工業(yè)馬達引動(dòng)芯片架構之爭，ARM陣營(yíng)漸成市場(chǎng)主流

　　根據市場(chǎng)調查機構M&M的研究報告指出，單就全球高效馬達市場(chǎng)就可望從2012年的317.9億快速成長(cháng)到2018年的914.6億元美金，年復合成長(cháng)率 (GAGR) 將近20%。而在2012年5月，中國國務(wù)院也宣布補貼十六億元，開(kāi)始發(fā)展高效能電機應用。然后在2013年的5月通訊部發(fā)布電節能效提升計畫(huà)?？煽闯鲋袊诠澞?、電機方面，有很多相關(guān)措施。

　　美國能源部(DoE)要求自 2015 年 3 月起，輸入美國市場(chǎng)馬達，將被強制要求符合美國能源獨立與安全法案的能效要求。臺灣經(jīng)濟部能源局也已開(kāi)始與工研院合作，制定馬達相關(guān)能效等級規范。

　　工業(yè)馬達 無(wú)刷直流打頭陣

　　ST(意法半導體)產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理楊正廉表示，在工業(yè)領(lǐng)域中，馬達隱身在相當多的應用環(huán)境中，舉例來(lái)說(shuō)，像是攪拌用的鍋爐、輸送帶、進(jìn)氣、排氣與吊車(chē)等，都會(huì )需要馬達的存在，至于我們常見(jiàn)的機器人更不用說(shuō)，每個(gè)關(guān)節都會(huì )需要馬達控制，所以工業(yè)馬達其實(shí)擁有相當強勁的成長(cháng)動(dòng)能。

　　楊正廉也補充說(shuō)明指出，就目前所接觸的客戶(hù)群中，無(wú)刷直流(BLDC)馬達的設計與討論占了客戶(hù)群中的70%左右，理由在于無(wú)刷直流在控制上相對容易，不僅低噪音且相對節能，它在日常生活中的家電領(lǐng)域頗受好評，而無(wú)刷直流特性的風(fēng)潮也開(kāi)始吹進(jìn)了工業(yè)馬達領(lǐng)域。TI(德州儀器)馬達事業(yè)部現場(chǎng)應用工程師Bruce Liu也表示，采用DC(直流電)進(jìn)行控制，可以用電子控制來(lái)提升電源輸出，只要輸入多少電源，就用多少電源，所以無(wú)刷直流在工業(yè)領(lǐng)域的詢(xún)問(wèn)度相當高，就他目前接觸的客戶(hù)群來(lái)看，約有20%至30%的比重，都在詢(xún)問(wèn)討論或是已經(jīng)投入開(kāi)發(fā)無(wú)刷直流馬達。

　　圖一 : 在節能議題發(fā)燒之下，DC馬達已在家電領(lǐng)域有不錯的成績(jì)。(Source：www.tkec.com.tw)

　　Bruce Liu談到，產(chǎn)業(yè)界之所以會(huì )開(kāi)始轉向無(wú)刷直流馬達應用，原因之一在于工業(yè)環(huán)境應用較為嚴苛，若是采用有刷直流馬達，容易產(chǎn)生火花，在對于粉塵較多的作業(yè)環(huán)境而言是相當危險的事情。另一方面，無(wú)刷直流的能源效率相當高，而且也能進(jìn)行轉速控制，這也是產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始轉向的原因。

　　除了節能 工業(yè)馬達要準更要穩

　　盡管在工業(yè)馬達領(lǐng)域中有不少半導體業(yè)者對于無(wú)刷直流馬達市場(chǎng)相當看好，但畢竟該市場(chǎng)的馬達種類(lèi)不止一種，除了節能之外，在實(shí)務(wù)上也有不少需求會(huì )比節能更加重要，ADI(亞德諾半導體)馬達電源控制市場(chǎng)部經(jīng)理于常濤就直言，像是永磁同步馬達應用，在工業(yè)控制領(lǐng)域中就是相當重要的環(huán)結之一。于常濤同意，無(wú)刷直流馬達在工業(yè)領(lǐng)域中有其重要的角色，但永磁同步馬達偏重精準控制，這類(lèi)馬達其實(shí)也有不小的市場(chǎng)商機，但兩者之間并不會(huì )互相沖突，因為工業(yè)馬達本身就是相當大的市場(chǎng)。

　　同樣的，快捷半導體也提出了頗為類(lèi)似的看法，快捷半導體資深應用工程師錢(qián)世昌指出，具備“生產(chǎn)”能力的馬達才是快捷所鎖定的市場(chǎng)。一般人可能認為，馬達與電路系統是整合在一起，但這種認知也可以說(shuō)不對。，還有很大一部份的馬達種類(lèi)，是“馬達”與“驅動(dòng)器”加以分開(kāi)，透過(guò)驅動(dòng)器的帶動(dòng)使馬達運作，像是國外的ABB或是國內的東元、臺達電、士林電機等，都有生產(chǎn)驅動(dòng)器產(chǎn)品，可以說(shuō)是代表廠(chǎng)商。

　　圖二 : 士林電機旗下除了馬達本身以外，亦有驅動(dòng)器，這才是完整的產(chǎn)品組合。(Source：www.seec.com.tw)

　　工業(yè)馬達應用吸引不少晶片業(yè)者投入此一領(lǐng)域，但在實(shí)務(wù)上，工業(yè)領(lǐng)域相較家用，其作業(yè)環(huán)境與生命周期等，都來(lái)得嚴格許多，要進(jìn)入供應鏈實(shí)屬不易。所以大體上，工業(yè)馬達市場(chǎng)目前大多還是國外晶片大廠(chǎng)投入為主，國內則相對少見(jiàn)。在工業(yè)馬達系統所需的晶片架構上，大致上可以分為MCU(微控制器)、DSP(數位訊號處理器)與FPGA(可編程邏輯閘陣列)等三類(lèi)。這三種架構都能被用在工業(yè)馬達設計，也各自擁有所屬的晶片業(yè)者陣營(yíng)，但畢竟在先天架構上就存在了差異，市場(chǎng)定位雖然有大致上的輪廓，但仍是免不了在成本或是性能上的競爭。

　　架構各有優(yōu)劣 MCU優(yōu)勢漸增

　　楊正廉認為，MCU架構在開(kāi)發(fā)難易度、導入成本與擴充能力等各項表現上遠勝FPGA架構。他舉例指出，以輸送帶為例，光是材質(zhì)、重量的不同，輸送帶的流暢度、速度與精確度就會(huì )有所差異，這必須透過(guò)參數上的調校才有辦法作到，MCU在這方面的調整速度上具有相當的優(yōu)勢。

　　楊正廉也直言，由于ARM的Cortex-M4到M0的處理能力的不同，所以對應的馬達系統也會(huì )有所差異，一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇或是無(wú)刷直流馬達采用M0架構就足以應付，但若偏重造價(jià)較高或重視參數調校與精確性的馬達系統，采用M4會(huì )是理想的選擇。他進(jìn)一步談到，由于馬達在不同應用領(lǐng)域下，需要調校的系統參數各有差異，為了保留系統的設計彈性，MCU與專(zhuān)為驅動(dòng)馬達的驅動(dòng)元件(Driver)不太可能有整合的可能性。

　　圖三 : 隨著(zhù)技術(shù)演進(jìn)，MCU的能力日益強大，在工業(yè)馬達領(lǐng)域已有不小的影響力(攝影：姚嘉洋)

　　MCU鋒芒漸露 主因在浮點(diǎn)運算與生態(tài)系統

　　于常濤談到，以ADI現有的方案而言，像是需要精準控制的伺服或是永磁同步馬達，ADI會(huì )采用Cortex-M4架構來(lái)因應這類(lèi)的需求，一方面是因為M4的性?xún)r(jià)比高，再來(lái)產(chǎn)業(yè)界對于ARM架構的處理器核心，有相當高的熟悉度，其相關(guān)的生態(tài)系統也有一定的完整度。不過(guò)，由于A(yíng)DI旗下也有DSP的產(chǎn)品線(xiàn)，于常濤強調，ADI的DSP架構產(chǎn)品，偏重相對高端的應用，像是較為復雜的馬達系統會(huì )需要運動(dòng)軌跡的規劃的設計，這就會(huì )需要動(dòng)用到DSP的運算能力。

　　英飛凌工業(yè)與多元電子市場(chǎng)部經(jīng)理黃國為也頗為同意于常濤的看法，他認為，FPGA、DSP再到MCU這三者之間各有利基，端看市場(chǎng)需求。

　　圖四 : ARM能在工業(yè)馬達開(kāi)始展現影響力，當然還是歸功于完善的生態(tài)系統。(攝影：姚嘉洋)

　　在過(guò)去MCU性能還不是如此強大的情況下，許多馬達控制采用DSP架構就足以應付，但隨著(zhù)MCU開(kāi)始加入浮點(diǎn)運算功能后，在性能方面已經(jīng)逐漸提升又兼具控制周邊的情況下，其實(shí)是可以開(kāi)始取代部份DSP甚至是FPGA的應用領(lǐng)域，但他還是強調，市場(chǎng)上還是有少部份特殊或是需要極高精準度的工業(yè)馬達領(lǐng)域，還是會(huì )需要FPGA與DSP。

　　導入ARM處理器 FPGA一手掌握馬達系統設計

　　盡管有許多MCU業(yè)者大力倡導MCU架構在工業(yè)馬達領(lǐng)域擁有不少優(yōu)勢，不過(guò)FPGA大廠(chǎng)賽靈思則有稍為不同的看法。

　　賽靈思(Xilinx)亞太區Zynq業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理羅霖表示，就運算效能而言，FPGA、DSP與MCU相較，FPGA仍然是居于領(lǐng)先位置，DSP居中，MCU則是敬陪末座。主要原因在于FPGA具有平行運算的效能，相較于序列運算的DSP與MCU而言，的確有其效能上的優(yōu)勢，所以在運算速度上也明顯優(yōu)于DSP與MCU。他直言，只要能在最短時(shí)間處理完工作，就有辦法把運算資源拿來(lái)處理其他事情。

　　羅霖指出，過(guò)去在多馬達設計上，會(huì )采用DSP、FPGA與MCU同時(shí)搭配的作法，DSP負責演算法、FPGA負責高速I(mǎi)/O，MCU則是負責使用者介面與網(wǎng)路通訊等工作，彼此之間分工合作來(lái)完成設計，不過(guò)隨著(zhù)技術(shù)演進(jìn)，當FPGA也內建處理器之后，就有能力一次處理前述所有的工作內容，其言下之意就是Zynq系列，能夠處理這類(lèi)的工作。由FPGA負責處理通訊介面的工作，Cortex-A9雙核心處理器，則專(zhuān)職處理多種的工業(yè)通訊協(xié)定。

　　圖五 : 不光是MCU的性能有所提升，FPGA也不遑多讓?zhuān)趦冉颂幚砥髦?，其性能也有相當程度的進(jìn)展，對于復雜的工業(yè)馬達設計也能輕松駕馭。(Source：賽靈思)

　　不過(guò)，馬達設計上，除了需要精準的數位訊號控制外，馬達本身的電源輸出表現也會(huì )影響馬達精準度的表現。

　　楊正廉也同意，在馬達控制上，電流與電壓的供應精準度的確是一門(mén)學(xué)問(wèn)，但他強調，盡管MOSFET與IGBT等電源周邊元件有其重要性，但是數位控制本身還是最重要的關(guān)鍵，所以類(lèi)比電源電路與數位控制還是可以區分兩個(gè)層面來(lái)看，會(huì )較為簡(jiǎn)單。不過(guò)，未來(lái)電源管理也開(kāi)始走向數位化的情況下，楊正廉透露，采用MCU進(jìn)行電源系統的管理也是可行的作法，換言之，若要讓馬達控制達到最佳化，馬達轉速、角度的精準度乃至電源供應上，實(shí)務(wù)上可以用兩顆MCU就完成整個(gè)系統設計。

　　不過(guò)，羅霖也透露，Zynq可以輸出PWM(脈寬調變)訊號對IGBT(絕緣閘極雙極性電晶體)甚至是新一代的SiC(碳化矽)元件進(jìn)行控制，以讓電源輸出表現穩定。羅霖也自信地表示，馬達兩大關(guān)鍵：控制與電源輸出，都能用Zynq來(lái)完成，無(wú)需其他MCU與DSP支援。

　　結論

　　不論是從MCU或是FPGA業(yè)者的口中，可以約略看出，ARM陣營(yíng)在工業(yè)馬達已有相當的影響力，自從M4處理器核心推出之后，更有助于MCU在工業(yè)馬達領(lǐng)域開(kāi)疆辟土。當然，馬達整體表現的好壞與否，不光只是靠主晶片的表現，包含周邊元件的搭配、演算法的撰寫(xiě)能力等，都會(huì )是關(guān)鍵之一。

　　黃國為也強調，馬達系統設計的好壞與否，還是取決于客戶(hù)的設計能力高低，但仍然不脫可靠度與安全性等這類(lèi)大方向的思維，系統一旦出現異常，MCU本身該作何處置?這才是客戶(hù)關(guān)心的課題。

　　總體而言，盡管晶片架構決定了其市場(chǎng)定位，但隨著(zhù)MCU的勢起，晶片架構陣營(yíng)之間的競爭也隨之浮上臺面，工業(yè)馬達市場(chǎng)未來(lái)將會(huì )如何演變，值得我們繼續關(guān)注。