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工業馬達引動晶片架構之爭
ARM陣營漸成市場主流

【作者: 姚嘉洋】   2015年06月15日 星期一

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根據市場調查機構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,年複合成長率 (GAGR) 將近20%。而在2012年5月,中國國務院也宣布補貼十六億元,開始發展高效能電機應用。然後在2013年的5月通訊部發布電節能效提升計畫。可看出中國政府在節能、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。台灣經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範。


工業馬達夯 無刷直流打頭陣

ST(意法半導體)產品行銷經理楊正廉表示,在工業領域中,馬達隱身在相當多的應用環境中,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,至於我們常見的機器人更不用說,每個關節都會需要馬達控制,所以工業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)馬達的設計與討論佔了客戶群中的70%左右,理由在於無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域頗受好評,而無刷直流特性的風潮也開始吹進了工業馬達領域。TI(德州儀器)馬達事業部現場應用工程師Bruce Liu也表示,採用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投入開發無刷直流馬達。



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

Bruce Liu談到,產業界之所以會開始轉向無刷直流馬達應用,原因之一在於工業環境應用較為嚴苛,若是採用有刷直流馬達,容易產生火花,在對於粉塵較多的作業環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,而且也能進行轉速控制,這也是產業界開始轉向的原因。


除了節能 工業馬達要準更要穩

儘管在工業馬達領域中有不少半導體業者對於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,除了節能之外,在實務上也有不少需求會比節能更加重要,ADI(亞德諾半導體)馬達電源控制市場部經理于常濤就直言,像是永磁同步馬達應用,在工業控制領域中就是相當重要的環結之一。于常濤同意,無刷直流馬達在工業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,但兩者之間並不會互相衝突,因為工業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」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「驅動器」加以分開,透過驅動器的帶動使馬達運作,像是國外的ABB或是國內的東元、台達電、士林電機等,都有生產驅動器產品,可以說是代表廠商。



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

工業馬達應用吸引不少晶片業者投入此一領域,但在實務上,工業領域相較家用,其作業環境與生命週期等,都來得嚴格許多,要進入供應鏈實屬不易。所以大體上,工業馬達市場目前大多還是國外晶片大廠投入為主,國內則相對少見。在工業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。這三種架構都能被用在工業馬達設計,也各自擁有所屬的晶片業者陣營,但畢竟在先天架構上就存在了差異,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。


架構各有優劣 MCU優勢漸增

楊正廉認為,MCU架構在開發難易度、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、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勢。


楊正廉也直言,由於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有所差異,一般來說,風扇或是無刷直流馬達採用M0架構就足以應付,但若偏重造價較高或重視參數調校與精確性的馬達系統,採用M4會是理想的選擇。他進一步談到,由於馬達在不同應用領域下,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與專為驅動馬達的驅動元件(Driver)不太可能有整合的可能性。



圖三 : 隨著技術演進,MCU的能力日益強大,在工業馬達領域已有不小的影響力(攝影:姚嘉洋)
圖三 : 隨著技術演進,MCU的能力日益強大,在工業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會採用Cortex-M4架構來因應這類的需求,一方面是因為M4的性價比高,再來產業界對於ARM架構的處理器核心,有相當高的熟悉度,其相關的生態系統也有一定的完整度。不過,由於ADI旗下也有DSP的產品線,于常濤強調,ADI的DSP架構產品,偏重相對高端的應用,像是較為複雜的馬達系統會需要運動軌跡的規劃的設計,這就會需要動用到DSP的運算能力。


英飛凌工業與多元電子市場部經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,端看市場需求。



圖四 : ARM能在工業馬達開始展現影響力,當然還是歸功於完善的生態系統。(攝影:姚嘉洋)
圖四 : ARM能在工業馬達開始展現影響力,當然還是歸功於完善的生態系統。(攝影:姚嘉洋)

在過去MCU性能還不是如此強大的情況下,許多馬達控制採用DSP架構就足以應付,但隨著MCU開始加入浮點運算功能後,在性能方面已經逐漸提升又兼具控制週邊的情況下,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,市場上還是有少部份特殊或是需要極高精準度的工業馬達領域,還是會需要FPGA與DSP。


導入ARM處理器 FPGA一手掌握馬達系統設計

儘管有許多MCU業者大力倡導MCU架構在工業馬達領域擁有不少優勢,不過FPGA大廠賽靈思則有稍為不同的看法。


賽靈思(Xilinx)亞太區Zynq業務開發經理羅霖表示,就運算效能而言,FPGA、DSP與MCU相較,FPGA仍然是居於領先位置,DSP居中,MCU則是敬陪末座。主要原因在於FPGA具有平行運算的效能,相較於序列運算的DSP與MCU而言,的確有其效能上的優勢,所以在運算速度上也明顯優於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,會採用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,不過隨著技術演進,當FPGA也內建處理器之後,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通訊協定。



圖五 : 不光是MCU的性能有所提升,FPGA也不遑多讓,在內建了處理器之後,其性能也有相當程度的進展,對於複雜的工業馬達設計也能輕鬆駕馭。(Source:賽靈思)
圖五 : 不光是MCU的性能有所提升,FPGA也不遑多讓,在內建了處理器之後,其性能也有相當程度的進展,對於複雜的工業馬達設計也能輕鬆駕馭。(Source:賽靈思)

不過,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學問,但他強調,儘管MOSFET與IGBT等電源週邊元件有其重要性,但是數位控制本身還是最重要的關鍵,所以類比電源電路與數位控制還是可以區分兩個層面來看,會較為簡單。不過,未來電源管理也開始走向數位化的情況下,楊正廉透露,採用MCU進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,實務上可以用兩顆MCU就完成整個系統設計。


不過,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。


結論

不論是從MCU或是FPGA業者的口中,可以約略看出,ARM陣營在工業馬達已有相當的影響力,自從M4處理器核心推出之後,更有助於MCU在工業馬達領域開疆闢土。當然,馬達整體表現的好壞與否,不光只是靠主晶片的表現,包含週邊元件的搭配、演算法的撰寫能力等,都會是關鍵之一。


黃國為也強調,馬達系統設計的好壞與否,還是取決於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,系統一旦出現異常,MCU本身該作何處置?這才是客戶關心的課題。


總體而言,儘管晶片架構決定了其市場定位,但隨著MCU的勢起,晶片架構陣營之間的競爭也隨之浮上檯面,工業馬達市場未來將會如何演變,值得我們繼續關注。


(刊頭圖片Source:www.businesskorea.co.kr)


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