专注马达控制/驱动方案，MCU厂商掀起家电变频风

　　家电产品采用无刷直流（BLDC）马达或永磁同步马达（PMSM）等变频设计的风潮日益盛行，促使微控制器（MCU）业者加紧推出更高运算性能与周边规格的产品，并纷纷强化功率半导体元件战力，以提供完整的变频马达控制和驱动解决方案。

　　无刷直流变频马达强势席卷马达市场。传统的小型电机系统内，应用的马达多为交流单相感应马达（Single-phase Induction Motor），后来有部分应用市场将其汰换为效率稍高的直流有刷马达（Brushed DC Motor）；不过，为了减少电刷带来的功率损耗与危险，利用半导体元件与电子电路改变马达磁场进而产生电力的无刷构造马达，其势力正在快速崛起。

　　功耗低又安全　无刷马达卖相佳

　　

　　图1　意法半导体大中华暨南亚区产品行销经理杨正廉表示，以电子电路控制的无刷构造马达，让半导体元件商有大展身手的机会。

　　意法半导体（ST）大中华暨南亚区产品行销经理杨正廉（图1）表示，为了改善交流感应马达效率不佳的诟病，市场上一度掀起有刷直流马达风潮；不过，有刷直流马达在电路设计、转动方向上虽容易控制，且静态转矩高、启动扭力大，不过因其含电刷（碳刷）构造，在运转过程中会造成明显的功率损耗，降低整体马达输出功率，使其能效不甚理想。

　　有刷直流马达是靠电流流经电刷，再经电枢转动，而其垂直磁场的产生则系经由电刷与换相器 （Commutator）的调整，使流入电枢的电流，能控制磁场变化。其缺点除了因电刷摩擦带来的功率损耗之外，更有安全上的疑虑，因为电刷与换相器间容易产生火花，且须定期清理电刷磨擦所产生的污物，使用一段时间后还可能因故障而须定期更换，增添使用的不便利性。

　　杨正廉进一步表示，至于无刷马达的设计，主要是解决直流有刷马达的电刷与换相器功率损耗问题，其运作原理与有刷式直流马达最大的不同，在于改以电子电路控制方式，而使转子与定子磁场能保持在90度相位差，再配合适当的驱动电路，有效控制换相时序，以提高效率或增加转速范围。

　　此外，由于无刷马达是靠线圈产生磁场再让电枢运转，少了电刷与轴的摩擦，因此较为省电、安静。

　　值得注意的是，改以电子电路方式控制的无刷马达，也让半导体元件商有大展身手的机会。杨正廉表示，过去传统架构的马达，仅需简单的电压输入与输出即可驱动马达运转，不需复杂的磁场控制与变频需求，其控制重点在于机械设计部分，因此微控制器（MCU）、功率元件仅是配角；不过，透过电子电路控制方式产生磁场的无刷构造马达，则让MCU及功率半导体元件一跃成为马达世界的当红主角。

　　杨正廉分析，马达讲求控制速度、精确度等各种参数的即时性及正确性，因此内部的控制元件不但要有高性能表现，亦须有完善的软体演算法支援，所以目前MCU厂商除了提供完整的开发平台之外，亦会同步建置软体资料库。

　　以意法半导体为例（图2），该公司不仅针对不同等级的马达控制应用提供以安谋国际（ARM）Cortex-M0到Cortex-M4为核心的全系列硬体开发套件，并搭配周边驱动电路配置参考设计，平均每三个月还会更新一次软体资料库，让马达开发商透过软体演算做到最精准的调校。

　　

　　图2　意法半导体针对马达控制应用推出的Cortex-M0到Cortex-M4 MCU产品蓝图　

　　在多种无刷构造马达产品中，又以直流无刷马达（Brushless DC Electric Motor， BLDC）与永磁同步马达（Permanent-magnet Synchronous Motor， PMSM）最受瞩目，此两种马达又可统称为直流变频马达（图3）；随着消费者节能环保意识逐渐抬头，这种无刷构造的直流变频马达，亦正全面抢进家电应用市场。

　　

　　图3　BLDC/PMSM架构图

　　家电吹起变频风　BLDC/PMSM前景看俏

　　为了改善家电的节能及运转效率，不少厂商已开始将家电采用的传统交流感应马达，汰换成BLDC或PMSM马达。这两者皆系透过变频电路设计达到可调速的变频效果，虽然初期采用成本较高，不过在消费者环保意识抬头之下，BLDC及PMSM市场正在稳定起飞。


 

　　

　　图4　合泰半导体产品技术开发处/马达产品技术部专案处长潘健章指出，在消费者环保意识抬头之下，BLDC及PMSM市场正在稳定起飞。

　　合泰半导体产品技术开发处/马达产品技术部专案处长潘健章（图4）表示，传统交流感应马达存在于大部分家电产品中，其变频原理系透过简单的V /F（Voltage/Frequency）来控制马达转速；而为了提升交流感应马达的功率，业界已开始透过功率元件构成的变频电路，让部分采用传统交流感应马达的小家电能以相同的转速提供较大马力，不过其效率值仍不理想。

　　潘健章进一步指出，相较之下，透过变频电路设计来达到调速功能的BLDC及PMSM马达，则拥有静音、节能、产品寿命周期长，以及在相同功率下，因能提供马达较高扭力，所以体积较小等特点，这些都是交流感应马达难以媲美的优势。随着现代人开始愿意花较高成本来提高生活品质，拥有变频功能的家电产品需求已逐渐涌现。

　　从应用产品来看，现阶段以变频空调发展相对比较成熟，变频冰箱和变频洗衣机则处于起步阶段，具有广阔的市场成长空间，而且对变频技术的要求更加苛刻。

　　飞思卡尔（Freescale）亚太区微控制器（MCU）业务拓展与市场经理李唐山进一步分析，变频马达对于微控制器的运转时脉，及内置的类比数位转换器（ADC）和脉冲宽度调变（PWM）都有一定要求。

　　李唐山进一步说明，以磁场导向控制（Field Orientated Control， FOC）的高效能马达（如PMSM）为例，因应马达的高速旋转需求，ADC速度须至少为1Mbit/s，在采样的间隔时间内，ADC又必须完成三相到两相静止坐标系，再到旋转坐标系的变换，以及搭配相关的运算和控制，并即时完成系统的其他回应。

　　不过，李唐山表示，PMSM虽然结构紧凑、性能上适合以弦波控制，所以杂讯更小、效率和可靠性更佳，但囿于成本较高，目前普及率仍不理想，预计至2015年PMSM市场才会明显增长，因此BLDC仍会是未来几年内的主流。

　　

　　图5　德州仪器马达事业部现场应用工程师刘俊男认为，MCU厂商为了抢攻变频马达商机，已纷纷强化功率半导体元件的战力。

　　德州仪器（TI）马达事业部现场应用工程师刘俊男（图5）亦认为，目前市面上采用BLDC马达的小家电，仅约占一成多，未来成长空间巨大，因而成为半导体厂商注目的焦点。

　　事实上，BLDC可依照不同产品需求，选择以方波或弦波控制马达运作。潘健章解释，方波控制方案的优点为设计简单、便宜、马力大；而使用弦波驱动方案可大幅降低马达侧向力的作用，达到降低振动噪音的效果，因此对MCU的规格要求也较高。

　　潘健章进一步分析，虽然BLDC在马达理论上是属于方波电压马达，不过为了让无法导入高成本PMSM马达的家电，仍能享有趋近于PMSM能效的产品优势，因此也有不少厂商开始推出BLDC马达改搭弦波控制的方案，尤其是诉求静音效果的家电更有此需求，如静音落地扇，而诸如吸尘器、电动机等对噪声要求不严苛的产品，则仍采用方波控制的BLDC马达。

　　值得注意的是，面对变频家电带来的BLDC及PMSM商机，MCU厂商也祭出各种方案抢攻不同的应用市场。如合泰半导体针对电动工具、风扇等低价位需求的BLDC马达应用，以及冷气、电冰箱压缩机、洗衣机等诉求高效能的PMSM应用，各祭出8位元及32位元MCU系列；飞思卡尔则是以32位元的数位讯号控制器（DSC）或是Kinetis KV MCU搭配马达开发套件（Motor Suite）来抢攻高效率马达市场。

　　事实上，无论是BLDC或PMSM，其与交流感应马达最大的不同之处，就在于变频电路的设计，因此MCU厂为了强攻变频马达市场，除了提升MCU的控制性能之外，亦戮力强化与MCU搭配的功率元件战力。

　　强化功率元件战力　MCU厂猛攻直流变频马达

　　刘俊男表示，欧盟在2015年时预计将7.5千瓦（kW）以上之马达最低能效标准（MEPS）提升至IE3，到2017年时，才将IE3管制范围向下探至0.75kW以上，从这可以观察出，相较于7.5kW以上的大功率马达，要提升小功率马达的效率相对来说较为困难。

　　刘俊男进一步分析，在过去，由于小型电机系统，为了降低电子电路成本及设计复杂度，因此会倾向于采用便宜、设计简单的交流感应马达，但其效率往往不佳；不过，因应高效率马达发展趋势，透过变频器（Variable-frequency Drive， VFD）调节马达频率、速度、功率输出的变频马达，将会加速侵蚀交流感应马达在小功率马达的市场，而MCU厂商为了抢攻此波商机，亦纷纷强化功率半导体元件的战力。

　　据了解，直流变频马达的变频电路，其技术牵涉层面包括半导体切换元件、变频器拓扑、控制、模拟技术，以及控制硬体及韧体等。刘俊男进一步指出，变频电路指的系由功率元件组成的整合型功率模组（Integrated Power Module， IPM），其包含闸极驱动器（Gate Driver）、金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）或绝缘闸双极性电晶体（IGBT）等关键元件。

　　以德州仪器为例，该公司即分别针对7.5kW以上及以下的变频马达应用推出「Driver」及「Pre-driver」功率元件组；另外，由于驱动电路的导通阻抗和开关损耗会直接影响马达系统的能效，飞思卡尔则推出了H桥和双H桥产品，以降低导通损耗。

　　此外，意法半导体则是同时提供MCU为基础的控制开发板，及功率级（Power Stage）电子电路开发板（Power Board），让开发商自由搭配设计，力求能符合不同产品的应用需求（图6）；盛群半导体则瞄准中国大陆市场，效仿联发科技在中国大陆的成功模式，于1年多前开始针对马达应用推出Turn-key解决方案（图7），拉拢台、陆系的功率半导体元件供应商，将其解决方案放置在公板平台上，发挥一加一大于二的产品战力。

　　

　　图6　意法半导体各式马达控制板与电子电路开发板　

　　

　　图7　盛群半导体的Turnkey方案，包含控制板、驱动板、隔离板。

　　另一个值得关注的趋势，则是无感测器马达应用日益受到瞩目。

　　为了要感应BLDC及PMSM的转子位置，马达系统中须置入磁性感测器，以将转子位置资讯回授给控制器并输出相应讯号，从而驱动马达运转。不过这种设计方式虽然简易，但故障率高，因此为降低感测器及相关线材成本，并延长马达使用寿命，无感测器马达设计已日益受到重视。

　　降低系统成本/故障率　无感测器马达需求畅旺

　　

　　图8　新唐科技马达行销处处长李新洲谈到，无感测器方案对于MCU规格要求较高，因此过去不广为所用；不过近年来，马达开发商为了降低制造和维护成本，对无感测器BLDC/PMSM方案的需求日益提升。

　　新唐科技马达行销处处长李新洲（图8）表示，目前BLDC及PMSM的运作方式可分为霍尔效应感测器（Hall Effect Sensor）或无感测器（Sensor-less）方案。无感测器方案对于MCU规格要求较高，过去不广为所用；不过近年来，马达开发商为了降低制造和维护成本，对无感测器BLDC/PMSM方案的需求已逐渐攀升。

　　事实上，霍尔感测器是根据霍尔效应制作的一种磁场感测器，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，其广泛应用于工业自动化技术、检测技术等方面。在BLDC及PMSM马达中，霍尔感测器的任务则是为了要感应隶属于磁性元件的转子位置，并将转子位置参数回报到MCU，再由MCU依据转子位置输出相对应的控制讯号，来驱动马达运转。

　　李新洲指出，透过霍尔感测器来感应转子位置，进而驱动马达运转，虽然系统设计较为简易，不过其缺点在于返修率高。他进一步解释，由于霍尔感测器紧临不断移动、旋转的转子旁，长期以往元件本身难免受损，当霍尔感测器故障时，将牵一发而动全身，马达也就无法正常运转。另一方面，某些马达的机构设计，本就不适合放置霍尔感测器，如空调系统、洗衣机或冰箱都必须将马达密闭安装于压缩机内，这些设计方式都将限制霍尔感测器的应用。

　　相反地，无感测器方案则能省去额外的机械元件及感测器线路，不仅降低物料成本，并提升可靠性，更能减低因霍尔感测器磨损而导致马达故障的机率。

　　李新洲表示，无感测器方案的原理是透过侦测反电动势（Back-Electromotive Force， Back-EMF）电压差，来获取转子位置资讯。据了解，反电动势取决于转子角速度、转子磁体产生的磁场、定子绕组的匝数。因此他分析，无感测器方案的 MCU，除须含有ADC、比较器等元件之外，其关键核心在于MCU的演算法如何分析转子的反电动势波形进而输出控制讯号。

　　综合前述，依照产品应用需求，马达可选择以方波、弦波控制，以及有感测器及无感测器方案，因此MCU可粗分为四种类型，分别为方波霍尔感测器方案、方波无感测器方案、弦波霍尔感测器方案、弦波无感测器方案。

　　值得注意的是，为了同时符合有感测器及无感测方案的应用需求，MCU厂商也开始推出双模方案。李新洲表示，如此一来，即使位处前锋的霍尔感测器故障，MCU也能立即启动演算法分析反电动势电压差获知转子位置参数，让马达照常运转。

　　显而易见，以BLDC及PMSM为首的高效率变频马达已成为半导体元件商的关注焦点，而其中所牵涉的系统控制及电子电路设计，亦让MCU及半导体功率元件成为马达控制系统中的要角，此更将刺激MCU厂商推出各式解决方案，希冀能于高效直流变频马达市场中抢得一席之地。