BLDC电机越来越流行，集成控制方案将是未来趋势
发布日期:2023-04-11
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电子发烧友网报道（文/程文智）这几年，我们看到一个明显的趋势，那就是BLDC（无刷直流）/PMSM（永磁同步）电机在工业、汽车、家电、电动工具、医疗设备等多种应用场合有了越来越多的应用。这是因为BLDC电机可以高速运行，转速通常可以超过10,000rpm，甚至100,000rpm，且具有低转子惯量，允许快速加速、减速，以及快速反向，并且具有高功率密度，可以将电机的尺寸做得更加紧凑，因此，越来越多的应用场景开始采用BLDC电机。
而PMSM与带有绕线定子和永磁转子的BLDC具有相似的结构，但定子结构和绕组更类似于AC感应电机，在气隙中产生正弦磁通密度。PMSM与施加的三相交流电压同步运行，并且具有比交流感应电动机更高的功率密度，因为没有定子功率用于感应转子中的磁场。目前的设计也更强大，让PMSM电机同时具有更低的质量和惯性矩，因此，许多工业驱动，牵引应用和电器具应用场景中越来越青睐它。
BLDC/PMSM电机流行的主要推动因素
能效是电机的重要指标之一，和能效相关的行业标准日趋严格，比如自2021年6月1日起在我国实施的GB18163-2020新国标就规定了IE3能效等级以下的电机已经被禁止生产和销售了。更高的能效要求催生了半导体器件（包括功率器件和电机控制器）需求的增长，因为市场将更加偏向采用BLDC/PMSM等高效的电机方案，同时也驱动着半导体厂商在电机控制算法和功率器件上的不断创新。
图：TI 无刷直流电机驱动器产品线应用营销经理Charlie Munoz
在TI 无刷直流电机驱动器产品线应用营销经理Charlie Munoz看来，这些新的标准将会促使更多客户采用新的技术，以满足他们在效率、尺寸和成本上的要求。电机效率是节能的一个重要问题，电机功耗在电器和其他应用的整体能耗中占有很大的比重。
而构建BLDC/PMSM电机系统需要电机供应商和半导体厂商的共同努力。对电机供应商来说，机械电机组装成本太高，无法实现额外的效率，因此他们需要半导体厂商帮助提高电机驱动器和算法的效率，以优化系统。
图：ADI中国区工业自动化行业市场经理祝臻
ADI中国区工业自动化行业市场经理祝臻认为，BLDC/PMSM电机逐渐成为主流电机类型，由于其控制电子设备的成本急剧下降，新的控制算法激增，因此它在工业和家电等领域越来越普及。
Allegro MicroSystems公司策略和市场副总裁Mark Gill也看到了这个趋势，“我们看到BLDC电机在工业和汽车应用中有继续取代有刷电机和步进电机的发展趋势。制造和控制BLDC/PMSM电机的成本继续下降，并且会有越来越多的应用选择BLDC/PMSM电机，特别是对于可靠性和电磁兼容性要求更高的应用尤其如此。”
图：Allegro MicroSystems公司策略和市场副总裁Mark Gill
拿家电应用来说，英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监陈子颖引用Omdia的数据表示，预计到2024年，家用空调变频率会达到99%，洗衣机与电冰箱的变频率也会逐年提高，到2024年会分别达到94%和75%。
除了效率、可靠性和鲁棒性等特性外，越来越多应用场景趋向于采用BLDC电机的原因还有一个因素，那就是噪声，比如电动/混动汽车座舱内的一些电机应用对噪声比较敏感，高端车型当中越来越多的倾向于采用BLDC电机。
TI的Charlie Munoz对电子发烧友网表示，还有一个需要关注噪声的领域就是家用电器，例如洗碗机、冰箱这类家电中的泵和风扇。在这些应用中，BLDC/PMSM电机和高效的驱动系统对产品能否成功至关重要。
当然，BLDC电机也可以应用在家用电扇、洗衣机泵、笔记本电脑风扇、汽车ADAS、座椅冷却与通风、EPS和制动、通风机、服务器冷却风扇和泵等应用场景当中。
BLDC/PMSM电机驱动方式及选择技巧
目前BLDC/PMSM电机的控制解决方案有多种，据安森美电机控制方案产品营销经理Tristan Scott介绍，从器件集成度的角度来讲，有分立的功率管，也有集成的模块，有无需MCU参与的独立驱动方案，也有完全集成了控制器、驱动和功率管的SoC方案，分别适用于不同的应用场景；从控制的角度来讲，BLDC/PMSM电机的控制解决方案包括有传感器和无传感器的梯形算法，正弦和磁场定向。有传感器解决方案受益于低成本和易于换向，而无传感器解决方案能够节省电路板空间，并通过消除传感器故障风险来提高系统的稳定性。
安森美电机控制方案产品营销经理Tristan Scott
具体来说，根据系统速度、扭矩和位置要求的不同，可以选择不同的解决方案。TI的Charlie Munoz指出，梯形算法是一种低成本、易实施的控制算法，其对处理能力要求较低，但与正弦和磁场定向控制相比，存在较大的扭矩波纹。正弦是一种高效、超静音的解决方案，但与梯形算法相比更复杂，并且容易遭受更高的开关损失。最后，磁场定向控制FOC (Field Oriented Control)与其他换向方法相比，具有更高的转矩和电机效率，以及更低的噪音和转矩脉动。
安森美的Tristan Scott则认为，正弦波控制和FOC的应用场景更多，传统的梯形波控制在一些高效率、低转矩波动要求的场景中慢慢被取代。
具体产品方面，有的厂商提供分立硬件解决方案，有的提供集成的解决方案。比如安森美在功率器件方面，可提供分立的IGBT，MOSFET和SiC MoSFET以用于中低功率场合，同时也有IPM模块（集成了功率管和驱动）用于中高功率场景，IPM模块可以帮助客户节省PCB面积，优化散热和EMI性能并缩短开发时间。在控制方面，他们会提供一系列３相驱动以及全集成(MCU+驱动＋功率管)的SoC方案。在很多场景中，全集成的方案能够有效缩小电机整体尺寸并简化客户开发难度。
TI的BLDC产品包括分立式栅极驱动器和集成式栅极驱动器。集成式栅极驱动器控制FET驱动器和易操作的栅极驱动器，可以让客户在十分钟以内调整电机。它的主要优点是运动控制安静流畅，整合系统有序，效率高，功率密度大，电源和封装能够扩展，并且非常可靠。在这一领域，TI有一些新的产品，比如MCF8315A和MCT8329A，可供工程师选择。
图：英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监陈子颖
英飞凌的电机驱动方案覆盖几十瓦到几十兆瓦的各类应用。功率半导体产品包括 IGBT、 SiC MOSFET、MOSFET、IPM智能功率模块、高压大电流晶闸管，以及电机驱动芯片iMOTION和面向电机控制应用的MCU产品等。其中，iMOTION系列产品使用直流母线电流检测或使用桥臂电流检测，集成了无传感器磁场定向控制(FOC)所需的所有控制以及模拟接口功能。它是专用的电机驱动芯片，运用英飞凌公司长期积累的系统级know-how，可以在单芯片上完成单电阻采样、无传感器的双电机控制和PFC控制。客户无需进行电机控制编程，开发简单，研发周期短。主要应用于以变频家电为主的各种电机驱动，控制对象包括压机，风机，水泵以及通用电机。
Allegro主要提供ASIL安全等级电机驱动器、无需代码高级程度运动控制，及高集成度的小封装的电机控制器解决方案，典型的案例是A89332-1和A89331，这些三相无传感器风扇控制器有助于降低系统成本。A89332栅极驱动器具有断电制动（PLB）功能，可以通过使断电或无法正常工作的风扇停止转动来降低能耗。带有集成MOSFET的A89331三相电机驱动器提供无传感器控制，消除了服务器冷却风扇应用中对霍尔传感器的需求。A89331采用无传感器正弦驱动器，可最大限度地减少高速风扇的振动。
ADI则可以提供功率电子器件、隔离器件、电流检测、位置检测和振动检测等传感器、及运动控制器等器件。比如高压系统(>100 V)使用绝缘栅驱动器来驱动功率半导体。而ADuM4122 是单栅绝缘栅驱动器，提供3 A短路(<3 Ω)，支持功能性或增强绝缘（高达~800 V直流母线），提供摆率控制，以实现EMI/功率损耗优化；还支持高共模瞬变抑制(CMTI)和低传播延迟，以配合SiC和GaN功率半导体使用。ADuM160N 多通道数字隔离器可用于隔离PWM信号，与集成了栅驱动器和功率半导体的集成功率模块(IPM)配合使用。ADuM6028 隔离功率器件可与数字隔离器、隔离型收发器和隔离型数据转换器一起使用，提供完全通过安全认证、可即时使用的非常小巧的8引脚解决方案。
对于低压系统(<100 V)，可使用提供浮动接地和可编程死区时间的100 V半桥驱动器 LTC7060，或采用PassThru技术和自适应击穿保护的150 V受保护高端NMOS静态开关驱动器 LTC7000来驱动低压半导体。LTC7000还支持可编程死区时间（用于优化效率）、增强型电流控制和摆率控制（用于降低EMI）。
ADA4570 和 ADA4571 将AMR角度传感器和集成式信号调节器集成在一起，为电机驱动器和伺服器应用提供更高精度的绝对位置检测（误差<0.1°，使用寿命/温度<0.5°）。它们能在严苛的磁性环境中可靠运行，支持宽气隙公差且不降低角误差精度（与霍尔/GMR/TMR不同），并简化系统设计考量。
那么该如何为电机控制应用选择合适的解决方案呢？Allegro MicroSystems电机业务产品线总监Daniel Torres的建议是，首先要了解电机驱动设计的关键因素：成本、尺寸、可靠性、稳健性和上市时间，Allegro网站可以提供基于常见参数的产品选择工具。
下一个决定可能是要确定是否需要使用外部微处理器（称为直接控制）或带有集成微处理器的产品（称为智能控制），这些基础架构中的每一个都有两个功率级选项。首先是集成式预驱动器，其中采用外部高功率栅极驱动器；其次是完全集成式全栅极驱动器，通常适用于低功率系统。
总的来说，如果Allegro的无需代码Quiet Motion电机驱动器能够满足系统的功率/电压要求，那么它几乎是总能够满足系统成本和上市时间要求的最佳解决方案。Allegro的解决方案能够提供较高的性能，无需外部微处理器或软件开发。
而对于安全关键型系统，Allegro可提供一系列符合汽车安全完整性D级（ASIL D）的无刷直流电机驱动器，可以满足最苛刻的汽车应用要求。
英飞凌的陈子颖从半导体公司角度建议说，工程师需要开发容易上手的产品，在官网上英飞凌关于CiPOS 和iMOTION 方案有40多个，并可提供250+个电机驱动参考设计和相关的评估板作为参考。当有需求时，可以登录英飞凌开发者论坛，在论坛上也可提供电机驱动的设计支持以及技术交流。
英飞凌科技安全互联系统事业部市场经理朱桦补充说，英飞凌有成熟的MCU、功率器件、有传感器和无传感器电机算法、软件、以及硬件参考设计，可以为客户提供完整的交钥匙方案，帮助他们进行量产级产品的快速开发。
TI为了使BLDC产品的选择更容易，提供了4个不同的步骤来简化选择过程。每个步骤需要根据功率水平、架构、电机控制类型、接口和集成要求进行选择。TI的无刷直流电机驱动器注意事项和选择指南为系统选择最佳无刷直流解决方案提供了参考建议。TI官网提供简单的选择工具，如参数搜索、组合可视化和围绕特色应用程序的简单用例内容，帮助客户轻松选择正确的设备。
电机控制新技术及未来趋势
随着BLDC/PMSM电机控制技术的发展，也出现了不少新的产品和技术，比如高电压、无传感器控制、正弦和定向控制以及运动健康监测。不同公司也有不同的应对策略。
据TI的Charlie Munoz透露，TI通过开发不同的创新性集成控制解决方案，如电机参数提取工具来快速适应电力需求。由于BLDC 电机设计的复杂性需要软件算法与硬件组件的平滑集成和驱动。TI 正在采取积极措施，通过提供一站式解决方案、免代码集成无传感器控制驱动器、调整指南和 GUI 平台来帮助快速评估和调整电机以实现最高效率，从而减少设计时间和工作量。“我们还提供特定于应用的设计，我们可以通过死区补偿和 PWM 调制等技术将噪声降低 2-3dB。”他指出。
ADI针对智能制造领域的电机控制趋势发表了自己的看法，他们认为要实现用于智能制造的下一代智能运动控制解决方案，需要组合使用多种技术。这些技术组合使用时可以对严苛的工业部署提供可靠、精准的运动控制，且可访问来自高级检测的系统信息。这就需要精准测量、隔离和接口、工业以太网、磁传感、电源管理、机器健康等方面的技术组合。举例来说，为了支持实现复杂的运动控制的下一代驱动器和电机，需要采用数字隔离技术，以提供隔离数据和隔离通信接口，例如RS-485、USB和LVDS。还需要使用绝缘栅驱动器来驱动高端和低端功率半导体，以提供可靠、安全且高度可靠的资产。栅驱动器将逻辑电平PWM信号转化为控制功率晶体管的高端参考信号。高压逆变器应用通常使用IGBT，未来则倾向于使用SiC和GaN来提高开关频率和/或降低开关损耗。
英飞凌利用其专业制造知识和长期经验，开发了一种SiC沟槽工艺，规避了平面栅的栅氧可靠性问题。考虑到电机驱动对功率开关的短路承受能力的要求，英飞凌的芯片具有2-3微秒的短路能力。产品封装在工业标准TO247封装和贴片封装TO267-7封装。英飞凌还提供Easy 1B和Easy 2B封装SiC MOSFET三相桥功率模块，这样寄生参数小，功率密度高。除了整体更高的效率和更低的损耗外，SiC技术实现的更高开关频率直接有益于处于更动态的控制环境中的外部和集成伺服驱动器。不断变化的电机负载条件下，更快的电机电流响应速度使其成为可能。
安森美也开发了基于SiC MOS的TMPIM模块用于变频器应用，可以缩减电感线圈体积并提升热性能。加上其DTFC算法，这是业内首个在M0+平台上实现的先进电机控制方案，可以让工程师有更多的选择。
谈到未来发展趋势，集成方案是大家普遍看好的。由于激烈的竞争必然会推动更多的创新，而集成方案可以帮助客户缩减系统体积，提升可靠性，并且降低开发周期，因此，这个发展趋势更被行业看好。
Allegro MicroSystems电机业务产品线总监Daniel Torres解释说，未来的一个趋势是在最高水平实现电机驱动解决方案的集成，其好处是更小的PCB、更小的电机和成本优化的设计。而通过功能集成可以减少系统中所需的IC数量，这样可以降低系统对于各种资源的需求，减少电流消耗，从而直接提高系统效率。
他同时指出，提高集成度能够减少对其他组件的需求，并进一步减少物料清单（BOM），可为客户提供更多的灵活性。提高集成度还能够通过简化设计，缩短产品上市时间。而在Allegro的电机驱动器中，高集成度消除了在系统中实施时所需的验证和corner analysis，从而实现了系统进一步优化。
Daniel Torres认为，未来的创新可能会通过集成微处理器中通常存在的功能来进一步减少系统BOM，从而让客户最终可以从系统中去除微处理器。
而提供微处理器的厂商则开始在其微处理器产品中集成越来越多的模拟和功率器件，有的还将算法也固化在其产品当中，从而让客户的开发更加简单，BOM成本更低。
结语
电机控制行业正在转向更高效率、更低噪声和更高鲁棒性的系统。这一转变将让更多的客户过渡到BLDC/PMSM电机系统。随着智能制造的普及与工业4.0的兴起，电机承担着动力输出的核心角色，对电机控制的要求也越来越高。特别是精密制造行业中，如何具备出色的运动控制能力将成为电机行业的热门话题，具体到方案，就需要低漂移，高精度，高瞬态等各种芯片和方案的支持。另外，耐用性/可靠性/安全性也将越来越受到重视，特别是随着电机数量的快速增加，快速维护显得越发重视。而这些都需要芯片厂商的大力支持。
谈到未来应用，随着工业和汽车市场继续呈现更多的电气化趋势，BLDC/PMSM 可能会出现增长，工业电器市场中可能会有更多的发展，例如真空吸尘器、泵和风扇等在家庭环境中对噪声敏感的应用。此外，BLDC/PMSM汽车市场可能会在混动/电动汽车中有更多的应用，这对电机的高效率和低噪声提出更高的要求。
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