工業(yè)馬達引動芯片架構(gòu)之爭，ARM陣營漸成市場主流

　　根據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)M&M的研究報告指出，單就全球高效馬達市場就可望從2012年的317.9億快速成長到2018年的914.6億元美金，年復合成長率 (GAGR) 將近20%。而在2012年5月，中國國務院也宣布補貼十六億元，開始發(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(jié)能效提升計畫?？煽闯鲋袊诠?jié)能、電機方面，有很多相關措施。

　　美國能源部(DoE)要求自 2015 年 3 月起，輸入美國市場馬達，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)濟部能源局也已開始與工研院合作，制定馬達相關能效等級規(guī)范。

　　工業(yè)馬達 無刷直流打頭陣

　　ST(意法半導體)產(chǎn)品行銷經(jīng)理楊正廉表示，在工業(yè)領域中，馬達隱身在相當多的應用環(huán)境中，舉例來說，像是攪拌用的鍋爐、輸送帶、進氣、排氣與吊車等，都會需要馬達的存在，至于我們常見的機器人更不用說，每個關節(jié)都會需要馬達控制，所以工業(yè)馬達其實擁有相當強勁的成長動能。

　　楊正廉也補充說明指出，就目前所接觸的客戶群中，無刷直流(BLDC)馬達的設計與討論占了客戶群中的70%左右，理由在于無刷直流在控制上相對容易，不僅低噪音且相對節(jié)能，它在日常生活中的家電領域頗受好評，而無刷直流特性的風潮也開始吹進了工業(yè)馬達領域。TI(德州儀器)馬達事業(yè)部現(xiàn)場應用工程師Bruce Liu也表示，采用DC(直流電)進行控制，可以用電子控制來提升電源輸出，只要輸入多少電源，就用多少電源，所以無刷直流在工業(yè)領域的詢問度相當高，就他目前接觸的客戶群來看，約有20%至30%的比重，都在詢問討論或是已經(jīng)投入開發(fā)無刷直流馬達。

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

　　Bruce Liu談到，產(chǎn)業(yè)界之所以會開始轉(zhuǎn)向無刷直流馬達應用，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，無刷直流的能源效率相當高，而且也能進行轉(zhuǎn)速控制，這也是產(chǎn)業(yè)界開始轉(zhuǎn)向的原因。

　　除了節(jié)能 工業(yè)馬達要準更要穩(wěn)

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

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

　　圖二 : 士林電機旗下除了馬達本身以外，亦有驅(qū)動器，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)者投入此一領域，但在實務上，工業(yè)領域相較家用，其作業(yè)環(huán)境與生命周期等，都來得嚴格許多，要進入供應鏈實屬不易。所以大體上，工業(yè)馬達市場目前大多還是國外晶片大廠投入為主，國內(nèi)則相對少見。在工業(yè)馬達系統(tǒng)所需的晶片架構(gòu)上，大致上可以分為MCU(微控制器)、DSP(數(shù)位訊號處理器)與FPGA(可編程邏輯閘陣列)等三類。這三種架構(gòu)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，但畢竟在先天架構(gòu)上就存在了差異，市場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(gòu)各有優(yōu)劣 MCU優(yōu)勢漸增

　　楊正廉認為，MCU架構(gòu)在開發(fā)難易度、導入成本與擴充能力等各項表現(xiàn)上遠勝FPGA架構(gòu)。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、速度與精確度就會有所差異，這必須透過參數(shù)上的調(diào)校才有辦法作到，MCU在這方面的調(diào)整速度上具有相當?shù)膬?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(tǒng)也會有所差異，一般來說，風扇或是無刷直流馬達采用M0架構(gòu)就足以應付，但若偏重造價較高或重視參數(shù)調(diào)校與精確性的馬達系統(tǒng)，采用M4會是理想的選擇。他進一步談到，由于馬達在不同應用領域下，需要調(diào)校的系統(tǒng)參數(shù)各有差異，為了保留系統(tǒng)的設計彈性，MCU與專為驅(qū)動馬達的驅(qū)動元件(Driver)不太可能有整合的可能性。

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

　　MCU鋒芒漸露 主因在浮點運算與生態(tài)系統(tǒng)

　　于常濤談到，以ADI現(xiàn)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會采用Cortex-M4架構(gòu)來因應這類的需求，一方面是因為M4的性價比高，再來產(chǎn)業(yè)界對于ARM架構(gòu)的處理器核心，有相當高的熟悉度，其相關的生態(tài)系統(tǒng)也有一定的完整度。不過，由于ADI旗下也有DSP的產(chǎn)品線，于常濤強調(diào)，ADI的DSP架構(gòu)產(chǎn)品，偏重相對高端的應用，像是較為復雜的馬達系統(tǒng)會需要運動軌跡的規(guī)劃的設計，這就會需要動用到DSP的運算能力。

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

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

　　在過去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(gòu)就足以應付，但隨著MCU開始加入浮點運算功能后，在性能方面已經(jīng)逐漸提升又兼具控制周邊的情況下，其實是可以開始取代部份DSP甚至是FPGA的應用領域，但他還是強調(diào)，市場上還是有少部份特殊或是需要極高精準度的工業(yè)馬達領域，還是會需要FPGA與DSP。

　　導入ARM處理器 FPGA一手掌握馬達系統(tǒng)設計

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

　　賽靈思(Xilinx)亞太區(qū)Zynq業(yè)務開發(fā)經(jīng)理羅霖表示，就運算效能而言，F(xiàn)PGA、DSP與MCU相較，F(xiàn)PGA仍然是居于領先位置，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，只要能在最短時間處理完工作，就有辦法把運算資源拿來處理其他事情。

　　羅霖指出，過去在多馬達設計上，會采用DSP、FPGA與MCU同時搭配的作法，DSP負責演算法、FPGA負責高速I/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完成設計，不過隨著技術(shù)演進，當FPGA也內(nèi)建處理器之后，就有能力一次處理前述所有的工作內(nèi)容，其言下之意就是Zynq系列，能夠處理這類的工作。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，F(xiàn)PGA也不遑多讓，在內(nèi)建了處理器之后，其性能也有相當程度的進展，對于復雜的工業(yè)馬達設計也能輕松駕馭。(Source：賽靈思)

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

　　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學問，但他強調(diào)，盡管MOSFET與IGBT等電源周邊元件有其重要性，但是數(shù)位控制本身還是最重要的關鍵，所以類比電源電路與數(shù)位控制還是可以區(qū)分兩個層面來看，會較為簡單。不過，未來電源管理也開始走向數(shù)位化的情況下，楊正廉透露，采用MCU進行電源系統(tǒng)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(zhuǎn)速、角度的精準度乃至電源供應上，實務上可以用兩顆MCU就完成整個系統(tǒng)設計。

　　不過，羅霖也透露，Zynq可以輸出PWM(脈寬調(diào)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)元件進行控制，以讓電源輸出表現(xiàn)穩(wěn)定。羅霖也自信地表示，馬達兩大關鍵：控制與電源輸出，都能用Zynq來完成，無需其他MCU與DSP支援。

　　結(jié)論

　　不論是從MCU或是FPGA業(yè)者的口中，可以約略看出，ARM陣營在工業(yè)馬達已有相當?shù)挠绊懥?，自從M4處理器核心推出之后，更有助于MCU在工業(yè)馬達領域開疆辟土。當然，馬達整體表現(xiàn)的好壞與否，不光只是靠主晶片的表現(xiàn)，包含周邊元件的搭配、演算法的撰寫能力等，都會是關鍵之一。

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

　　總體而言，盡管晶片架構(gòu)決定了其市場定位，但隨著MCU的勢起，晶片架構(gòu)陣營之間的競爭也隨之浮上臺面，工業(yè)馬達市場未來將會如何演變，值得我們繼續(xù)關注。