马达控制MCU在变，你也要跟着变！

　　随着制造业向智能化加速转型，工业4.0已上升为德国的国家战略。我们关注到，德国提出工业4.0， 美国提出“先进制造业国家战略计划”，我国也在推进传统制造业的转型与升级。在这样的大背景下，传统的电机和电机控制行业也正在发生变化。

　　一场智能工业革命正席卷从工业控制到白家电等所有市场，业界对马达控制要求正在快速增长。马达控制是MCU应用的一项重要领域，可说是服务于我们工作与生活各个面向，但它却也占据了能源消耗中最大的一部分，所以如何更好地提高马达控制的使用效率以实现节能的要求，是当前市场一项主要的挑战。

　　随着智能工业刮起工业4.0风暴及马达本身设计的不断优化，及其带来相应的控制方式也在转变，这让控制器中的MCU性能需求不断攀升，比如矢量控制，空间磁场定向，坐标分解以及PI调节环路等，这在以前比较常采用8/16位单片机的控制器就已经遇到了性能的瓶颈。

　　此外，我们也注意到在很多场合，用户希望把一些系统控制的功能与马达控制的功能放在一颗芯片里实现，这样的反馈对于传统的DSP方案也带来了挑战。

　　有鉴于此，马达与MCU面临诸多挑战，我们该如何把握市场新机遇，从而改变设计策略，以“变”制“变”？报名参加电子发烧友12月份“智能工业技术研讨会”。

 

 

 

　　三大趋势与挑战：分布式与集成、智能化网络化和远程控制及节能

　　电机系统节能是大势所趋。为提升能效等级，工信部今年6月份刚刚公布了电机能效提升计划（2013-2015年），到2015年，实现电机产品升级换代，50%的低压三相笼型异步电动机产品、40%的高压电动机产品达到高效电机能效标准规范;累计推广高效电机1.7亿千瓦，淘汰在用低效电机1.6亿千瓦，实施电机系统节能技改1亿千瓦，实施淘汰电机高效再制造2000万千瓦。

　　

　　图1 IHS Electronics & Media工业自动化组高级分析师周万木指出，电机控制的集成化趋势使客户对电机控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越来越高，同时要求半导体芯片厂商也能提供集成的解决方案。

　

　　图2 中国低压马达市场及产品类别组成图-2011年 vs. 2015年（Source：IHS Electronics & Media工业自动化组高级分析师周万木）

　　IHS Electronics & Media工业自动化组高级分析师周万木（图1）表示，马达与MCU主要的趋势和挑战包括三个方面：分布式电机控制系统与集成的电机控制产品；智能化、网络化和远程控制；电机系统节能。

　　周万木指出，电机控制的集成化趋势使客户对电机控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越来越高，同时要求半导体芯片厂商也能提供集成的解决方案，在单颗芯片中集成更多的功能，I/O，驱动，控制算法以及工业以太网模块等。

　　周万木进一步指出，8位MCU因为价格便宜，性能稳定，应用范围极为广范，比如信号检测，LED照明控制，电源转换控制和BLDC电机控制，这些应用中8位MCU就已经足够。而电机系统自动故障报警、远程监控和远程诊断调试等需求，将会使用越来越多的功能更多，处理能力更强的MCU，DSP和FPGA。8位MCU在变频器控制、伺服电机控制、电力与能源监控， 越来越多的以太网应用等现代工业环境下遇到了瓶颈。同时，另外32位MCU价格在进一步的走低，8位MCU和32位MCU的价格差异在缩小，所以未来的电机控制系统会用到越来越多的32位MCU。另外，远程电机温度检测、异常震动检测和电流电压监测等需求将会为模拟芯片创造更多的市场机会。

　　整合处理与模拟性能 8位MCU市场空间大增

　　在马达控制微控制器（MCU）市场中，Silicon Labs（芯科实验室）则认为8位微控制器有着极为广泛的应用，如遥控直升机和玩具车、PC风扇、其他电动风扇、小型电动工具（电钻和电锯）和小家电等。这与其能为这些无刷直流马达控制相关应用提供专门优化的高性能、高精度模拟8位MCU不无关系。

　　提及马达与MCU面临新挑战，Silicon Labs公司8位MCU产品市场经理Abhijit Grewal强调，在马达控制应用选择MCU解决方案时需要考虑很多因素，其中重要的是处理性能与芯片上模拟功能的级别。鉴此，围绕高速8051内核设计了F85x/6x系列MCU，该内核比同类竞争对手产品速度提高了50%，特别适用于马达控制应用。

　　图3 Silicon Labs公司8位MCU产品市场经理Abhijit Grewal表示，在马达控制应用选择MCU解决方案时需要考虑很多因素，其中重要的是处理性能与芯片上模拟功能的级别。

　　Abhijit Grewal表示，未来马达控制MCU的发展趋势是更高性价比和更高模拟功能集成度，从而带来更大的灵活性和更高的易用性。

　　马达控制MCU战云起 合泰抢攻8/32位MCU滩头阵地

　　合泰半导体（中国）有限公司产品技术开发处/马达产品技术部专案处长潘健章表示，常年深耕家电产品MCU市场的合泰半导体，在马达控制MCU上，主要分为低价位、高性价比的8-bit MCU（例HT66FM5230/HT66FM5240）与高效能的32-bit MCU。

　　

　　图4 合泰半导体（中国）有限公司产品技术开发处/马达产品技术部专案处长潘健章表示，马达动力组件从ACIM改采DC马达已成趋势，合泰当前主攻低价位、高性价比的8-bit MCU与高效能的32-bit MCU。

　　潘健章认为，马达及控制器的挑战包括以下几个方面：

　　马达动力组件从ACIM改采DC马达已成趋势，包括DC有刷电机与DC无刷电机，马达控制与MCU技术上的新挑战如下：

　　（1）节能标章：”节能标章”在家电产品成新规格，在全世界各地政府推行，不能通过节能标章的产品会被供应链淘汰。功率转换效率技术包含了马达组件耗损、MCU的控制整合、与PFC电路。

　　（2）静音： 追求更低噪音，成家电产品的新诉求，提高生活质量，家电产品以有、无功能选择产品的时代已过去。

　　（3）智能家电： 无级调速，生活与消费的新趋势，已转向以家庭为中心，外观漂亮、简单易用、性能高与性价比高已成为家电产品的新需求，家电产品的新体验也成为与他人互动交流的共通话题。

　　这些挑战将加速推动马达控制器新一波革命浪潮。

　　瑞萨电子蓄势发力创新家用电器和工业两大领域

　　随着节能减排政策的不断出台，中国市场在家用电器和工业两大领域着力发展变频控制技术，对变频控制方案、相关产品的需求日益增加。

　　变频技术为白色家电产品带来了节能、舒适、人性化、智能化等诸多优点。瑞萨电子（中国）有限公司通用和SoC产品中心中国电机实验室统括经理汪韧冬从发展现状和未来的预测两个方面，总结了如下的发展特点：

　　1. 永磁同步电机被广泛使用；2. 负荷周期性变动引发的振动补偿技术不断完善；3. 最优控制策略的应用让变频系统的综合效率达到最大；4. 随着永磁同步电机的反电动势越来越高，在有限的输入电压的情况下，如果不做处理，电机控制不得已将进入“弱磁”控制领域，导致了系统功耗增加，能效降低。

瑞萨电子（中国）有限公司通用和SoC产品中心中国电机实验室统括经理汪韧冬表示，为顺应节能减排政策，瑞萨电子始终坚持为市场提供创新电机用MCU产品。

　　汪韧冬进一步表示，在工业领域，中小功率的电动机也普遍采用永磁同步电动机。E-bike是瑞萨电子在中国市场最关注的应用之一。在这方面，技术的发展具备如下特点：

　　1. 表面贴型外转子永磁同步电机是目前电动自行车中普遍采用的驱动电机；2. 电动机驱动方式正在从传统的方波驱动向矢量控制的正弦波驱动方式过渡；3. 电动机驱动目前普遍具备霍尔位置传感器；4. 16-bit单片机是目前在这一市场中的主流应用单片机。瑞萨在这一领域准备了完整的产品线，并且为了适应这样的中低端单片机资源，努力开发了完整的矢量控制算法；5. 在无位置传感器领域，目前的技术瓶颈是零速、低速下的转子位置估计。理论方面已经取得长足进展，在实践中仍需控制器开发人员的努力和探索，最终突破瓶颈。

　　32位MCU蚕食8位MCU马达市场 FPGA方案尚欠火候

　　与Silicon Labs和合泰钟情于8位MCU不同，飞思卡尔微控制器部工业和多元市场运营高级应用工程师叶万富指出，近年来，各厂商纷纷推出的低端32位MCU因其较小的价格差异、更高的性能正在蚕食8位MCU的市场，特别是基于ARM的Cortex-M0，M0+，M3及M4等内核的马达控制MCU产品。而在更复杂、更高效和更智能先进的马达控制应用中，DSC和高端32位MCU占着市场主导位置，仅很少部分使用FPGA方案。

　　

　　图5 飞思卡尔微控制器部工业和多元市场运营高级应用工程师叶万富指出，在低端市场，低端32位MCU因其较小的价格差异、更高的性能正在蚕食8位MCU的市场；在高端马达市场，DSC和高端32位MCU占着市场主导位置，仅很少部分使用FPGA方案。

　　叶万富强调，飞思卡尔半导体作为业界领先的马达控制MCU提供商，能够提供全系列从低端到高端的马达控制MCU产品。

　　叶万富进一步指出，为了迎合马达控制系统所面临的新挑战，未来的马达控制MCU设计需要重点考虑以下几方面新趋势：1，更高的性能，更强的数据运算能力，并行快速的数据处理，以及支持实时操作系统的多任务处理能力；2，更高的集成度；3，高可靠性；4，低功耗；5，具有竞争力的成本；6，丰富的外围扩展性能；7，简单易用的开发工具和稳定可靠的控制算法库。

　　智能工业革命要求马达控制MCU具有更多且更专注的外设、具有磁场导向控制（FOC）功能、有源功率效正因素（PFC）以及DSP功能。同时，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。那么，为更好匹配市场及客户所需，ARM的相应产品与市场策略是什么？

　　拓疆马达应用版图 ARM戮力丰富生态系统资源

　　ARM中国嵌入式应用市场经理耿立峰表示，由于马达的应用层面相当广泛，而不同的马达对于MCU的需求也不尽相同，市面上已经看到了越来越多采用ARM内核的MCU解决方案。对于价格敏感同时对CPU处理能力要求不是太高的应用，比如电动自行车/直流风扇等，ARM Cortex-M0或者Cortex-M0+就是非常理想的平台。需要再高一点性能的，比如变频空调/冰箱/洗衣机等控制应用，则可以考虑Cortex-M3。再者，如果需要用到DSP指令甚至浮点运算单元，还可以考虑Cortex-M4。

　　

　　图6 ARM中国嵌入式应用市场经理耿立峰表示，由于马达的应用层面相当广泛，而不同的马达对于MCU的需求也不尽相同，市面上已经看到了越来越多采用ARM内核的MCU解决方案。ARM戮力为马达控制领域的产业伙伴提供丰富的生态系统资源。

　　为了方便广大工程师在Cortex-M这个平台上的项目开发，ARM还提供标准软件接口和代码库， CMSIS （Cortex Microcontroller Software Interface Standard）。针对Cortex-M4中的DSP功能，CMSIS-DSP部分提供了超过60多种功能的DSP算法库 。除了ARM所提供的资源，众多的芯片合作伙伴在ARM内核的基础上也不断开发创新性的片上外设资源（ADC，PWM， Comparator等）以及参考设计，这些都为ARM平台在马达控制领域的产业伙伴提供了丰富的生态系统资源。

　　全球知名MCU原厂在电机市场合纵连横，战鼓正盛，创新的烽火依旧延续着...

　　欧美台日主导 马达控制MCU应用四面开花

　　在这波马达与MCU革新大潮驱动下，马达控制MCU目前呈现百家争鸣的状态，日系、欧系、美系、台系MCU大厂，各展身手，在经济尚不景气的大时代背景下，市场呈现低价与高价的产品畅销两极化趋向，合泰身为台系MCU大厂，通吃高低阶MCU市场。

　　虽然，近年来，中国***及大陆MCU势力崛起迅猛，然而由于过去欧美日系大厂曾投资于各种MCU系列产品，积累了丰富的应用技术，且具有得到实际检验的成套开发工具支持开发，故欧美和日本厂商将继续主导中国MCU市场，短期内或难以改变这一现状。

版权声明

本文作者：电子发烧友网执行主编 莫延芬

本文选自电子发烧友网九月份《智能工业特刊》“i创新”栏目原创，转载请注明出处！