電子發燒友網報道（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、汽車、家電、電動工具、醫療設備等多種應用場合有了越來越多的應用。這是因為BLDC電機可以高速運行，轉速通常可以超過10,000rpm，甚至100,000rpm，且具有低轉子慣量，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，越來越多的應用場景開始采用BLDC電機。而PMSM與帶有繞線定子和永磁轉子的BLDC具有相似的結構，但定子結構和繞組更類似于AC感應電機，在氣隙中產生正弦磁通密度。PMSM與施加的三相交流電壓同步運行，并且具有比交流感應電動機更高的功率密度，因為沒有定子功率用于感應轉子中的磁場。目前的設計也更強大，讓PMSM電機同時具有更低的質量和慣性矩，因此，許多工業驅動，牽引應用和電器具應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之一，和能效相關的行業標準日趨嚴格，比如自2021年6月1日起在我國實施的GB18163-2020新國標就規定了IE3能效等級以下的電機已經被禁止生產和銷售了。更高的能效要求催生了半導體器件（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，同時也驅動著半導體廠商在電機控制算法和功率器件上的不斷創新。
圖：TI 無刷直流電機驅動器產品線應用營銷經理Charlie Munoz
在TI 無刷直流電機驅動器產品線應用營銷經理Charlie Munoz看來，這些新的標準將會促使更多客戶采用新的技術，以滿足他們在效率、尺寸和成本上的要求。電機效率是節能的一個重要問題，電機功耗在電器和其他應用的整體能耗中占有很大的比重。而構建BLDC/PMSM電機系統需要電機供應商和半導體廠商的共同努力。對電機供應商來說，機械電機組裝成本太高，無法實現額外的效率，因此他們需要半導體廠商幫助提高電機驅動器和算法的效率，以優化系統。
ADI中國區工業自動化行業市場經理祝臻認為，BLDC/PMSM電機逐漸成為主流電機類型，由于其控制電子設備的成本急劇下降，新的控制算法激增，因此它在工業和家電等領域越來越普及。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電機在工業和汽車應用中有繼續取代有刷電機和步進電機的發展趨勢。制造和控制BLDC/PMSM電機的成本繼續下降，并且會有越來越多的應用選擇BLDC/PMSM電機，特別是對于可靠性和電磁兼容性要求更高的應用尤其如此。”
圖：Allegro MicroSystems公司策略和市場副總裁Mark Gill
拿家電應用來說，英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監陳子穎引用Omdia的數據表示，預計到2024年，家用空調變頻率會達到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/混動汽車座艙內的一些電機應用對噪聲比較敏感，高端車型當中越來越多的傾向于采用BLDC電機。TI的Charlie Munoz對電子發燒友網表示，還有一個需要關注噪聲的領域就是家用電器，例如洗碗機、冰箱這類家電中的泵和風扇。在這些應用中，BLDC/PMSM電機和高效的驅動系統對產品能否成功至關重要。當然，BLDC電機也可以應用在家用電扇、洗衣機泵、筆記本電腦風扇、汽車ADAS、座椅冷卻與通風、EPS和制動、通風機、服務器冷卻風扇和泵等應用場景當中。
BLDC/PMSM電機驅動方式及選擇技巧
目前BLDC/PMSM電機的控制解決方案有多種，據安森美電機控制方案產品營銷經理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參與的獨立驅動方案，也有完全集成了控制器、驅動和功率管的SoC方案，分別適用于不同的應用場景；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省電路板空間，并通過消除傳感器故障風險來提高系統的穩定性。
安森美電機控制方案產品營銷經理Tristan Scott
具體來說，根據系統速度、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雜，并且容易遭受更高的開關損失。最后，磁場定向控制FOC (Field Oriented Control)與其他換向方法相比，具有更高的轉矩和電機效率，以及更低的噪音和轉矩脈動。安森美的Tristan Scott則認為，正弦波控制和FOC的應用場景更多，傳統的梯形波控制在一些高效率、低轉矩波動要求的場景中慢慢被取代。具體產品方面，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（集成了功率管和驅動）用于中高功率場景，IPM模塊可以幫助客戶節省PCB面積，優化散熱和EMI性能并縮短開發時間。在控制方面，他們會提供一系列３相驅動以及全集成(MCU+驅動＋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難度。TI的BLDC產品包括分立式柵極驅動器和集成式柵極驅動器。集成式柵極驅動器控制FET驅動器和易操作的柵極驅動器，可以讓客戶在十分鐘以內調整電機。它的主要優點是運動控制安靜流暢，整合系統有序，效率高，功率密度大，電源和封裝能夠擴展，并且非常可靠。在這一領域，TI有一些新的產品，比如MCF8315A和MCT8329A，可供工程師選擇。
英飛凌的電機驅動方案覆蓋幾十瓦到幾十兆瓦的各類應用。功率半導體產品包括 IGBT、 SiC MOSFET、MOSFET、IPM智能功率模塊、高壓大電流晶閘管，以及電機驅動芯片iMOTION和面向電機控制應用的MCU產品等。其中，iMOTION系列產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。它是專用的電機驅動芯片，運用英飛凌公司長期積累的系統級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。客戶無需進行電機控制編程，開發簡單，研發周期短。主要應用于以變頻家電為主的各種電機驅動，控制對象包括壓機，風機，水泵以及通用電機。Allegro主要提供ASIL安全等級電機驅動器、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扇控制器有助于降低系統成本。A89332柵極驅動器具有斷電制動（PLB）功能，可以通過使斷電或無法正常工作的風扇停止轉動來降低能耗。帶有集成MOSFET的A89331三相電機驅動器提供無傳感器控制，消除了服務器冷卻風扇應用中對霍爾傳感器的需求。A89331采用無傳感器正弦驅動器，可最大限度地減少高速風扇的振動。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(>100 V)使用絕緣柵驅動器來驅動功率半導體。而ADuM4122 是單柵絕緣柵驅動器，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EMI/功率損耗優化；還支持高共模瞬變抑制(CMTI)和低傳播延遲，以配合SiC和GaN功率半導體使用。ADuM160N 多通道數字隔離器可用于隔離PWM信號，與集成了柵驅動器和功率半導體的集成功率模塊(IPM)配合使用。ADuM6028 隔離功率器件可與數字隔離器、隔離型收發器和隔離型數據轉換器一起使用，提供完全通過安全認證、可即時使用的非常小巧的8引腳解決方案。對于低壓系統(<100 V)，可使用提供浮動接地和可編程死區時間的100 V半橋驅動器 LTC7060，或采用PassThru技術和自適應擊穿保護的150 V受保護高端NMOS靜態開關驅動器 LTC7000來驅動低壓半導體。LTC7000還支持可編程死區時間（用于優化效率）、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節器集成在一起，為電機驅動器和伺服器應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°）。它們能在嚴苛的磁性環境中可靠運行，支持寬氣隙公差且不降低角誤差精度（與霍爾/GMR/TMR不同），并簡化系統設計考量。那么該如何為電機控制應用選擇合適的解決方案呢？Allegro MicroSystems電機業務產品線總監Daniel Torres的建議是，首先要了解電機驅動設計的關鍵因素：成本、尺寸、可靠性、穩健性和上市時間，Allegro網站可以提供基于常見參數的產品選擇工具。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品（稱為智能控制），這些基礎架構中的每一個都有兩個功率級選項。首先是集成式預驅動器，其中采用外部高功率柵極驅動器；其次是完全集成式全柵極驅動器，通常適用于低功率系統。總的來說，如果Allegro的無需代碼Quiet Motion電機驅動器能夠滿足系統的功率/電壓要求，那么它幾乎是總能夠滿足系統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。而對于安全關鍵型系統，Allegro可提供一系列符合汽車安全完整性D級（ASIL D）的無刷直流電機驅動器，可以滿足最苛刻的汽車應用要求。英飛凌的陳子穎從半導體公司角度建議說，工程師需要開發容易上手的產品，在官網上英飛凌關于CiPOS 和iMOTION 方案有40多個，并可提供250+個電機驅動參考設計和相關的評估板作為參考。當有需求時，可以登錄英飛凌開發者論壇，在論壇上也可提供電機驅動的設計支持以及技術交流。英飛凌科技安全互聯系統事業部市場經理朱樺補充說，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、以及硬件參考設計，可以為客戶提供完整的交鑰匙方案，幫助他們進行量產級產品的快速開發。TI為了使BLDC產品的選擇更容易，提供了4個不同的步驟來簡化選擇過程。每個步驟需要根據功率水平、架構、電機控制類型、接口和集成要求進行選擇。TI的無刷直流電機驅動器注意事項和選擇指南為系統選擇最佳無刷直流解決方案提供了參考建議。TI官網提供簡單的選擇工具，如參數搜索、組合可視化和圍繞特色應用程序的簡單用例內容，幫助客戶輕松選擇正確的設備。
電機控制新技術及未來趨勢
隨著BLDC/PMSM電機控制技術的發展，也出現了不少新的產品和技術，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測。不同公司也有不同的應對策略。據TI的Charlie Munoz透露，TI通過開發不同的創新性集成控制解決方案，如電機參數提取工具來快速適應電力需求。由于BLDC 電機設計的復雜性需要軟件算法與硬件組件的平滑集成和驅動。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動器、調整指南和 GUI 平臺來幫助快速評估和調整電機以實現最高效率，從而減少設計時間和工作量。“我們還提供特定于應用的設計，我們可以通過死區補償和 PWM 調制等技術將噪聲降低 2-3dB。”他指出。ADI針對智能制造領域的電機控制趨勢發表了自己的看法，他們認為要實現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。這些技術組合使用時可以對嚴苛的工業部署提供可靠、精準的運動控制，且可訪問來自高級檢測的系統信息。這就需要精準測量、隔離和接口、工業以太網、磁傳感、電源管理、機器健康等方面的技術組合。舉例來說，為了支持實現復雜的運動控制的下一代驅動器和電機，需要采用數字隔離技術，以提供隔離數據和隔離通信接口，例如RS-485、USB和LVDS。還需要使用絕緣柵驅動器來驅動高端和低端功率半導體，以提供可靠、安全且高度可靠的資產。柵驅動器將邏輯電平PWM信號轉化為控制功率晶體管的高端參考信號。高壓逆變器應用通常使用IGBT，未來則傾向于使用SiC和GaN來提高開關頻率和/或降低開關損耗。英飛凌利用其專業制造知識和長期經驗，開發了一種SiC溝槽工藝，規避了平面柵的柵氧可靠性問題。考慮到電機驅動對功率開關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。產品封裝在工業標準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技術實現的更高開關頻率直接有益于處于更動態的控制環境中的外部和集成伺服驅動器。不斷變化的電機負載條件下，更快的電機電流響應速度使其成為可能。安森美也開發了基于SiC MOS的TMPIM模塊用于變頻器應用，可以縮減電感線圈體積并提升熱性能。加上其DTFC算法，這是業內首個在M0+平臺上實現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新，而集成方案可以幫助客戶縮減系統體積，提升可靠性，并且降低開發周期，因此，這個發展趨勢更被行業看好。Allegro MicroSystems電機業務產品線總監Daniel Torres解釋說，未來的一個趨勢是在最高水平實現電機驅動解決方案的集成，其好處是更小的PCB、更小的電機和成本優化的設計。而通過功能集成可以減少系統中所需的IC數量，這樣可以降低系統對于各種資源的需求，減少電流消耗，從而直接提高系統效率。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計，縮短產品上市時間。而在Allegro的電機驅動器中，高集成度消除了在系統中實施時所需的驗證和corner analysis，從而實現了系統進一步優化。Daniel Torres認為，未來的創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BOM，從而讓客戶最終可以從系統中去除微處理器。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品當中，從而讓客戶的開發更加簡單，BOM成本更低。電機控制行業正在轉向更高效率、更低噪聲和更高魯棒性的系統。這一轉變將讓更多的客戶過渡到BLDC/PMSM電機系統。隨著智能制造的普及與工業4.0的興起，電機承擔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中，如何具備出色的運動控制能力將成為電機行業的熱門話題，具體到方案，就需要低漂移，高精度，高瞬態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，特別是隨著電機數量的快速增加，快速維護顯得越發重視。而這些都需要芯片廠商的大力支持。談到未來應用，隨著工業和汽車市場繼續呈現更多的電氣化趨勢，BLDC/PMSM 可能會出現增長，工業電器市場中可能會有更多的發展，例如真空吸塵器、泵和風扇等在家庭環境中對噪聲敏感的應用。此外，BLDC/PMSM汽車市場可能會在混動/電動汽車中有更多的應用，這對電機的高效率和低噪聲提出更高的要求。 |
