家電吹起變頻風 BLDC/PMSM前景看俏

作者: 蘇宇庭
2014 年 07 月 21 日

直流變頻馬達全面搶進家電應用市場。為了改善家電的節能及運轉效率,不少廠商已開始將家電採用的傳統交流感應馬達,汰換成直流無刷馬達(BLDC)或永磁同步馬達(PMSM)。這兩者皆係透過變頻電路設計達到可調速的變頻效果,雖然初期採用成本較高,不過在消費者環保意識抬頭之下,BLDC及PMSM市場正在穩定起飛。


合泰半導體產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章表示,傳統交流感應馬達存在於大部分家電產品中,其變頻原理係透過簡單的V/F(Voltage/Frequency)來控制馬達轉速;而為了提升交流感應馬達的功率,業界已開始透過功率元件構成的變頻電路,讓部分採用傳統交流感應馬達的小家電能以相同的轉速提供較大馬力,不過其效率值仍不理想。


潘健章進一步指出,相較之下,透過變頻電路設計來達到調速功能的BLDC及PMSM(統稱為直流變頻馬達),則擁有靜音、節能、產品壽命週期長,以及在相同功率下,因能提供馬達較高扭力,所以體積較小等特點,這些都是交流感應馬達難以媲美的優勢。隨著現代人開始願意花較高成本來提高生活品質,擁有變頻功能的家電產品需求已逐漸湧現。


從應用產品來看,現階段以變頻空調發展相對比較成熟,變頻冰箱和變頻洗衣機則處於起步階段,具有廣闊的市場成長空間,而且對變頻技術的要求更加苛刻。


飛思卡爾(Freescale)亞太區微控制器(MCU)業務拓展與市場經理李唐山進一步分析,變頻馬達對於微控制器的運轉時脈,及內置的類比數位轉換器(ADC)和脈衝寬度調變(PWM)都有一定要求。以磁場導向控制(Field Orientated Control, FOC)的高效能馬達如PMSM為例,因應馬達的高速旋轉需求,ADC速度須至少為1Mbit/s,在採樣的間隔時間內,ADC又必須完成三相到兩相靜止坐標系,再到旋轉坐標系的變換,以及搭配相關的運算和控制,並即時完成系統的其他回應。


不過,李唐山表示,PMSM雖然結構緊湊、性能上適合以弦波控制,所以雜訊更小、效率和可靠性更佳,但囿於成本較高,目前普及率仍不理想,預計至2015年PMSM市場才會明顯增長,因此BLDC仍會是未來幾年內的主流。


德州儀器(TI)馬達事業部現場應用工程師劉俊男亦認為,目前市面上採用BLDC馬達的小家電,僅約占一成多,未來成長空間巨大,因而成為半導體廠商注目的焦點。


事實上,BLDC可依照不同產品需求,選擇以方波或弦波控制馬達運作。潘健章解釋,方波控制方案的優點為設計簡單、便宜、馬力大;而使用弦波驅動方案可大幅降低馬達側向力的作用,達到降低振動噪音的效果,因此對MCU的規格要求也較高。


潘建章進一步分析,雖然BLDC馬達理論上是屬於方波電壓,不過為了讓無法導入高成本PMSM馬達的家電,仍能享有趨近於PMSM能效的產品優勢,也有不少廠商開始推出BLDC馬達改搭弦波控制的方案,尤其是訴求靜音效果的家電更有此需求,如靜音落地扇,而諸如吸塵器、電動機等對噪聲要求不嚴苛的產品,則仍採用方波控制的BLDC馬達。


面對變頻家電帶來的BLDC及PMSM商機,MCU廠商也祭出各種方案搶攻不同的應用市場。如合泰半導體針對電動工具、風扇等低價位需求的BLDC馬達應用,以及冷氣、電冰箱壓縮機、洗衣機等訴求高效能的PMSM應用,各祭出8位元及32位元MCU系列;飛思卡爾則是以32位元的數位訊號控制器(DSC)或是Kinetis KV MCU搭配馬達開發套件(Motor Suite)來搶攻高效率馬達市場。

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