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　　【嗶哥嗶特導讀】BLDC電機以其獨特的優勢廣泛應用在眾多領域。隨著國內廠商掌握BLDC電機技術，創新意識也引起了行業人士的關注。不難預測，未來伴隨技術的創新和新領域的興起，BLDC電機將迎來更多新興領域的應用，開拓更廣闊的市場。　

　    前言：　

　    BLDC，無刷直流電機，利用電子換相技術代替傳統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質電機，至今已有50多年的發展歷史。目前，隨著工業自動化、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、工業控制、無人機等諸多領域，也是國內半導體廠商重點布局和投入的市場。BLDC電機技術創新逐漸引起行業的更多關注。　　BLDC電機創新產品及方案應用　

　    技術創新是推動行業發展的不懈源泉，在電機行業亦是如此。BLDC電機技術的創新，使得眾多廠商的產品及方案不斷推陳出新，以其出色的特點和優勢與其他同類產品及方案區別開來。 

　　深圳市航順芯片技術研發有限公司(簡稱：航順芯片)產品經理陳水平坦言，航順芯片越來越重視BLDC的行業應用，目前方案主要集中在電動工具、家用電器和工業控制領域，其中變頻冰箱、變頻器、風扇燈、筋膜槍、電剪刀、電扳手等產品都有相關的方案應用;同時針對不同產品采用不同的控制方式，大部分產品用FOC控制，轉速細膩，啟動平穩，以及高效靜音，部分產品，如筋膜槍，電扳手，則采用方波控制，其成本低，力度大，帶堵轉保護，也是低成本方案的最佳選擇。 

　　作為領先的國產通用安全MCU芯片與方案供應商，國民技術股份有限公司(簡稱：國民技術)提供了多個系列電機MCU芯片產品及BLDC電機應用解決方案。MCU芯片性能優異，資源豐富，電機應用技術指標業界領先，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在內的多種無感觀測、高頻注入、電機參數識別等多個算法。　

　　　圖1：國民技術電機控制MCU Roadmap　

　    基于N32G系列MCU，國民技術提供業界領先的單芯片一拖多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、家電等領域。應用場景包括：空調壓縮機、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)基于中高端工控領域多年的技術積累與應用實踐經驗，針對BLDC電機應用，推出了32位APM32系列工業級通用MCU;同時在特定的細分行業，也推出了如手持吸塵器、電動車電機驅動、冰箱變頻控制器、以及擺輪分揀設備滾筒系統等可量產的全套解決方案。 

　　據極海半導體市場產品總監劉濤介紹，APM32工業級通用MCU以及電機應用方案，穩定性好，安全性高，抗干擾能力強;全系列芯片符合工業級高可靠性標準，工作溫度范圍覆蓋-40℃~+105℃，ESD等級高達8KV，是國產MCU率先通過IEC61508 SIL3認證的廠商;同時與多家行業知名IDH合作開發方案，可幫助客戶項目落地量產。 

　　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、無人機等領域大批量應用。該系列產品采用有/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存的高性能MCU的企業，雅特力科技(重慶)有限公司針對BLDC電機市場的MCU仍在設計中。目前已量產的產品AT32F421系列，具有120MHz的CPU主頻，配合提供的電機庫，可實現十萬轉以上的轉速，在吸塵器、破壁機等需要高轉速的市場已量產。 

 　　巧妙應對BLDC電機技術的難點和挑戰　

　    早年間，直流無刷電機FOC算法大多掌握在歐美廠商手里，隨著國產電機MCU的崛起，國內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(自我方向轉換)，控制起來更加復雜。為了感應轉子位置，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重要。 

　　BLDC電機在不同應用場景的難點和挑戰都有所不同，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、穩態/動態誤差低、可靠性高、抗干擾性強等特點;支持主流FOC算法庫，可實現正弦波控制，保障電機穩定運行;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技術，具有極高動態響應速度。 

　　此外，各種電機應用對核心驅動電機控制精度、轉矩脈動、可靠性、噪聲震動(NVH)、電機驅動效率、弱磁性能、電流響應速度等技術性能的要求越來高，電機控制算法日趨復雜，這對電機控制技術及主控制器芯片的功能性能構成了挑戰。 

　　在芯片硬件設計方面，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/數字(A/D)和數字/模擬(D/A)接口，以便對電機驅動系統多傳感器所采集的數據進行采集和分析。國民技術方案開發部高級解決方案經理左亮平指出，面向小型化、一體化電機驅動器場合，芯片內部集成更多的運放、比較器、數字濾波器接口，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時刻都要根據市場需求進行資源調整。據他介紹，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)不允許再生產銷售。　

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

       電機驅動是電能消耗的主要途徑。劉濤和李少輝一致認為，采用變頻調速技術改善電機驅動方式，使電動機在最節能的轉速下運行，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，也可以設計、制造和選用合適部件，通過完善電機本身設計方案，實現系統綜合效能的提升。 

　　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，首先電機本身的結構優化，驅動電路PCB板的優化，選用合適的硬件，再次從軟件上面提升算法能力，優化代碼邏輯，讓整個系統處于最好的運行狀態，就能達到提升電機運轉能效的目的。

 　　左亮平認為，采用高效節能的變頻電機，采用復雜精確控制和變頻驅動，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、工業等各個電機行業都在尋求替代能源方案并實現更高效的系統，從而減少傳統能耗并降低碳排放。變頻驅動的高效電機是目前節能環保的最佳選擇，采用模塊化的低成本高效率電機解決方案，可以進一步滿足環保、法規和客戶需求。

 　　圖2：國民技術支持多種行業應用的變頻電機控制技術　

       BLDC電機技術或將成為主流　

　    BLDC電機和傳統電機相比有許多顯而易見的優勢，在各行各業都會逐步替代傳統電機，行業前景廣闊。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，憑借更高效率、更平穩運行，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、轉矩特性好、啟動轉矩大、調速范圍廣、效率高，以及壽命長等特點。李少輝認為，未來BLDC電機在生產成本仍有優化空間，如采用新材料、新技術，成本能無限接近傳統電機，到那時BLDC電機將會全面普及。　　陳水平告訴記者，BLDC電機是未來永久的趨勢。電機驅動不管是從小的行業還是大的行業都將是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行業大功率的電機驅動，尤其永磁同步電機將是行業創新發展方向。

 　　電機應用已經深入到社會生產生活的各個方面，其中電機的高效節能是一大趨勢，而變頻技術是主要發展方向之一。盡管BLDC在中低速、大功率電機應用方面并不具優勢，但BLDC驅動硬件或者驅動算法實現相對簡單，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控制系統是個典型的非線性、多變量耦合系統，傳統的PID控制算法簡單易行，但不易滿足高精度伺服控制系統，難以實現電機的高精度運行。未來模糊控制、神經網絡控制、參數變結構控制等現代控制理論的應用將大大提高被控系統高質量的動態和穩態性能。　

　據有關數據統計，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的市場規模約為185億美元，預計到2024年將會達到224.4億美元左右。可見，未來BLDC電機市場規模將被持續增長擴大。 

 　　結語　

　    BLDC電機已不是陌生的應用市場，其優勢和未來的發展方向已被多數工程師認可和廣泛創新應用。隨著半導體技術的發展，新材料的應用，以及MCU和驅動組件的普及，BLDC電機的總體成本也將大大降低，其性能得到更好的優化。未來，BLDC電機行業的發展，將隨著創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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