高能效電機(jī)發(fā)展加速，BLDC圍繞節(jié)能和智能化演進(jìn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在低能效電機(jī)漸漸滿足不了各行各業(yè)需求的今天，高能效電機(jī)完成對(duì)低能效電機(jī)的替代已經(jīng)是大勢(shì)所趨，高能效電機(jī)也就是我們熟知的無(wú)刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機(jī)。

目前不管是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，還是汽車領(lǐng)域，抑或是生活家電領(lǐng)域，各個(gè)終端市場(chǎng)對(duì)BLDC電機(jī)控制性能提出了更高的要求。它們不僅需要電機(jī)能夠做到高效率和多功能控制，還需要電機(jī)在追求高轉(zhuǎn)速的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪音低振動(dòng)的控制效果。

BLDC的演變發(fā)展

電機(jī)在我們的日常生活中無(wú)處不在，它是依據(jù)電磁感應(yīng)定理實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為各種用電器的動(dòng)力源。電機(jī)可以分為DC直流電機(jī)和AC交流電機(jī)。

直流電機(jī)又可以分為有刷直流和無(wú)刷直流。有刷電機(jī)是很傳統(tǒng)的電機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)含電刷裝置，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能（發(fā)電機(jī)），可以說(shuō)有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)。有刷電機(jī)的定子是永磁體，而它的轉(zhuǎn)子是通電的線圈。

有刷電機(jī)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，性能已經(jīng)做得很穩(wěn)定，但是長(zhǎng)期以來(lái)一直有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決。那就是換向器和電刷之間接觸不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲，在長(zhǎng)期的接觸下使用壽命減少是必然的，定期維護(hù)也相當(dāng)耗時(shí)耗力。而且在有刷電機(jī)使用后期，在電流較大時(shí)，電刷在換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花。

為了解決這種困境，無(wú)刷的呼聲越來(lái)越高，無(wú)刷電機(jī)開(kāi)始走到臺(tái)前。無(wú)刷電機(jī)因?yàn)槠錈o(wú)刷特性，使用壽命得以大幅延長(zhǎng)，長(zhǎng)期來(lái)看，BLDC的使用壽命平均比標(biāo)準(zhǔn)的有刷DC電機(jī)延長(zhǎng)了3-5倍。

同時(shí)，因?yàn)椴淮嬖陔娝㈤g的磨損，BLDC電機(jī)系統(tǒng)能在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)都持續(xù)保持相對(duì)穩(wěn)定的性能。從整個(gè)項(xiàng)目生命周期的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，BLDC應(yīng)該是目前最具成本效益的一種選擇。噪聲問(wèn)題也因?yàn)槿サ袅藱C(jī)械式的電刷而得以解決。

雖然無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用興起晚于有刷電機(jī)，但實(shí)際上在電機(jī)的發(fā)展歷程里，最早的實(shí)用電機(jī)是無(wú)刷形式的，早于有刷電機(jī)。但是受限于當(dāng)時(shí)的無(wú)刷技術(shù)發(fā)展緩慢，無(wú)刷電機(jī)弊端太多，并沒(méi)有成為當(dāng)時(shí)的主流。

上世紀(jì)五十年代，D.Harrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，正式標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷直流電機(jī)的誕生。到六十年代，在TG Wilson和PH Trickey的努力下，第一臺(tái)無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)就此亮相。

此后，隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)，控制芯片與控制技術(shù)以及高性能稀土永磁材料的不斷發(fā)展，BLDC無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展不斷加速，其性能也在不斷改進(jìn)，市場(chǎng)容量不斷增大。進(jìn)入2020年代，高效節(jié)能和智能化電機(jī)被各國(guó)重視，與日俱增的高標(biāo)準(zhǔn)性能要求下，越來(lái)越多的高性能BLDC涌現(xiàn)。

BLDC好在哪里？

從工作原理上來(lái)看，BLDC作為電機(jī)，其基本構(gòu)造也是定子加轉(zhuǎn)子，不過(guò)其定子和轉(zhuǎn)子和有刷電機(jī)是相反的。BLDC的定子是通電的線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，只要給定子上的線圈接入適當(dāng)方向的電流，讓產(chǎn)生的磁極方向與永磁體的磁極相對(duì)應(yīng)，就可以旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

也就是說(shuō)，控制電流的大小和方向，就能控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。對(duì)接入電流線圈的定子進(jìn)行優(yōu)化，可以產(chǎn)生很多驅(qū)動(dòng)方式。最簡(jiǎn)單的，給每個(gè)線圈單獨(dú)通電即可將BLDC驅(qū)動(dòng)起來(lái)。將線圈分類，同時(shí)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)效率繼續(xù)提升。利用磁鐵的吸引排斥特性分別控制線圈，驅(qū)動(dòng)能力再上一個(gè)臺(tái)階，進(jìn)一步提高電機(jī)效率。解決噪聲和使用壽命問(wèn)題之外，BLDC最明顯的特點(diǎn)就是高效率。

目前市面上的BLDC 電機(jī)，效率做到90%以上已經(jīng)很常見(jiàn)了，而有刷直流電機(jī)的效率能到80%就已經(jīng)很不錯(cuò)。在高效率、高扭矩、低噪音、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)的加持下，越來(lái)越多電動(dòng)設(shè)備開(kāi)始向BLDC轉(zhuǎn)變。

BLDC難點(diǎn)——控制

這么多優(yōu)勢(shì)，那么BLDC是否存在缺點(diǎn)呢？其實(shí)是有的，從其控制方式來(lái)說(shuō)，BLDC的控制比有刷電機(jī)難很多，對(duì)控制器的性能要求還是比較嚴(yán)格的，硬件成本會(huì)高出不少，同時(shí)還需要電機(jī)參數(shù)相匹配。

目前隨著電機(jī)控制性能要求的逐年提升，BLDC控制從方波控制到有感SVPWM，然后到FOC。FOC控制算法目前已經(jīng)確立了主導(dǎo)地位，這主要還是因?yàn)镕OC能在最大程度上實(shí)現(xiàn)高效率、低振動(dòng)、低噪音以及高響應(yīng)速度等電機(jī)控制目標(biāo)。

FOC控制下的電機(jī)換向性能在最高轉(zhuǎn)速下正反轉(zhuǎn)切換可以做到十分順暢，通過(guò)Clock調(diào)速和PWM調(diào)速，F(xiàn)OC控制下的BLDC震動(dòng)更低，噪音更小，響應(yīng)速度更快。

FOC的核心源自于閉環(huán)負(fù)反饋，因此從芯片角度來(lái)說(shuō)，控制芯片的帶寬是電機(jī)控制最重要的衡量指標(biāo)之一。更高的帶寬能夠帶來(lái)更快的指令響應(yīng)時(shí)間和更優(yōu)異的高頻擾動(dòng)抑制能力，這種能力最終體現(xiàn)在電機(jī)層面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和電機(jī)抖動(dòng)。

FOC是一個(gè)復(fù)雜且強(qiáng)大的BLDC控制方法，無(wú)感FOC則進(jìn)一步加大了控制難度，即在不需要編碼器等額外的傳感器的情況下完成FOC控制。沒(méi)有了額外的傳感器，那么控制算法勢(shì)必會(huì)更加復(fù)雜，同時(shí)還需要引入前饋控制、觀測(cè)器等概念。雖然更復(fù)雜，但是無(wú)感也帶來(lái)了更簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)以及降低了傳感器失效風(fēng)險(xiǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外不少廠商的BLDC驅(qū)控芯片已經(jīng)做得很優(yōu)秀，這里不一一列舉。很多廠商在低速帶載、帶載高速、IPM零速帶載、無(wú)感器正反轉(zhuǎn)切等難點(diǎn)上都有不錯(cuò)的解決方案，可以關(guān)注電子發(fā)燒友的BLDC技術(shù)研討會(huì)深入了解。

小結(jié)

未來(lái)BLDC發(fā)展圍繞著節(jié)能和智能化展開(kāi)，通過(guò)采用集成化程度更高、性能更好的器件，以及更加優(yōu)秀的軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)提升效率，節(jié)省能源的目的，也可以通過(guò)擴(kuò)展感知范圍，加入AI算法等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的智能化。