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(wù)院也宣布補貼十六億元,，開始發(fā)展高效能電機應(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?？煽闯鲋? 國政府在節(jié)能,、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(guān)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(lǐng)域中,，馬達隱身在相當多的應(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(guān)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(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潮也開始吹進了工業(yè)馬達領(lǐng) 域。TI(德州儀器)馬達事業(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(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)向無刷直流馬達應(yīng)用，原因之一在于工業(yè)環(huán)境應(yīng)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(lǐng)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(wù)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(yīng)用,，在工業(yè)控制領(lǐng)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(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(yīng)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,。

　 　工業(yè)馬達應(yīng)用吸引不少晶片業(yè)者投入此一領(lǐng)域，但在實務(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，都來得嚴格許多,，要進入供應(yīng)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(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(yīng)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(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(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(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(yīng)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(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,，像是較為復雜的馬達系統(tǒng)會需要運動軌跡的規(guī)劃的設(shè)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)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(shè)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(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(shè)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(shè)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(shè)計也能輕松駕馭。(Source：賽靈思)

　　不過,，馬達設(shè)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(yīng)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(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(yīng)上,，實務(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(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)馬達已有相當?shù)挠绊懥Γ詮腗4處理器核心推出之后,，更有助于MCU在工業(yè)馬達 領(lǐng)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(guān)鍵之一,。

　　黃國為也強調(diào)，馬達系統(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)馬達市場未來將會如何演變,，值得我們繼續(xù)關(guān)注,。