīng)理左亮平指出，面向小型化、一體化電機驅(qū)動器場合，芯片內(nèi)部集成更多的運放、比較器、數(shù)字濾波器接口，甚至電機控制算法硬件化。基于資源豐富的高集成度控制芯片，集成先進電機控制技術(shù)與算法，可以打造高效能、高性價比BLDC電機應用解決方案。 

　　陳水平認為，目前BLDC 電機技術(shù)的難點主要集中在中大功率的控制上面，功率變大會導致很多外圍器件的控制成本上升，控制電路更復雜;此外，電機轉(zhuǎn)速越來越高，對MCU的主頻以及其他性能要求越來越苛刻，需要MCU時刻都要根據(jù)市場需求進行資源調(diào)整。據(jù)他介紹，航順芯片針對目前電機應用特推出電機專用MCU HK32ASPIN0xx 電機專用MCU，把很多電機算法硬件化，提升代碼效率，并集成比較器、高速ADC 等電機驅(qū)動資源讓芯片集成度更高。 

 　   提升電機能效，有何解決辦法?　

       2021年6月1日，于2020年5月發(fā)布的中國最新版強制性國家標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》正式實施。新國標明確規(guī)定，自標準實施之日起，IE3能效將成為中國最低的三相異步電動機能效限定值(三級能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動機(如YE2系列電機等)不允許再生產(chǎn)銷售�！�

　    不得不說，新國標的正式實施，使得電機能效生產(chǎn)的門檻進一步提高，但對國內(nèi)多數(shù)廠商而言，有效提升電機能效仍然是一個很大的問題。就家電領(lǐng)域而言，目前國內(nèi)家電行業(yè)BLDC電機普及率相比歐美日等區(qū)域仍有一定差距，國內(nèi)大多數(shù)家電應用仍采用傳統(tǒng)定頻電機，高效電機占有率不足3%。　

       電機驅(qū)動是電能消耗的主要途徑。劉濤和李少輝一致認為，采用變頻調(diào)速技術(shù)改善電機驅(qū)動方式，使電動機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行，可大大降低輕載運行時的電能消耗，提升電機能效。另外，劉濤還認為，在電機滿足負載要求功能的前提下，也可以設(shè)計、制造和選用合適部件，通過完善電機本身設(shè)計方案，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合效能的提升。 

　　可以說，電機能效永遠都是新的話題，因為大家都希望做到能效越高越好，損耗越低越好，這也是響應國家節(jié)能減排的策略。陳水平告訴記者，電機能效的提升可從硬件和軟件方面談，首先電機本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，驅(qū)動電路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，讓整個系統(tǒng)處于最好的運行狀態(tài)，就能達到提升電機運轉(zhuǎn)能效的目的。

 　　左亮平認為，采用高效節(jié)能的變頻電機，采用復雜精確控制和變頻驅(qū)動，無疑能夠提升電機效能，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、工業(yè)等各個電機行業(yè)都在尋求替代能源方案并實現(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)動的高效電機是目前節(jié)能環(huán)保的最佳選擇，采用模塊化的低成本高效率電機解決方案，可以進一步滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。

 　　圖2：國民技術(shù)支持多種行業(yè)應用的變頻電機控制技術(shù)　

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

　    BLDC電機和傳統(tǒng)電機相比有許多顯而易見的優(yōu)勢，在各行各業(yè)都會逐步替代傳統(tǒng)電機，行業(yè)前景廣闊。劉濤認為，由于軟件算法的不斷進步，未來，無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)運行，也將逐步替代方波控制。 

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

 　　電機應用已經(jīng)深入到社會生產(chǎn)生活的各個方面，其中電機的高效節(jié)能是一大趨勢，而變頻技術(shù)是主要發(fā)展方向之一。盡管BLDC在中低速、大功率電機應用方面并不具優(yōu)勢，但BLDC驅(qū)動硬件或者驅(qū)動算法實現(xiàn)相對簡單，適應性更強，更有利于將算法與硬件電路進行集成化。未來BLDC電機在小功率電機應用、高速電機應用等方面將獲得大量應用。 

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

　據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，預計未來幾年BLDC電機的年復合增長率將會是6.5%左右，2021年BLDC的市場規(guī)模約為185億美元，預計到2024年將會達到224.4億美元左右�？梢�，未來BLDC電機市場規(guī)模將被持續(xù)增長擴大。 

 　　結(jié)語　

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

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