2022第七届（春季）无刷直流电机控制技术研讨会圆满落幕

2022年5月19日，由全球知名电子科技媒体<电子发烧友>主办的2022第七届（春季）无刷直流电机控制技术研讨会在中国深圳成功举办。本次会议，兆易创新、国民技术、MPS、凌欧创芯、Qorvo、Keysight、南京沁恒微、兆威机电、瑞萨电子等国内外知名企业的专家和领导带来了最新的技术分享。
 
电子发烧友总经理张迎辉在致辞中表示，今年专注于电机驱动芯片的国产芯片公司，成功上市科创板，电机驱动是科创技术的热点题材。国内众多芯片企业专注于此领域，特别多电机应用落地，众多先进创新产品问世，不仅在消费品领域，还在工业、通信、医疗、汽车甚至是航空航天国防等领域，提供了更多有竞争力的解决方案。
 

 

图：电子发烧友总经理张迎辉
 

BLDC电机有着与其他电机不同的特点，它可以做到更节能、更高速、更安静、更精确、更小的抖动，还可以体积更小和更便携灵活。
 
BLDC电机驱动板的设计技术覆盖开源算法和软件、芯片硬件、驱动控制算法。应用方案开发还需要芯片工程师、电机工程师和产品应用开发工程师们的协同努力。通过电机驱动技术协同产品应用的创新，我们看到了新型的电动汽车、无人机、航空飞行器、仿真机器人甚至是新型远程作战武器等一大波崭新的终端产品。
 
兆易创新：提供多维度的电机驱动解决方案
 
在会上，兆易创新产品市场资深经理陈奇带来主题为《GD32 MCU为电机驱动提供多维度的解决方案》的分享。兆易创新从2013年推出第一颗Cortex-M3 GD32 MCU之后，如今已经形成非常丰富的GD32 MCU产品家族，每年MCU销量达到2-3亿颗。
 

 

图：兆易创新产品市场资深经理陈奇

 
针对不同的需求，兆易创新都可以提供相应的产品型号。1、成本敏感方面的应用，比如滑板平衡车，需要FOC矢量控制，方波控制，单电阻或三电阻采样，可以采用GD32E230、GD32F310、GD32F330、GD32F350；2、主流需求方面，比如洗衣机的控制板，需要FOC矢量控制，单电阻电流采样，同时控制电机+PFC，无传感算法，可以采用GD32F303、GD32E103、GD32VF103；3、强算力需求方面，需要高动态性能FOC，多种实时通信需求，同时控制2台BLDC/PMSM，支持多种无传感器算法，可以采用GD32F470、GD32F427、GD32E505、GD32E507。
 
在大会，陈奇还重点介绍了公司2021年推出的无线连接MCU 新产品系列GD32W515，内核采用Cortex-M33，核心主频最高达到180MHz，存储SRAM最高达到448KB，Flash容量达到2048KB。
 
GD32W515系列产品包括GD32W515T1Q6，QFN32封装，GD32W515P0Q6、GD32W515P1Q6，采用QFN56封装。GD32W515系列产品是首颗内置TrustZone的WiFi MCU，通过Arm PSA认证，WiFi支持最新WPA3和管理帧保护等功能。
 
GD32W515系列产品已通过WFA认证、RFFCC/CE认证、与各品牌Router兼容性高，SDK支持MDK/GCC等开发环境，及FRTOS，RT-Thread，Harmony等OS。
 
开发生态环境方面，GD32 MCU全功能开发板，支持MCU外设全功能评估，包括IO接口、外部存储器总线和LCD等等，板上支持GD-link，可用引脚全部用插针引出，便于验证测试；提供GD32 MCU最小系统板，基于GD32系列入门级开发套件，可用引脚全部用插针引出，便于验证测试，支持板载GD-link，也可外接其他仿真器，支持Arduino兼容接口。
 
国民技术N32通用MCU，助力变频控制技术创新
 
国民技术电控技术部技术总监舒晓华在会议上带来了关于“助力变频控制技术创新·基于国民技术N32 通用MCU的电控应用分享”。
 

 

图：国民技术电控技术部技术总监舒晓华

 
舒晓华表示，在如今的电机控制市场中，直流无刷电机正在逐渐替代有刷电机，医疗、数控、汽车航天等领域的电机变频控制正朝着高性能、高节能等方向追求。随着农业智慧化、工厂智能化、家居人性化对生产力和舒适度要求的提高，电机变频控制技术普及率也得到了快速增长。
 
国民技术专门针对高性能MCU、高性能电控算法、电控技术集成化和电控技术SOC化推出了N32（GL）系列通用型MCU产品，覆盖了M0、M4F、M7等SOC技术架构平台，可适用于电机控制、工业控制、智能安防、机器人等应用场景。
 
持续创新的国民技术现已为各行业提供超过200款芯片，包括外设精简、BOM成本极低的N32G0XX系列基本型MCU，和外设丰富、高性价比、安全、低功耗的N32G43X/5X/FR/N32L4X系列主流型MCU，以及可应用于高频、高性能的高端性MCU N32H47X/9X/N32H7XX。
 
在MCU领域国民技术有着行业领先的技术优势，包括低功耗技术、高性能与架构架构技术、可靠性技术以及数模混合设计架构技术。同时，国民技术的电机参数自动识别技术也处于业内领先水平，通过纯软件的方式即可实现动、静态的电机参数识别，无需硬件成本的增加，并且该技术已在冰箱压缩机上得到了验证。
 
在会议上，国民技术电控技术部技术总监舒晓华，还分享了基于N32G435系列MCU的低压水泵方案、基于N32G452系列的手持云台方案和基于N32G455系列的PFC空调压缩机解决方案。
 
其中N32G435系列的低压水泵方案芯片内部集成运放、比较器，有利于降低系统成本，并在７段扫描式数码管采用直接IO驱动的方式，节省了595串并转换芯片，同时支持电机过压、欠压、过流的保护机制，以及空转检测功能。基于N32G452系列的手持云台方案具有低功耗高性能的特点，支持5V和9V两种供电模式，静态功率仅为1.5W，可实现电机运行力度和速度的控制。
 
在演讲的最后舒晓华还带来了N32系列MCU的新品预告，将会在今年推出N32G43X、N32G10X通用型MCU，和N32S00X低功耗安全芯片，让我们共同期待吧。
 
MPS高功率密度、一体式电机解决方案
 
在本次会议上，MPS无刷电机控制开发部经理秦鸿强带来了“MPS高功率密度、高性能智能一体式电机解决方案”的分享。
 

 

图：MPS无刷电机控制开发部经理秦鸿强

 
据秦鸿强表示，MPS的高性能无刷BLDC及伺服方案在网络安全、机器人、医疗传动、门闸机、线性驱动器、纺织等领域均得到了广泛应用。MPS的高性能无刷BLDC及伺服芯片方案涵盖了高性能的驱动器芯片、高精度位置传感器、高集成功率器件及驱动，和业内领先的降压、LDO芯片。
 
在方案架构方面，推出了可满足对尺寸具有较高要求的MP6710+MP6571解决方案，其中MP6710支持外环、I/O及协议处理，可提供Firmware系统进行调试，MP6571集成了12位编码器和3-ch运放，支持转矩控制。在位置、速度、转矩模式中，该方案具有动态响应好、切换灵活平稳以及丰富的保护特点。
 
在通用型无刷伺服领域，MPS还推出了MPF36720+MA732解决方案。该方案可搭配100V功率器件及驱动进行使用，内置了低噪音高精度的14位绝对值编码器和两个陷波录波器，可使电机工作更加平滑，并且支持12V至75V的宽压输入，可满足对转矩和位置控制有着更高要求的机器人应用，有利于简化产品的设计和缩短开发周期。
 
同时为了最大程度的方便用户使用，MPS还配套了简单易用的GUI，通过可视化的界面，对运营工作状态进行实时工作状态的监测，用户还可以选定特定的电机输出量后，观察将其在GUI窗口内的实时波形进行调试，有利于缩短产品的调试周期，加速产品上市。
 
凌鸥创芯：BLDC芯片产品持续完善，奔向汽车市场
 
本次会议，凌鸥创芯副总经理黄致恺带来了《基于凌鸥MCU的BLDC热门技术应用与整体解决方案》的主题分享。他在分享中表示，凌鸥创芯自2015年成立，是一家专注于运动控制核心芯片（MCU）、预驱（Gate Driver），以及电源模块（IPM）的企业，主要的目标市场是电动车辆、伺服控制、机器人、电动工具、家用电器等。
 

 

图：凌鸥创芯副总经理黄致恺

 
黄致恺同时透露，凌鸥创芯在2021年导入了12寸先进制程，以满足市场需求，应对去年MCU市场大缺货的挑战。目前已经拥有了数十种型号的MCU产品，目前累计出货量以及突破1亿颗。
 
在BLDC芯片方面，不仅有针对BLDC市场的MCU产品，还有预驱、IPM、ACDC、DCDC等产品。他同时还透露今年年底将会推出集成预驱和MOSFET的全集成电机驱动IC。
 
Qorvo：高度集成电机控制方案
 
Qorvo作为以射频闻名的半导体公司，在收购Active-Semi后，也拥有了其电机与电源产品。本次会上，Qorvo PAC技术销售经理卢秉毅就为广大工程师分享了来自Qorvo的高度集成电机控制方案。
 

 

图：Qorvo PAC技术销售经理卢秉毅

 
传统的电机控制芯片架构有三种，分别是分立控制器芯片、ASIC芯片，以及目前越来越流行的高集成度PAC。PAC这种集成电机控制芯片方案，省去了额外的DC/DC、LDO、MCU、IPM和运放等外围器件，提供了更低的成本、优化的电路以及相对灵活的设计。
 
Qorvo的PAC产品覆盖了40V到600V的电压范围，按算力分为基于Cortex-M4F和和Cortex-M0的两大系列。卢秉毅表示Qorvo的PAC产品拥有一个巨大的优势，那就是其PAC产品是一个平台化的方案，代码都是兼容的，方便工程师进行二次开发，缩短开发周期。
 
Qorvo的PAC5285是一款面向40V/20W的BLDC电机控制系统集成方案，它集成了32kB Flash、8kB SRAM的可编程Arm Cortex-M0 MCU，主频为50MHz，同时还集成了10位ADC、gate driver和MOSFET。PAC5285的6x6mm QFN小封装，也适用于那些面积要求严格的设计。在功耗上，PAC5285也拥有极高的优势，休眠电流可以做到8µA @ 12VDC。据卢秉毅透露，Qorvo之后也会对该产品进行车规认证，因为目前汽车中小电机非常多，而且也有往无刷转变的趋势。
 
PAC5526和PAC5527都是基于Cortex-M4F的PAC芯片，主频为150MHz，是面向48V的高级BLDC控制器。这两款产品的最大特色在于从自举电路换成了charge pump的gate driver，可以做到百分百占空比输出。避免了自举供电的问题。电池供电不足时，也可以通过buck boost继续供电。与PAC5527相比，PAC5526做了一些优化，不再是三路差分采样，而是选了选择了单路。
 
Qorvo也为其PAC产品提供FOC和方波控制的示例程序，并配有GUI界面，可通过串口进行通信。Qorvo的PAC产品也配备了完整的应用笔记、规格书、编程指南和PCB布线规则等，帮助工程师减少产品设计周期和上市时间。
 
精测仪器：延长电池供电的BLDC续航能力的深层考虑
 
人工智能和工业4.0下的电机行业发展机遇，有很多电机驱动产品都是电池供电，但同时也面临一大问题，那就是电池的续航。在电子发烧友举办的“2022年无刷直流电机控制技术研讨会”上，精测仪器高级应用工程师陈珍柱分享了“延长电池供电的BLDC续航能力的生成考虑”这一主题，讲解了电池供电设备的功耗共性和测试挑战。
 

精测仪器高级应用工程师 陈珍柱

 
我们在设计电池供电设备时，往往也需要对电池的特性有些了解，比如功耗特性。电流随工作场景大动态范围复杂变化、持续时间变化大，陈珍柱表示，这些特性对于测试手段提出了三大挑战：首先电流转换速度快，测试需要做到高采样率、高分辨率，而且应用场景复杂，既需要捕获瞬态，也需要长时间记录。其次，电流测量必须是高动态范围、高灵敏度和无压降；最后还需要有对海量数据的优化处理和分析能力。
 
Keysight的直流电源分析仪N6705C就是一款模块式的电源，可以加上1到4路的电源和负载，同时集成了大功率任意波形发生器，内置了电压、电流示波器，能够做到无缝量程的电流测量，检测到极低的休眠电流。N6705C内置电流内阻仿真，可以模拟工作状态下内阻的变化。该设备还支持功能强大的电机控制分析软件（BV9200B）和拖拽式测试序列软件（Testflow）、电池模拟软件（BV9210B）。
 
电池在循环充放电次数越来越多后，容量越来越低，寿命也会越来越短，端电压不断降低，最终达到无法使用的状态。其次，电池放电容量与倍率和工作温度都有一定的关系。电池的内阻、端电压和内阻这三个参数进行相关的模拟。
 
电池组直接供电进行测试时面临着不少障碍，比如内阻、SoC容量等电池状态调节困难，电池状态受温度、循环次数、压力等影响大，所以重复性较差。更重要的是，在进行PCS/BMS等研发测试时，如果失效将导致电池的过充/过放，甚至造成一定的安全隐患。最后，在测试过程中，还得用其它的测量设备实时监控电压、电流和电量。而电池模拟器减少了研发电池管理原型机的不确定性，缩短了开发时间。
 
沁恒微电子：基于RISC-V内核MCU无刷电机应用
 

 

沁恒微电子是一家主营MCU芯片和通讯接口芯片的本土公司，公司专注于连接技术和MCU内核研究，坚持全栈IP自主研发模式。定位于专业、易用，致力于为客户提供万物互联、上下互通的芯片及解决方案，产品涵盖计算机周边、手机周边、工业控制、物联网等领域。
 
在本次研讨会上，沁恒微电子电机应用主任工程师王大伟带来了《基于RISC-V内核MCU无刷电机应用》的分享。沁恒微在MCU内核方面深耕多年，从自研RISC(8bit)、自研E8051、外购Cortex-M0/3内核，再根据高速产品的中断响应、调试接口IO占用和速率等需求自研RISC-V内核，在RISC-V内核方面取得多项领先技术并商用化。
 
沁恒微全系MCU包括8位RISC极简汇编、E8051、32位低功耗蓝牙；32位高速接口、32位通用5大系列。据介绍，其中适用于电机控制的有CH32V和CH32F两大通用系列；
CH32V系列采用RISC-V内核，CH32F采用Cortex-M3内核。
 
在关键的配套生态方面，沁恒微能够提供调试工具和量产工具，从开发到量产基于用户便利，同时免费提供自主开发的IDE，面向RISC-V MCU、综合开发、调试、烧录等功能。另外，在开发套件方面，沁恒微也提供了数据手册、开发板、SDK等丰富的套件。
 
其中，王大伟着重介绍了沁恒微自主开发的虚拟示波器软件，这款软件能够实时展示当前电机各种运行变量，加快开发、故障诊断、问题分析过程；数据传输速率8Mbit/s，支持8通道16位数据50K传输速率；每通道支持2Mbyte数据存储深度；支持波形导出、导入和缩放等功能，具有坐标捕获能力，方便读取数据；如果后续有更高数据吞吐速率的需求，可方便扩展到沁恒快速USB接口，传输速率可达480Mbit/s。
 
王大伟还介绍了沁恒微CH32系列MCU在电机应用上的多个案例，包括电钻、料理机、电动摩托车等，根据不同应用场景，工程师都可以在CH32系列MCU中找到适用的产品。
 
兆威机电：基于模型的马达控制器开发
 

 

深圳兆威机电股份有限公司（下简称“兆威机电”）是一家集设计、研发 、制造于一体的微型驱动系统方案解决商，同时也是国内精密智能驱动领域的领先企业，聚焦电机驱动系统、精密齿轮传动、电机本体的设计和研发，为客户提供设计到制造全方位解决方案。
 
在本次研讨会上，兆威机电控制BU经理陈毅东带来了《基于模型的马达控制器开发》的分享。据介绍，基于模型的设计(Model-Based Design)是一种以模型为中心的产品开发方法。MBD减轻产品开发过程对物理模型的高依赖度，摒弃了纯粹采用文字来描述需求和技术规格，而是将模型贯穿于整个产品的生命周期。
 
而MDB的优点主要有以下几点：方便开展产品设计、评审设计、模型优化、跨团队和领域交流；是产品知识产权的载体；增加软件产品质量，减少风险；提供虚拟对象；可直接生成代码框架和核心算法。
陈毅东进一步介绍，MBD开发流程大致可以分为两个阶段，第一阶段为确认阶段，这一阶段将客户需求转化成具体功能实现；第二阶段为验证阶段，将设计的系统进行多个层面的测试，最后以达到客户需求的验收标准。
 
在算法模型验证阶段，分为四个步骤，分别从算法到模型构建，再到模型规范检查、以及模型测试。
 
怎么在同一个平台上快速实现不同的算法？据介绍，Simulink自带了种类繁多、功能强大的模块库，在基于模型设计的开发流程下，不仅通过仿真可以进行早期的验证，还可以使用Simulink进行快速代码生成，可生成如C/C++、PLC等代码，并将其直接应用于PC、MCU、DSP等平台，在嵌入式软件开发中发挥着重要作用。
 
而在开发产品方面，兆威机电已量产的包括RCU、汽车尾翼和旋转电视均采用了直流电机控制系统，可以准确定位电机运动，控制精度高；系统设计有雷击浪涌防护、限流保护等功能，确保电机适应不同工作环境，提升可靠性。而兆威机电重点关注的应用场景，包括汽车、物联网智能家居、工业自动化、医疗及个人护理等。
 
瑞萨电子：瑞萨电子高性能32位电机控制MCU
 
瑞萨电子高级经理谭绍鹏带来了《瑞萨电子高性能32位电机控制MCU》主题演讲。瑞萨半导体作为全球微控制器、模拟功率器件和SoC产品供应商，瑞萨电子可以为汽车、工业、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案。
 

 

瑞萨电子高级经理谭绍鹏

 
目前，瑞萨已经成为全球MCU市场以及汽车电子MCU市场中的第一名，分别占据17%、30%的市场份额。瑞萨电子的MCU产品线为微控制器及微处理器、模拟及功率器件、SoC。其中，微控制器及微处理分为基于Arm®内核以及Renesas自有内核的两大产品线，包括32位MCU、超低能耗8/16位MCU、40nm/28nm制程车用32位MCU等。
 

 

瑞萨电子的电机驱动MCU有RL78、RX、RA三大家族。RX家族中，RX66T性能高达928 CoreMark，RX72T更是高达1160CoreMark的领先性能，谭绍鹏提到，领先的MCU配合5V工作电压，更加适合高性能的电机控制系统。此外，RX66T和RX72T还具备了定时器功能单元、模拟功能单元、功能安全的特征。
 

 
 

基于ARM Cortex-M内核，瑞萨电子推出了RA6T2和RA6T1，这是瑞萨电子为了电机和电源应用而优化的规格和产品系列，Flash ROM 均为512kB，Data Flash均为8kB。据介绍，RA6T2 为下一代电机控制所加入的特性，例如三角函数单位、IIR滤波器，三角函数单位支持快速、精确、低波动的数学运算，相比于传统的查表方式，可降低20%左右的运算时间，同时占用更小的ROM空间；IIR滤波器在速度环和电流环控制中可以起到重要的辅助作用，减少约40%的处理时间。
 
瑞萨电子时刻关注在电机驱动安全性保护，不管是RX还是RA系列等产品，瑞萨电子都提供了工业级的高安全性功能，包括内存保护、加密功能、访问保护。当检测到异常情况时， 无需CPU参与即可关断PWM输出，即时保护电机和变频电路。另外，瑞萨电子还打造了安全加密引擎SCE。
 
电子发烧友分析师：BLDC电机控制器毛利情况受上游影响，研发投入逐年提高
 
2021年BLDC的市场规模是179亿美元，预计2025年的市场规模可达223亿美元。预计年复合增长率为5.7%。
 
现在国内也有不少从事BLDC电机控制器相关的企业。其中，国内上市的控制器相关企业有将近30家，不少都是这两年才上市的。我这里主要截取了市值比较靠前的21家作为对比。这其中汇川技术的市值最高，有1544亿元。
 

 
 

汇川技术主要聚焦在自动化、数字化和智能化的业务主航道，主要的产品有变频器、电梯一体化、PLC、伺服系统、工业机器人、以及新能源汽车电驱系统和电源系统等。去年营收达179亿元，净利润36亿元。
 
智能控制器的企业有拓邦股份、和而泰、振邦智能、朗科智能、瑞德智能等上市公司。
 
做变频器和伺服系统的企业有汇川技术、禾川科技、正弦电气、伟创电气、雷赛智能、信捷电气等。
 
电子发烧友对这21家控制器上市公司近三年的毛利率情况做了一个统计，从这个表格中，我们可以明显看到几乎所有的企业2021年的毛利率都比2020年低，而2020年几乎都比2019年的毛利率高。
 

 

相信这跟去年半导体行业大涨价不无关系。造成了原材料成本的大幅上涨。
 
根据我们了解到的信息：TI战略性调整了，更侧重电源和驱动芯片，去年的涨幅最大，从5%~70%不等，越低ASP的产品涨幅越大；ST从MOS到MCU产品都有，大概涨了22%；NXP的产品涨幅在15%左右。当然这个是原厂涨的价格，不是现货市场的涨幅。
 
但业内人士普遍预计，现在涨价应该接近尾声了，因为有些消费端的需求已经降下来，要是再涨价，可能很多需求会被抑制。
 
我们看到MOSFET的价格也已经在逐步回落了。2019年开始，美国万代被台湾MOS管替代得非常快。在去年Q3-Q4涨过价了，今年价格已经有微小回落。预计，MOSFET今年可能会有降价的窗口出现。
 
其实，除了IC和MOSFET，变压器和铜价、磁芯有关系（去年磁芯涨50%，整体变压器涨8-15%），不过，今年变压器是下降的趋势。
 

 
 

此外，我们统计了这21家企业的研发投入情况，发现10%研发投入的企业基本都是做工业类和汽车类控制器的，家电和电动工具类企业的研发投入基本在4%左右。
 
不过可喜的是，从近三年的研发投入看的话，其实大部分企业的研发投入每年都有不同程度的增加。