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BLDC 電機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)超過50年。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，MCU、驅(qū)動(dòng)組件的普及，使得BLDC電機(jī)的成本降低了很多，電機(jī)的行業(yè)應(yīng)用也正隨著自動(dòng)化水平的提高而不斷提升，相信到2020年會(huì)迎來一大波新增長。

據(jù)<電子發(fā)燒友>統(tǒng)計(jì)和估算，2018年全球BLDC電機(jī)市場規(guī)模為153.6億美元，這里的市場規(guī)模包括電機(jī)本體和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分一起。預(yù)計(jì)未來4年將會(huì)以6.5%的年復(fù)合增長率增長，預(yù)計(jì)到2022年將會(huì)達(dá)到197.6億美元。

BLDC市場增長的原因，與BLDC電機(jī)本身的特性密不可分，比如BLDC電機(jī)具有體積小、重量輕、噪聲小、轉(zhuǎn)矩特性好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、效率高，以及壽命長等特點(diǎn)。

當(dāng)然，市場的增長離不開具體應(yīng)用的推動(dòng)，BLDC的應(yīng)用場景有很多，目前增速比較快的應(yīng)用主要有工業(yè)控制、家用電器、消費(fèi)類電子、機(jī)器人、物流自動(dòng)導(dǎo)航車、汽車、無人機(jī)等等。市場熱點(diǎn)主要關(guān)注以下幾個(gè)領(lǐng)域：

Arm 32位MCU助力舵機(jī)行業(yè)產(chǎn)品升級(jí)

目前市面上可供選擇的MCU有很多，但應(yīng)用最多的是32位Arm內(nèi)核MCU。從2018年中國市場Arm Cortex 內(nèi)核MCU的累積出貨排名可以看到市場份額的逐年變化趨勢。

圖1：2018年中國Cortex內(nèi)核MCU供應(yīng)商市場份額占比情況。（數(shù)據(jù)來源：IHS Markit）

根據(jù)IHS Markit最新的調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)字，2018年中國Arm Cortex內(nèi)核MCU市場大部分市場仍為國際MCU廠商所占據(jù)，但好消息是中國通用MCU廠商GigaDevice（兆易創(chuàng)新）成功保持在了市場前三的位置，市占率達(dá)到9.4%。相比2017年而言，排名第一的STMicroelectronics占比下降1%，第二名的NXP占比下降2.8%，TOP3的GigaDevice則上升了3.6%，也顯示出中國半導(dǎo)體發(fā)展的強(qiáng)勁態(tài)勢。

目前機(jī)器人市場主要分為工業(yè)機(jī)器人、商用服務(wù)機(jī)器人，以及消費(fèi)級(jí)機(jī)器人。隨著機(jī)器視覺、語音識(shí)別以及深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)級(jí)機(jī)器人已經(jīng)快速進(jìn)入市場并在智慧家庭、看護(hù)陪伴等領(lǐng)域迅速普及。機(jī)器人產(chǎn)品核心部件之一就是舵機(jī)，這也是機(jī)器人中使用最頻繁的部分。舵機(jī)的大小和數(shù)量決定了機(jī)器人做動(dòng)作的靈活性。據(jù)估計(jì)舵機(jī)部分將會(huì)占到機(jī)器人成本的40%以上。舵機(jī)通過電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，ＭＣＵ控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的電機(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確的說是伺服馬達(dá)。

機(jī)器人舵機(jī)主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位器、直流電機(jī)和控制電路板等部件組成。從圖2的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架圖可以看出，每個(gè)舵機(jī)都需要一顆MCU來進(jìn)行控制。

圖2：BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架圖。

談到兆易創(chuàng)新的32位Arm內(nèi)核MCU產(chǎn)品，不得不提到量產(chǎn)多年，在電機(jī)控制產(chǎn)品圈熱銷的GD32F130系列產(chǎn)品。GD32F130 產(chǎn)品是兆易創(chuàng)新于2014年推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的MCU，為工程師提供了電機(jī)控制的主流解決方案。2017年，基于Cortex-M4內(nèi)核的GD32F330產(chǎn)品則進(jìn)一步以超值特性為成本敏感的電機(jī)控制應(yīng)用開辟了道路。

2018年兆易創(chuàng)新又推出了基于最新Arm Cortex-M23內(nèi)核的入門級(jí)產(chǎn)品，GD32E230和GD32E231系列MCU，片上集成了電機(jī)控制所需的多種模擬外設(shè)，包括能夠輸出三相互補(bǔ)PWM波形的高級(jí)定時(shí)器、高性能ADC、比較器和高速運(yùn)放等，持續(xù)為輕量級(jí)的電機(jī)控制開發(fā)提供最優(yōu)的解決方案。

家電變頻化已成市場主流

隨著中國家電行業(yè)執(zhí)行5級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，能效標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格，變頻電機(jī)市場開始轉(zhuǎn)熱。據(jù)市場機(jī)構(gòu)預(yù)測，2010至2022年，家電變頻電機(jī)中的半導(dǎo)體含量將實(shí)現(xiàn)8倍增長。

現(xiàn)在無論是我們?nèi)粘Ｉ畛Ｒ姷目照{(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、油煙機(jī)，還是當(dāng)前普及率正在提升的洗碗機(jī)，智能吸塵器，破壁料理機(jī)等都開始實(shí)用變頻電機(jī)。以正在興起的變頻冰箱為例，由于冰箱壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了冰箱內(nèi)部的溫度，而變頻冰箱壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可根據(jù)溫度來發(fā)生改變，就可以讓冰箱根據(jù)當(dāng)前的溫度情況做出調(diào)整，讓冰箱內(nèi)的溫度更好地保持恒定。這樣，食物的保鮮效果將更好。由于變頻冰箱壓縮機(jī)大都選擇BLDC電機(jī)，因此工作的時(shí)候效率更高，噪聲更小，使用壽命也更高。

所謂的變頻調(diào)速就是通過改變定子電源的頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能和提高效率的目的。要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速就需要變頻器的幫助，現(xiàn)在的變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路，以及控制器（MCU/DSP）等部分組成。

圖3：冰箱壓縮機(jī)變頻控制板正面

筆者近期拿到了一塊由深圳華芯控股科技設(shè)計(jì)的冰箱壓縮機(jī)變頻控制板，其中變頻板的主控MCU正是采用了GD32F130產(chǎn)品，并已經(jīng)被應(yīng)用于國內(nèi)外多家主流品牌冰箱產(chǎn)品中。GD32 MCU在家電變頻行業(yè)的廣泛應(yīng)用也可見一斑。

手持云臺(tái)大眾化前景看好

近年來，隨著視頻直播越來越火，智能手機(jī)的拍照功能越來越強(qiáng)，Vlog制作、抖音神器等智能硬件已成為當(dāng)下火爆的“剛需”。為了提升拍攝時(shí)的穩(wěn)定性，手持云臺(tái)正在走進(jìn)日常生活并成為常見的攝影輔助工具。

目前從事手持云臺(tái)產(chǎn)品開發(fā)的公司也有不少，一線品牌有大疆創(chuàng)新（DJI）的OSMO靈眸，以及線上熱銷的智云Smooth、飛宇G6等多家廠商。

云臺(tái)產(chǎn)品至少要有三個(gè)BLDC電機(jī)，來控制XYZ三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，其次還有一個(gè)固定相機(jī)的裝置，這個(gè)裝置里面會(huì)有運(yùn)動(dòng)傳感器來感測相機(jī)的位置變化。

云臺(tái)產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)在于如何控制BLDC電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。首先，電機(jī)需要用PMSM FOC算法來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)順滑的伺服控制；其次，要保證相機(jī)的穩(wěn)定性和各種跟隨操作，必須將相機(jī)固定裝置內(nèi)傳感器采集到的信號(hào)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行三維姿態(tài)解算和姿態(tài)控制。也就是說，做一個(gè)手持云臺(tái)產(chǎn)品并不容易。

早期的國內(nèi)云臺(tái)產(chǎn)品基本都是采用俄羅斯人Aleksey Moskalenko的開源云臺(tái)控制系統(tǒng)算法開發(fā)的。經(jīng)過行業(yè)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，現(xiàn)在中國也有很多廠商具備了研發(fā)能力，前面提到的三個(gè)主流品牌基本都是采用自有技術(shù)。目前IC國產(chǎn)化的趨勢正日益明顯，行業(yè)內(nèi)的公司都開始著手準(zhǔn)備國產(chǎn)化的替代方案。最常見的國產(chǎn)替代方案，就是采用GD32F4系列Cortex-M4 MCU產(chǎn)品去升級(jí)或重新開發(fā)早期的云臺(tái)控制方案。

并且早期的云臺(tái)控制原型是用一顆MCU控制一個(gè)BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過中國工程師不斷創(chuàng)新，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用一顆高性能的Cortex-M4F內(nèi)核MCU同時(shí)控制兩個(gè)軸向的BLDC電機(jī)。不僅可以簡化云臺(tái)產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)，方便整機(jī)ID設(shè)計(jì)，也可以很好地控制產(chǎn)品的成本，從而更有利于大眾化普及。

基于Arm MCU的BLDC電機(jī)控制算法研究熱度不減

在逐漸興起的BLDC電機(jī)控制應(yīng)用中，磁場定向控制（FOC）技術(shù)正變得越來越流行，這樣能夠確保電機(jī)在任何時(shí)候都能以最佳的扭矩，高效地運(yùn)行；其出色的動(dòng)態(tài)相應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的可變速度控制；再加上FOC的低扭矩波動(dòng)可讓電機(jī)在運(yùn)行、啟動(dòng)和停止時(shí)，保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

FOC控制雖好，但要實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢就需要MCU或者DSP有足夠的計(jì)算能力來處理這些復(fù)雜的三角方程，以及電機(jī)轉(zhuǎn)自狀態(tài)觀測。早年如果要實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制算法，需要使用TI 的C2000系列DSP。近年來Arm公司推出Cortex-M4內(nèi)核，集成了完整的DSP指令集、并行計(jì)算能力和專用單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），就可以有效滿足FOC算法和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的觀測算法對MCU計(jì)算能力的需求，拉近了MCU和DSP在運(yùn)算能力上的差異。包括STMicroelectronics、NXP、GigaDevice、ATMEL等MCU廠商也紛紛推出相應(yīng)的MCU產(chǎn)品。

圖4 ：高性能電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

為了幫助客戶使用MCU芯片評估FOC算法和電機(jī)狀態(tài)觀測器算法，GigaDevice（兆易創(chuàng)新）推出了GD32F450Z-BLDC評估板并提供了相應(yīng)的開發(fā)工具包(SDK)，GD32F450系列MCU具備了200MHz的Cortex-M4F內(nèi)核和2.6M采樣率高性能ADC等豐富的模擬外設(shè)，電機(jī)開發(fā)工程師就可以使用開發(fā)套件進(jìn)行各類電機(jī)控制算法的研究。

圖5：GD32F450Z-BLDC評估板

結(jié)語

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，BLDC電機(jī)開始興起，并逐漸替代傳統(tǒng)電機(jī)，特別是在工業(yè)控制、家用電器、消費(fèi)類電子、機(jī)器人、物流自動(dòng)導(dǎo)航車、汽車、無人機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。BLDC電機(jī)的興起，對MCU的需求量將會(huì)持續(xù)增長，2018年全球MCU的出貨量306億顆，未來幾年還將會(huì)保持高速增長。

從城市電摩騎行和即時(shí)配送的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)、到消費(fèi)家電產(chǎn)品的不斷智能化創(chuàng)新，再到BLDC控制的變頻化發(fā)展，一方面需要中國嵌入式工程師勇于創(chuàng)新，敢于突破現(xiàn)有的行業(yè)成規(guī)；另一方面芯片供應(yīng)廠商也要持續(xù)不斷提供性能和價(jià)格更好，同時(shí)方便開發(fā)者使用的新產(chǎn)品。這也給中國的MCU芯片廠家提供了廣泛的市場機(jī)會(huì)和更大的發(fā)展動(dòng)能。

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