2020年11月20日，由全球電子科技領域專業媒體<電子發燒友>舉辦2020電機控制先進技術研討會在深圳成功召開，上海靈動微電子股份有限公司、KEYSIGHT、國民技術、Qorvo、意法半導體、日本電產、泰克、兆易創新、峰岹科技等知名企業專家針對電機行業的解決方案及市場趨勢做了精彩分享。


圖：2020電機控制先進技術研討會現場

近幾年，先進電機驅動與控制技術在各個領域的全新應用、發展速度超出預期，資料顯示，2020年全球電機市場的規模約為1,133億美元，預計未來幾年將會以6.9%左右的年復合增長率增長，到2026年將會達到1,691億美元。電子發燒友總經理兼總編張迎輝在大會致辭的時候表示，BLDC電機應用的場景越來越多，電子產品對節能、噪音、穩定性、小型化和可移動性的要求越來越高，對電機的高轉速和高穩定性的要求越來越高。


圖：電子發燒友總經理兼總編張迎輝

近幾年的網紅產品，如搖搖車、筋膜槍、掛脖風扇、掃地機器人、送餐機器人、電動工具和各類新發明的機器人，都用到BLDC電機來承擔運動的部分環節。所以工程師們在電機驅動技術上大有可學，也大有可為。原廠IC工程師也特別需要應用工程師、軟件算法工程師們一起，做更深入前沿的研發，設計生產出更穩定、可靠、好用的產品。

張迎輝表示，要做好在市場上有競爭力的產品，光談還遠遠不夠。就以供應鏈降成本的環節來說，要生產一塊優質的BLDC驅動板和電機，研發人員除了需要了解主芯片外，還要了解周邊MOS、電容、IPM、LDO、電池和電機的參數，甚至是外殼、散熱器這些配件。在研發、生產和測試的任何環節做得不到位，都可能制造出來的產品不合格，面市之后出現這樣那樣的問題。不得不說，電機控制技術里很多坑都是需要大家一起來踩、一起來填，工程師們之間的交流學習非常重要，因此電子發燒友每年策劃兩場電機控制技術控制線下活動正好為行業提供一個很好的交流學習平臺。

靈動微電子電機專用芯片及驅動方案

靈動微電子朱川鄰在會上表示，公司扎根本土，布局全球，目前在全球有 5 個城市設有分支機構，并在日韓、東南亞、歐洲及北美開展業務，可以更好的利用全球技術及人力資源，完善產品研發，為客戶提供銷售和技術支持服務。


圖：上海靈動微電子股份有限公司電機技術經理朱川鄰

靈動微MM32 MCU產品家族包括通用高性能微控制器產品MM32 F，低功耗高安全微控制器MM32 L，電機與電源專用微控制器產品MM32 SPIN，無線微控制器產品MM32 W，超精簡型微控制器產品MM32 P。




朱川鄰詳細介紹了電機與電源專用微控制器產品MM32 SPIN產品線。包括MM32SPIN05/06 (2xOP)、MM32SPIN25/27、MM32SPIN37，MM32SPIN120B/320B、MM32SPIN160C/360C，以及即將要推出的MM32SPIN0280、MM32SPIN3270、MM32SPIN180C/380C 、MM32SPIN22xC/42xC。同時他也介紹了電機開發板- Motor DK、仿真與開發工具- MM32-LINK ISOL。



朱川鄰重點分享了電機領域的成功應用案例，包括空調機室外機板(三合一)、冰箱壓縮機驅動板、洗衣機驅動板、高壓風機、低壓風機、吊扇、吸塵器、電動工具、電動車、水泵、筋膜槍等。其中筋膜槍方案中用到的MM32F003TW可以完美替換國際大廠的產品，該方案能夠幫助客戶在一個月內將產品推向市場。


當前靈動微已經構建了完整的生態系統，朱川鄰表示，公司的愿景是成為中國本土 MCU 知名品牌，構建本土安全 MCU 系統，未來公司將將長期堅持專業、可靠、便捷 高效的價值觀，為客戶提供更易用的MCU。

KEYSIGHT：先進電源系統對電池供電的BLDC電機測試

隨著人工智能和工業4.0的發展，電池供電下電機驅動的產品市場需求激增，但是這其也存在不少問題，KEYSIGHT電源產品市場經理饒騫指介紹了其直流電源系統APS，可以解決最為棘手的產品上電測試難題，


圖：KEYSIGHT電源產品市場經理饒騫

APS具備諸多優點，包括電源和負載功能的無縫轉換，該系統內置電池內阻仿真、內置電量計，還具備功能強大的分析軟件和拖拽式測試序列軟件。



另外APS具備超低紋波和噪聲(<1MVRMS) 的電源特性，0.2MS 電壓/電流快速變化的優異性能，以及強大的測量能力和長時間功耗記錄（200KSa/s,18 bit, 1000小時）、無間隙的源和負載轉換等特性，也因此APS可以在多個領域得到很好的應用，包括納米材料、熔斷絲、充電搶、大電流分流器的測試。

饒騫還介紹了其電池管理器(BMS)，該產品可以減少研發原型機的不確定性，縮短開發時間。饒騫談到，電池管理器適用于任意的規格的電池模型(電壓，電量不限)，其內置電池內阻仿真(符合電池端電壓、開路電壓、電量變化規律) ，可任意設置電池模擬的起始點(研發調試靈活)，可模擬電池端電壓與電量變化(隨充、放電過程改變電壓)，具備強大的保護，無任何電池安全隱患和風險。

同時饒騫在會上還展示了KEYSIGHT上周推出的新產品Infiniium EXR系列示波器，該產品模擬通道為4通道，可升級到8通道，寬帶為500MHz到2.5GHz，實時采樣率為16GSa/s每個通道，邏輯通道為16個，獨立于模擬通道，該產品是一個7合一的產品，包括示波器、AWG、邏輯分析、協議分析、電壓表、頻率計、波特圖分析儀。



國民技術: 安全MCU和高性能電機方案引起業界關注

國民技術2000年源于國家“909”集成電路專項工程成立，2010年4月在創業板上市，是中國安全芯片行業領軍企業。國民技術一直耕耘在專用MCU、安全芯片、無線射頻領域。國民技術解決方案高級經理鄧昌榮介紹說，國民技術總部設在深圳，在北京、上海等多地設有研發中心，擁有發明專利1000多項，國民技術芯片累計出貨量達13億顆。

圖：國民技術解決方案高級經理鄧昌榮

安全+通用+無線射頻，國民技術在通用MCU、安全MCU領域具備優勢，在封測領域，國民技術和臺積電合作20多年，打造穩定、高質量產品，年交貨量達到1.5億顆。國民技術已經成為包括微軟、Intel、Dell、華為在內的多家國際客戶的長期供應商。

鄧昌榮指出，國民技術針對空調壓縮機電機控制，推出單芯片空調外機的控制解決方案，該方案采用國民技術的N32G455xx系列MCU作為主控制器，通過高效的雙FOC變頻技術同時控制外機壓縮機和風機，較大程度提升了空調外機的整體能效和整體效果。

這款產品具備高性能、低功耗，適應寬溫度范圍（-40度到105度）、大存儲容量、高級定時/計數器、豐富的高性能模擬外設、靈活的內存擴展接口(XFMC)、多種封裝類型等特點，同時，N32G455具有很高的安全特性：1、Flash安全存儲，加密下載；2、固件安全更新；3、Flash讀寫保護；4、Flash分區權限管理；5、硬件密碼算法加速引擎。

這款產品特性：1、壓縮機實現10Hz-120Hz運行；2、風機采用雙電阻FOC，降低啟動和運行噪音。3、軟件是高頻PFC，在額定功率下實現0.99以上。

鄧昌榮還介紹了高性價比電機應用微控制器N32G435xx，它和N32G455xx具有很多相同的特點，唯一不同的是它具有性能優異的硬件加解密引擎。N32G435系列主要運用在空調壓縮機、吸塵器、冰箱壓縮機、洗衣機和電動車領域。





國民技術在電機控制芯片和開發板的技術團隊有20多人，評估板，低壓電機開發板可以做到300W以內，高壓電機開發板達到1000W以內，行業開發板覆蓋空調、冰箱壓縮機和電動車。此外，國民技術提供多種算法和標準的固件訪問接口。國民技術電機團隊的核心競爭力，在于支持多種行業應用的變頻電機控制算法。

Qorvo：電機驅動方案之演化

Qorvo電機與電源應用部門經理Calvin Li指出，Qorvo聚焦微型電機小系統的控制方式。作為全球射頻解決方案的主要供應商Qorvo，憑借對Active-semi 的收購，進入了電機領域。Active-Semi成立于2004年，從最出的專注于電源管理應用到電源管理與智能電機驅動并重。Active-Semi能夠給客戶提供高集成度、高性價比、高精度和小尺寸的電源解決方案。


圖：Qorvo電機與電源應用部門經理Calvin Li

Calvin Li對1000W，500W小系統的無刷電機進行了探討。他分析說，馬達方案分為三類：分立器件，3.3V-5V的供電電壓驅動的單片機，加上模擬器件，包括運放、開關電源、比較器，搭載起來形成馬達；二類是ASIC方案，經典的方案更具備性價比，覆蓋幾瓦到幾千瓦，都可以實現，缺點是需要多個芯片支持，板面就要大很多；三、基礎方案，板面簡潔，缺點也很明顯，通用性和延展性不是特別理想。


Calvin Li重點介紹PAC5527產品，這是一個片上系統(SoC)控制器，可實現高效率、高性能和較長的電池壽命，適用于BLDC電機供電工具。在單芯片SOC中集成了多個模塊，其中包括基于FLASH的高性能150MHz Arm Cortex-M4F，內置128kB FLASH；電源管理模塊；可編程電流高端和低端柵極驅動器；信號調理模塊。相比競爭對手解決方案，此組合可顯著節省PCB空間并將BOM縮減達30%。

PAC（PowerApplication Controllers）產品系列最核心的設計理念就有高智能度的外設控制，讓客戶基于這個平臺可以實現更靈活性、更小型化、更高效的設計方案。PAC產品還對電池供電、交流供電、電源的管理、內部的LDO設計和驅動電源部分的控制都進行了專門的優化處理。PAC5527非常適合用于無刷電機控制應用，包括高性能電動工具（高達24V）、12V伺服器或直流風扇、無人機以及遙控(RC)系統。

Qorvo提供EVK和產品設計指南，還支持第三方編譯器，在上海，Qorvo提供直接服務團隊，產品材料都是由上海團隊直接編輯的，為中國客戶提供最快捷、定制化的服務。

ST三相電機控制的解決方案

意法半導體在三相電機電機控制領域已經擁有了18年的經驗，本次電機控制先進技術研討會上，意法半導體的電機控制高級應用開發工程師蔡成攀為我們分享了ST三相電機控制的解決方案。為了造就更優秀的電機控制解決方案，意法半導體在亞太地區成立了電機控制創新技術中心。該技術中心負責硬件參考設計、ST電機庫的軟件應用模塊設計和系統級解決方案設計等，并為客戶提供調試和性能提升等支持。


圖：意法半導體的電機控制高級應用開發工程師蔡成攀



意法半導體的電機控制生態系統分為多個部分，包括電機控制的8位到32位MCU，IPM、交流開關和電機驅動IC，以及用于評估的硬件開發板，此外還有ST MC Workbench與STM32 Cube Mx開發工具，和涵蓋各種功能與算法的庫。



意法半導體的新產品STSPIN32F025x/60x是一款配備嵌入式STM32 MCU的高級BLDC控制器，分別對應250V和600V的三相無刷直流電機控制。該器件包含三個柵極驅動和一個SMT32 Cortex M0的MCU，可應用于空調壓縮機、工業水泵、大功率電動工具等場景。



不僅如此，為了滿足電機應用的需求，意法半導體還推出了智能功率模塊系列SLLIMM，為電機控制、洗衣機、空調、水泵、壓縮機和工業驅動等應用都發布了對應功率的SLLIMM模塊，適用功率范圍達到3KW以上。



意法半導體的三相電機控制解決方案從2002年發展至今，除了硬件產品支持外，其FOC電機控制SDK也已升級至5.4.4版本。運用該SDK可以實現電機參數自動識別，通過GUI對電機進行實時交互控制，而且電機庫支持單電阻和3電阻等多種電流采樣組合。

日本電產（尼得科）：無刷電機在掃地機行業的應用及發展

日本電產（尼得科）早在47年前成立時就已經涉足電機市場，如今主營產品包括精密小型雷達、車載/家電/工業用馬達電機等。本次大會上，日本電產大連研發中心的部長張東旭先生為大家分享了日本電產的無刷電機在掃地機行業上的應用與發展。


圖：日本電產大連研發中心的部長張東旭先生

日本電產集團為了順應時代的變革，也致力于技術革新的“五大浪潮”。比如無碳化技術浪潮下的EPS電力包、驅動馬達系統，機器人技術浪潮下的精密減速機和交流伺服馬達，大數據時代浪潮尤其是基于5G應用的均熱板和基站散熱風扇，省電化技術浪潮下的家電壓縮機和馬達，最后是物流技術浪潮下的無人機馬達和無人搬運車。



據日本電產統計，中國目前白色家電的普及率已經很高，但掃地機器人的普及率仍然只有3%的均值，其中沿海地區普及率稍高，達到5%，而內陸地區僅占0.4%。但隨著家庭因素和消費觀念的轉變，其普及率將逐漸提高。而且中國市場將成為掃地機器人的主要市場，預計國內銷售總量將在2023年達到2000萬臺。



而在有刷轉無刷電機的趨勢下，2020年日本電產（尼得科）在不少掃地機器人廠商都實現了銷售額增長，增長比例從10幾個百分點高至三倍。但日本電產（尼得科）不僅是一個提供電機產品的制造商，同樣可以為客戶提供解決方案。



通過仿真等技術，同一電機在結構調整后就可以獲得3倍以上的流體改善效果，這就是日本電產提供的整機優化方案。此外，日本電產還提供振動與噪聲優化，和平臺化、模塊化的解決方案，提供客戶的開發效率和產品機能。日本電產（尼得科）還與華秋商城合作，為掃地機器人的電機產品提供電商的供貨渠道。

泰克幫助你精準測量三相電機驅動

當前新基建政策的確立，推動了新能源汽車的快速興起，與此同時，也帶來了新的電機測試難題。泰克高級應用工程師劉劍，在此次論壇上帶來了泰克三相電機驅動測試解決方案的分享。


圖：泰克高級應用工程師劉劍

劉劍介紹到，針對電機在進行測試時，通常會包含輸入電源質量，相角分析、紋波、串行數據，PWM信號，協議，DQ0、效率、機械參數、時間相關的傳感器數據以及功率分析動態表征等。

劉劍表示，泰克提供了IMDA解決方案，IMDA可以對逆變器、電機、驅動進行測試分析。IMDA靜態測試主要有四項，輸入分析、輸出分析、波紋分析及DQ0分析。泰克可以將這些數據通過圖表的形式顯示出來，幫助工程師進行更加精準的分析。

在進行動態測試時，可以通過時間趨勢圖分析電機驅動器測量值如何隨著時間的推移而變化，在一個長期的深層記憶采集中，也允許用戶通過窗口放大采集中的任何部分。同時，還可以分析電機驅動測量值如何在多次采集中發生的變化，有效將其轉化為數據。



同時，泰克也提到，在當前許多廠家已經在向第三代半導體產品邁進，將自己的SiC器件轉換成GaN器件，但這種新型寬禁帶半導體器件的引入帶來了新的挑戰。寬禁帶功率器件會導致導通阻抗降低，這會讓導通損耗降低，并且極大提升測量的難度。而在開關速度變快，導通損耗降低后，必然使得效率提升，那么如何精準判定換能系統的效率？

劉劍表示，可以通過IsoVu?技術來解決這些問題。IsoVu?技術是一種全新的高電壓隔離探測解決方案，提供了精確和可重復的結果將測試設備與示波器完全電流隔離。




同時，泰克也推出了新一代的示波器，擁有更快的速度，更低的噪音，卓越的測量可信度。還推出了高壓差分探頭（THDP系列），帶寬高達200MHz，高達6000V的差分以及2300VC的共線。

針對電機驅動測試時，泰克也推出了相應的設備。高次諧波和PWM信號一般都是幾KHz的信號頻率，泰克示波器的1MHz帶寬可以很好滿足測試要求，同時有專用的PWM 測試模式，設定簡單。

引領國產MCU發展 兆易創新為電機驅動提供智能解決方案

兆易創新擁有豐富的MCU研發經驗，2013年4月推出了第一顆基于Cortex-M3核的MCU，目前在存儲器及控制器領域積累了豐富的設計經驗。在此次會議上，兆易創新產品市場經理陳奇從MCU的角度出發，為電機驅動提供智能解決方案。


圖：兆易創新產品市場經理陳奇

據陳奇介紹，兆易創新GD32 ARM核MCU具備最新32位ARM Cortex-M核，擁有26條完整的產品線，超過300款可選型號，有性能卓越、快速響應的特點，還優化了動態功耗，有工業級的ESD和EMC等。

同時，GD32 MCU還擁有高性能、系列間兼容、工業級可靠性、開發簡易等特點，讓客戶可以更好的使用。




此次會議，陳奇也分享了目前兆易創新在電機控制上的新產品，包括高精度實時性工業控制MCU——GD32E507，以及業界首顆基于RISC-V內核的通用MCU。GD32E507高精度實時性工業控制MCU其特點在于集成的FPU采用180MHz Arm Cortex-M33核，擁有三角函數運算單元（TMU），可進行三角函數運算，反正切，平方根的計算，擁有16bits高分辨率定時器/90ps PWM輸出。

據陳奇介紹，當前兆易創新的電機控制可以應用在機器人、平衡車、洗衣機等使用電機的產品當中。同時，兆易創新還推出了電機控制軟件SDK，可以服務于BLDC及PMSM FOC。

在電機驅動開發套件上，本次兆易創新還分享了基于GD32E505系列、GD32VF103系列、GD32E230/231系列的開發板。

在開發生態環境上，兆易創新推出了GD32 MCU全功能開發板，支持MCU外設全功能評估，包括IO接口、外部存儲器總線和LCD等，板上支持GD-link，可用引腳全部用插針引出，便于驗證測試。




此外，兆易創新也設計了GD32 MCU最小系統板，基于GD32系列入門級開發套件，可用引腳全部用插針引出，便于驗證測試，支持板載GD-link，也可外接其他仿真器，同時還支持 Arduino兼容接口。

GD32 MCU支持市場中主流的開發環境、仿真器以及燒錄器，例如Keil、IAR?Systems、Crossworks、SEGGER、Flatek等。

同時，兆易創新還推出了自己的開發工具，提供在線調試器、在線編程等多種工具及服務，并且還提供GD32 MCU的DFU、IAP等工具的下載。

峰岹科技：直流無刷電機控制方案發展趨勢

電機控制驅動控制芯片廠商峰岹科技成立于2010年，致力于高性能電機驅動控制芯片及核心應用算法的研發。該公司的芯片和應用方案被廣泛應用在了消費電子、電動工具、IT及通信設備、工業設備及機器人等領域。


圖：峰岹科技應用部總監羅薛

其應用部總監羅薛在今天的電機控制論壇上分享了《直流無刷電機控制方案發展趨勢》的分享，他認為目前的直流無刷電機控制方案有三大發展方向：一是芯片向高集成方向發展；二是控制算法向SoC硬件化發展；三是直流無刷電機及控制向超高速方向發展。


圖：直流無刷電機控制方案的發展方向


圖：主流電機控制芯片參數對比

此外，羅薛還介紹了一些直流無刷電機的典型應用方案，比如說手持吸塵器方案、無葉吹風筒方案、空調室內機方案、落地扇方案、以及散熱風扇方案等。


圖：超高速直流無刷電機應用解決方案

電機市場超千億美元，未來發展可期

隨著高能效電機在汽車、農業、空調和洗衣機等領域的廣泛使用，全球的電機市場得到了很大的增長。據MarketsandMarkets統計，2019年全球電機市場的規模為1220億美元，由于受到新冠疫情的影響，2020年的市場規模有所下滑，預計今年的規模為1133億美元。

今年的下滑可以看作是黑天鵝事件的影響，明年應該還是會繼續向上走，該機構預計未來幾年將會以6.9%左右的年復合增長率增長，到2016年將會達到1691億美元。


圖：電子發燒友行業分析師程文智

相對于電機的歷史，BLDC其實是相對來說比較年輕的，從發展至今也就50多年的歷史。但是隨著半導體技術的發展，MCU和驅動組件的普及，使得BLDC電機的總體成本降低了很多，因此，這幾年BLDC電機得到了發展，其總體成長率也高于電機的成長率。



電子發燒友行業分析師程文智在分享中表示，雖然2020年全球電機的總體規模有所下滑，但BLDC的市場規模并沒有下降，反而是上漲的。根據Grand View Research的統計，2019年BLDC的市場規模是163億美元，預計今年的市場規模是173億美元，未來將會以6.5%的年復合增長率繼續增長。

特別是在中國市場，BLDC電機及控制器的增速遠高于全球的發展，據Frost & Sulivan預測，2018年~2023年中國BLDC電機市場規模年均增速達15%，2018年~2023年BLDC控制器市場規模年均增速達15.5%。

程文智表示，電機領域看似成熟，但仍然充滿了機遇和挑戰。當前，電機和電機控制水平還是以日本、歐美企業領先，國內還有很大的提升空間。BLDC還是一個新興的市場，除了一些老牌的廠商，比如TI、ST、Microchip、Rohm、Toshiba等等，也有不少新企業例如MPS，PI等開始進入。主控方面，國內有峰岹科技、兆易創新、士蘭微、靈動微等，以及新進的像芯海科技、國民技術等。功率器件方面，有華潤微、斯達半導體、捷捷微電、士蘭微、晶豐明源等企業。BLDC市場將為眾多企業帶來巨大的發展機會。

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