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创新BLDC电机技术,迎接新兴应用开拓市场
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创新BLDC电机技术,迎接新兴应用开拓市场

2021-07-08 14:02:57 来源:半导体器件应用网 点击:10022

【哔哥哔特导读】BLDC电机以其独特的优势广泛应用在众多领域。随着国内厂商掌握BLDC电机技术,创新意识也引起了行业人士的关注。不难预测,未来伴随技术的创新和新领域的兴起,BLDC电机将迎来更多新兴领域的应用,开拓更广阔的市场。

前言:

BLDC,无刷直流电机,利用电子换相技术代替传统直流电动机的电刷换向,是具有高效率、寿命长、控制性良好等特点的优质电机,至今已有50多年的发展历史。目前,随着工业自动化、智能化和人们生活水平的提高,BLDC电机广泛应用在家用电器、电动工具、工业控制、无人机等诸多领域,也是国内半导体厂商重点布局和投入的市场。BLDC电机技术创新逐渐引起行业的更多关注。

BLDC电机创新产品及方案应用

技术创新是推动行业发展的不懈源泉,在电机行业亦是如此。BLDC电机技术的创新,使得众多厂商的产品及方案不断推陈出新,以其出色的特点和优势与其他同类产品及方案区别开来。

深圳市航顺芯片技术研发有限公司(简称:航顺芯片)产品经理陈水平坦言,航顺芯片越来越重视BLDC的行业应用,目前方案主要集中在电动工具、家用电器和工业控制领域,其中变频冰箱、变频器、风扇灯、筋膜枪、电剪刀、电扳手等产品都有相关的方案应用;同时针对不同产品采用不同的控制方式,大部分产品用FOC控制,转速细腻,启动平稳,以及高效静音,部分产品,如筋膜枪,电扳手,则采用方波控制,其成本低,力度大,带堵转保护,也是低成本方案的最佳选择。

作为领先的国产通用安全MCU芯片与方案供应商,国民技术股份有限公司(简称:国民技术)提供了多个系列电机MCU芯片产品及BLDC电机应用解决方案。MCU芯片性能优异,资源丰富,电机应用技术指标业界领先,为电机控制带来了更高效率和更低BOM成本。芯片SDK集成自研先进电机控制算法库,包括MRAS、SMO在内的多种无感观测、高频注入、电机参数识别等多个算法。

创新BLDC电机技术,迎接新兴应用开拓市场

图1:国民技术电机控制MCU Roadmap

基于N32G系列MCU,国民技术提供业界领先的单芯片一拖多BLDC电机应用方案,满足高性能多FOC、高性价比、低成本等不同电机控制需求,适用于消费、工业、家电等领域。应用场景包括:空调压缩机、变频冰箱、洗衣机、等白色家电,以及高速吸尘器、扫地机、无人机、电动车控制器、高性能电动工具等各种电机应用。

珠海极海半导体有限公司(简称:极海半导体)基于中高端工控领域多年的技术积累与应用实践经验,针对BLDC电机应用,推出了32位APM32系列工业级通用MCU;同时在特定的细分行业,也推出了如手持吸尘器、电动车电机驱动、冰箱变频控制器、以及摆轮分拣设备滚筒系统等可量产的全套解决方案。

据极海半导体市场产品总监刘涛介绍,APM32工业级通用MCU以及电机应用方案,稳定性好,安全性高,抗干扰能力强;全系列芯片符合工业级高可靠性标准,工作温度范围覆盖-40℃~+105℃,ESD等级高达8KV,是国产MCU率先通过IEC61508 SIL3认证的厂商;同时与多家行业知名IDH合作开发方案,可帮助客户项目落地量产。

此外,珠海泰芯半导体有限公司(简称:泰芯)的TXM2000系列BLDC专用MCU目前已在电动工具、筋膜枪、空气净化器、风扇、水泵、无人机等领域大批量应用。该系列产品采用有/无感器的FOC控制方式;采用32位MCU作为主控制器、高低压半桥驱动、高低压电源管理IC,配合高低压MOSFET及IPM模块、遥控模块等产品线,为客户提供电机控制完整解决方案。

作为主打高主频和大内存的高性能MCU的企业,雅特力科技(重庆)有限公司针对BLDC电机市场的MCU仍在设计中。目前已量产的产品AT32F421系列,具有120MHz的CPU主频,配合提供的电机库,可实现十万转以上的转速,在吸尘器、破壁机等需要高转速的市场已量产。

巧妙应对BLDC电机技术的难点和挑战

早年间,直流无刷电机FOC算法大多掌握在欧美厂商手里,随着国产电机MCU的崛起,国内越来越多的厂商掌握了直流无刷电机FOC算法。

由于无刷电机属于自换流型(自我方向转换),控制起来更加复杂。为了感应转子位置,BLDC电机采用霍尔效应传感器来提供绝对定位感应,导致了更多线的使用和更高的成本。李少辉指出,无传感器BLDC控制省去了对于霍尔传感器的需要,而是采用电机的反电动势(电动势)来预测转子位置。无传感器控制对于像风扇和泵类的低成本变速应用至关重要。

BLDC电机在不同应用场景的难点和挑战都有所不同,例如伺服器要求高可靠性和精确控制、风机要求平滑启动和低噪音、吸尘器应用要求超高转速FOC控制、而电动工具则要求大扭力启动。

刘涛告诉记者,极海半导体APM32电机控制MCU及应用方案,具有响应速度快、稳态/动态误差低、可靠性高、抗干扰性强等特点;支持主流FOC算法库,可实现正弦波控制,保障电机稳定运行;支持浮点乘法运算和多种电阻采样方式,有助于提升应用方案的运算速度和控制精度;同时集成快速电流环技术,具有极高动态响应速度。

此外,各种电机应用对核心驱动电机控制精度、转矩脉动、可靠性、噪声震动(NVH)、电机驱动效率、弱磁性能、电流响应速度等技术性能的要求越来高,电机控制算法日趋复杂,这对电机控制技术及主控制器芯片的功能性能构成了挑战。

在芯片硬件设计方面,为了满足更灵活的通信和传感等智能化需求,电机驱动器主控芯片集成更加多样化的通信接口及更多通道的模拟/数字(A/D)和数字/模拟(D/A)接口,以便对电机驱动系统多传感器所采集的数据进行采集和分析。国民技术方案开发部高级解决方案经理左亮平指出,面向小型化、一体化电机驱动器场合,芯片内部集成更多的运放、比较器、数字滤波器接口,甚至电机控制算法硬件化。基于资源丰富的高集成度控制芯片,集成先进电机控制技术与算法,可以打造高效能、高性价比BLDC电机应用解决方案。

陈水平认为,目前BLDC 电机技术的难点主要集中在中大功率的控制上面,功率变大会导致很多外围器件的控制成本上升,控制电路更复杂;此外,电机转速越来越高,对MCU的主频以及其他性能要求越来越苛刻,需要MCU时刻都要根据市场需求进行资源调整。据他介绍,航顺芯片针对目前电机应用特推出电机专用MCU HK32ASPIN0xx 电机专用MCU,把很多电机算法硬件化,提升代码效率,并集成比较器、高速ADC 等电机驱动资源让芯片集成度更高。

提升电机能效,有何解决办法?

2021年6月1日,于2020年5月发布的中国最新版强制性国家标准GB 18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》正式实施。新国标明确规定,自标准实施之日起,IE3能效将成为中国最低的三相异步电动机能效限定值(三级能效),低于IE3能效限定值的三相异步电动机(如YE2系列电机等)不允许再生产销售。

不得不说,新国标的正式实施,使得电机能效生产的门槛进一步提高,但对国内多数厂商而言,有效提升电机能效仍然是一个很大的问题。就家电领域而言,目前国内家电行业BLDC电机普及率相比欧美日等区域仍有一定差距,国内大多数家电应用仍采用传统定频电机,高效电机占有率不足3%。

电机驱动是电能消耗的主要途径。刘涛和李少辉一致认为,采用变频调速技术改善电机驱动方式,使电动机在最节能的转速下运行,可大大降低轻载运行时的电能消耗,提升电机能效。另外,刘涛还认为,在电机满足负载要求功能的前提下,也可以设计、制造和选用合适部件,通过完善电机本身设计方案,实现系统综合效能的提升。

可以说,电机能效永远都是新的话题,因为大家都希望做到能效越高越好,损耗越低越好,这也是响应国家节能减排的策略。陈水平告诉记者,电机能效的提升可从硬件和软件方面谈,首先电机本身的结构优化,驱动电路PCB板的优化,选用合适的硬件,再次从软件上面提升算法能力,优化代码逻辑,让整个系统处于最好的运行状态,就能达到提升电机运转能效的目的。

左亮平认为,采用高效节能的变频电机,采用复杂精确控制和变频驱动,无疑能够提升电机效能,减少电力消耗,从而有助于减少碳排放量。目前包括汽车、消费、工业等各个电机行业都在寻求替代能源方案并实现更高效的系统,从而减少传统能耗并降低碳排放。变频驱动的高效电机是目前节能环保的最佳选择,采用模块化的低成本高效率电机解决方案,可以进一步满足环保、法规和客户需求。

创新BLDC电机技术,迎接新兴应用开拓市场

图2:国民技术支持多种行业应用的变频电机控制技术

BLDC电机技术或将成为主流

BLDC电机和传统电机相比有许多显而易见的优势,在各行各业都会逐步替代传统电机,行业前景广阔。刘涛认为,由于软件算法的不断进步,未来,无传感器控制方式将成为技术的主流,逐渐替代高成本、高故障率的位置传感器;另外FOC空间矢量控制技术,凭借更高效率、更平稳运行,也将逐步替代方波控制。

不可否认,BLDC电机具有体积小、重量轻、噪声小、转矩特性好、启动转矩大、调速范围广、效率高,以及寿命长等特点。李少辉认为,未来BLDC电机在生产成本仍有优化空间,如采用新材料、新技术,成本能无限接近传统电机,到那时BLDC电机将会全面普及。

陈水平告诉记者,BLDC电机是未来永久的趋势。电机驱动不管是从小的行业还是大的行业都将是BLDC电机的天下,目前新能源汽车也是采用BLDC电机,市场潜力巨大。未来BLDC行业大功率的电机驱动,尤其永磁同步电机将是行业创新发展方向。

电机应用已经深入到社会生产生活的各个方面,其中电机的高效节能是一大趋势,而变频技术是主要发展方向之一。尽管BLDC在中低速、大功率电机应用方面并不具优势,但BLDC驱动硬件或者驱动算法实现相对简单,适应性更强,更有利于将算法与硬件电路进行集成化。未来BLDC电机在小功率电机应用、高速电机应用等方面将获得大量应用。

左亮平还表示,BLDC控制系统是个典型的非线性、多变量耦合系统,传统的PID控制算法简单易行,但不易满足高精度伺服控制系统,难以实现电机的高精度运行。未来模糊控制、神经网络控制、参数变结构控制等现代控制理论的应用将大大提高被控系统高质量的动态和稳态性能。

据有关数据统计,预计未来几年BLDC电机的年复合增长率将会是6.5%左右,2021年BLDC的市场规模约为185亿美元,预计到2024年将会达到224.4亿美元左右。可见,未来BLDC电机市场规模将被持续增长扩大。

结语

BLDC电机已不是陌生的应用市场,其优势和未来的发展方向已被多数工程师认可和广泛创新应用。随着半导体技术的发展,新材料的应用,以及MCU和驱动组件的普及,BLDC电机的总体成本也将大大降低,其性能得到更好的优化。未来,BLDC电机行业的发展,将随着创新动力的推动和新能源汽车、5G等新兴方向的应用,不断走向更为广阔的市场空间。

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