工業(yè)馬達(dá)吹聯(lián)網(wǎng)風(fēng)　FPGA SoC占盡優(yōu)勢(shì)

工業(yè)馬達(dá)雖僅占全球馬達(dá)使用量的一小部分，不過因耗電量驚人，已使其成為國(guó)際上馬達(dá)能源效率主要管制對(duì)象(表1)。據(jù)了解，以一個(gè)11千瓦(kW)、效率為IE3的工業(yè)感應(yīng)馬達(dá)而言，當(dāng)該馬達(dá)每年運(yùn)轉(zhuǎn)四千個(gè)小時(shí)，并連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20年之后，其初始購(gòu)買成本僅占馬達(dá)生命周期的2.3%，而后續(xù)須付出的能源使用成本占馬達(dá)生命周期的比重則高達(dá)96.7%，耗電量極為驚人(圖1)。

圖1　感應(yīng)馬達(dá)產(chǎn)品生命周期成本分布　資料來源：國(guó)際能源總署

全球能耗之首　工業(yè)馬達(dá)蘊(yùn)藏龐大節(jié)能潛力

若以功率別來區(qū)分的話，功率小于0.75kW或低于1馬力(hp)(約746瓦)的馬達(dá)都稱為分?jǐn)?shù)馬達(dá)(FHP)。分?jǐn)?shù)馬達(dá)通常被用于汽車、暖氣、通風(fēng)、冷卻、辦公室機(jī)械等裝置內(nèi)的低電壓電源系統(tǒng)應(yīng)用;而根據(jù)Global Industry Analysts在2013年7月的統(tǒng)計(jì)指出，分?jǐn)?shù)馬達(dá)于全球使用中之馬達(dá)的市占率約為87.1%。

然而，成長(zhǎng)潛力最為可觀的則是整數(shù)馬達(dá)(IHP)。工研院IEK節(jié)能技術(shù)研究部能源研究組產(chǎn)業(yè)分析師黃雅琪表示，整數(shù)馬達(dá)功率約在0.75kW、1馬力以上，其最常使用于工業(yè)領(lǐng)域，約占整數(shù)馬達(dá)市場(chǎng)九成，因此又可稱其為工業(yè)馬達(dá);雖然整數(shù)馬達(dá)于全球使用中之馬達(dá)市占率約為12.9%，不過其占全球馬達(dá)能源消耗比重卻高達(dá)87.7%，代表工業(yè)用馬達(dá)耗電量驚人，蘊(yùn)藏著極大的節(jié)能潛在機(jī)會(huì)。

市調(diào)機(jī)構(gòu)Global Industry Analysts于2013年7月發(fā)布的市場(chǎng)報(bào)告指出，由于2014年全球經(jīng)濟(jì)景氣復(fù)蘇，工業(yè)馬達(dá)市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)263億5，000萬美元，相較于2013 年，年成長(zhǎng)率達(dá)6.1%;而預(yù)計(jì)至2018年產(chǎn)值將達(dá)333億6，000萬美元，每年以5?6%的年成長(zhǎng)率穩(wěn)定發(fā)展(圖2)。

圖2　2014∼2018年工業(yè)馬達(dá)市場(chǎng)成長(zhǎng)分析　資料來源：工研院IEK

另一市調(diào)機(jī)構(gòu)Transparency Market Research則表示，由于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸將傳統(tǒng)電動(dòng)馬達(dá)汰換成高效節(jié)能馬達(dá)，因此工業(yè)用的整數(shù)馬達(dá)將為整體馬達(dá)市場(chǎng)貢獻(xiàn)極大的成長(zhǎng)動(dòng)能。此外，美國(guó)及歐洲國(guó)家為了鼓勵(lì)工業(yè)部門及早將低效率馬達(dá)汰換成高效率方案，因而祭出許多獎(jiǎng)勵(lì)政策，這也將驅(qū)動(dòng)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诟咝收麛?shù)馬達(dá)的需求。

針對(duì)蘊(yùn)藏如此豐富節(jié)能潛力的工業(yè)馬達(dá)市場(chǎng)，半導(dǎo)體元件商自然不會(huì)錯(cuò)過此商機(jī);如因應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化風(fēng)潮，市場(chǎng)上對(duì)于工業(yè)伺服控制系統(tǒng)(Servo Control System)的需求亦跟著水漲船高，亞德諾(ADI)即特別鎖定工業(yè)伺服控制系統(tǒng)市場(chǎng)，推出以安謀國(guó)際(ARM)Cortex-M4為核心的混合訊號(hào)處理器，搶攻工業(yè)伺服控制馬達(dá)商機(jī)。

瞄準(zhǔn)工業(yè)伺服馬達(dá)商機(jī)　ADI Cortex-M4處理器來勢(shì)洶洶

亞德諾馬達(dá)電源控制市場(chǎng)部經(jīng)理于常濤表示，在工業(yè)自動(dòng)化浪潮推波助瀾之下，市場(chǎng)上對(duì)于機(jī)械、電子、通訊、控制、資訊技術(shù)整合裝置的核心—伺服控制系統(tǒng)的需求益發(fā)熱切;而相較于對(duì)成本較為敏感的小家電、消費(fèi)性應(yīng)用市場(chǎng)，注重系統(tǒng)控制效能的伺服控制系統(tǒng)，則早已率先多時(shí)導(dǎo)入高效率的直流無刷馬達(dá) (BLDC)、步進(jìn)馬達(dá)，而觀察伺服控制的未來趨勢(shì)則能發(fā)現(xiàn)，永磁同步馬達(dá)(PMSM)將成工業(yè)伺服控制領(lǐng)域新寵兒。

于常濤進(jìn)一步指出，目前主要應(yīng)用于工業(yè)界的伺服馬達(dá)，其控制系統(tǒng)的特色在于須提供整個(gè)伺服系統(tǒng)閉環(huán)路控制，如扭矩控制、速度控制與位置控制等，因此對(duì)于控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度要求較高，如控制核心須能全面支援嵌入式類比前端與混合訊號(hào)處理，且控制器周邊的轉(zhuǎn)換器、放大器、隔離器、功率元件等都須調(diào)校至符合閉環(huán)式電路對(duì)于系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的嚴(yán)苛要求。

為了符合伺服控制系統(tǒng)對(duì)于降低功耗、減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和提高速度控制精準(zhǔn)以及類比轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度等需求，亞德諾推出了混合訊號(hào)處理器--ADSP-CM40x。據(jù)了解，ADSP-CM40x搭載一顆240MHz Cortex-M4處理器核心，是業(yè)界唯一一款嵌入雙通道16位元類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)的混合訊號(hào)處理器。

于常濤強(qiáng)調(diào)，ADSP-CM40x不但具有出色的類比轉(zhuǎn)換性能，同時(shí)具備多種其他特性，例如透過SINC濾波器支援，使其可以直接與用于分流電阻式電流檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)中的隔離式Σ-Δ型ADC調(diào)變器順利介接。他進(jìn)一步解釋，SINC濾波器的功能等同于是將濾波演算法「實(shí)體化」;過去，開發(fā)商往往須要外掛一顆現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)來置入軟體演算法以實(shí)現(xiàn)此功能，如今透過SINC濾波器，則可節(jié)省以FPGA實(shí)現(xiàn)同一功能所需要的成本和工程資源。

此外，閉環(huán)式電路的伺服控制系統(tǒng)，對(duì)于電流環(huán)採(cǎi)樣準(zhǔn)確度及噪聲、強(qiáng)電流、模擬訊號(hào)等各種外力的抗雜訊能力要求都極為嚴(yán)苛，因此除了混合訊號(hào)處理器之外，半導(dǎo)體元件商還須提供完整的隔離式產(chǎn)品(如閘極驅(qū)動(dòng)器(Gate Driver)、ADC和收發(fā)器)、同步取樣類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器、旋變數(shù)位轉(zhuǎn)換器和功率因數(shù)校正控制器，以和控制核心完整搭配。

于常濤認(rèn)為，雖然工業(yè)馬達(dá)市場(chǎng)的數(shù)量規(guī)模遠(yuǎn)不如消費(fèi)性家電市場(chǎng)的規(guī)模，不過工業(yè)馬達(dá)市場(chǎng)因?qū)Τ杀据^不敏感，如何提高馬達(dá)效率、減少耗能/耗電往往被擺在優(yōu)先位置，因此節(jié)能潛力更為龐大，這也是何以亞德諾選擇搶攻工業(yè)伺服控制市場(chǎng)的主因;他透露，亞德諾今年在亞太地區(qū)(不包含日本)馬達(dá)控制市場(chǎng)的營(yíng)收預(yù)計(jì)將突破2，000萬美元，較2013年成長(zhǎng)13-15% 。

值得注意的是，因應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化需求，工業(yè)設(shè)備除了智能化化之外，馬達(dá)控制網(wǎng)絡(luò)的建置也至關(guān)重要，工業(yè)馬達(dá)也因而吹起聯(lián)網(wǎng)風(fēng)潮。工業(yè)自動(dòng)化下的馬達(dá)不只訴求高效運(yùn)算，亦須同步具備聯(lián)網(wǎng)通訊功能，而相較于微控制器(MCU)或數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)方案，具備平行運(yùn)算優(yōu)勢(shì)且能擴(kuò)充多種通訊界面的FPGA系統(tǒng)單芯片(SoC)，將在此波風(fēng)潮中占盡優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)馬達(dá)吹聯(lián)網(wǎng)風(fēng)　FPGA SoC占盡優(yōu)勢(shì)

賽靈思(Xilinx)亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖表示，白色家電通常只需要MCU做為馬達(dá)控制核心即已足夠，不過高階工業(yè)馬達(dá)的控制系統(tǒng)中樞則多採(cǎi)分離式設(shè)計(jì)，方能應(yīng)付復(fù)雜的運(yùn)作機(jī)制;如由DSP負(fù)責(zé)演算法、MCU負(fù)責(zé)人機(jī)界面控制、FPGA則專責(zé)高速輸入/輸出(I/O)通訊界面等。

羅霖進(jìn)一步指出，隨著工業(yè)自動(dòng)化風(fēng)潮興起，未來工業(yè)馬達(dá)不只須專注于效能的提升，包括輸送帶、伺服控制系統(tǒng)、生產(chǎn)線等工廠內(nèi)的所有運(yùn)作機(jī)制皆訴求智能化化發(fā)展，這也連帶影響內(nèi)部的工業(yè)馬達(dá)設(shè)計(jì)。

羅霖舉例，「制造業(yè)智能化化」、「生產(chǎn)線定制化」讓愈來愈多的工廠設(shè)備講求聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備互聯(lián)，這也讓工程人員傾向採(cǎi)用「分散式」網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計(jì)工業(yè)馬達(dá)控制系統(tǒng);亦即許多工業(yè)馬達(dá)彼此之間也須具備互聯(lián)通訊的功能，如此一來，馬達(dá)的溫度、濕度、電流、電壓等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷等參數(shù)，皆可透過云端中心回報(bào)給工程人員，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)完整的工業(yè)自動(dòng)化愿景。而工業(yè)馬達(dá)的聯(lián)網(wǎng)需求，也讓傳統(tǒng)工業(yè)馬達(dá)內(nèi)採(cǎi)分離式設(shè)計(jì)的控制中樞不敷使用，必須透過更高效能且具備平行運(yùn)算功能的 FPGA SoC方能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

以賽靈思的Zynq-7000 All Programmable SoC為例，該嵌入式處理平臺(tái)，因同時(shí)具有FPGA、ARM Cortex-A9雙核心、DSP功能，故能同步實(shí)現(xiàn)演算法、通訊界面、人機(jī)界面等運(yùn)算需求，且運(yùn)作速度也會(huì)更快。

羅霖補(bǔ)充，工業(yè)馬達(dá)對(duì)于高效率、高成本的PMSM馬達(dá)接受度較高，因此除了聯(lián)網(wǎng)、通訊控制外，高效能的變頻控制設(shè)計(jì)亦是FPGA SoC須關(guān)注的焦點(diǎn)。有鑒于此，賽靈思亦推出以Zynq-7000 FPGA SoC為核心的Zynq-7000 AP SoC Intelligent Drives Platform，該平臺(tái)除了提供功率半導(dǎo)體元件的支援外，亦聚焦于磁場(chǎng)定向控制(FOC)演算法、工業(yè)乙太網(wǎng)通訊協(xié)議的布局。

此外，于常濤發(fā)現(xiàn)，模型化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)(Model-based Design)概念以往在歐洲地區(qū)較為流行，不過隨著馬達(dá)控制議題熱燒，亞洲地區(qū)的馬達(dá)開發(fā)商亦開始接受這種新型態(tài)的設(shè)計(jì)概念。因此包括亞德諾、賽靈思等半導(dǎo)體元件商都開始以系統(tǒng)建模工具如MathWorks的工具為基礎(chǔ)，推出以自家方案為核心的馬達(dá)開發(fā)工具。羅霖指出，MathWorks甚至于今年3月特別針對(duì)Zynq-7000 FPGA SoC推出新的設(shè)計(jì)方法，可讓工業(yè)馬達(dá)開發(fā)時(shí)程從幾個(gè)月縮短至幾個(gè)星期。

簡(jiǎn)而言之，在電動(dòng)馬達(dá)市場(chǎng)中，工業(yè)馬達(dá)數(shù)量規(guī)模雖遠(yuǎn)不及消費(fèi)性家電市場(chǎng)，不過因其耗能遠(yuǎn)高于其他馬達(dá)終端產(chǎn)品應(yīng)用，蘊(yùn)藏著無窮的節(jié)能潛力，加上工業(yè)自動(dòng)化風(fēng)潮推波助瀾，讓工業(yè)市場(chǎng)更愿意快速導(dǎo)入高效率馬達(dá)，遂成消費(fèi)性家電市場(chǎng)之外，半導(dǎo)體元件商的另一戰(zhàn)場(chǎng)。