抢攻工业马达控制商机 DSP/FPGA精锐尽出

　　工业马达虽仅占全球马达使用量的一小部分，不过因耗电量惊人，已使其成为国际上马达能源效率主要管制对象（表1）。据了解，以一个11千瓦（kW）、效率为IE3的工业感应马达而言，当该马达每年运转四千个小时，并连续运转20年之后，其初始购买成本仅占马达生命周期的2.3%，而后续须付出的能源使用成本占马达生命周期的比重则高达96.7%，耗电量极为惊人（图1）。

　　

　　图1　感应马达产品生命周期成本分布　资料来源：国际能源总署

　　

　　全球能耗之首　工业马达蕴藏庞大节能潜力

　　若以功率别来区分的话，功率小于0.75kW或低于1马力（hp）（约746瓦）的马达都称为分数马达（FHP）。分数马达通常被用于汽车、暖气、通风、冷却、办公室机械等装置内的低电压电源系统应用；而根据Global Industry Analysts在2013年7月的统计指出，分数马达于全球使用中之马达的市占率约为87.1%。

　　然而，成长潜力最为可观的则是整数马达（IHP）。工研院IEK节能技术研究部能源研究组产业分析师黄雅琪表示，整数马达功率约在0.75kW、1马力以上，其最常使用于工业领域，约占整数马达市场九成，因此又可称其为工业马达；虽然整数马达于全球使用中之马达市占率约为12.9%，不过其占全球马达能源消耗比重却高达87.7%，代表工业用马达耗电量惊人，蕴藏着极大的节能潜在机会。

　　市调机构Global Industry Analysts于2013年7月发布的市场报告指出，由于2014年全球经济景气复苏，工业马达市场规模可达263亿5，000万美元，相较于2013 年，年成长率达6.1%；而预计至2018年产值将达333亿6，000万美元，每年以5？6%的年成长率稳定发展（图2）。

　　

　　图2　2014∼2018年工业马达市场成长分析　资料来源：工研院IEK

　　另一市调机构Transparency Market Research则表示，由于工业应用领域正逐渐将传统电动马达汰换成高效节能马达，因此工业用的整数马达将为整体马达市场贡献极大的成长动能。此外，美国及欧洲国家为了鼓励工业部门及早将低效率马达汰换成高效率方案，因而祭出许多奖励政策，这也将驱动工业应用领域对于高效率整数马达的需求。

　　针对蕴藏如此丰富节能潜力的工业马达市场，半导体元件商自然不会错过此商机；如因应工业自动化风潮，市场上对于工业伺服控制系统（Servo Control System）的需求亦跟着水涨船高，亚德诺（ADI）即特别锁定工业伺服控制系统市场，推出以安谋国际（ARM）Cortex-M4为核心的混合讯号处理器，抢攻工业伺服控制马达商机。

　　瞄准工业伺服马达商机　ADI Cortex-M4处理器来势汹汹

　　

　　图3　亚德诺马达电源控制市场部经理于常涛表示，工业伺服控制系统的特色在于须提供整个伺服系统闭环路控制，因此对于马达控制的精准度要求较高，如控制核心须能全面支援嵌入式类比前端与混合讯号处理器。

　　亚德诺马达电源控制市场部经理于常涛（图3）表示，在工业自动化浪潮推波助澜之下，市场上对于机械、电子、通讯、控制、资讯技术整合装置的核心—伺服控制系统的需求益发热切；而相较于对成本较为敏感的小家电、消费性应用市场，注重系统控制效能的伺服控制系统，则早已率先多时导入高效率的直流无刷马达 （BLDC）、步进马达，而观察伺服控制的未来趋势则能发现，永磁同步马达（PMSM）将成工业伺服控制领域新宠儿。

　　于常涛进一步指出，目前主要应用于工业界的伺服马达，其控制系统的特色在于须提供整个伺服系统闭环路控制，如扭矩控制、速度控制与位置控制等，因此对于控制系统的精准度要求较高，如控制核心须能全面支援嵌入式类比前端与混合讯号处理，且控制器周边的转换器、放大器、隔离器、功率元件等都须调校至符合闭环式电路对于系统精准控制的严苛要求。

　　为了符合伺服控制系统对于降低功耗、减少转矩波动和提高速度控制精准以及类比转换准确度等需求，亚德诺推出了混合讯号处理器--ADSP-CM40x。据了解，ADSP-CM40x搭载一颗240MHz Cortex-M4处理器核心，是业界唯一一款嵌入双通道16位元类比数位转换器（ADC）的混合讯号处理器。

　　于常涛强调，ADSP-CM40x不但具有出色的类比转换性能，同时具备多种其他特性，例如透过SINC滤波器支援，使其可以直接与用于分流电阻式电流检测系统架构中的隔离式Σ-Δ型ADC调变器顺利介接。他进一步解释，SINC滤波器的功能等同于是将滤波演算法「实体化」；过去，开发商往往须要外挂一颗现场可编程闸阵列（FPGA）来置入软体演算法以实现此功能，如今透过SINC滤波器，则可节省以FPGA实现同一功能所需要的成本和工程资源。

　　此外，闭环式电路的伺服控制系统，对于电流环採样准确度及噪声、强电流、模拟讯号等各种外力的抗杂讯能力要求都极为严苛，因此除了混合讯号处理器之外，半导体元件商还须提供完整的隔离式产品（如闸极驱动器（Gate Driver）、ADC和收发器）、同步取样类比数位转换器、旋变数位转换器和功率因数校正控制器，以和控制核心完整搭配。

　　于常涛认为，虽然工业马达市场的数量规模远不如消费性家电市场的规模，不过工业马达市场因对成本较不敏感，如何提高马达效率、减少耗能/耗电往往被摆在优先位置，因此节能潜力更为庞大，这也是何以亚德诺选择抢攻工业伺服控制市场的主因；他透露，亚德诺今年在亚太地区（不包含日本）马达控制市场的营收预计将突破2，000万美元，较2013年成长13-15% 。

　　值得注意的是，因应工业自动化需求，工业设备除了智能化化之外，马达控制网络的建置也至关重要，工业马达也因而吹起联网风潮。工业自动化下的马达不只诉求高效运算，亦须同步具备联网通讯功能，而相较于微控制器（MCU）或数位讯号处理器（DSP）方案，具备平行运算优势且能扩充多种通讯界面的FPGA系统单芯片（SoC），将在此波风潮中占尽优势。

　　工业马达吹联网风　FPGA SoC占尽优势

　　

　　图4　赛灵思亚太区Zynq业务开发经理罗霖指出，工业自动化系统的马达须同时具备高效运算与联网通讯功能，适合采用具备平行运算能力且具扩充弹性的FPGA SoC进行设计。

　　赛灵思（Xilinx）亚太区Zynq业务开发经理罗霖（图4）表示，白色家电通常只需要MCU做为马达控制核心即已足够，不过高阶工业马达的控制系统中枢则多採分离式设计，方能应付复杂的运作机制；如由DSP负责演算法、MCU负责人机界面控制、FPGA则专责高速输入/输出（I/O）通讯界面等。

　　罗霖进一步指出，随着工业自动化风潮兴起，未来工业马达不只须专注于效能的提升，包括输送带、伺服控制系统、生产线等工厂内的所有运作机制皆诉求智能化化发展，这也连带影响内部的工业马达设计。

　　罗霖举例，「制造业智能化化」、「生产线定制化」让愈来愈多的工厂设备讲求联网与设备互联，这也让工程人员倾向採用「分散式」网络来设计工业马达控制系统；亦即许多工业马达彼此之间也须具备互联通讯的功能，如此一来，马达的温度、湿度、电流、电压等监测数据与故障诊断等参数，皆可透过云端中心回报给工程人员，进一步实现完整的工业自动化愿景。而工业马达的联网需求，也让传统工业马达内採分离式设计的控制中枢不敷使用，必须透过更高效能且具备平行运算功能的 FPGA SoC方能进一步实现。

　　以赛灵思的Zynq-7000 All Programmable SoC为例，该嵌入式处理平台，因同时具有FPGA、ARM Cortex-A9双核心、DSP功能，故能同步实现演算法、通讯界面、人机界面等运算需求，且运作速度也会更快。

　　罗霖补充，工业马达对于高效率、高成本的PMSM马达接受度较高，因此除了联网、通讯控制外，高效能的变频控制设计亦是FPGA SoC须关注的焦点。有鉴于此，赛灵思亦推出以Zynq-7000 FPGA SoC为核心的Zynq-7000 AP SoC Intelligent Drives Platform，该平台除了提供功率半导体元件的支援外，亦聚焦于磁场定向控制（FOC）演算法、工业乙太网通讯协议的布局。

　　此外，于常涛发现，模型化基础设计（Model-based Design）概念以往在欧洲地区较为流行，不过随着马达控制议题热烧，亚洲地区的马达开发商亦开始接受这种新型态的设计概念。因此包括亚德诺、赛灵思等半导体元件商都开始以系统建模工具如MathWorks的工具为基础，推出以自家方案为核心的马达开发工具。罗霖指出，MathWorks甚至于今年3月特别针对Zynq-7000 FPGA SoC推出新的设计方法，可让工业马达开发时程从几个月缩短至几个星期。

　　简而言之，在电动马达市场中，工业马达数量规模虽远不及消费性家电市场，不过因其耗能远高于其他马达终端产品应用，蕴藏着无穷的节能潜力，加上工业自动化风潮推波助澜，让工业市场更愿意快速导入高效率马达，遂成消费性家电市场之外，半导体元件商的另一战场。