工业马达引动芯片架构之争 ARM阵营渐成市场主流
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摘要:根据市场调查机构MM的研究报告指出,单就全球高效马达市场就可望从2012年的317.9亿快速成长到2018年的914.6亿元美金,年复合成长率 (GAGR) 将近20%。而在2012年5月,中国国务院也宣布补贴

  根据市场调查机构MM的研究报告指出,单就全球高效马达市场就可望从2012年的317.9亿快速成长到2018年的914.6亿元美金,年复合成长率 (GAGR) 将近20%。而在2012年5月,中国国务院也宣布补贴十六亿元,开始发展高效能电机应用。然后在2013年的5月通讯部发布电节能效提升计画。可看出中国政府在节能、电机方面,有很多相关措施。

  美国能源部(DoE)要求自2015年3月起,输入美国市场马达,将被强制要求符合美国能源独立与安全法案的能效要求。台湾经济部能源局也已开始与工研院合作,制定马达相关能效等级规范。

  工业马达 无刷直流打头阵

  ST(意法半导体)产品行销经理杨正廉表示,在工业领域中,马达隐身在相当多的应用环境中,举例来说,像是搅拌用的锅炉、输送带、进气、排气与吊车等,都会需要马达的存在,至于我们常见的机器人更不用说,每个关节都会需要马达控制,所以工业马达其实拥有相当强劲的成长动能。

  杨正廉也补充说明指出,就目前所接触的客户群中,无刷直流(BLDC)马达的设计与讨论占了客户群中的70%左右,理由在于无刷直流在控制上相对容易,不仅低噪音且相对节能,它在日常生活中的家电领域颇受好评,而无刷直流特性的风潮也开始吹进了工业马达领域。TI(德州仪器)马达事业部现场应用工程师Bruce Liu也表示,采用DC(直流电)进行控制,可以用电子控制来提升电源输出,只要输入多少电源,就用多少电源,所以无刷直流在工业领域的询问度相当高,就他目前接触的客户群来看,约有20%至30%的比重,都在询问讨论或是已经投入开发无刷直流马达。

  图一 : 在节能议题发烧之下,DC马达已在家电领域有不错的成绩。

  Bruce Liu谈到,产业界之所以会开始转向无刷直流马达应用,原因之一在于工业环境应用较为严苛,若是采用有刷直流马达,容易产生火花,在对于粉尘较多的作业环境而言是相当危险的事情。另一方面,无刷直流的能源效率相当高,而且也能进行转速控制,这也是产业界开始转向的原因。

  除了节能 工业马达要准更要稳

  尽管在工业马达领域中有不少半导体业者对于无刷直流马达市场相当看好,但毕竟该市场的马达种类不止一种,除了节能之外,在实务上也有不少需求会比节能更加重要,ADI(亚德诺半导体)马达电源控制市场部经理于常涛就直言,像是永磁同步马达应用,在工业控制领域中就是相当重要的环结之一。于常涛同意,无刷直流马达在工业领域中有其重要的角色,但永磁同步马达偏重精准控制,这类马达其实也有不小的市场商机,但两者之间并不会互相冲突,因为工业马达本身就是相当大的市场。

  同样的,快捷半导体也提出了颇为类似的看法,快捷半导体资深应用工程师钱世昌指出,具备生产能力的马达才是快捷所锁定的市场。一般人可能认为,马达与电路系统是整合在一起,但这种认知也可以说不对。,还有很大一部份的马达种类,是马达与驱动器加以分开,透过驱动器的带动使马达运作,像是国外的ABB或是国内的东元、台达电、士林电机等,都有生产驱动器产品,可以说是代表厂商。

  图二 : 士林电机旗下除了马达本身以外,亦有驱动器,这才是完整的产品组合。

  工业马达应用吸引不少晶片业者投入此一领域,但在实务上,工业领域相较家用,其作业环境与生命周期等,都来得严格许多,要进入供应链实属不易。所以大体上,工业马达市场目前大多还是国外晶片大厂投入为主,国内则相对少见。在工业马达系统所需的晶片架构上,大致上可以分为MCU(微控制器)、DSP(数位讯号处理器)与FPGA(可编程逻辑闸阵列)等三类。这三种架构都能被用在工业马达设计,也各自拥有所属的晶片业者阵营,但毕竟在先天架构上就存在了差异,市场定位虽然有大致上的轮廓,但仍是免不了在成本或是性能上的竞争。

  架构各有优劣 MCU优势渐增

  杨正廉认为,MCU架构在开发难易度、导入成本与扩充能力等各项表现上远胜FPGA架构。他举例指出,以输送带为例,光是材质、重量的不同,输送带的流畅度、速度与精确度就会有所差异,这必须透过参数上的调校才有办法作到,MCU在这方面的调整速度上具有相当的优势。

  杨正廉也直言,由于ARM的Cortex-M4到M0的处理能力的不同,所以对应的马达系统也会有所差异,一般来说,风扇或是无刷直流马达采用M0架构就足以应付,但若偏重造价较高或重视参数调校与精确性的马达系统,采用M4会是理想的选择。他进一步谈到,由于马达在不同应用领域下,需要调校的系统参数各有差异,为了保留系统的设计弹性,MCU与专为驱动马达的驱动元件(Driver)不太可能有整合的可能性。

  图三 : 随着技术演进,MCU的能力日益强大,在工业马达领域已有不小的影响力

  MCU锋芒渐露 主因在浮点运算与生态系统

  于常涛谈到,以ADI现有的方案而言,像是需要精准控制的伺服或是永磁同步马达,ADI会采用Cortex-M4架构来因应这类的需求,一方面是因为M4的性价比高,再来产业界对于ARM架构的处理器核心,有相当高的熟悉度,其相关的生态系统也有一定的完整度。不过,由于ADI旗下也有DSP的产品线,于常涛强调,ADI的DSP架构产品,偏重相对高端的应用,像是较为复杂的马达系统会需要运动轨迹的规划的设计,这就会需要动用到DSP的运算能力。

  英飞凌工业与多元电子市场部经理黄国为也颇为同意于常涛的看法,他认为,FPGA、DSP再到MCU这三者之间各有利基,端看市场需求。

  图四 : ARM能在工业马达开始展现影响力,当然还是归功于完善的生态系统。

  在过去MCU性能还不是如此强大的情况下,许多马达控制采用DSP架构就足以应付,但随着MCU开始加入浮点运算功能后,在性能方面已经逐渐提升又兼具控制周边的情况下,其实是可以开始取代部份DSP甚至是FPGA的应用领域,但他还是强调,市场上还是有少部份特殊或是需要极高精准度的工业马达领域,还是会需要FPGA与DSP。

  导入ARM处理器 FPGA一手掌握马达系统设计

  尽管有许多MCU业者大力倡导MCU架构在工业马达领域拥有不少优势,不过FPGA大厂赛灵思则有稍为不同的看法。

  赛灵思(Xilinx)亚太区Zynq业务开发经理罗霖表示,就运算效能而言,FPGA、DSP与MCU相较,FPGA仍然是居于领先位置,DSP居中,MCU则是敬陪末座。主要原因在于FPGA具有平行运算的效能,相较于序列运算的DSP与MCU而言,的确有其效能上的优势,所以在运算速度上也明显优于DSP与MCU。他直言,只要能在最短时间处理完工作,就有办法把运算资源拿来处理其他事情。

  罗霖指出,过去在多马达设计上,会采用DSP、FPGA与MCU同时搭配的作法,DSP负责演算法、FPGA负责高速I/O,MCU则是负责使用者介面与网路通讯等工作,彼此之间分工合作来完成设计,不过随着技术演进,当FPGA也内建处理器之后,就有能力一次处理前述所有的工作内容,其言下之意就是Zynq系列,能够处理这类的工作。由FPGA负责处理通讯介面的工作,Cortex-A9双核心处理器,则专职处理多种的工业通讯协定。

  图五 : 不光是MCU的性能有所提升,FPGA也不遑多让,在内建了处理器之后,其性能也有相当程度的进展,对于复杂的工业马达设计也能轻松驾驭。(Source:赛灵思)

  不过,马达设计上,除了需要精准的数位讯号控制外,马达本身的电源输出表现也会影响马达精准度的表现。

  杨正廉也同意,在马达控制上,电流与电压的供应精准度的确是一门学问,但他强调,尽管MOSFET与IGBT等电源周边元件有其重要性,但是数位控制本身还是最重要的关键,所以类比电源电路与数位控制还是可以区分两个层面来看,会较为简单。不过,未来电源管理也开始走向数位化的情况下,杨正廉透露,采用MCU进行电源系统的管理也是可行的作法,换言之,若要让马达控制达到最佳化,马达转速、角度的精准度乃至电源供应上,实务上可以用两颗MCU就完成整个系统设计。

  不过,罗霖也透露,Zynq可以输出PWM(脉宽调变)讯号对IGBT(绝缘闸极双极性电晶体)甚至是新一代的SiC(碳化矽)元件进行控制,以让电源输出表现稳定。罗霖也自信地表示,马达两大关键:控制与电源输出,都能用Zynq来完成,无需其他MCU与DSP支援。

  结论

  不论是从MCU或是FPGA业者的口中,可以约略看出,ARM阵营在工业马达已有相当的影响力,自从M4处理器核心推出之后,更有助于MCU在工业马达领域开疆辟土。当然,马达整体表现的好坏与否,不光只是靠主晶片的表现,包含周边元件的搭配、演算法的撰写能力等,都会是关键之一。

  黄国为也强调,马达系统设计的好坏与否,还是取决于客户的设计能力高低,但仍然不脱可靠度与安全性等这类大方向的思维,系统一旦出现异常,MCU本身该作何处置?这才是客户关心的课题。

  总体而言,尽管晶片架构决定了其市场定位,但随着MCU的势起,晶片架构阵营之间的竞争也随之浮上台面,工业马达市场未来将会如何演变,值得我们继续关注。

作者:admin 来源:未知 发布于2019-07-11 10:55
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