隨著制造業向智能化加速轉型，工業4.0已上升為德國的國家戰略。我們關注到，德國提出工業4.0， 美國提出“先進制造業國家戰略計劃”，我國也在推進傳統制造業的轉型與升級。在這樣的大背景下，傳統的電機和電機控制行業也正在發生變化。

　　一場智能工業革命正席卷從工業控制到白家電等所有市場，業界對馬達控制要求正在快速增長。馬達控制是MCU應用的一項重要領域，可說是服務于我們工作與生活各個面向，但它卻也占據了能源消耗中最大的一部分，所以如何更好地提高馬達控制的使用效率以實現節能的要求，是當前市場一項主要的挑戰。

　　隨著智能工業刮起工業4.0風暴及馬達本身設計的不斷優化，及其帶來相應的控制方式也在轉變，這讓控制器中的MCU性能需求不斷攀升，比如矢量控制，空間磁場定向，坐標分解以及PI調節環路等，這在以前比較常采用8/16位單片機的控制器就已經遇到了性能的瓶頸。

　　此外，我們也注意到在很多場合，用戶希望把一些系統控制的功能與馬達控制的功能放在一顆芯片里實現，這樣的反饋對于傳統的DSP方案也帶來了挑戰。

　　有鑒于此，馬達與MCU面臨諸多挑戰，我們該如何把握市場新機遇，從而改變設計策略，以“變”制“變”？報名參加電子發燒友12月份“智能工業技術研討會”。

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　　三大趨勢與挑戰：分布式與集成、智能化網絡化和遠程控制及節能

　　電機系統節能是大勢所趨。為提升能效等級，工信部今年6月份剛剛公布了電機能效提升計劃（2013-2015年），到2015年，實現電機產品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動機產品、40%的高壓電動機產品達到高效電機能效標準規范;累計推廣高效電機1.7億千瓦，淘汰在用低效電機1.6億千瓦，實施電機系統節能技改1億千瓦，實施淘汰電機高效再制造2000萬千瓦。

　　圖1 IHS Electronics & Media工業自動化組高級分析師周萬木指出，電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導體芯片廠商也能提供集成的解決方案。

　　圖2 中國低壓馬達市場及產品類別組成圖-2011年 vs. 2015年（Source：IHS Electronics & Media工業自動化組高級分析師周萬木）

　　IHS Electronics & Media工業自動化組高級分析師周萬木（圖1）表示，馬達與MCU主要的趨勢和挑戰包括三個方面：分布式電機控制系統與集成的電機控制產品；智能化、網絡化和遠程控制；電機系統節能。

　　周萬木指出，電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導體芯片廠商也能提供集成的解決方案，在單顆芯片中集成更多的功能，I/O，驅動，控制算法以及工業以太網模塊等。

　　周萬木進一步指出，8位MCU因為價格便宜，性能穩定，應用范圍極為廣范，比如信號檢測，LED照明控制，電源轉換控制和BLDC電機控制，這些應用中8位MCU就已經足夠。而電機系統自動故障報警、遠程監控和遠程診斷調試等需求，將會使用越來越多的功能更多，處理能力更強的MCU，DSP和FPGA。8位MCU在變頻器控制、伺服電機控制、電力與能源監控， 越來越多的以太網應用等現代工業環境下遇到了瓶頸。同時，另外32位MCU價格在進一步的走低，8位MCU和32位MCU的價格差異在縮小，所以未來的電機控制系統會用到越來越多的32位MCU。另外，遠程電機溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監測等需求將會為模擬芯片創造更多的市場機會。

　　整合處理與模擬性能 8位MCU市場空間大增

　　在馬達控制微控制器（MCU）市場中，Silicon Labs（芯科實驗室）則認為8位微控制器有著極為廣泛的應用，如遙控直升機和玩具車、PC風扇、其他電動風扇、小型電動工具（電鉆和電鋸）和小家電等。這與其能為這些無刷直流馬達控制相關應用提供專門優化的高性能、高精度模擬8位MCU不無關系。

　　提及馬達與MCU面臨新挑戰，Silicon Labs公司8位MCU產品市場經理Abhijit Grewal強調，在馬達控制應用選擇MCU解決方案時需要考慮很多因素，其中重要的是處理性能與芯片上模擬功能的級別。鑒此，圍繞高速8051內核設計了F85x/6x系列MCU，該內核比同類競爭對手產品速度提高了50%，特別適用于馬達控制應用。

　　圖3 Silicon Labs公司8位MCU產品市場經理Abhijit Grewal表示，在馬達控制應用選擇MCU解決方案時需要考慮很多因素，其中重要的是處理性能與芯片上模擬功能的級別。

　　Abhijit Grewal表示，未來馬達控制MCU的發展趨勢是更高性價比和更高模擬功能集成度，從而帶來更大的靈活性和更高的易用性。

　　馬達控制MCU戰云起 合泰搶攻8/32位MCU灘頭陣地

　　合泰半導體（中國）有限公司產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章表示，常年深耕家電產品MCU市場的合泰半導體，在馬達控制MCU上，主要分為低價位、高性價比的8-bit MCU（例HT66FM5230/HT66FM5240）與高效能的32-bit MCU。

　　圖4 合泰半導體（中國）有限公司產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章表示，馬達動力組件從ACIM改采DC馬達已成趨勢，合泰當前主攻低價位、高性價比的8-bit MCU與高效能的32-bit MCU。

　　潘健章認為，馬達及控制器的挑戰包括以下幾個方面：

　　馬達動力組件從ACIM改采DC馬達已成趨勢，包括DC有刷電機與DC無刷電機，馬達控制與MCU技術上的新挑戰如下：

　　（1）節能標章：”節能標章”在家電產品成新規格，在全世界各地政府推行，不能通過節能標章的產品會被供應鏈淘汰。功率轉換效率技術包含了馬達組件耗損、MCU的控制整合、與PFC電路。

　　（2）靜音： 追求更低噪音，成家電產品的新訴求，提高生活質量，家電產品以有、無功能選擇產品的時代已過去。

　　（3）智能家電： 無級調速，生活與消費的新趨勢，已轉向以家庭為中心，外觀漂亮、簡單易用、性能高與性價比高已成為家電產品的新需求，家電產品的新體驗也成為與他人互動交流的共通話題。

　　這些挑戰將加速推動馬達控制器新一波革命浪潮。

　　瑞薩電子蓄勢發力創新家用電器和工業兩大領域

　　隨著節能減排政策的不斷出臺，中國市場在家用電器和工業兩大領域著力發展變頻控制技術，對變頻控制方案、相關產品的需求日益增加。

　　變頻技術為白色家電產品帶來了節能、舒適、人性化、智能化等諸多優點。瑞薩電子（中國）有限公司通用和SoC產品中心中國電機實驗室統括經理汪韌冬從發展現狀和未來的預測兩個方面，總結了如下的發展特點：

　　1. 永磁同步電機被廣泛使用；2. 負荷周期性變動引發的振動補償技術不斷完善；3. 最優控制策略的應用讓變頻系統的綜合效率達到最大；4. 隨著永磁同步電機的反電動勢越來越高，在有限的輸入電壓的情況下，如果不做處理，電機控制不得已將進入“弱磁”控制領域，導致了系統功耗增加，能效降低。

瑞薩電子（中國）有限公司通用和SoC產品中心中國電機實驗室統括經理汪韌冬表示，為順應節能減排政策，瑞薩電子始終堅持為市場提供創新電機用MCU產品。

　　汪韌冬進一步表示，在工業領域，中小功率的電動機也普遍采用永磁同步電動機。E-bike是瑞薩電子在中國市場最關注的應用之一。在這方面，技術的發展具備如下特點：

　　1. 表面貼型外轉子永磁同步電機是目前電動自行車中普遍采用的驅動電機；2. 電動機驅動方式正在從傳統的方波驅動向矢量控制的正弦波驅動方式過渡；3. 電動機驅動目前普遍具備霍爾位置傳感器；4. 16-bit單片機是目前在這一市場中的主流應用單片機。瑞薩在這一領域準備了完整的產品線，并且為了適應這樣的中低端單片機資源，努力開發了完整的矢量控制算法；5. 在無位置傳感器領域，目前的技術瓶頸是零速、低速下的轉子位置估計。理論方面已經取得長足進展，在實踐中仍需控制器開發人員的努力和探索，最終突破瓶頸。

　　32位MCU蠶食8位MCU馬達市場 FPGA方案尚欠火候

　　與Silicon Labs和合泰鐘情于8位MCU不同，飛思卡爾微控制器部工業和多元市場運營高級應用工程師葉萬富指出，近年來，各廠商紛紛推出的低端32位MCU因其較小的價格差異、更高的性能正在蠶食8位MCU的市場，特別是基于ARM的Cortex-M0，M0+，M3及M4等內核的馬達控制MCU產品。而在更復雜、更高效和更智能先進的馬達控制應用中，DSC和高端32位MCU占著市場主導位置，僅很少部分使用FPGA方案。

　　圖5 飛思卡爾微控制器部工業和多元市場運營高級應用工程師葉萬富指出，在低端市場，低端32位MCU因其較小的價格差異、更高的性能正在蠶食8位MCU的市場；在高端馬達市場，DSC和高端32位MCU占著市場主導位置，僅很少部分使用FPGA方案。

　　葉萬富強調，飛思卡爾半導體作為業界領先的馬達控制MCU提供商，能夠提供全系列從低端到高端的馬達控制MCU產品。

　　葉萬富進一步指出，為了迎合馬達控制系統所面臨的新挑戰，未來的馬達控制MCU設計需要重點考慮以下幾方面新趨勢：1，更高的性能，更強的數據運算能力，并行快速的數據處理，以及支持實時操作系統的多任務處理能力；2，更高的集成度；3，高可靠性；4，低功耗；5，具有競爭力的成本；6，豐富的外圍擴展性能；7，簡單易用的開發工具和穩定可靠的控制算法庫。

　　智能工業革命要求馬達控制MCU具有更多且更專注的外設、具有磁場導向控制（FOC）功能、有源功率效正因素（PFC）以及DSP功能。同時，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，為更好匹配市場及客戶所需，ARM的相應產品與市場策略是什么？

　　拓疆馬達應用版圖 ARM戮力豐富生態系統資源

　　ARM中國嵌入式應用市場經理耿立峰表示，由于馬達的應用層面相當廣泛，而不同的馬達對于MCU的需求也不盡相同，市面上已經看到了越來越多采用ARM內核的MCU解決方案。對于價格敏感同時對CPU處理能力要求不是太高的應用，比如電動自行車/直流風扇等，ARM Cortex-M0或者Cortex-M0+就是非常理想的平臺。需要再高一點性能的，比如變頻空調/冰箱/洗衣機等控制應用，則可以考慮Cortex-M3。再者，如果需要用到DSP指令甚至浮點運算單元，還可以考慮Cortex-M4。

　　圖6 ARM中國嵌入式應用市場經理耿立峰表示，由于馬達的應用層面相當廣泛，而不同的馬達對于MCU的需求也不盡相同，市面上已經看到了越來越多采用ARM內核的MCU解決方案。ARM戮力為馬達控制領域的產業伙伴提供豐富的生態系統資源。

　　為了方便廣大工程師在Cortex-M這個平臺上的項目開發，ARM還提供標準軟件接口和代碼庫， CMSIS （Cortex Microcontroller Software Interface Standard）。針對Cortex-M4中的DSP功能，CMSIS-DSP部分提供了超過60多種功能的DSP算法庫 。除了ARM所提供的資源，眾多的芯片合作伙伴在ARM內核的基礎上也不斷開發創新性的片上外設資源（ADC，PWM， Comparator等）以及參考設計，這些都為ARM平臺在馬達控制領域的產業伙伴提供了豐富的生態系統資源。

　　全球知名MCU原廠在電機市場合縱連橫，戰鼓正盛，創新的烽火依舊延續著...

　　歐美臺日主導 馬達控制MCU應用四面開花

　　在這波馬達與MCU革新大潮驅動下，馬達控制MCU目前呈現百家爭鳴的狀態，日系、歐系、美系、臺系MCU大廠，各展身手，在經濟尚不景氣的大時代背景下，市場呈現低價與高價的產品暢銷兩極化趨向，合泰身為臺系MCU大廠，通吃高低階MCU市場。

　　雖然，近年來，中國***及大陸MCU勢力崛起迅猛，然而由于過去歐美日系大廠曾投資于各種MCU系列產品，積累了豐富的應用技術，且具有得到實際檢驗的成套開發工具支持開發，故歐美和日本廠商將繼續主導中國MCU市場，短期內或難以改變這一現狀。

版權聲明

本文作者：電子發燒友網執行主編 莫延芬

本文選自電子發燒友網九月份《智能工業特刊》“i創新”欄目原創，轉載請注明出處！
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