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馬達控制關鍵 MCU一手掌握
ARM Cortex發揮高性價比優勢

【作者: 王岫晨】   2013年09月30日 星期一

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MCU的應用範圍十分廣泛,從消費端的生活周遭,到工業端的自動化控制,都可以見到MCU活躍的身影。而馬達控制,更是MCU重要的應用領域之一。放眼馬達的應用領域其實相當廣泛,小至數位相機的鏡頭伸縮、家電產品,大到電動車、自動化產線、風扇與重工業等,馬達都是系統中的重要角色。其中,擔任馬達背後控制重任的,就是MCU。


MCU滿足各類馬達控制


意法半導體產品行銷經理楊正廉指出,MCU在馬達的應用中,顧名思義就是給予馬達控制的能力。例如在一般的家電系統上,通常是由使用者輸入指令,透過MCU來進行馬達轉速變化與電源管理等控制。而工業機器人在產線上所進行的複雜定位,也都是藉由MCU與馬達的結合,來進行完美的動作控制。


楊正廉說,隨著馬達的種類不同,所需要的MCU等級也各有差異,從消費市場最簡易的8位元應用,到工業自動化控制所需要的高階32位元領域,不同種類與功能的MCU都能一手包辦。


為了了解MCU究竟在馬達控制上,扮演著什麼樣的角色,首先就必須先了解馬達的分類。馬達種類大致上可區分為AC(交流電)馬達、DC(直流電)馬達、步進馬達及特殊領域專用馬達等四大類。就最常見的AC馬達與DC馬達來比較,儘管AC馬達在各種領域的應用中,佔了絕大多數,但由於AC馬達的能量轉換效率較不理想,對於環保意識抬頭,訴求節能的今日產業界來說,逐漸必須轉向採用效率更高的直流馬達。


直流馬達反攻市場

至於直流馬達,其優點在於電源的功率轉換效率更高,這也讓亟欲前進歐美市場的業者,更容易通過歐美國家嚴苛的節能標準。根據觀察,2013年的直流馬達市場可望快速起飛,馬達系統業者早已看準時機,與上游晶片廠商加快合作腳步,藉由更高效能與更低能耗的MCU產品,讓產品能更快推向歐美市場。


直流馬達強調更高的能源轉換效率,其應用領域廣泛。事實上,直流馬達正是最早發明出來,能將電力轉換為機械功率的電動機。只不過在交流感應馬達與步進馬達問世後,逐步取代傳統的直流馬達。


儘管交流馬達擁有更精密的定位控制,但直流馬達良好的線性特性,加上工業自動化的發展,使其得到再次發展的契機。而直流馬達易於控制的優點,至今得以應用於各種變速控制的應用上。


英飛凌工業與多元電子事業處行銷部經理黃國為表示,目前直流馬達的應用常見於吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等。只要透過8位元MCU,便可充分對於馬達進行控制。


儘管8位元架構設計較為簡易,但MCU業者還是必須對於馬達電源與功率開關管理有深入的了解。馬達的控制涉及不同程度的演算法,例如霍爾效應感測、有刷無刷、單相三相與電壓電流功率等層面,既即使8位元MCU業者容易透過價格戰來搶得訂單,然而若無法提供客戶更多馬達控制的技術支援,還是難以跨入複雜的馬達領域。這些技術支援,都是MCU廠商必須具備的能力之一。



圖一 : :風扇馬達控制是MCU最普遍的應用場合。舉凡吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等,都可以看到MCU的身影。
圖一 : :風扇馬達控制是MCU最普遍的應用場合。舉凡吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等,都可以看到MCU的身影。

工業複雜運算 MCU助一臂之力

對於工業市場來說,馬達其實就是電力驅動器。電力驅動器的特性在於可控性、靈活性與準確性。而隨著工業自動化的快速發展,自動化的基礎技術也為工業驅動帶來了革命性的進展。


事實上,驅動技術的日趨成熟,加上商品化產品高度普及,使得馬達驅動技術不只普及在消費市場的各個角落,也已經在工業自動化領域中發光發熱,這一切都歸功於伺服技術的成熟。


黃國為認為,在各種馬達的應用中,交流馬達佔了絕大多數,特別是在變頻與工業自動化領域中更為常見。然而交流馬達最大的問題點,就在其變速控制的複雜度過高,也使其傳統多半只能用於定轉速的應用上。


但近年來,隨著半導體技術的高度成熟,功率電子元件與先進控制方法都來到一個全新的階段,再加上電腦輔助設計的普及,透過MCU與DSP等半導體元件,已經可以更進一步控制複雜的交流馬達,這使得無段變速交流馬達的控制不再是個問題,工業控制也因此獲得更高度的自動化。


馬達是工業自動化的心臟,而馬達控制更是一門極富挑戰的學問。就分類來看,各式各樣的馬達種類繁多,運作原理、特性、應用與材料都各不相同。應用於工業伺服領域的馬達,通常必須具備精密的位置檢測元件,如光電編碼器、解角器等,也通稱為伺服馬達。


黃國為說,在獲得MCU控制的助力之後,交流馬達本身的優點得以全盤發揮,特別是針對伺服系統的定位控制,包括工業機器人、數值工具機,甚至是碾壓裝置的同步轉速控制例如煉鋼廠、碾紙廠與紡紗廠等,交流馬達都能發揮其特性,也因此逐漸取代傳統的直流馬達系統。



圖二 : :工控領域的伺服馬達,透過高階MCU的運作之下,整體產線的智慧化已經不再是夢想。
圖二 : :工控領域的伺服馬達,透過高階MCU的運作之下,整體產線的智慧化已經不再是夢想。

ARM核心造就高性價比優勢

在ARM Cortex系列處理器問世之後,各家MCU廠商大量採用該核心來打造自家MCU產品,使得市場上一時間ARM架構MCU成為當紅炸子雞。儘管8位元MCU的普及度高,然而8位元特性並不能滿足所有應用,特別是更為複雜的工業自動化控制,這也讓ARM Cortex架構的32位元優勢能夠充分發揮。


楊正廉指出,ARM Cortex系列核心所主打的,就是以32位元的效能與8位元的價格,來取代傳統MCU產品。32位元與8位元的差別,就如同跑車與腳踏車,一旦用上了32位元MCU,意味著運算工作將更為複雜,精確度的要求也更高。


ARM Cortex核心依據效能不同,擁有包括M0、M0+、M3、M4等不同架構。事實上,工業馬達複雜的演算法,讓MCU必須擔負起繁重的運算工作,例如三相馬達就必須透過磁場導向控制(FOC)的運算,來精確掌握其轉速與扭力等動作。包括FOC演算、霍爾效應感測與過電壓、過電流保護等需求,都可以透過中階的ARM Cortex M3核心來滿足。


而最高等級的Cortex-M4,具備浮點運算單元與DSP能力,可以滿足工業馬達更精密複雜的高階演算。至於M0與更低功耗的M0+核心,則是針對簡易的馬達控制,不論工業市場與一般的消費市場都能勝任。


對於MCU廠商普遍入主ARM Cortex核心,造成『人人都是ARM、差異化不大』的情況。面對這樣的問題,楊正廉認為,ARM Cortex核心為MCU廠商帶來產品效能提升、價格便宜與快速上市的優點,但也的確讓不同產品間的差異化變低。「好像買哪一家的MCU都一樣。」


這個時候,各家MCU廠商其實都致力讓產品在同中求異,如推出讓客戶更易上手的開發工具、或者主打產品的高性價比,甚至走向更高整合度與更新穎的封裝,來讓自家產品線更與眾不同。


結語

馬達控制本身就是一件富有挑戰性的工作,而MCU則身負了成敗關鍵。不論馬達應用的簡易度與複雜度如何,MCU產品本身都必須擁有更優異的性能與周邊介面,來滿足各種不同的馬達驅動需求。


隨著ARM Cortex架構的問世,MCU走向高效能、低成本、低功耗已是不可逆的趨勢。未來在高性價比的驅使之下,MCU在更多領域發光發熱將不是件難事。


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