高能效電機發(fā)展加速，BLDC圍繞節(jié)能和智能化演進

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在低能效電機漸漸滿足不了各行各業(yè)需求的今天，高能效電機完成對低能效電機的替代已經(jīng)是大勢所趨，高能效電機也就是我們熟知的無刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機。

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

BLDC的演變發(fā)展

電機在我們的日常生活中無處不在，它是依據(jù)電磁感應(yīng)定理實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，用來產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩作為各種用電器的動力源。電機可以分為DC直流電機和AC交流電機。

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

有刷電機經(jīng)過多年的發(fā)展，性能已經(jīng)做得很穩(wěn)定，但是長期以來一直有一個問題沒有解決。那就是換向器和電刷之間接觸不可避免地會產(chǎn)生噪聲，在長期的接觸下使用壽命減少是必然的，定期維護也相當耗時耗力。而且在有刷電機使用后期，在電流較大時，電刷在換向時會產(chǎn)生火花。

為了解決這種困境，無刷的呼聲越來越高，無刷電機開始走到臺前。無刷電機因為其無刷特性，使用壽命得以大幅延長，長期來看，BLDC的使用壽命平均比標準的有刷DC電機延長了3-5倍。

同時，因為不存在電刷間的磨損，BLDC電機系統(tǒng)能在較長的使用壽命內(nèi)都持續(xù)保持相對穩(wěn)定的性能。從整個項目生命周期的長遠角度來看，BLDC應(yīng)該是目前最具成本效益的一種選擇。噪聲問題也因為去掉了機械式的電刷而得以解決。

雖然無刷電機應(yīng)用興起晚于有刷電機，但實際上在電機的發(fā)展歷程里，最早的實用電機是無刷形式的，早于有刷電機。但是受限于當時的無刷技術(shù)發(fā)展緩慢，無刷電機弊端太多，并沒有成為當時的主流。

上世紀五十年代，D.Harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，正式標志著現(xiàn)代無刷直流電機的誕生。到六十年代，在TG Wilson和PH Trickey的努力下，第一臺無刷直流（BLDC）電機就此亮相。

此后，隨著功率半導體技術(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無刷直流電機的發(fā)展不斷加速，其性能也在不斷改進，市場容量不斷增大。進入2020年代，高效節(jié)能和智能化電機被各國重視，與日俱增的高標準性能要求下，越來越多的高性能BLDC涌現(xiàn)。

BLDC好在哪里？

從工作原理上來看，BLDC作為電機，其基本構(gòu)造也是定子加轉(zhuǎn)子，不過其定子和轉(zhuǎn)子和有刷電機是相反的。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方向的電流，讓產(chǎn)生的磁極方向與永磁體的磁極相對應(yīng)，就可以旋轉(zhuǎn)起來。

也就是說，控制電流的大小和方向，就能控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。對接入電流線圈的定子進行優(yōu)化，可以產(chǎn)生很多驅(qū)動方式。最簡單的，給每個線圈單獨通電即可將BLDC驅(qū)動起來。將線圈分類，同時驅(qū)動，電機效率繼續(xù)提升。利用磁鐵的吸引排斥特性分別控制線圈，驅(qū)動能力再上一個臺階，進一步提高電機效率。解決噪聲和使用壽命問題之外，BLDC最明顯的特點就是高效率。

目前市面上的BLDC 電機，效率做到90%以上已經(jīng)很常見了，而有刷直流電機的效率能到80%就已經(jīng)很不錯。在高效率、高扭矩、低噪音、長壽命、響應(yīng)快速等優(yōu)勢的加持下，越來越多電動設(shè)備開始向BLDC轉(zhuǎn)變。

BLDC難點——控制

這么多優(yōu)勢，那么BLDC是否存在缺點呢？其實是有的，從其控制方式來說，BLDC的控制比有刷電機難很多，對控制器的性能要求還是比較嚴格的，硬件成本會高出不少，同時還需要電機參數(shù)相匹配。

目前隨著電機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)確立了主導地位，這主要還是因為FOC能在最大程度上實現(xiàn)高效率、低振動、低噪音以及高響應(yīng)速度等電機控制目標。

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

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

FOC是一個復雜且強大的BLDC控制方法，無感FOC則進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。沒有了額外的傳感器，那么控制算法勢必會更加復雜，同時還需要引入前饋控制、觀測器等概念。雖然更復雜，但是無感也帶來了更簡潔的結(jié)構(gòu)以及降低了傳感器失效風險。

目前國內(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、無感器正反轉(zhuǎn)切等難點上都有不錯的解決方案，可以關(guān)注電子發(fā)燒友的BLDC技術(shù)研討會深入了解。

小結(jié)

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