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BLDC电机控制器下一个发展趋势是什么?
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BLDC电机控制器下一个发展趋势是什么?

2024-06-20 09:49:11 来源:半导体器件应用网 作者:厉丹 点击:1179

【哔哥哔特导读】集成降本?优化算法?BLDC电机控制器更新迭代居然还有新花样......本栏目就邀请整机企业和半导体企业资深行业人士展开对话,一窥BLDC电机控制器的魅力所在,探讨BLDC电机技术创新、算法优化及产业链协同的奥秘。

编者按:

相比于传统的电机,BLDC电机具有不可比拟的优势。在智能化、工业自动化的今天,BLDC电机控制器在白电、新能源汽车、工业/人形机器人等领域有着广泛的应用前景和市场基础。

当前,技术创新仍然是BLDC电机控制器持续领跑的关键。随着市场需求的增长,集成化设计、高性能芯片等先进技术不断融入其中,不仅提升了产品性能,更降低了成本。同时,软件与硬件的协同优化,让电机控制算法更加高效精准。

BLDC电机控制器的长足发展离不开产业链上下游的紧密合作。整机企业与半导体企业只有携手并进,共同面对技术挑战,才能开拓市场新机遇。本栏目就邀请整机企业和半导体企业资深行业人士展开对话,一窥BLDC电机控制器的魅力所在,探讨BLDC电机技术创新、算法优化及产业链协同的奥秘。

对话导览:

1、BLDC电机驱动控制器的应用特点和市场情况如何?贵公司主要提供哪些业务?

2、电机驱动芯片的集成化创新架构在来来将会成为主流。结合具体实例谈谈在某一应用当中的典型解决方案?

3、电机主流控制算法主要有方波控制、SVPWM、FOC等。在实现方面,如何看待软件和硬件层面的差异和优劣?未来哪一种实现方式更有前景?

4、作为产业链下游的整机企业,对上游的半导体企业有哪些建议或期望?希望在合作中尽量满足哪些需求,可以使双方能够共同推动BLDC电机控制器市场发展?

5、在产业链上下游之间,如何与下游整机企业开展合作?如何看待整机工程师提到的半导体器件ADC精度不足和为降低生产成本而减少核心性能参数等问题?

6、如何看待BLDC电机控制器的应用趋势和市场空间?有哪些新的市场规划和发展策略?

对话嘉宾:

BLDC电机控制器下一个发展趋势是什么?

1、谈谈贵公司在BLDC电机控制器市场中的应用及业务?

拓邦股份彭勇军:BLDC电机控制器以其提供瞬间大扭矩和强爆发力的特点,广泛应用于工具类、切割类和压榨类等需要瞬时冲击力的场景。但对于要求平稳运行的场合,如风筒和高铁,它并不适用。

和而泰罗解兵:和而泰在主流趋势中提供BLDC电机方案,主要面向电动工具领域,如电钻、角磨机等,广泛应用于家具、空调、洗衣机等白色家电中。随着交接时间的推进,相关工作也在进行中。

笙泉科技王骏维:笙泉科技在BLDC电机芯片应用上专注于白色家电、小型家电、伺服风机等。BLDC电机产品研发方向主要以节能为主,致力于创造最高效能、节约最小损耗;同时提供完整的BLDC电机方案,利用参数化方式针对不同的电机进行调整,搭配FAE及时支援客户的需求。

英能科技Dennis Wang:浙江英能电子科技有限公司,是专业从事电机驱动集成电路芯片研发、设计、销售的高新技术企业。我司在BLDC电机驱动控制器市场上主要有两类产品:一类是以ZH6338/ZH6318为代表的全集成的SMART ASIC。其中ZH6338是一款6V~40V工作电压,最大相电流1.75A,高集成度的三相FOC驱动芯片。它集成了FOC的控制算法、驱动、检测信号处理以及三个功率半桥。系统通过SPD引脚调速,DIR引脚调节方向,FG反馈速度,以及包括限流、过温、过压、欠压、短路、开路和堵转等完善的保护功能。ZH6338该款产品已成功应用于排风扇、小水泵等行业。由于其区别于单片机的简单的外围电路,较大的驱动电流受到了广大客户的欢迎。

BLDC电机控制器下一个发展趋势是什么?

图1 ZH6338/ZH6318全集成SMART ASIC

另一类是专门为电机驱动设计的ZH521X系列MCU,ZH521X单片机主要包含(ZH5210,ZH5212集成PN驱动,ZH5213集成NN驱动)3种型号。它集成32k字节代码存储器FLASH,4k字节SRAM。集成3个高级定时器,带死区的PWM模块,4个模拟比较器,3个运算放大器,1个12位精度ADC,非常适合应用于风扇、水泵、压缩机、电动工具等电机控制领域。ZH521X已广泛应用于落地扇、水泵、厨房用具等各种直流无刷驱动器的领域当中,其稳定可靠的性能,配合英能自研的无传感FOC算法受到了大批用户的欢迎。

BLDC电机控制器下一个发展趋势是什么?

图2 ZH521X系列MCU

灵动微电子胡力兴:目前灵动在高速吹风筒,扫震电动牙刷、吸尘器、洗衣机等方面都有完整的解决方案。针对不同电压,不同功率以及不同需求的应用,灵动提供多层次的产品组合,集成预驱、LDO、DC/DC和MOSFET,方便客户平台化选择,同时匹配不同的算法,协助客户完成BLDC电机产品研发。

元能芯黄致恺:BLDC电机的市场非常广泛,元能芯将市场方向采取了七个步骤,分别是风、器、乘、居、智、储、车 ,风就是风机,器包含了电动工具与园林工具,乘指的是低速交通工具包含滑板车平衡车,居就是我们生活中常接触的大小家电,接着智就是机器人,例如高功率密度的模块,储能与车用电子则是最后的两大市场应用。

2、电机驱动芯片的集成化创新架构在来来将会成为主流。结合具体实例谈谈在某一应用当中的典型解决方案?

笙泉科技王骏维:目前现有产品,是主控MCU结合不同电压驱动(40V~600V),整合成低/中/高压SoC芯片,驱动外部功率器件(如:MOSFET)来推动马达,因电流量高属中高功率产品。未来也会开发低功率产品,将会再内建外部功率器件All in One,减少外部PCB空间,将产品微小化。

英能科技Dennis Wang:高度集成化的ASIC电机驱动芯片是我司的一大特色。今年4月我司推出了专门为小型步进电机设计的控制和驱动一体芯片ZH6429(L),一经推出受到了业界的广泛认可,并与行业步进电机龙头企业广东惠利普电机有限公司进行了深度合作。

ZH6429是一款工作电压范围4.5V~30V,工作电流600mA。它集成了脉冲计数器,步进电机的路径和速度规划算法、正余弦波发生器、SPWM发生器以及短路保护和过温保护等功能。ZH6429可以实现256细分的正弦步进电机电流,在不同转速下,尤其是高速下,保证静音运行。这解决了小型步进电机行业的一大痛点。

ZH6429还支持堵转保护。当堵转故障发生时电机停机,nFault指示输出。堵转保护功能,可有效避免电机因为长时间堵转运行而损耗的情况,提高步进电机系统的可靠性。

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图3 ZH6429应用

灵动微电子胡力兴:在灵动新的扫震一体电动牙刷方案中,灵动的SPIN023C内部集成LDO和MOSFET,以4mmx4mm的芯片封装,做到极高的集成度和极小的电路板面积,控制BLDC电机。

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图4 灵动微电子的SPIN023C DEMO板示意

在吸尘器方案中,灵动的SPIN080C/G芯片内部集成LDO,预驱以及DC/DC;芯片内部集成的DC/DC最高支持100V电压。同时灵动的SPIN030C可以满足低压小功率的吸尘器应用需求。

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图5 灵动微吸尘器控制方案介绍

元能芯黄致恺:元能芯重新定义与诠释了电机驱动芯片All-in-One,里面整合了MCU、Gate Driver、MOSFET与LDO,透过更先进的封装技术将高效率的芯片全部集成起来,使得整体驱动板更简洁更轻小,不只是整体BOM的成本获得改善,还大幅提升了PCBA的制作良率。元能芯All-in-One的第一代产品,40V耐压,目前在工业风机EC Fan的设计上,改良了早期的复杂零件与设计,将PCB面积缩小了30%,并且从双面板改成了单面板,获得欧洲电机大厂的认可。

3、电机主流控制算法主要有方波控制、SVPWM、FOC等。在实现方面,如何看待软件和硬件层面的差异和优劣?未来哪一种实现方式更有前景?

拓邦股份彭勇军:软件和硬件的主要差异在于性能与灵活性。硬件具有高速运算和高度可靠性优势,但软件则灵活性较高,能根据需求随时调整,并充分发挥人的创造力。从个人角度看,软件更具优势,但从机械化应用和成本效益来看,硬件则更具价值。目前,在中国市场,软件仍占据主导地位。

笙泉科技王骏维:MCU在无感FOC设计上,利用MDE (Motor Driving Engine)达成硬件运算与保护,在高速运转下可以快速计算,计算速度能力约为5uS时长,硬件保护更能体现出最佳安全性,也不再占用MCU控制上的资源,更省下Flash程序空间,完整达成客户想要的功能。

未来无感FOC更为主流,因此笙泉科技开发FOC智慧型调机系统,是一套高级演算法,仅需简单设定马达规格及硬体配置,即能「智慧且适应型」的运算与调适参数,以达到马达驱动性能最佳化。

元能芯黄致恺:在微控制器(MCU)还在8位机时代,由于控制器算力不足,硬件控制算法可以快速解决,并且透过调整外围器件方式作参数的调整。随着半导体工艺的进步,MCU的性能越来越强大,并且可以将部分电机计算模块设计到芯片内部,解决了算力的问题,并且透过软件方式,可以非常有弹性的设计不同电机驱动,并且支持更多少量多样化的BLDC电机应用需求。

和而泰罗解兵:软件算法灵活可调,适用于多系列开发,但依赖特定硬件平台;硬件算法则开发速度快、体积小、成本低,适合快速开发新产品,但灵活性受限。实际应用中,软件与硬件算法各有优势,选择取决于BLDC电机产品应用场景和需求,无法相互取代。

拓邦股份段燕磊:BLDC电机的控制算法可在软件和硬件层面实现。软件算法易于在不同平台上移植,而硬件算法则较为固定,拓展性和升级换代受限。未来发展方向上,软件算法因其灵活性在专用场景和细微调整上更具优势,而硬件算法则因处理速度快,更适用于高速场合。两者各有优劣,取决于具体BLDC电机应用场景。

极海半导体刘洋:不同应用场景下的BLDC电机控制具有不同的特点,软件层面主要依赖MCU和DSP来实现高灵活性、简易调试与更新,以应对需要不断改进和升级功能的应用场景;而硬件层面,则通过ASIC和FPGA提供更高处理速度和实时响应,来满足对稳定性与可靠性有更高需求的应用场景,且在特定场景算法固化后更有利于用户缩短开发周期、降低成本。在实际情况中,为达到更好的性能和使用体验,BLDC电机控制器往往都是软硬件相结合使用。

灵动微电子胡力兴:许多安全保护和功能安全检查的实现是需要硬件上的支持。随着半导体工艺的进一步提升,算力价格的下降,基于算力不足而对算法硬件化的意义越来越小。基于纯软件的算法模块会有更高的灵活度和广泛的适配性。灵动立足ARM的生态平台,同时优化BLDC电机控制相关IP模块,方便客户快速的迭代算法,移植方案。

4、作为产业链下游的整机企业,对上游的半导体企业有哪些建议或期望?希望在合作中尽量满足哪些需求,可以使双方能够共同推动BLDC电机控制器市场发展?

拓邦股份彭勇军:我们在使用上游半导体器件时,尤其是国产芯片,常遇到性能和质量问题,如ADC采集精度不足和芯片本身的bug,这些问题导致方案不稳定。这些问题主要源于成本压缩,牺牲了可靠性。对于国内半导体厂商,我建议在研发过程中注重可靠性和充分测试,同时减少不必要的冗余设计,以确保产品质量和性能。

和而泰罗解兵:国产半导体品牌在市场上逐渐形成了一梯队和二梯队的品牌格局,但在某些性能指标上仍存在差距。尽管一些国产BLDC电机产品声称具备某些参数,但实际测试中可能发现其性能并不如预期。在常规任务中,这些差异可能不明显,但在恶劣或极端条件下使用时,问题便会显现。这方面可能不太完善,不太满足我们的需求。毕竟国产与国外顶级巨头的BLDC电机产品还是有区别的。

拓邦股份段燕磊:我们在实施方案时,有时会遇到上游半导体器件的质量问题或性能不达标,特别是在MCU的抗干扰性方面,这是我们在实际体验中可能遇到的问题。

5、在产业链上下游之间,如何与下游整机企业开展合作?如何看待整机工程师提到的半导体器件ADC精度不足和为降低生产成本而减少核心性能参数等问题?

笙泉科技王骏维:根据终端客户反应,过去在调机时,常面临不知如何筛选高达数十组以上的马达规格(参数),导致「调机」变成相当耗时的任务,以致无法掌控电机开发时程及可靠性。由于马达需要调整,笙泉科技因而开发了一套智能调整系统,方便客户调整马达功能,现在透过此套FOC智慧型调机系统,演算法内建的韧体资料库(Lib),收敛到只需输入简单9组参数(包括线性阻值、电感值、PWM频率、马达极数、转速等),即可轻松快速地完成调机,大幅减低了马达电机的开发困难度。

极海半导体刘洋:极海搭建了完善的电机控制生态平台,凭借由资深电机算法工程师、软硬件工程师组成的技术服务团队,可与客户技术人员组建联合开发团队,共同进行产品设计和研发,根据用户逻辑优化产品软硬件设计,目前已推出工业风机、强磁搅拌器、电动两轮车、高压水泵以及实验室离心机等众多量产级应用案例。

我们在与客户的合作中,都会充分测试半导体器件及方案,根据客户产品实际应用场景,选择符合ADC精度和性能参数需求的产品,任何经由极海技术服务团队提出的、可帮助客户优化成本、降低功耗的方案,都建立在确保客户产品竞争力不受影响、达成共识的前提,不存在半导体器件参数不满足设计需求的情况。如果半导体行业内出现在提问中所述情况,那也应该只是个别厂商虚标参数所导致的个案,不是行业普遍存在的问题。

6、如何看待BLDC电机驱动控制器的应用趋势和市场空间?有哪些新的市场规划和发展策略?

拓邦股份彭勇军:BLDC电机驱动控制器行业预计在未来20年内仍将保持热门,但随着技术门槛降低,参与者增多,行业竞争将加剧,可能影响行业份额、个人待遇和公司利润。要想走得更好,企业需要不断创新和向高端化发展,同时兼顾成本和可靠性。个人则需要掌握更多核心技术。在技术应用上,BLDC电机在新能源和机器人等领域的应用前景广阔,尤其在中国能源转型和新能源发展的背景下,BLDC电机市场需求将持续增长。整体而言,BLDC电机行业竞争也将更加激烈。

元能芯黄致恺:全球绿能大政策ESG,其中BLDC电机能带来的直接节能是非常可观的,BLDC电机比传统电机效率高上许多,但没有好的电机控制器多年来一直是电机厂或系统厂的痛,元能芯提供了All-in-One搭配应用等级的完整算法与方案,从风机的市场开始,帮助更多客户可以快速的设计落地,以及更高集成的设计,使得整体竞争力更有优势。

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图6 All-in-One第一款产品MYi0002V0405            图7 高压EC Fan驱动板设计

笙泉科技王骏维:对标国外厂商的主控芯片,提升演算法的计算能力,降低成本以提高产品上的性价比,这是笙泉科技BLDC电机产品一直以来致力的目标。FOC控制是未来新市场的趋势,已开发FOC智慧型调机系统,几组参数便可轻松调机,提供客户快速开发与导入产品,再加上本身晶片致力于硬体演算法开发,对标高能效运算,让BLDC电机产品在国内外更具竞争优势。

灵动微电子胡力兴:BLDC电机的应用市场广泛。目前BLDC电机相对于交流电机的优势也越来越明显。灵动微电子会立足当前,不停的迭代和优化自身的BLDC电机产品和生态。

结语:

在当前乃至未来,BLDC电机控制器应用领域不断扩展,其市场潜力都是非常巨大的。伴随产品精细化、智能化的程度越来越高,市场对BLDC电机驱动芯片的性能要求也越来越高,更多集成预驱、LDO、运放、DC/DC和MOSFET等。在小型化、集成化的趋势下,芯片的功能和性能越来越齐全,降低成本的同时,提高了BLDC电机产品本身的高效能、低噪音等性能。百花齐放的市场竞争中,各家在BLDC电机控制算法上的差异性和独特性方案,不断根据客户需求进行调整,优化自身的BLDC电机产品和生态。上下游产业链间只有不断协同,抓住市场机遇,共同推进技术创新,BLDC电机控制器将会在更多领域展现出其独特魅力!

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