電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）這幾年，我們看到一個(gè)明顯的趨勢，那就是BLDC（無(wú)刷直流）/PMSM（永磁同步）電機在工業(yè)、汽車(chē)、家電、電動(dòng)工具、醫療設備等多種應用場(chǎng)合有了越來(lái)越多的應用。這是因為BLDC電機可以高速運行，轉速通�？梢猿^(guò)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(lái)越多的應用場(chǎng)景開(kāi)始采用BLDC電機。而PMSM與帶有繞線(xiàn)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(lèi)似于A(yíng)C感應電機，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電動(dòng)機更高的功率密度，因為沒(méi)有定子功率用于感應轉子中的磁場(chǎng)。目前的設計也更強大，讓PMSM電機同時(shí)具有更低的質(zhì)量和慣性矩，因此，許多工業(yè)驅動(dòng)，牽引應用和電器具應用場(chǎng)景中越來(lái)越青睞它。
BLDC/PMSM電機流行的主要推動(dòng)因素
能效是電機的重要指標之一，和能效相關(guān)的行業(yè)標準日趨嚴格，比如自2021年6月1日起在我國實(shí)施的GB18163-2020新國標就規定了IE3能效等級以下的電機已經(jīng)被禁止生產(chǎn)和銷(xiāo)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(cháng)，因為市場(chǎng)將更加偏向采用BLDC/PMSM等高效的電機方案，同時(shí)也驅動(dòng)著(zhù)半導體廠(chǎng)商在電機控制算法和功率器件上的不斷創(chuàng )新。
圖：TI 無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器產(chǎn)品線(xiàn)應用營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Charlie Munoz
在TI 無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器產(chǎn)品線(xiàn)應用營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Charlie Munoz看來(lái)，這些新的標準將會(huì )促使更多客戶(hù)采用新的技術(shù)，以滿(mǎn)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(gè)重要問(wèn)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(chǎng)商的共同努力。對電機供應商來(lái)說(shuō)，機械電機組裝成本太高，無(wú)法實(shí)現額外的效率，因此他們需要半導體廠(chǎng)商幫助提高電機驅動(dòng)器和算法的效率，以?xún)?yōu)化系統。
圖：ADI中國區工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理祝臻
ADI中國區工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理祝臻認為，BLDC/PMSM電機逐漸成為主流電機類(lèi)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(yè)和家電等領(lǐng)域越來(lái)越普及。Allegro MicroSystems公司策略和市場(chǎng)副總裁Mark Gill也看到了這個(gè)趨勢，“我們看到BLDC電機在工業(yè)和汽車(chē)應用中有繼續取代有刷電機和步進(jìn)電機的發(fā)展趨勢。制造和控制BLDC/PMSM電機的成本繼續下降，并且會(huì )有越來(lái)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(chǎng)副總裁Mark Gill
拿家電應用來(lái)說(shuō)，英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場(chǎng)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(huì )達到99%，洗衣機與電冰箱的變頻率也會(huì )逐年提高，到2024年會(huì )分別達到94%和75%。除了效率、可靠性和魯棒性等特性外，越來(lái)越多應用場(chǎng)景趨向于采用BLDC電機的原因還有一個(gè)因素，那就是噪聲，比如電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)座艙內的一些電機應用對噪聲比較敏感，高端車(chē)型當中越來(lái)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(gè)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(lèi)家電中的泵和風(fēng)扇。在這些應用中，BLDC/PMSM電機和高效的驅動(dòng)系統對產(chǎn)品能否成功至關(guān)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(fēng)扇、汽車(chē)ADAS、座椅冷卻與通風(fēng)、EPS和制動(dòng)、通風(fēng)機、服務(wù)器冷卻風(fēng)扇和泵等應用場(chǎng)景當中。
BLDC/PMSM電機驅動(dòng)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(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Tristan Scott介紹，從器件集成度的角度來(lái)講，有分立的功率管，也有集成的模塊，有無(wú)需MCU參與的獨立驅動(dòng)方案，也有完全集成了控制器、驅動(dòng)和功率管的SoC方案，分別適用于不同的應用場(chǎng)景；從控制的角度來(lái)講，BLDC/PMSM電機的控制解決方案包括有傳感器和無(wú)傳感器的梯形算法，正弦和磁場(chǎng)定向。有傳感器解決方案受益于低成本和易于換向，而無(wú)傳感器解決方案能夠節省電路板空間，并通過(guò)消除傳感器故障風(fēng)險來(lái)提高系統的穩定性。
安森美電機控制方案產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Tristan Scott
具體來(lái)說(shuō)，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(shí)施的控制算法，其對處理能力要求較低，但與正弦和磁場(chǎng)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(kāi)關(guān)損失。最后，磁場(chǎng)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(dòng)。安森美的Tristan Scott則認為，正弦波控制和FOC的應用場(chǎng)景更多，傳統的梯形波控制在一些高效率、低轉矩波動(dòng)要求的場(chǎng)景中慢慢被取代。具體產(chǎn)品方面，有的廠(chǎng)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(chǎng)合，同時(shí)也有IPM模塊（集成了功率管和驅動(dòng)）用于中高功率場(chǎng)景，IPM模塊可以幫助客戶(hù)節省PCB面積，優(yōu)化散熱和EMI性能并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。在控制方面，他們會(huì )提供一系列３相驅動(dòng)以及全集成(MCU+驅動(dòng)＋功率管)的SoC方案。在很多場(chǎng)景中，全集成的方案能夠有效縮小電機整體尺寸并簡(jiǎn)化客戶(hù)開(kāi)發(fā)難度。TI的BLDC產(chǎn)品包括分立式柵極驅動(dòng)器和集成式柵極驅動(dòng)器。集成式柵極驅動(dòng)器控制FET驅動(dòng)器和易操作的柵極驅動(dòng)器，可以讓客戶(hù)在十分鐘以?xún)日{整電機。它的主要優(yōu)點(diǎn)是運動(dòng)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�？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(chǎng)總監陳子穎
英飛凌的電機驅動(dòng)方案覆蓋幾十瓦到幾十兆瓦的各類(lèi)應用。功率半導體產(chǎn)品包括 IGBT、 SiC MOSFET、MOSFET、IPM智能功率模塊、高壓大電流晶閘管，以及電機驅動(dòng)芯片iMOTION和面向電機控制應用的MCU產(chǎn)品等。其中，iMOTION系列產(chǎn)品使用直流母線(xiàn)電流檢測或使用橋臂電流檢測，集成了無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)所需的所有控制以及模擬接口功能。它是專(zhuān)用的電機驅動(dòng)芯片，運用英飛凌公司長(cháng)期積累的系統級know-how，可以在單芯片上完成單電阻采樣、無(wú)傳感器的雙電機控制和PFC控制�？蛻�(hù)無(wú)需進(jìn)行電機控制編程，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，研發(fā)周期短。主要應用于以變頻家電為主的各種電機驅動(dòng)，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安全等級電機驅動(dòng)器、無(wú)需代碼高級程度運動(dòng)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(wú)傳感器風(fēng)扇控制器有助于降低系統成本。A89332柵極驅動(dòng)器具有斷電制動(dòng)（PLB）功能，可以通過(guò)使斷電或無(wú)法正常工作的風(fēng)扇停止轉動(dòng)來(lái)降低能耗。帶有集成MOSFET的A89331三相電機驅動(dòng)器提供無(wú)傳感器控制，消除了服務(wù)器冷卻風(fēng)扇應用中對霍爾傳感器的需求。A89331采用無(wú)傳感器正弦驅動(dòng)器，可最大限度地減少高速風(fēng)扇的振動(dòng)。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(dòng)檢測等傳感器、及運動(dòng)控制器等器件。比如高壓系統(>100 V)使用絕緣柵驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)功率半導體。而ADuM4122 是單柵絕緣柵驅動(dòng)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(xiàn)），提供擺率控制，以實(shí)現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(dòng)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(fā)器和隔離型數據轉換器一起使用，提供完全通過(guò)安全認證、可即時(shí)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(dòng)接地和可編程死區時(shí)間的100 V半橋驅動(dòng)器 LTC7060，或采用PassThru技術(shù)和自適應擊穿保護的150 V受保護高端NMOS靜態(tài)開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器 LTC7000來(lái)驅動(dòng)低壓半導體。LTC7000還支持可編程死區時(shí)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節器集成在一起，為電機驅動(dòng)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(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(jiǎn)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(yè)務(wù)產(chǎn)品線(xiàn)總監Daniel Torres的建議是，首先要了解電機驅動(dòng)設計的關(guān)鍵因素：成本、尺寸、可靠性、穩健性和上市時(shí)間，Allegro網(wǎng)站可以提供基于常見(jiàn)參數的產(chǎn)品選擇工具。下一個(gè)決定可能是要確定是否需要使用外部微處理器（稱(chēng)為直接控制）或帶有集成微處理器的產(chǎn)品（稱(chēng)為智能控制），這些基礎架構中的每一個(gè)都有兩個(gè)功率級選項。首先是集成式預驅動(dòng)器，其中采用外部高功率柵極驅動(dòng)器；其次是完全集成式全柵極驅動(dòng)器，通常適用于低功率系統。總的來(lái)說(shuō)，如果Allegro的無(wú)需代碼Quiet Motion電機驅動(dòng)器能夠滿(mǎn)足系統的功率/電壓要求，那么它幾乎是總能夠滿(mǎn)足系統成本和上市時(shí)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(wú)需外部微處理器或軟件開(kāi)發(fā)。而對于安全關(guān)鍵型系統，Allegro可提供一系列符合汽車(chē)安全完整性D級（ASIL D）的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器，可以滿(mǎn)足最苛刻的汽車(chē)應用要求。英飛凌的陳子穎從半導體公司角度建議說(shuō)，工程師需要開(kāi)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(gè)，并可提供250+個(gè)電機驅動(dòng)參考設計和相關(guān)的評估板作為參考。當有需求時(shí)，可以登錄英飛凌開(kāi)發(fā)者論壇，在論壇上也可提供電機驅動(dòng)的設計支持以及技術(shù)交流。英飛凌科技安全互聯(lián)系統事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理朱樺補充說(shuō)，英飛凌有成熟的MCU、功率器件、有傳感器和無(wú)傳感器電機算法、軟件、以及硬件參考設計，可以為客戶(hù)提供完整的交鑰匙方案，幫助他們進(jìn)行量產(chǎn)級產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。TI為了使BLDC產(chǎn)品的選擇更容易，提供了4個(gè)不同的步驟來(lái)簡(jiǎn)化選擇過(guò)程。每個(gè)步驟需要根據功率水平、架構、電機控制類(lèi)型、接口和集成要求進(jìn)行選擇。TI的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器注意事項和選擇指南為系統選擇最佳無(wú)刷直流解決方案提供了參考建議。TI官網(wǎng)提供簡(jiǎn)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(jiǎn)單用例內容，幫助客戶(hù)輕松選擇正確的設備。
電機控制新技術(shù)及未來(lái)趨勢
隨著(zhù)BLDC/PMSM電機控制技術(shù)的發(fā)展，也出現了不少新的產(chǎn)品和技術(shù)，比如高電壓、無(wú)傳感器控制、正弦和定向控制以及運動(dòng)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(guò)開(kāi)發(fā)不同的創(chuàng )新性集成控制解決方案，如電機參數提取工具來(lái)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(dòng)。TI 正在采取積極措施，通過(guò)提供一站式解決方案、免代碼集成無(wú)傳感器控制驅動(dòng)器、調整指南和 GUI 平臺來(lái)幫助快速評估和調整電機以實(shí)現最高效率，從而減少設計時(shí)間和工作量�！拔覀冞�提供特定于應用的設計，我們可以通過(guò)死區補償和 PWM 調制等技術(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，他們認為要實(shí)現用于智能制造的下一代智能運動(dòng)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(shí)可以對嚴苛的工業(yè)部署提供可靠、精準的運動(dòng)控制，且可訪(fǎng)問(wèn)來(lái)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(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(lái)說(shuō)，為了支持實(shí)現復雜的運動(dòng)控制的下一代驅動(dòng)器和電機，需要采用數字隔離技術(shù)，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(dòng)器來(lái)驅動(dòng)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(chǎn)。柵驅動(dòng)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(lái)則傾向于使用SiC和GaN來(lái)提高開(kāi)關(guān)頻率和/或降低開(kāi)關(guān)損耗。英飛凌利用其專(zhuān)業(yè)制造知識和長(cháng)期經(jīng)驗，開(kāi)發(fā)了一種SiC溝槽工藝，規避了平面柵的柵氧可靠性問(wèn)題�？紤]到電機驅動(dòng)對功率開(kāi)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(shù)實(shí)現的更高開(kāi)關(guān)頻率直接有益于處于更動(dòng)態(tài)的控制環(huán)境中的外部和集成伺服驅動(dòng)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(kāi)發(fā)了基于SiC MOS的TMPIM模塊用于變頻器應用，可以縮減電感線(xiàn)圈體積并提升熱性能。加上其DTFC算法，這是業(yè)內首個(gè)在M0+平臺上實(shí)現的先進(jìn)電機控制方案，可以讓工程師有更多的選擇。談到未來(lái)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(huì )推動(dòng)更多的創(chuàng )新，而集成方案可以幫助客戶(hù)縮減系統體積，提升可靠性，并且降低開(kāi)發(fā)周期，因此，這個(gè)發(fā)展趨勢更被行業(yè)看好。Allegro MicroSystems電機業(yè)務(wù)產(chǎn)品線(xiàn)總監Daniel Torres解釋說(shuō)，未來(lái)的一個(gè)趨勢是在最高水平實(shí)現電機驅動(dòng)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)化的設計。而通過(guò)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(shí)指出，提高集成度能夠減少對其他組件的需求，并進(jìn)一步減少物料清單（BOM），可為客戶(hù)提供更多的靈活性。提高集成度還能夠通過(guò)簡(jiǎn)化設計，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。而在A(yíng)llegro的電機驅動(dòng)器中，高集成度消除了在系統中實(shí)施時(shí)所需的驗證和corner analysis，從而實(shí)現了系統進(jìn)一步優(yōu)化。Daniel Torres認為，未來(lái)的創(chuàng )新可能會(huì )通過(guò)集成微處理器中通常存在的功能來(lái)進(jìn)一步減少系統BOM，從而讓客戶(hù)最終可以從系統中去除微處理器。而提供微處理器的廠(chǎng)商則開(kāi)始在其微處理器產(chǎn)品中集成越來(lái)越多的模擬和功率器件，有的還將算法也固化在其產(chǎn)品當中，從而讓客戶(hù)的開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單，BOM成本更低。電機控制行業(yè)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(hù)過(guò)渡到BLDC/PMSM電機系統。隨著(zhù)智能制造的普及與工業(yè)4.0的興起，電機承擔著(zhù)動(dòng)力輸出的核心角色，對電機控制的要求也越來(lái)越高。特別是精密制造行業(yè)中，如何具備出色的運動(dòng)控制能力將成為電機行業(yè)的熱門(mén)話(huà)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(lái)越受到重視，特別是隨著(zhù)電機數量的快速增加，快速維護顯得越發(fā)重視。而這些都需要芯片廠(chǎng)商的大力支持。談到未來(lái)應用，隨著(zhù)工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)繼續呈現更多的電氣化趨勢，BLDC/PMSM 可能會(huì )出現增長(cháng)，工業(yè)電器市場(chǎng)中可能會(huì )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用。此外，BLDC/PMSM汽車(chē)市場(chǎng)可能會(huì )在混動(dòng)/電動(dòng)汽車(chē)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。 |
