隨著制造業(yè)向智能化加速轉(zhuǎn)型，工業(yè)4.0已上升為德國的國家戰(zhàn)略。我們關(guān)注到，德國提出工業(yè)4.0， 美國提出“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，我國也在推進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級。在這樣的大背景下，傳統(tǒng)的電機(jī)和電機(jī)控制行業(yè)也正在發(fā)生變化。
一場智能工業(yè)革命正席卷從工業(yè)控制到白家電等所有市場，業(yè)界對馬達(dá)控制要求正在快速增長。馬達(dá)控制是MCU應(yīng)用的一項(xiàng)重要領(lǐng)域，可說是服務(wù)于我們工作與生活各個面向，但它卻也占據(jù)了能源消耗中最大的一部分，所以如何更好地提高馬達(dá)控制的使用效率以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求，是當(dāng)前市場一項(xiàng)主要的挑戰(zhàn)。
隨著智能工業(yè)刮起工業(yè)4.0風(fēng)暴及馬達(dá)本身設(shè)計的不斷優(yōu)化，及其帶來相應(yīng)的控制方式也在轉(zhuǎn)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(biāo)分解以及PI調(diào)節(jié)環(huán)路等，這在以前比較常采用8/16位單片機(jī)的控制器就已經(jīng)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(tǒng)控制的功能與馬達(dá)控制的功能放在一顆芯片里實(shí)現(xiàn)，這樣的反饋對于傳統(tǒng)的DSP方案也帶來了挑戰(zhàn)。
有鑒于此，馬達(dá)與MCU面臨諸多挑戰(zhàn)，我們該如何把握市場新機(jī)遇，從而改變設(shè)計策略，以“變”制“變”？報名參加電子發(fā)燒友12月份“智能工業(yè)技術(shù)研討會”。
三大趨勢與挑戰(zhàn)：分布式與集成、智能化網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制及節(jié)能
電機(jī)系統(tǒng)節(jié)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(jī)能效提升計劃（2013-2015年），到2015年，實(shí)現(xiàn)電機(jī)產(chǎn)品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動機(jī)產(chǎn)品、40%的高壓電動機(jī)產(chǎn)品達(dá)到高效電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;累計推廣高效電機(jī)1.7億千瓦，淘汰在用低效電機(jī)1.6億千瓦，實(shí)施電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實(shí)施淘汰電機(jī)高效再制造2000萬千瓦。
圖1 IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木指出，電機(jī)控制的集成化趨勢使客戶對電機(jī)控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導(dǎo)體芯片廠商也能提供集成的解決方案。
圖2 中國低壓馬達(dá)市場及產(chǎn)品類別組成圖-2011年 vs. 2015年（Source：IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木）
IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木（圖1）表示，馬達(dá)與MCU主要的趨勢和挑戰(zhàn)包括三個方面：分布式電機(jī)控制系統(tǒng)與集成的電機(jī)控制產(chǎn)品；智能化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制；電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能。
周萬木指出，電機(jī)控制的集成化趨勢使客戶對電機(jī)控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導(dǎo)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(qū)動，控制算法以及工業(yè)以太網(wǎng)模塊等。
周萬木進(jìn)一步指出，8位MCU因?yàn)閮r格便宜，性能穩(wěn)定，應(yīng)用范圍極為廣范，比如信號檢測，LED照明控制，電源轉(zhuǎn)換控制和BLDC電機(jī)控制，這些應(yīng)用中8位MCU就已經(jīng)足夠。而電機(jī)系統(tǒng)自動故障報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷調(diào)試等需求，將會使用越來越多的功能更多，處理能力更強(qiáng)的MCU，DSP和FPGA。8位MCU在變頻器控制、伺服電機(jī)控制、電力與能源監(jiān)控， 越來越多的以太網(wǎng)應(yīng)用等現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境下遇到了瓶頸。同時，另外32位MCU價格在進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)會用到越來越多的32位MCU。另外，遠(yuǎn)程電機(jī)溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監(jiān)測等需求將會為模擬芯片創(chuàng)造更多的市場機(jī)會。
整合處理與模擬性能 8位MCU市場空間大增
在馬達(dá)控制微控制器（MCU）市場中，Silicon Labs（芯科實(shí)驗(yàn)室）則認(rèn)為8位微控制器有著極為廣泛的應(yīng)用，如遙控直升機(jī)和玩具車、PC風(fēng)扇、其他電動風(fēng)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(dá)控制相關(guān)應(yīng)用提供專門優(yōu)化的高性能、高精度模擬8位MCU不無關(guān)系。
提及馬達(dá)與MCU面臨新挑戰(zhàn)，Silicon Labs公司8位MCU產(chǎn)品市場經(jīng)理Abhijit Grewal強(qiáng)調(diào)，在馬達(dá)控制應(yīng)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(nèi)核設(shè)計了F85x/6x系列MCU，該內(nèi)核比同類競爭對手產(chǎn)品速度提高了50%，特別適用于馬達(dá)控制應(yīng)用。
圖3 Silicon Labs公司8位MCU產(chǎn)品市場經(jīng)理Abhijit Grewal表示，在馬達(dá)控制應(yīng)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(dá)控制MCU的發(fā)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(dá)控制MCU戰(zhàn)云起 合泰搶攻8/32位MCU灘頭陣地
合泰半導(dǎo)體（中國）有限公司產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章表示，常年深耕家電產(chǎn)品MCU市場的合泰半導(dǎo)體，在馬達(dá)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(dǎo)體（中國）有限公司產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章表示，馬達(dá)動力組件從ACIM改采DC馬達(dá)已成趨勢，合泰當(dāng)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(rèn)為，馬達(dá)及控制器的挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：
馬達(dá)動力組件從ACIM改采DC馬達(dá)已成趨勢，包括DC有刷電機(jī)與DC無刷電機(jī)，馬達(dá)控制與MCU技術(shù)上的新挑戰(zhàn)如下：
?。?）節(jié)能標(biāo)章：”節(jié)能標(biāo)章”在家電產(chǎn)品成新規(guī)格，在全世界各地政府推行，不能通過節(jié)能標(biāo)章的產(chǎn)品會被供應(yīng)鏈淘汰。功率轉(zhuǎn)換效率技術(shù)包含了馬達(dá)組件耗損、MCU的控制整合、與PFC電路。
?。?）靜音： 追求更低噪音，成家電產(chǎn)品的新訴求，提高生活質(zhì)量，家電產(chǎn)品以有、無功能選擇產(chǎn)品的時代已過去。
（3）智能家電： 無級調(diào)速，生活與消費(fèi)的新趨勢，已轉(zhuǎn)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(chǎn)品的新需求，家電產(chǎn)品的新體驗(yàn)也成為與他人互動交流的共通話題。
這些挑戰(zhàn)將加速推動馬達(dá)控制器新一波革命浪潮。
瑞薩電子蓄勢發(fā)力創(chuàng)新家用電器和工業(yè)兩大領(lǐng)域
隨著節(jié)能減排政策的不斷出臺，中國市場在家用電器和工業(yè)兩大領(lǐng)域著力發(fā)展變頻控制技術(shù)，對變頻控制方案、相關(guān)產(chǎn)品的需求日益增加。
變頻技術(shù)為白色家電產(chǎn)品帶來了節(jié)能、舒適、人性化、智能化等諸多優(yōu)點(diǎn)。瑞薩電子（中國）有限公司通用和SoC產(chǎn)品中心中國電機(jī)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)括經(jīng)理汪韌冬從發(fā)展現(xiàn)狀和未來的預(yù)測兩個方面，總結(jié)了如下的發(fā)展特點(diǎn)：
1. 永磁同步電機(jī)被廣泛使用；2. 負(fù)荷周期性變動引發(fā)的振動補(bǔ)償技術(shù)不斷完善；3. 最優(yōu)控制策略的應(yīng)用讓變頻系統(tǒng)的綜合效率達(dá)到最大；4. 隨著永磁同步電機(jī)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(jī)控制不得已將進(jìn)入“弱磁”控制領(lǐng)域，導(dǎo)致了系統(tǒng)功耗增加，能效降低。
汪韌冬進(jìn)一步表示，在工業(yè)領(lǐng)域，中小功率的電動機(jī)也普遍采用永磁同步電動機(jī)。E-bike是瑞薩電子在中國市場最關(guān)注的應(yīng)用之一。在這方面，技術(shù)的發(fā)展具備如下特點(diǎn)：
1. 表面貼型外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)是目前電動自行車中普遍采用的驅(qū)動電機(jī)；2. 電動機(jī)驅(qū)動方式正在從傳統(tǒng)的方波驅(qū)動向矢量控制的正弦波驅(qū)動方式過渡；3. 電動機(jī)驅(qū)動目前普遍具備霍爾位置傳感器；4. 16-bit單片機(jī)是目前在這一市場中的主流應(yīng)用單片機(jī)。瑞薩在這一領(lǐng)域準(zhǔn)備了完整的產(chǎn)品線，并且為了適應(yīng)這樣的中低端單片機(jī)資源，努力開發(fā)了完整的矢量控制算法；5. 在無位置傳感器領(lǐng)域，目前的技術(shù)瓶頸是零速、低速下的轉(zhuǎn)子位置估計。理論方面已經(jīng)取得長足進(jìn)展，在實(shí)踐中仍需控制器開發(fā)人員的努力和探索，最終突破瓶頸。
32位MCU蠶食8位MCU馬達(dá)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(yè)和多元市場運(yùn)營高級應(yīng)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(nèi)核的馬達(dá)控制MCU產(chǎn)品。而在更復(fù)雜、更高效和更智能先進(jìn)的馬達(dá)控制應(yīng)用中，DSC和高端32位MCU占著市場主導(dǎo)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(yè)和多元市場運(yùn)營高級應(yīng)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(dá)市場，DSC和高端32位MCU占著市場主導(dǎo)位置，僅很少部分使用FPGA方案。
葉萬富強(qiáng)調(diào)，飛思卡爾半導(dǎo)體作為業(yè)界領(lǐng)先的馬達(dá)控制MCU提供商，能夠提供全系列從低端到高端的馬達(dá)控制MCU產(chǎn)品。
葉萬富進(jìn)一步指出，為了迎合馬達(dá)控制系統(tǒng)所面臨的新挑戰(zhàn)，未來的馬達(dá)控制MCU設(shè)計需要重點(diǎn)考慮以下幾方面新趨勢：1，更高的性能，更強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，并行快速的數(shù)據(jù)處理，以及支持實(shí)時操作系統(tǒng)的多任務(wù)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(kuò)展性能；7，簡單易用的開發(fā)工具和穩(wěn)定可靠的控制算法庫。
智能工業(yè)革命要求馬達(dá)控制MCU具有更多且更專注的外設(shè)、具有磁場導(dǎo)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(yīng)產(chǎn)品與市場策略是什么？
拓疆馬達(dá)應(yīng)用版圖 ARM戮力豐富生態(tài)系統(tǒng)資源
ARM中國嵌入式應(yīng)用市場經(jīng)理耿立峰表示，由于馬達(dá)的應(yīng)用層面相當(dāng)廣泛，而不同的馬達(dá)對于MCU的需求也不盡相同，市面上已經(jīng)看到了越來越多采用ARM內(nèi)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(yīng)用，比如電動自行車/直流風(fēng)扇等，ARM Cortex-M0或者Cortex-M0+就是非常理想的平臺。需要再高一點(diǎn)性能的，比如變頻空調(diào)/冰箱/洗衣機(jī)等控制應(yīng)用，則可以考慮Cortex-M3。再者，如果需要用到DSP指令甚至浮點(diǎn)運(yùn)算單元，還可以考慮Cortex-M4。
圖6 ARM中國嵌入式應(yīng)用市場經(jīng)理耿立峰表示，由于馬達(dá)的應(yīng)用層面相當(dāng)廣泛，而不同的馬達(dá)對于MCU的需求也不盡相同，市面上已經(jīng)看到了越來越多采用ARM內(nèi)核的MCU解決方案。ARM戮力為馬達(dá)控制領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)伙伴提供豐富的生態(tài)系統(tǒng)資源。
為了方便廣大工程師在Cortex-M這個平臺上的項(xiàng)目開發(fā)，ARM還提供標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)核的基礎(chǔ)上也不斷開發(fā)創(chuàng)新性的片上外設(shè)資源（ADC，PWM， Comparator等）以及參考設(shè)計，這些都為ARM平臺在馬達(dá)控制領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)伙伴提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)資源。
全球知名MCU原廠在電機(jī)市場合縱連橫，戰(zhàn)鼓正盛，創(chuàng)新的烽火依舊延續(xù)著...
歐美臺日主導(dǎo) 馬達(dá)控制MCU應(yīng)用四面開花
在這波馬達(dá)與MCU革新大潮驅(qū)動下，馬達(dá)控制MCU目前呈現(xiàn)百家爭鳴的狀態(tài)，日系、歐系、美系、臺系MCU大廠，各展身手，在經(jīng)濟(jì)尚不景氣的大時代背景下，市場呈現(xiàn)低價與高價的產(chǎn)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，中國臺灣及大陸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(chǎn)品，積累了豐富的應(yīng)用技術(shù)，且具有得到實(shí)際檢驗(yàn)的成套開發(fā)工具支持開發(fā)，故歐美和日本廠商將繼續(xù)主導(dǎo)中國MCU市場，短期內(nèi)或難以改變這一現(xiàn)狀。
版權(quán)聲明
本文作者：電子發(fā)燒友網(wǎng)執(zhí)行主編 莫延芬
本文系電子發(fā)燒友網(wǎng)九月份《智能工業(yè)特刊》“i創(chuàng)新”欄目原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明出處！
PS：九月份《智能工業(yè)特刊》將于2013年10月15日上線，敬請期待！
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