電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）這幾年，我們看到一個明顯的趨勢，那就是BLDC（無刷直流）/PMSM（永磁同步）電機在工業(yè)、汽車、家電、電動工具、醫(yī)療設(shè)備等多種應(yīng)用場合有了越來越多的應(yīng)用。這是因為BLDC電機可以高速運行，轉(zhuǎn)速通�？梢猿^10,000rpm，甚至100,000rpm，且具有低轉(zhuǎn)子慣量，允許快速加速、減速，以及快速反向，并且具有高功率密度，可以將電機的尺寸做得更加緊湊，因此，越來越多的應(yīng)用場景開始采用BLDC電機。而PMSM與帶有繞線定子和永磁轉(zhuǎn)子的BLDC具有相似的結(jié)構(gòu)，但定子結(jié)構(gòu)和繞組更類似于AC感應(yīng)電機，在氣隙中產(chǎn)生正弦磁通密度。PMSM與施加的三相交流電壓同步運行，并且具有比交流感應(yīng)電動機更高的功率密度，因為沒有定子功率用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子中的磁場。目前的設(shè)計也更強大，讓PMSM電機同時具有更低的質(zhì)量和慣性矩，因此，許多工業(yè)驅(qū)動，牽引應(yīng)用和電器具應(yīng)用場景中越來越青睞它。
BLDC/PMSM電機流行的主要推動因素
能效是電機的重要指標(biāo)之一，和能效相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，比如自2021年6月1日起在我國實施的GB18163-2020新國標(biāo)就規(guī)定了IE3能效等級以下的電機已經(jīng)被禁止生產(chǎn)和銷售了。更高的能效要求催生了半導(dǎo)體器件（包括功率器件和電機控制器）需求的增長，因為市場將更加偏向采用BLDC/PMSM等高效的電機方案，同時也驅(qū)動著半導(dǎo)體廠商在電機控制算法和功率器件上的不斷創(chuàng)新。
圖：TI 無刷直流電機驅(qū)動器產(chǎn)品線應(yīng)用營銷經(jīng)理Charlie Munoz
在TI 無刷直流電機驅(qū)動器產(chǎn)品線應(yīng)用營銷經(jīng)理Charlie Munoz看來，這些新的標(biāo)準(zhǔn)將會促使更多客戶采用新的技術(shù)，以滿足他們在效率、尺寸和成本上的要求。電機效率是節(jié)能的一個重要問題，電機功耗在電器和其他應(yīng)用的整體能耗中占有很大的比重。而構(gòu)建BLDC/PMSM電機系統(tǒng)需要電機供應(yīng)商和半導(dǎo)體廠商的共同努力。對電機供應(yīng)商來說，機械電機組裝成本太高，無法實現(xiàn)額外的效率，因此他們需要半導(dǎo)體廠商幫助提高電機驅(qū)動器和算法的效率，以優(yōu)化系統(tǒng)。
圖：ADI中國區(qū)工業(yè)自動化行業(yè)市場經(jīng)理祝臻
ADI中國區(qū)工業(yè)自動化行業(yè)市場經(jīng)理祝臻認(rèn)為，BLDC/PMSM電機逐漸成為主流電機類型，由于其控制電子設(shè)備的成本急劇下降，新的控制算法激增，因此它在工業(yè)和家電等領(lǐng)域越來越普及。Allegro MicroSystems公司策略和市場副總裁Mark Gill也看到了這個趨勢，“我們看到BLDC電機在工業(yè)和汽車應(yīng)用中有繼續(xù)取代有刷電機和步進電機的發(fā)展趨勢。制造和控制BLDC/PMSM電機的成本繼續(xù)下降，并且會有越來越多的應(yīng)用選擇BLDC/PMSM電機，特別是對于可靠性和電磁兼容性要求更高的應(yīng)用尤其如此�！�
圖：Allegro MicroSystems公司策略和市場副總裁Mark Gill
拿家電應(yīng)用來說，英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場總監(jiān)陳子穎引用Omdia的數(shù)據(jù)表示，預(yù)計到2024年，家用空調(diào)變頻率會達到99%，洗衣機與電冰箱的變頻率也會逐年提高，到2024年會分別達到94%和75%。除了效率、可靠性和魯棒性等特性外，越來越多應(yīng)用場景趨向于采用BLDC電機的原因還有一個因素，那就是噪聲，比如電動/混動汽車座艙內(nèi)的一些電機應(yīng)用對噪聲比較敏感，高端車型當(dāng)中越來越多的傾向于采用BLDC電機。TI的Charlie Munoz對電子發(fā)燒友網(wǎng)表示，還有一個需要關(guān)注噪聲的領(lǐng)域就是家用電器，例如洗碗機、冰箱這類家電中的泵和風(fēng)扇。在這些應(yīng)用中，BLDC/PMSM電機和高效的驅(qū)動系統(tǒng)對產(chǎn)品能否成功至關(guān)重要。當(dāng)然，BLDC電機也可以應(yīng)用在家用電扇、洗衣機泵、筆記本電腦風(fēng)扇、汽車ADAS、座椅冷卻與通風(fēng)、EPS和制動、通風(fēng)機、服務(wù)器冷卻風(fēng)扇和泵等應(yīng)用場景當(dāng)中。
BLDC/PMSM電機驅(qū)動方式及選擇技巧
目前BLDC/PMSM電機的控制解決方案有多種，據(jù)安森美電機控制方案產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tristan Scott介紹，從器件集成度的角度來講，有分立的功率管，也有集成的模塊，有無需MCU參與的獨立驅(qū)動方案，也有完全集成了控制器、驅(qū)動和功率管的SoC方案，分別適用于不同的應(yīng)用場景；從控制的角度來講，BLDC/PMSM電機的控制解決方案包括有傳感器和無傳感器的梯形算法，正弦和磁場定向。有傳感器解決方案受益于低成本和易于換向，而無傳感器解決方案能夠節(jié)省電路板空間，并通過消除傳感器故障風(fēng)險來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
安森美電機控制方案產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tristan Scott
具體來說，根據(jù)系統(tǒng)速度、扭矩和位置要求的不同，可以選擇不同的解決方案。TI的Charlie Munoz指出，梯形算法是一種低成本、易實施的控制算法，其對處理能力要求較低，但與正弦和磁場定向控制相比，存在較大的扭矩波紋。正弦是一種高效、超靜音的解決方案，但與梯形算法相比更復(fù)雜，并且容易遭受更高的開關(guān)損失。最后，磁場定向控制FOC (Field Oriented Control)與其他換向方法相比，具有更高的轉(zhuǎn)矩和電機效率，以及更低的噪音和轉(zhuǎn)矩脈動。安森美的Tristan Scott則認(rèn)為，正弦波控制和FOC的應(yīng)用場景更多，傳統(tǒng)的梯形波控制在一些高效率、低轉(zhuǎn)矩波動要求的場景中慢慢被取代。具體產(chǎn)品方面，有的廠商提供分立硬件解決方案，有的提供集成的解決方案。比如安森美在功率器件方面，可提供分立的IGBT，MOSFET和SiC MoSFET以用于中低功率場合，同時也有IPM模塊（集成了功率管和驅(qū)動）用于中高功率場景，IPM模塊可以幫助客戶節(jié)省PCB面積，優(yōu)化散熱和EMI性能并縮短開發(fā)時間。在控制方面，他們會提供一系列３相驅(qū)動以及全集成(MCU+驅(qū)動＋功率管)的SoC方案。在很多場景中，全集成的方案能夠有效縮小電機整體尺寸并簡化客戶開發(fā)難度。TI的BLDC產(chǎn)品包括分立式柵極驅(qū)動器和集成式柵極驅(qū)動器。集成式柵極驅(qū)動器控制FET驅(qū)動器和易操作的柵極驅(qū)動器，可以讓客戶在十分鐘以內(nèi)調(diào)整電機。它的主要優(yōu)點是運動控制安靜流暢，整合系統(tǒng)有序，效率高，功率密度大，電源和封裝能夠擴展，并且非�？煽�。在這一領(lǐng)域，TI有一些新的產(chǎn)品，比如MCF8315A和MCT8329A，可供工程師選擇。
圖：英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場總監(jiān)陳子穎
英飛凌的電機驅(qū)動方案覆蓋幾十瓦到幾十兆瓦的各類應(yīng)用。功率半導(dǎo)體產(chǎn)品包括 IGBT、 SiC MOSFET、MOSFET、IPM智能功率模塊、高壓大電流晶閘管，以及電機驅(qū)動芯片iMOTION和面向電機控制應(yīng)用的MCU產(chǎn)品等。其中，iMOTION系列產(chǎn)品使用直流母線電流檢測或使用橋臂電流檢測，集成了無傳感器磁場定向控制(FOC)所需的所有控制以及模擬接口功能。它是專用的電機驅(qū)動芯片，運用英飛凌公司長期積累的系統(tǒng)級know-how，可以在單芯片上完成單電阻采樣、無傳感器的雙電機控制和PFC控制�？蛻魺o需進行電機控制編程，開發(fā)簡單，研發(fā)周期短。主要應(yīng)用于以變頻家電為主的各種電機驅(qū)動，控制對象包括壓機，風(fēng)機，水泵以及通用電機。Allegro主要提供ASIL安全等級電機驅(qū)動器、無需代碼高級程度運動控制，及高集成度的小封裝的電機控制器解決方案，典型的案例是A89332-1和A89331，這些三相無傳感器風(fēng)扇控制器有助于降低系統(tǒng)成本。A89332柵極驅(qū)動器具有斷電制動（PLB）功能，可以通過使斷電或無法正常工作的風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動來降低能耗。帶有集成MOSFET的A89331三相電機驅(qū)動器提供無傳感器控制，消除了服務(wù)器冷卻風(fēng)扇應(yīng)用中對霍爾傳感器的需求。A89331采用無傳感器正弦驅(qū)動器，可最大限度地減少高速風(fēng)扇的振動。ADI則可以提供功率電子器件、隔離器件、電流檢測、位置檢測和振動檢測等傳感器、及運動控制器等器件。比如高壓系統(tǒng)(>100 V)使用絕緣柵驅(qū)動器來驅(qū)動功率半導(dǎo)體。而ADuM4122 是單柵絕緣柵驅(qū)動器，提供3 A短路(<3 Ω)，支持功能性或增強絕緣（高達~800 V直流母線），提供擺率控制，以實現(xiàn)EMI/功率損耗優(yōu)化；還支持高共模瞬變抑制(CMTI)和低傳播延遲，以配合SiC和GaN功率半導(dǎo)體使用。ADuM160N 多通道數(shù)字隔離器可用于隔離PWM信號，與集成了柵驅(qū)動器和功率半導(dǎo)體的集成功率模塊(IPM)配合使用。ADuM6028 隔離功率器件可與數(shù)字隔離器、隔離型收發(fā)器和隔離型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一起使用，提供完全通過安全認(rèn)證、可即時使用的非常小巧的8引腳解決方案。對于低壓系統(tǒng)(<100 V)，可使用提供浮動接地和可編程死區(qū)時間的100 V半橋驅(qū)動器 LTC7060，或采用PassThru技術(shù)和自適應(yīng)擊穿保護的150 V受保護高端NMOS靜態(tài)開關(guān)驅(qū)動器 LTC7000來驅(qū)動低壓半導(dǎo)體。LTC7000還支持可編程死區(qū)時間（用于優(yōu)化效率）、增強型電流控制和擺率控制（用于降低EMI）。ADA4570 和 ADA4571 將AMR角度傳感器和集成式信號調(diào)節(jié)器集成在一起，為電機驅(qū)動器和伺服器應(yīng)用提供更高精度的絕對位置檢測（誤差<0.1°，使用壽命/溫度<0.5°）。它們能在嚴(yán)苛的磁性環(huán)境中可靠運行，支持寬氣隙公差且不降低角誤差精度（與霍爾/GMR/TMR不同），并簡化系統(tǒng)設(shè)計考量。那么該如何為電機控制應(yīng)用選擇合適的解決方案呢？Allegro MicroSystems電機業(yè)務(wù)產(chǎn)品線總監(jiān)Daniel Torres的建議是，首先要了解電機驅(qū)動設(shè)計的關(guān)鍵因素：成本、尺寸、可靠性、穩(wěn)健性和上市時間，Allegro網(wǎng)站可以提供基于常見參數(shù)的產(chǎn)品選擇工具。下一個決定可能是要確定是否需要使用外部微處理器（稱為直接控制）或帶有集成微處理器的產(chǎn)品（稱為智能控制），這些基礎(chǔ)架構(gòu)中的每一個都有兩個功率級選項。首先是集成式預(yù)驅(qū)動器，其中采用外部高功率柵極驅(qū)動器；其次是完全集成式全柵極驅(qū)動器，通常適用于低功率系統(tǒng)。總的來說，如果Allegro的無需代碼Quiet Motion電機驅(qū)動器能夠滿足系統(tǒng)的功率/電壓要求，那么它幾乎是總能夠滿足系統(tǒng)成本和上市時間要求的最佳解決方案。Allegro的解決方案能夠提供較高的性能，無需外部微處理器或軟件開發(fā)。而對于安全關(guān)鍵型系統(tǒng)，Allegro可提供一系列符合汽車安全完整性D級（ASIL D）的無刷直流電機驅(qū)動器，可以滿足最苛刻的汽車應(yīng)用要求。英飛凌的陳子穎從半導(dǎo)體公司角度建議說，工程師需要開發(fā)容易上手的產(chǎn)品，在官網(wǎng)上英飛凌關(guān)于CiPOS 和iMOTION 方案有40多個，并可提供250+個電機驅(qū)動參考設(shè)計和相關(guān)的評估板作為參考。當(dāng)有需求時，可以登錄英飛凌開發(fā)者論壇，在論壇上也可提供電機驅(qū)動的設(shè)計支持以及技術(shù)交流。英飛凌科技安全互聯(lián)系統(tǒng)事業(yè)部市場經(jīng)理朱樺補充說，英飛凌有成熟的MCU、功率器件、有傳感器和無傳感器電機算法、軟件、以及硬件參考設(shè)計，可以為客戶提供完整的交鑰匙方案，幫助他們進行量產(chǎn)級產(chǎn)品的快速開發(fā)。TI為了使BLDC產(chǎn)品的選擇更容易，提供了4個不同的步驟來簡化選擇過程。每個步驟需要根據(jù)功率水平、架構(gòu)、電機控制類型、接口和集成要求進行選擇。TI的無刷直流電機驅(qū)動器注意事項和選擇指南為系統(tǒng)選擇最佳無刷直流解決方案提供了參考建議。TI官網(wǎng)提供簡單的選擇工具，如參數(shù)搜索、組合可視化和圍繞特色應(yīng)用程序的簡單用例內(nèi)容，幫助客戶輕松選擇正確的設(shè)備。
電機控制新技術(shù)及未來趨勢
隨著BLDC/PMSM電機控制技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了不少新的產(chǎn)品和技術(shù)，比如高電壓、無傳感器控制、正弦和定向控制以及運動健康監(jiān)測。不同公司也有不同的應(yīng)對策略。據(jù)TI的Charlie Munoz透露，TI通過開發(fā)不同的創(chuàng)新性集成控制解決方案，如電機參數(shù)提取工具來快速適應(yīng)電力需求。由于BLDC 電機設(shè)計的復(fù)雜性需要軟件算法與硬件組件的平滑集成和驅(qū)動。TI 正在采取積極措施，通過提供一站式解決方案、免代碼集成無傳感器控制驅(qū)動器、調(diào)整指南和 GUI 平臺來幫助快速評估和調(diào)整電機以實現(xiàn)最高效率，從而減少設(shè)計時間和工作量�！拔覀冞�提供特定于應(yīng)用的設(shè)計，我們可以通過死區(qū)補償和 PWM 調(diào)制等技術(shù)將噪聲降低 2-3dB�！彼赋�。ADI針對智能制造領(lǐng)域的電機控制趨勢發(fā)表了自己的看法，他們認(rèn)為要實現(xiàn)用于智能制造的下一代智能運動控制解決方案，需要組合使用多種技術(shù)。這些技術(shù)組合使用時可以對嚴(yán)苛的工業(yè)部署提供可靠、精準(zhǔn)的運動控制，且可訪問來自高級檢測的系統(tǒng)信息。這就需要精準(zhǔn)測量、隔離和接口、工業(yè)以太網(wǎng)、磁傳感、電源管理、機器健康等方面的技術(shù)組合。舉例來說，為了支持實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制的下一代驅(qū)動器和電機，需要采用數(shù)字隔離技術(shù)，以提供隔離數(shù)據(jù)和隔離通信接口，例如RS-485、USB和LVDS。還需要使用絕緣柵驅(qū)動器來驅(qū)動高端和低端功率半導(dǎo)體，以提供可靠、安全且高度可靠的資產(chǎn)。柵驅(qū)動器將邏輯電平PWM信號轉(zhuǎn)化為控制功率晶體管的高端參考信號。高壓逆變器應(yīng)用通常使用IGBT，未來則傾向于使用SiC和GaN來提高開關(guān)頻率和/或降低開關(guān)損耗。英飛凌利用其專業(yè)制造知識和長期經(jīng)驗，開發(fā)了一種SiC溝槽工藝，規(guī)避了平面柵的柵氧可靠性問題�？紤]到電機驅(qū)動對功率開關(guān)的短路承受能力的要求，英飛凌的芯片具有2-3微秒的短路能力。產(chǎn)品封裝在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TO247封裝和貼片封裝TO267-7封裝。英飛凌還提供Easy 1B和Easy 2B封裝SiC MOSFET三相橋功率模塊，這樣寄生參數(shù)小，功率密度高。除了整體更高的效率和更低的損耗外，SiC技術(shù)實現(xiàn)的更高開關(guān)頻率直接有益于處于更動態(tài)的控制環(huán)境中的外部和集成伺服驅(qū)動器。不斷變化的電機負(fù)載條件下，更快的電機電流響應(yīng)速度使其成為可能。安森美也開發(fā)了基于SiC MOS的TMPIM模塊用于變頻器應(yīng)用，可以縮減電感線圈體積并提升熱性能。加上其DTFC算法，這是業(yè)內(nèi)首個在M0+平臺上實現(xiàn)的先進電機控制方案，可以讓工程師有更多的選擇。談到未來發(fā)展趨勢，集成方案是大家普遍看好的。由于激烈的競爭必然會推動更多的創(chuàng)新，而集成方案可以幫助客戶縮減系統(tǒng)體積，提升可靠性，并且降低開發(fā)周期，因此，這個發(fā)展趨勢更被行業(yè)看好。Allegro MicroSystems電機業(yè)務(wù)產(chǎn)品線總監(jiān)Daniel Torres解釋說，未來的一個趨勢是在最高水平實現(xiàn)電機驅(qū)動解決方案的集成，其好處是更小的PCB、更小的電機和成本優(yōu)化的設(shè)計。而通過功能集成可以減少系統(tǒng)中所需的IC數(shù)量，這樣可以降低系統(tǒng)對于各種資源的需求，減少電流消耗，從而直接提高系統(tǒng)效率。他同時指出，提高集成度能夠減少對其他組件的需求，并進一步減少物料清單（BOM），可為客戶提供更多的靈活性。提高集成度還能夠通過簡化設(shè)計，縮短產(chǎn)品上市時間。而在Allegro的電機驅(qū)動器中，高集成度消除了在系統(tǒng)中實施時所需的驗證和corner analysis，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)進一步優(yōu)化。Daniel Torres認(rèn)為，未來的創(chuàng)新可能會通過集成微處理器中通常存在的功能來進一步減少系統(tǒng)BOM，從而讓客戶最終可以從系統(tǒng)中去除微處理器。而提供微處理器的廠商則開始在其微處理器產(chǎn)品中集成越來越多的模擬和功率器件，有的還將算法也固化在其產(chǎn)品當(dāng)中，從而讓客戶的開發(fā)更加簡單，BOM成本更低。電機控制行業(yè)正在轉(zhuǎn)向更高效率、更低噪聲和更高魯棒性的系統(tǒng)。這一轉(zhuǎn)變將讓更多的客戶過渡到BLDC/PMSM電機系統(tǒng)。隨著智能制造的普及與工業(yè)4.0的興起，電機承擔(dān)著動力輸出的核心角色，對電機控制的要求也越來越高。特別是精密制造行業(yè)中，如何具備出色的運動控制能力將成為電機行業(yè)的熱門話題，具體到方案，就需要低漂移，高精度，高瞬態(tài)等各種芯片和方案的支持。另外，耐用性/可靠性/安全性也將越來越受到重視，特別是隨著電機數(shù)量的快速增加，快速維護顯得越發(fā)重視。而這些都需要芯片廠商的大力支持。談到未來應(yīng)用，隨著工業(yè)和汽車市場繼續(xù)呈現(xiàn)更多的電氣化趨勢，BLDC/PMSM 可能會出現(xiàn)增長，工業(yè)電器市場中可能會有更多的發(fā)展，例如真空吸塵器、泵和風(fēng)扇等在家庭環(huán)境中對噪聲敏感的應(yīng)用。此外，BLDC/PMSM汽車市場可能會在混動/電動汽車中有更多的應(yīng)用，這對電機的高效率和低噪聲提出更高的要求。 |
