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国产电机控制先锋,勇攀岹岹BLDC高山

时间:2021-10-18 作者:顾正书 阅读:
在家电纷纷转向变频控制的市场趋势下,直流无刷电机(BLDC)成为各种电器和电动设备的主要驱动力。对于国产MCU厂商来说,电机控制是一个规模巨大的市场机会,但能否把握得住还要看自家的技术实力。在性能和设计复杂度最高的无感 FOC控制细分领域,峰岹科技凭借独特的电机设计、驱动算法和主控芯片技术,已经在全球市场上占据一席之 地,成为国产芯片厂商与国际巨头抗衡的一个范例。
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在家电纷纷转向变频控制的市场趋势下,直流无刷电机(BLDC)成为各种电器和电动设备的主要驱动力。对于国产MCU厂商来说,电机控制是一个规模巨大的市场机会,但能否把握得住还要看自家的技术实力。在性能和设计复杂度最高的无感 FOC控制细分领域,峰岹科技凭借独特的电机设计、驱动算法和主控芯片技术,已经在全球市场上占据一席之 地,成为国产芯片厂商与国际巨头抗衡的一个范例。ASPENCORE旗下《电子工程专辑》主分析师顾正书针对国产电机控制领域MCU的发展现状和趋势,对峰岹科技创始人兼CEO 毕磊先生做了独家采访。

无感 FOC成BLDC电机控制主流趋势

从家电、儿童玩具、无人机、电动车、电动工具到电脑和服务器散热风扇,电机可谓无处不在。电机种类繁多,但直流无刷电机(BLDC)逐渐成为市场主流,这种电机有什么优势呢?

与其他类型的电机相比,BLDC 电机具有如下特点:

  • BLDC电机在较宽的速度段上较其他传统电机拥有较高的电机效率;
  • BLDC电机基于应用场景的不同,可以选择方波、SVPWM、FOC 等各种电机驱动控制方式,可实现多样化的控制需求;
  • BLDC电机控制用到的参数较多且互为关联,驱动控制算法比较复杂,开发难度较高;
  • BLDC 电机具有优越的调速性能,表现在调速范围宽、运行平稳、效率高,应用场景从家用到工业和汽车,十分广泛。

BLDC电机具备高可靠性、低振动、高效率、低噪音、节能降耗等性能优势,并可在较宽调速范围内实现响应快、精度高的变速效果,充分契合终端应用领域对节能降耗、智能控制、用户体验等越来越高的要求。BLDC电机应用市场广泛且不断扩展,现已成为终端中小型电机领域的主流电机类型。

针对BLDC电机驱动控制,也有很多方式可以选择,比如有感方波、无感方波、SVPWM和FOC等,其中无感FOC凭借效率高、噪音低、响应速度快、节省霍尔器件等优点,被越 来越广泛地应用于家用和工业控制领域,是电机控制算法的未来发展趋势。

BLDC电机各种控制算法对比:

各种控制算法均有各自的优缺点,具体的选择需要依据最终应用领域而定。无感FOC 控制算法最为先进,能够最大程度上实现高效率、低振动、低噪音以及高响应速度等控制目标,因此逐渐成为主流趋势。然而,无感FOC算法复杂,调试参数较多,对算法设计有极高的要求。

BLDC市场规模及增长趋势

BLDC电机由于转矩密度高,非常适合移动式产品,如无人机、机器人和电动汽车等。高转矩密度的电机意味着同样转矩下电机的尺寸较小、重量较轻,这也促进产生了许多新的产品,例如高速吸尘器和高速吹风机等。

据Grand View Research 预测,全球BLDC电机市场规模将从2019年的163亿美元,增长到2022年的197亿美元,增长幅度达到20.86%。而据Frost & Sullivan对中国市场的预测,2018年至2023年期间中国BLDC电机市场规模年均增速达15%,超过全球市场的增长速度。

数据来源:Grand View Research

得益于显著性能优势,BLDC电机市场需求不断增长。高性能BLDC 电机是未来电机发展的重要趋势,与之配套的高性能电机驱动控制芯片厂商将迎来发展良机。

BLDC电机驱动控制芯片市场竞争格局

在BLDC电机驱动控制芯片领域,2010年之前全球市场基本被德州仪器(TI)、意法半导体(ST)、英飞凌(Infineon)和罗姆(ROHM)等国际大厂垄断。2010-2015年期间,兆易创新、中颖电子和峰岹科技等国内厂商逐渐崭露头角。2015年至今,国内厂商影响力不断增强,逐渐走向行业竞争前沿,在BLDC 电机驱动控制细分领域具备了与国际厂商分庭抗衡的实力。

目前,国内外厂商的电机驱动主控芯片大多采用Arm Cortex-M内核架构,这有利于降低芯片设计门槛,减少对技术积累的依赖,但也带来了核心技术依赖外部企业、需要支付IP 授权费用,且产品性能和成本不容易控制等问题。

而在控制算法方面,厂商通常在通用芯片上通过软件编程来实现电机控制算法。峰岹科技的电机控制芯片则是通过硬件化的技术路径实现电机控制算法,即在芯片设计阶段通过逻辑电路将控制算法在硬件层面实现,这样可以有效提高控制算法的运算速度和控制芯片可靠性。

主控、算法和电机三轮驱动

峰岹科技的核心技术团队由三人组成,其中两人都是国家特聘专家。创始人兼CEO毕磊主要负责芯片设计和开发;CTO毕超是新加坡国立大学工程博士和博士后导师,全球学术界著名的电机技术专家,主要负责电机设计和电机技术研发;另一位核心技术人员苏清赐博士是电机驱动控制算法的架构设计专家。在他们的带领下,峰岹科技专注于BLDC电机驱动控制领域的技术研发,在电机驱动控制芯片设计、电机设计、电机驱动算法架构等细分领域取得多项核心技术,搭建起了系统级的电机核心技术体系。该公司现已拥有授权专利 81 项,其中境内授权专利74项,境外授权专利7项,其中发明专利共计 30 项; 软件著作权9项,集成电路布图设计专有权46项。

峰岹科技的长远战略目标是“成为全球领先的电机驱动控制芯片和控制系统供应商”,公司在2010年成立之初就明确了专注电机驱动控制细分领域,面向全球市场的战略定位。经过10年的发展,其电机控制芯片在性能上已经能够与ST、TI、英飞凌等国际厂商相媲美。下表列出了峰岹与国内外几家电机控制芯片厂商的性能参数对比。

相比其它厂商的产品,峰岹的芯片采用专有的电机驱动内核,在实现FOC控制算法方面具有如下优势:

  • 执行一次FOC算法只需要6~7us;
  • 最高载波可达50KHz以上;
  • FOC控制方案电周期转速可高达270000 RPM;
  • BLDC控制方案电周期转速可高达780000 RPM。

峰岹科技从底层架构上将芯片设计、电机驱动架构、电机技术三者有效融合,用硬件化处理算法的技术路径,可在芯片架构层面高速地实现复杂的电机控制算法,形成自主知识产权的电机驱动控制处理器内核。其产品不受Arm授权体系的制约,并可在芯片电路设计层面上全集成或部分集成LDO、运放、预驱、MOS等器件,最终发展出具备高集成度、能实现高效率、低噪音,并且能完成复杂控制任务的电机驱动控制专用芯片,可满足下游领域不断变化的应用需求。

电机主控MCU采用通用内核+专用ME内核的双核架构

峰岹科技的电机主控芯片MCU 采用“双核”结构,由其自主研发的ME电机主控内核专门承担复杂的电机控制任务,而通用MCU内核则负责处理通信等辅助任务。目前通用MCU 内核采用8051架构,“ME+RISC-V”的双核芯片架构正在研发中。RISC-V 是开源的精简指令集架构,RISC-V 32位处理器内核较8051架构具有更快的运算速度,能够更好的承担“双核”架构中对外交互通信的任务。

ME内核是峰岹自主研发、独立设计,具有完全自主知识产权。ME内核专门负责处理电机控制实时任务,可独立运行,对许多信号可以并行处理,并通过算法硬件化与器件集成化,实现较Arm内核32位MCU 芯片更优的运算处理性能。下表列出了电机控制专用ME内核与通用MCU内核的性能对比。

从内核到系统的完整电机解决方案

作为专注于高性能BLDC电机驱动控制芯片的设计公司,峰岹科技产品涵盖电机驱动控制所需的全部关键器件,包括电机主控芯片MCU/ASIC、电机驱动芯片HVIC、电机专用功率器件MOSFET,以及智能功率模块IPM等。

如上图所示,主控、驱动和功率器件通常按照1:3:6的比例,共同组成BLDC电机驱动控制的核心体系,其中:MCU/ASIC芯片属于控制系统大脑,可实现电气信号检测、电机驱动控制算法及控制指令生成等;由于主控芯片难以直接驱动大功率MOSFET,需要HVIC作为驱动芯片,起到高低压隔离和增大驱动能力的作用。三大核心器件的组合就能够给BLDC电机提供高压、大电流的驱动信号,产生U、V、W三相控制电压,使BLDC电机按照控制指令工作。目前,峰岹科技已在单芯片层面实现部分集成/全集成HVIC、MOSFET的高集成度电机主控芯片产品,并可提供电机驱动专用智能功率模块IPM。

为使电机驱动控制专用芯片的效果达到最佳,该公司还针对各种实际应用领域,在电机驱动架构上发展出了高鲁棒性无感FOC驱动,无感大扭矩启动模式等多项核心电机驱动算法,使其在芯片设计和电机技术方面的优势得到了充分发挥。另外,峰岹还取得了许多电机结构的专利,包括具有轴向磁场的超薄型电机、三相低速BLDC电机、高转矩密度的BLDC电机和超高速BLDC电机等。电机技术和知识产权的积累,使得峰岹可以深刻理解前沿电机驱动控制专用芯片和控制算法所需解决的应用痛点,以及特定电机控制问题的最优解。这些技术和知识产权能够让公司具备很强的能力与国内外电机控制芯片公司进行差异化竞争,让其产品的专业性与专用性得以充分体现,进而提升公司产品的市场竞争力。

峰岹科技的芯片产品可广泛应用于低压至高压、小功率至大功率、低速至超高速、家用至工业等领域产品,满足应用领域的个性化需求,并可实现高效率、低噪音、高可靠性和多目标的控制效果。其电机控制应用方案涉及白色家电、小家电、厨电、电动工具、运动及出行、通信设备、工业与汽车,以及新兴的机器人领域。其客户包括美的、小米、大洋电机、海尔、方太、华帝、九阳、艾美特、松下、飞利浦、日本电产、海信、拓邦、德昌、卧龙等。

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顾正书
ASPENCORE资深产业分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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