“無刷式電機(jī)正逐漸取代較重、較大噪聲、且可靠性也較低的有刷式電機(jī)。無刷式、步進(jìn)式或無傳感器電機(jī)雖然要求更復(fù)雜的控制，但卻能提供更好的能源優(yōu)化，而后者正是全球關(guān)注的焦點(diǎn)?！盇tmel微控制器市場(chǎng)傳信總監(jiān)Philippe Faure在接受《國際電子商情》采訪時(shí)對(duì)目前馬達(dá)及控制器市場(chǎng)分析道。 一場(chǎng)能源革命正席卷從工業(yè)控制到白家電等所有市場(chǎng)，業(yè)界對(duì)馬達(dá)控制要求正在快速增長(zhǎng)。廠商們追求更高的效率、更好的可靠性、更低的噪聲、更低的成本和更強(qiáng)的性能。這些挑戰(zhàn)也對(duì)馬達(dá)控制器提出挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致馬達(dá)控制器市場(chǎng)正在出現(xiàn)一場(chǎng)新的革命：它要求馬達(dá)控制MCU具有更多且更專注的外設(shè)、具有磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(FOC)功能、有源功率效正因素(PFC)以及DSP功能。同時(shí)，MCU本身也要求有更低的功耗，因而采用新一代ARM核的MCU也正在流行。 馬達(dá)及控制器面臨的眾多挑戰(zhàn) “馬達(dá)控制的常規(guī)方法正在轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(FOC)，同時(shí)集成有源PFC。”英飛凌科技亞太私人有限公司汽車、工業(yè)及多元化電子市場(chǎng)事業(yè)部微控制器高級(jí)總監(jiān)石敬巖表示，“例如空調(diào)室外壓縮機(jī)和風(fēng)扇，正在從采用霍爾傳感器的區(qū)塊通信轉(zhuǎn)向采用有源PFC的FOC非傳感器方式，可將能源效率提高到0.99以上。”

Sumit Mitra：制造商們?cè)絹碓蕉嗟赜龅骄哂懈邞T性負(fù)載或者負(fù)載范圍變動(dòng)較大的應(yīng)用。

他接著指出，一些安全方面的規(guī)定也對(duì)馬達(dá)控制提出新要求，比如汽車電動(dòng)車窗兒童安全自動(dòng)停止系統(tǒng)，當(dāng)兒童把手或者頭探出窗外時(shí)，要求電動(dòng)車窗能夠探知這種情況并停止動(dòng)作。此外，有些新技術(shù)也可帶來降低系統(tǒng)成本、提高可靠性和改善系統(tǒng)性能等額外好處。例如目前電動(dòng)自行車馬達(dá)中的霍爾傳感器由于路況惡劣容易脫落，改用無傳感器馬達(dá)可以消除傳感器位置移動(dòng)問題，取消霍爾傳感器和減少導(dǎo)線，電動(dòng)自行車可以變得更加耐用，并使馬達(dá)成本降低大約70%或者更多。 Microchip數(shù)字信號(hào)控制部副總裁Sumit Mitra則認(rèn)為馬達(dá)及控制器的挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面： 1.更高性能要求 使用開環(huán)交流感應(yīng)馬達(dá)(ACIM) 或者步進(jìn)馬達(dá)的家電制造商們對(duì)性能提供了更高的要求。他們發(fā)現(xiàn)以前的馬達(dá)控制方法無法處理現(xiàn)在面臨的負(fù)載型態(tài)(load profile)。例如，負(fù)載較高的洗衣機(jī)正在從頂部加載向前端加載轉(zhuǎn)變，這代表負(fù)載變化程度的明顯變化。制造商們?cè)絹碓蕉嗟赜龅骄哂懈邞T性負(fù)載或者變動(dòng)負(fù)載范圍較大的應(yīng)用。 為此，ACIM馬達(dá)開發(fā)者必須增加昂貴的位置傳感器，以增加閉環(huán)能力來滿足性能要求，或者改用其它馬達(dá)—最常用的三相無刷直流馬達(dá)(BLDC)。另外，“無傳感器”方法也可以用于閉環(huán)控制，此時(shí)可以利用換向環(huán)中便宜的電阻來代替昂貴的位置傳感器。此外，磁場(chǎng)定向控制(FOC)也稱為矢量控制變得非常重要，而FOC算法需要MCU具有高性能的數(shù)字信號(hào)處理能力。 2.更好的可靠性和更低的噪聲 從有刷變成無刷馬達(dá)肯定能提高可靠性，但也要求更高的馬達(dá)控制性能。對(duì)于有些馬達(dá)來說，維修成本或者頻繁維修是有害的，振動(dòng)經(jīng)常是造成故障的主要因素。BLDC馬達(dá)可以利用正弦控制驅(qū)動(dòng)，最大限度降低噪聲和振動(dòng)，但它同樣對(duì)馬達(dá)控制性能有更高的要求。在步進(jìn)環(huán)境下，可以通過使用多相馬達(dá)來最大限度地減少振動(dòng)，但這種方案成本較高。因此，許多開發(fā)人員現(xiàn)在轉(zhuǎn)向低成本BLDC或永磁同步馬達(dá)(PMSM)解決方案，并采用正弦傳感器或非傳感器FOC技術(shù)?！袄鐬榱双@得較高的扭矩和效率，電動(dòng)自行車將來可能采用永磁同步馬達(dá)(PMSM)?！币夥ò雽?dǎo)體大中國區(qū)微控制器事業(yè)部總監(jiān)朱利安也指出。 3.更高的效率 家電制造商和工業(yè)馬達(dá)控制需要消耗大量的能源，這是政府監(jiān)管的重點(diǎn)。這分成兩個(gè)方面：更清潔的電力消耗與更有效率的功耗。更清潔的電力消耗是指賦予電力公司的負(fù)載是電阻性的，具有較少的消耗能量的諧波和較低的無功部分，因此，電源領(lǐng)域長(zhǎng)期采用的功率因數(shù)校正(PFC)正在日益用于馬達(dá)控制應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)PFC的最低成本方式是PFC與馬達(dá)控制使用同一個(gè)控制器，但是用于PFC的環(huán)頻率比用于馬達(dá)控制的環(huán)頻率快得多。Microchip的低成本馬達(dá)控制dsPIC DSC特別適合三相馬達(dá)控制，可以在一個(gè)芯片上同時(shí)處理二者。另一個(gè)方面，更有效率的功耗則是指開發(fā)者正在考慮設(shè)計(jì)出一種系統(tǒng)，使其總體性能比以前的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更大的每瓦扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)。這可以通過采用更復(fù)雜的馬達(dá)控制算法和充分發(fā)揮馬達(dá)的固有特性來實(shí)現(xiàn)。 朱利安補(bǔ)充道：“直流變頻空調(diào)噪音較低而且效率較高，正在被市場(chǎng)所接受，直流變頻的解決方案正在從120度六步方波轉(zhuǎn)向180度正弦波控制方法。” 以上這些挑戰(zhàn)推動(dòng)了馬達(dá)控制器MCU市場(chǎng)的一場(chǎng)革命。 馬達(dá)控制MCU邁向高端 “在目前的電動(dòng)自行車中，很大一部分采用的是低成本標(biāo)準(zhǔn)MCU。但是越來越多的電動(dòng)自行車開始采用具有專用馬達(dá)控制周邊器件的標(biāo)準(zhǔn)MCU，以獲得更高的效率和靈活性。”朱利安表示，“對(duì)于白家電市場(chǎng)，中國政府正在促使制造商開始采用變頻技術(shù)，以達(dá)到更高的效率標(biāo)準(zhǔn)。高性能16位和32位MCU開始用于控制PMSM馬達(dá)或壓縮機(jī)，以改善效率和實(shí)現(xiàn)無傳感器控制?！?

石敬巖：馬達(dá)控制的常規(guī)方法正在轉(zhuǎn)向FOC，同時(shí)集成有源PFC。

為迎接挑戰(zhàn)，馬達(dá)控制領(lǐng)域的MCU都在向高端邁進(jìn)?！搬槍?duì)新形式下馬達(dá)控制的挑戰(zhàn)，需要性能更高的MCU，用于提供逆變頻率控制，以獲得良好的扭矩響應(yīng)。這些MCU需具備實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，以及針對(duì)馬達(dá)控制優(yōu)化的外設(shè)?！笔磶r表示，“比如，面向白家電，MCU應(yīng)該提供外設(shè)來更有效率地管理110~240V交流電源，因?yàn)榘l(fā)展中國家電壓不穩(wěn)，變化范圍較大?！?集成FOC和PFC成為新一代MCU的特點(diǎn)，“我們的8位MCU XC878是全球首款同時(shí)提供FOC和有源PFC的產(chǎn)品，能使系統(tǒng)成本下降50%?！笔磶r表示。 更進(jìn)一步，Microchip的Mitra認(rèn)為DSC才是新一代馬達(dá)控制所需要的控制器，他稱：“MCU非常適合開環(huán)馬達(dá)控制應(yīng)用，它們也用于閉環(huán)傳感器應(yīng)用，也可以用于閉環(huán)非傳感器應(yīng)用，如果控制要求不太高的話。這方面的應(yīng)用例子包括風(fēng)扇控制、吊窗提手、車庫門開門器和厚度控制。但DSC是許多閉環(huán)控制和三相馬達(dá)控制應(yīng)用的首選產(chǎn)品，此時(shí)效率、性能和可靠性是關(guān)鍵因素。” 其實(shí)，一些MCU中也集成了數(shù)字信號(hào)處理能力。比如英飛凌的C166內(nèi)核擁有DSP(MAC)單元用來加快數(shù)字運(yùn)算速度，并針對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化?！盎贑166的產(chǎn)品出貨量已經(jīng)超過5億個(gè)。最新一代XE166是實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)控制器系列，全球開發(fā)工具可以免費(fèi)使用一年?！笔磶r表示。 同樣，Atmel最新推出的AVR XMEGA也集成了32MIPS的處理能力，配合一個(gè)創(chuàng)新性的事件系統(tǒng)(Event System)管理功能，能讓外設(shè)在無需CPU干預(yù)的情況下觸發(fā)行動(dòng)。例如，它可以偵測(cè)出過電流現(xiàn)象，在沒有等待時(shí)間(最多2個(gè)時(shí)鐘周期)下停止PWM定時(shí)器，以避免損壞電機(jī)。 “Atmel 32位CAP可定制微控制器則能滿足最嚴(yán)苛電機(jī)應(yīng)用的要求，后者可在硬件中解釋電機(jī)控制的算法，編程加入至金屬可編程模塊中。在標(biāo)準(zhǔn)微控制器上運(yùn)行軟件實(shí)施方法，在響應(yīng)時(shí)間和能耗兩方面的效率都是最高的?！盕aure表示。 MCU除了作為控制器減小馬達(dá)能耗外，自身的能耗很重要。因此，采用新一代ARM核的MCU在馬達(dá)控制市場(chǎng)變得流行起來。 新一代ARM核開始流行 “隨著白家電對(duì)能源的要求越來越嚴(yán)格，新一代ARM內(nèi)核在這些MCU中受到歡迎?！盇RM中國區(qū)總裁譚軍表示。 比如意法半導(dǎo)體最新推出的STM32就是采用了ARM最新的Cortex-M3內(nèi)核，“采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32具有低功耗、低成本和豐富外設(shè)的特性?！敝炖舱f道。相比于之前的ARM7核，Cortex-M3內(nèi)核尺寸減小1/3。STM32面向180度變頻控制技術(shù)，集成了具有6PWM的定時(shí)器及高達(dá)1Msps的12位ADC。STM32最適合逆變器白家電。憑借強(qiáng)大的計(jì)算能力，STM32 能夠執(zhí)行以前通常需要用到DSP的任務(wù)，如縫紉機(jī)和伺服馬達(dá)控制。 由于功耗和成本大大降低，基于Cortex-M3的32位MCU還進(jìn)入了更多新興應(yīng)用領(lǐng)域，如白家電中先進(jìn)的人機(jī)介面；此外，STM32還在玩具市場(chǎng)創(chuàng)造新興應(yīng)用，比如有廠商設(shè)計(jì)出高智能會(huì)說話的福娃系列。 “為了方便用戶使用，意法兩年前決定要優(yōu)化和精簡(jiǎn)MCU產(chǎn)品線。未來STM32系列將會(huì)覆蓋高端8位、16位以及32位的應(yīng)用，我們要讓用戶以8位的價(jià)格，享受32位的性能。”朱利安表示。 譚軍認(rèn)為，以前大家用不同的平臺(tái)開發(fā)產(chǎn)品，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、故障率和成本都很高，且不便于整合。現(xiàn)在更多的開發(fā)人員希望使用同一種開發(fā)平臺(tái)來設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及成本。因此，制造商在選擇MCU時(shí)逐漸看重平臺(tái)化，即選擇軟件可兼容、成本低、來自同一平臺(tái)的MCU。因此ARM在工業(yè)控制市場(chǎng)的前景非常廣闊，“去年，基于ARM的MCU出貨量超過1億，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)10億個(gè)?！彼f。 馬達(dá)控制市場(chǎng)，歐美系仍占主導(dǎo) 雖然臺(tái)灣地區(qū)及中國大陸的MCU廠商正在迅速崛起，但受訪的歐美廠商認(rèn)為，目前在馬達(dá)控制市場(chǎng)占主流的仍是歐美及日系廠商。 “要想在MCU市場(chǎng)取得成功，不僅要在硅片方面進(jìn)行投資，而且需要在設(shè)備、系統(tǒng)解決方案和客戶支持等多方面投資。廠商必須在上述這些領(lǐng)域投入足夠的資金，才能躋身這個(gè)市場(chǎng)?！盨umit Mitra分析道。 石敬巖也指出，歐美和日本廠商將繼續(xù)主導(dǎo)中國MCU市場(chǎng)，這是因?yàn)樗麄冞^去曾投資于各種MCU系列產(chǎn)品，積累了豐富的應(yīng)用技術(shù)，且具有得到實(shí)際檢驗(yàn)的成套開發(fā)工具支持開發(fā)。 此外，有些應(yīng)用具有安全規(guī)定或者要求長(zhǎng)期供應(yīng)，同時(shí)提供可靠的質(zhì)量保證，這樣才能被客戶所接受，例如需要符合Q100-F、SIL3和Class B等標(biāo)準(zhǔn)?！昂髞碚唠y以在短期內(nèi)克服這些因素，尤其是因?yàn)橐诋a(chǎn)品組合、競(jìng)爭(zhēng)力和工具鏈方面進(jìn)行長(zhǎng)期投資?！彼f。