根據(jù)市場調(diào)查機(jī)構(gòu)M&M的研究報告 指出，單就全球高效馬達(dá)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(fù)合成長率 (GAGR) 將近20%。而在2012年5月，中國國務(wù)院也宣布補(bǔ)貼十六億元，開始發(fā)展高效能電機(jī)應(yīng)用。然后在2013年的5月通訊部發(fā)布電節(jié)能效提升計畫。可看出中 國政府在節(jié)能、電機(jī)方面，有很多相關(guān)措施。
美國能源部(DoE)要求自 2015 年 3 月起，輸入美國市場馬達(dá)，將被強(qiáng)制要求符合美國能源獨(dú)立與安全法案的能效要求。臺灣經(jīng)濟(jì)部能源局也已開始與工研院合作，制定馬達(dá)相關(guān)能效等級規(guī)范。
工業(yè)馬達(dá) 無刷直流打頭陣
ST(意法半導(dǎo)體)產(chǎn)品行銷經(jīng)理?xiàng)钫硎?，在工業(yè)領(lǐng)域中，馬達(dá)隱身在相當(dāng)多的應(yīng)用環(huán)境中，舉例來說，像是攪拌用的鍋爐、輸送帶、進(jìn)氣、排氣與吊車等，都會需要馬達(dá)的存在，至于我們常見的機(jī)器人更不用說，每個關(guān)節(jié)都會需要馬達(dá)控制，所以工業(yè)馬達(dá)其實(shí)擁有相當(dāng)強(qiáng)勁的成長動能。
楊正廉也補(bǔ)充說明指出，就目前所接觸的客戶群中，無刷直流(BLDC)馬達(dá)的設(shè)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(lǐng)域頗受好評，而無刷直流特性的風(fēng)潮也開始吹進(jìn)了工業(yè)馬達(dá)領(lǐng) 域。TI(德州儀器)馬達(dá)事業(yè)部現(xiàn)場應(yīng)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(lǐng)域的詢問度相當(dāng)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(dá)。
圖一 : 在節(jié)能議題發(fā)燒之下，DC馬達(dá)已在家電領(lǐng)域有不錯的成績
Bruce Liu談到，產(chǎn)業(yè)界之所以會開始轉(zhuǎn)向無刷直流馬達(dá)應(yīng)用，原因之一在于工業(yè)環(huán)境應(yīng)用較為嚴(yán)苛，若是采用有刷直流馬達(dá)，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(dāng)危險的事情。另一方面，無刷直流的能源效率相當(dāng)高，而且也能進(jìn)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(dá)要準(zhǔn)更要穩(wěn)
盡管在工業(yè)馬達(dá)領(lǐng)域中有不少半導(dǎo)體業(yè)者對于無刷直流馬達(dá)市場相當(dāng)看好，但畢竟該市場的馬達(dá)種類不止一種，除了節(jié)能之外，在實(shí)務(wù)上也有不少需求會比節(jié)能更 加重要，ADI(亞德諾半導(dǎo)體)馬達(dá)電源控制市場部經(jīng)理于常濤就直言，像是永磁同步馬達(dá)應(yīng)用，在工業(yè)控制領(lǐng)域中就是相當(dāng)重要的環(huán)結(jié)之一。于常濤同意，無刷 直流馬達(dá)在工業(yè)領(lǐng)域中有其重要的角色，但永磁同步馬達(dá)偏重精準(zhǔn)控制，這類馬達(dá)其實(shí)也有不小的市場商機(jī)，但兩者之間并不會互相沖突，因?yàn)楣I(yè)馬達(dá)本身就是相 當(dāng)大的市場。
同樣的，快捷半導(dǎo)體也提出了頗為類似的看法，快捷半導(dǎo)體資深應(yīng)用工程師錢世昌指出，具備“生產(chǎn)”能力的馬達(dá)才是快捷所鎖定 的市場。一般人可能認(rèn)為，馬達(dá)與電路系統(tǒng)是整合在一起，但這種認(rèn)知也可以說不對。，還有很大一部份的馬達(dá)種類，是“馬達(dá)”與“驅(qū)動器”加以分開，透過驅(qū)動 器的帶動使馬達(dá)運(yùn)作，像是國外的ABB或是國內(nèi)的東元、臺達(dá)電、士林電機(jī)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(jī)旗下除了馬達(dá)本身以外，亦有驅(qū)動器，這才是完整的產(chǎn)品組合。
工業(yè)馬達(dá)應(yīng)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，都來得嚴(yán)格許多，要進(jìn)入供應(yīng)鏈實(shí)屬不易。所以大體 上，工業(yè)馬達(dá)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(dá)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(dá)設(shè)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(rèn)為，MCU架構(gòu)在開發(fā)難易度、導(dǎo)入成本與擴(kuò)充能力等各項(xiàng)表現(xiàn)上遠(yuǎn)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(dāng)?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(yīng)的馬達(dá)系統(tǒng)也會有所差異，一般來說，風(fēng)扇或是無刷直流馬達(dá)采用M0架構(gòu)就足以應(yīng)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(dá)系統(tǒng)，采用M4會是理想的選擇。他進(jìn)一步談到，由于馬達(dá)在不同應(yīng)用領(lǐng)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(shè)計 彈性，MCU與專為驅(qū)動馬達(dá)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(jìn)，MCU的能力日益強(qiáng)大，在工業(yè)馬達(dá)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(yùn)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(zhǔn)控制的伺服或是永磁同步馬達(dá)，ADI會采用Cortex-M4架構(gòu)來因應(yīng)這類的需求，一方面是因?yàn)镸4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(dāng)高的熟悉度，其相關(guān)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(qiáng)調(diào)，ADI的DSP架構(gòu)產(chǎn)品，偏重相對高端的應(yīng)用，像是較為復(fù)雜的馬達(dá)系統(tǒng)會需要運(yùn)動軌跡的規(guī)劃的設(shè)計，這就會需要動用到DSP的運(yùn)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(rèn)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(dá)開始展現(xiàn)影響力，當(dāng)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(qiáng)大的情況下，許多馬達(dá)控制采用DSP架構(gòu)就足以應(yīng)付，但隨著MCU開始加入浮點(diǎn)運(yùn)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)是可以開始取代部份DSP甚至是FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域，但他還是強(qiáng)調(diào)，市場上還是有少部份特殊或是需要極高精準(zhǔn)度的工業(yè)馬達(dá)領(lǐng)域，還 是會需要FPGA與DSP。
導(dǎo)入ARM處理器 FPGA一手掌握馬達(dá)系統(tǒng)設(shè)計
盡管有許多MCU業(yè)者大力倡導(dǎo)MCU架構(gòu)在工業(yè)馬達(dá)領(lǐng)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(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖表示，就運(yùn)算效能而言，F(xiàn)PGA、DSP與MCU相較，F(xiàn)PGA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(yùn)算的效能，相較于序列運(yùn)算的DSP與MCU而言，的確有其效能上的優(yōu)勢，所以在運(yùn)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(yùn)算資源拿來處理其他事情。
羅霖指出，過去在多馬達(dá)設(shè)計上，會采 用DSP、FPGA與MCU同時搭配的作法，DSP負(fù)責(zé)演算法、FPGA負(fù)責(zé)高速I/O，MCU則是負(fù)責(zé)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(shè)計，不過隨著技術(shù)演進(jìn)，當(dāng)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(fù)責(zé)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(dāng)程度的進(jìn)展，對于復(fù)雜的工業(yè)馬達(dá)設(shè)計也能輕松駕馭。(Source：賽靈思)
不過，馬達(dá)設(shè)計上，除了需要精準(zhǔn)的數(shù)位訊號控制外，馬達(dá)本身的電源輸出表現(xiàn)也會影響馬達(dá)精準(zhǔn)度的表現(xiàn)。
楊正廉也同意，在馬達(dá)控制上，電流與電壓的供應(yīng)精準(zhǔn)度的確是一門學(xué)問，但他強(qiáng)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(guān)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(jìn)行電源系統(tǒng)的管理也是可行的作法，換言之，若要讓馬達(dá)控制達(dá)到最佳化，馬達(dá)轉(zhuǎn)速、角度的精準(zhǔn)度乃至電源供應(yīng)上，實(shí)務(wù)上可以用兩顆MCU就完成整個 系統(tǒng)設(shè)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(jìn)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(dá)兩大關(guān)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(dá)已有相當(dāng)?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(dá) 領(lǐng)域開疆辟土。當(dāng)然，馬達(dá)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(guān)鍵之一。
黃國為也強(qiáng)調(diào)，馬達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的好壞與否，還是取決于客戶的設(shè)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(guān)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(dá)市場未來將會如何演變，值得我們繼續(xù)關(guān)注。