高能效电机发展加速，BLDC围绕节能和智能化演进

电子发烧友网报道（文/李宁远）在低能效电机渐渐满足不了各行各业需求的今天，高能效电机完成对低能效电机的替代已经是大势所趋，高能效电机也就是我们熟知的无刷直流（BLDC）与永磁同步（PMSM）电机。
 
目前不管是工业自动化领域，还是汽车领域，抑或是生活家电领域，各个终端市场对BLDC电机控制性能提出了更高的要求。它们不仅需要电机能够做到高效率和多功能控制，还需要电机在追求高转速的同时实现低噪音低振动的控制效果。
 
BLDC的演变发展
 
电机在我们的日常生活中无处不在，它是依据电磁感应定理实现电能转换或传递的一种电磁装置，用来产生驱动转矩作为各种用电器的动力源。电机可以分为DC直流电机和AC交流电机。
 
直流电机又可以分为有刷直流和无刷直流。有刷电机是很传统的电机产品，内含电刷装置，将电能转换成机械能（电动机）或将机械能转换成电能（发电机），可以说有刷电机是所有电机的基础。有刷电机的定子是永磁体，而它的转子是通电的线圈。
 
有刷电机经过多年的发展，性能已经做得很稳定，但是长期以来一直有一个问题没有解决。那就是换向器和电刷之间接触不可避免地会产生噪声，在长期的接触下使用寿命减少是必然的，定期维护也相当耗时耗力。而且在有刷电机使用后期，在电流较大时，电刷在换向时会产生火花。
 
为了解决这种困境，无刷的呼声越来越高，无刷电机开始走到台前。无刷电机因为其无刷特性，使用寿命得以大幅延长，长期来看，BLDC的使用寿命平均比标准的有刷DC电机延长了3-5倍。
 
同时，因为不存在电刷间的磨损，BLDC电机系统能在较长的使用寿命内都持续保持相对稳定的性能。从整个项目生命周期的长远角度来看，BLDC应该是目前最具成本效益的一种选择。噪声问题也因为去掉了机械式的电刷而得以解决。
 
虽然无刷电机应用兴起晚于有刷电机，但实际上在电机的发展历程里，最早的实用电机是无刷形式的，早于有刷电机。但是受限于当时的无刷技术发展缓慢，无刷电机弊端太多，并没有成为当时的主流。
 
上世纪五十年代，D.Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，正式标志着现代无刷直流电机的诞生。到六十年代，在TG Wilson和PH Trickey的努力下，第一台无刷直流（BLDC）电机就此亮相。
 
此后，随着功率半导体技术，控制芯片与控制技术以及高性能稀土永磁材料的不断发展，BLDC无刷直流电机的发展不断加速，其性能也在不断改进，市场容量不断增大。进入2020年代，高效节能和智能化电机被各国重视，与日俱增的高标准性能要求下，越来越多的高性能BLDC涌现。
 
BLDC好在哪里？
 
从工作原理上来看，BLDC作为电机，其基本构造也是定子加转子，不过其定子和转子和有刷电机是相反的。BLDC的定子是通电的线圈，转子是永磁体。根据电磁感应原理，只要给定子上的线圈接入适当方向的电流，让产生的磁极方向与永磁体的磁极相对应，就可以旋转起来。
 
也就是说，控制电流的大小和方向，就能控制转子的旋转。对接入电流线圈的定子进行优化，可以产生很多驱动方式。最简单的，给每个线圈单独通电即可将BLDC驱动起来。将线圈分类，同时驱动，电机效率继续提升。利用磁铁的吸引排斥特性分别控制线圈，驱动能力再上一个台阶，进一步提高电机效率。解决噪声和使用寿命问题之外，BLDC最明显的特点就是高效率。
 
目前市面上的BLDC 电机，效率做到90%以上已经很常见了，而有刷直流电机的效率能到80%就已经很不错。在高效率、高扭矩、低噪音、长寿命、响应快速等优势的加持下，越来越多电动设备开始向BLDC转变。
 
BLDC难点——控制
 
这么多优势，那么BLDC是否存在缺点呢？其实是有的，从其控制方式来说，BLDC的控制比有刷电机难很多，对控制器的性能要求还是比较严格的，硬件成本会高出不少，同时还需要电机参数相匹配。
 
目前随着电机控制性能要求的逐年提升，BLDC控制从方波控制到有感SVPWM，然后到FOC。FOC控制算法目前已经确立了主导地位，这主要还是因为FOC能在最大程度上实现高效率、低振动、低噪音以及高响应速度等电机控制目标。
 
FOC控制下的电机换向性能在最高转速下正反转切换可以做到十分顺畅，通过Clock调速和PWM调速，FOC控制下的BLDC震动更低，噪音更小，响应速度更快。
 
FOC的核心源自于闭环负反馈，因此从芯片角度来说，控制芯片的带宽是电机控制最重要的衡量指标之一。更高的带宽能够带来更快的指令响应时间和更优异的高频扰动抑制能力，这种能力最终体现在电机层面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和电机抖动。
 
FOC是一个复杂且强大的BLDC控制方法，无感FOC则进一步加大了控制难度，即在不需要编码器等额外的传感器的情况下完成FOC控制。没有了额外的传感器，那么控制算法势必会更加复杂，同时还需要引入前馈控制、观测器等概念。虽然更复杂，但是无感也带来了更简洁的结构以及降低了传感器失效风险。
 
目前国内外不少厂商的BLDC驱控芯片已经做得很优秀，这里不一一列举。很多厂商在低速带载、带载高速、IPM零速带载、无感器正反转切等难点上都有不错的解决方案，可以关注电子发烧友的BLDC技术研讨会深入了解。
 
小结
 
未来BLDC发展围绕着节能和智能化展开，通过采用集成化程度更高、性能更好的器件，以及更加优秀的软件算法来实现提升效率，节省能源的目的，也可以通过扩展感知范围，加入AI算法等手段来实现电机控制的智能化。