人類文明正在朝全面電氣化的方向邁進，未來人們食衣住行育樂對電力的依賴將只增不減。電動車、電動機車等交通工具的全面電氣化，只是這個大趨勢的一部分，但對馬達相關應用業者來說，光是電動載具所帶來的商機，就已大到難以估計。
機會與挑戰總是相伴而生，在全面電氣化的社會裡，馬達應用將無所不在，但對相關應用開發商來說，如何降低開發成本、加快開發速度，以滿足更多變的市場需求，是最大的挑戰之一。唯有半導體業者、模擬工具商與馬達製造商攜手合作才能克服。
實現驅控一體設計 FPGA功能整合發威
安馳科技專案經理李冠民(圖1)指出，傳統上，馬達系統的控制跟驅動是分開的，控制的任務是由可編程邏輯控制器(PLC)來負責，驅動則由電力驅動單元(Electric Drive)來執行。但隨著半導體技術進步，晶片的整合能力越來越強，現在馬達系統的驅動跟控制已可以用單一晶片來實現。
以賽靈思(Xilinx)推出的Zynq 7000 SoC為例，該元件跟傳統的FPGA有很大不同。傳統FPGA只提供大量邏輯單元，但Zynq 7000除了邏輯單元外，還有Cortex-A9核心、每秒取樣率達100萬次的12位元類比數位轉換器(ADC)等硬體單元。有了這些硬體單元，加上賽靈思提供的開源參考設計，開發者可以輕鬆實現驅控一體設計。
李冠民分析，驅控一體設計對馬達應用開發商來說，最明顯的好處在於設計更為簡化。以工業領域的馬達應用為例，以往的驅動控制板都採取多晶片設計，最基本款的控制板會使用中央處理器(CPU)搭配數位訊號處理器(DSP)的設計架構，高階版本則是CPU、DSP再加上FPGA，這使得控制板的設計跟走線變得十分複雜。但內含Cortex-A9核心的Zynq 7000可以直接取代CPU跟DSP，加上其本身具備的可編程邏輯資源，開發者還可額外針對某些算法實現硬體加速。
除了簡化設計外，對於某些對可靠度十分注重的馬達應用，以FPGA來實現其驅動控制，還可帶來一個額外的好處–滿足功能安全標準的需求。
首先，賽靈思的FPGA元件跟相關開發工具，在設計過程中，就已經滿足了IEC 61508-2010/ISO 26262-8-2011等國際標準對功能安全的需求。其次，FPGA內的邏輯資源也可以用來增加系統的功能安全，例如用邏輯資源來實作另一個異質架構的處理器，讓該處理器跟Cortex-A9的運算結果彼此參照，可進一步確保FPGA輸出的控制命令是正確可靠的。
李冠民總結說，對使用者來說，FPGA最大的優勢跟價值還是在靈活。因為可編程邏輯資源讓開發者可以視其需求來運用，不管是要提升功能安全或做演算法加速，或是有其他功能需求，都可以藉此實現。而FPGA難以開發的缺點，在近幾年也有很大的改變。現在賽靈思提供的開發環境比以往更友善，而且賽靈思本身也提供更多參考設計平台跟程式範本，讓使用者不用從零開始設計。這些都有助於推動FPGA在馬達應用上更加普及。
專家系統進駐MCU 馬達驅動開發更省力
除了FPGA之外，微控制器(MCU)在馬達驅動/控制應用中，也是十分常見的選擇，且由於其成本相對低廉，因此其應用範疇更廣。從洗衣機、冰箱等消費性電子，到工業馬達、車用馬達等領域，都能看到MCU的蹤影。隨著馬達技術不斷翻新，MCU進化腳步也不曾停歇。
恩智浦半導體(NXP)大中華區微控制器事業部市場經理李唐山(圖2)表示，馬達應用的種類非常多元，從家電、無人機到工業、汽車，都會用到馬達。這也意味著馬達本身就是一種多元化的產品，其對應的驅動、控制需求也是五花八門。作為MCU供應商，對應的解決方案數量當然也不會少。
目前恩智浦旗下共有KV、DSC、KE與i.MX RT四大類MCU可以應用在馬達驅控上，各自有不同的目標市場。KV是內建ARM核心的MCU，並具有各式各樣的週邊跟介面，能滿足大多數馬達驅控需求；DSC則是原飛思卡爾(Freescale)的產品線，以DSP為基礎，主要面向高性能馬達驅控市場；KE則是以高性價比為主要訴求，具有眾多GPIO跟大容量Flash，鎖定通用型的馬達控制。i.MX RT的定位則比較特別，該系列晶片不僅內建Cortex-M7 CPU，而且還整合了LCD顯示跟音訊介面，適用在複雜的高階應用。
對馬達應用來說，耗電量與成本是終端產品製造商及使用者最關心的議題，因此，馬達雖然已經是很古老的技術，但為了追求上述目標，業界仍不斷發展新的馬達架構。在今明兩年，有一種名為永磁輔助同步磁阻(PMASR)的新型馬達即將開始運用在洗衣機這類家電產品上。
李唐山分析，這種新馬達的效率極高，而且結構簡單、稀土用量少、量產成本低，因此其應用前景備受矚目。但因為這種馬達只使用非常少量磁鐵，因此其驅動控制演算法的開發難度非常高，導致這種馬達的應用難以量產。但經過近幾年的努力，目前恩智浦已成功開發出適用在這類馬達上的弱磁演算法，並已申請專利。該演算法將可在部分KV跟DSC系列MCU上執行。
除了因應新型馬達所開發的解決方案外，為了簡化馬達應用的開發難度，恩智浦還開發了名為Kinetis Motor Suite(KMS)的馬達驅動開發套件。該套件可視為馬達驅動/控制的專家系統，所有馬達配置和控制都可以透過圖形化介面跟API來進行，即便是對馬達驅動不甚熟悉的新手工程師，在KMS的輔助下，也可以輕鬆上手開發。
模擬工具協助應用開發經濟效益不容小看
傳統上，各種產品的開發流程大致上都遵守設計、打樣、測試、量產的步驟，並且在前三個步驟不斷重複循環，待樣品的規格跟功能表現符合設計需求，才會進入量產。但隨著電腦模擬的能力跟精準度越來越高，在模擬環境中進行產品開發跟測試，已經是更有經濟效益的選擇。
安矽思科技(Ansys)應用工程師茆尚勳(圖3)認為，電氣化是未來人類科技發展的重要趨勢，許多原本不以電作為動力來源的產品，未來都會電氣化。在各類應用中，交通工具的電氣化最為明顯。原本使用汽油的汽車與機車，都已經開始掀起電氣化浪潮，這也意味著原本扮演輔助角色的馬達，不僅使用數量越來越多，在系統中所扮演的角色也會更加吃重。
對馬達設計製造商來說，這當然是個有利的趨勢，但隨著馬達的應用領域越來越廣，市場對馬達規格的需求也變得更多元。馬達設計製造商如果還用傳統的開發流程來設計產品，產品開發成本只會節節高升，而且開發週期還會拉長。
茆尚勳解釋，因為未來的馬達要滿足更嚴格的節能要求，從傳統直接驅動改為變頻驅動將是必然趨勢，但變頻驅動基本上是電子控制領域的專業，馬達本體則是機械設計專業。這意味著馬達製造商跟相關應用開發商，都必須找出提升跨部門協作效率的方法。
為解決馬達應用相關產業目前所遭遇的挑戰，Ansys提出以模擬展開馬達設計開發的新方法論。在傳統開發流程中，產品必須先做出原型，然後上動力機進行測試，取得各種必要參數或發現設計問題後，再回過頭修改設計。如此反覆進行，直到產品功能符合預期，可以量產上市為止。除了測試的時間跟成本外，光是製作原型就得花費新台幣數百萬元。
但透過Ansys完整涵蓋電路設計、電磁、熱分析的模擬工具來進行，設計人員可以在虛擬環境中發現產品設計可能出現的問題，並提前予以修改，因此產品開發速度可以明顯加快，更可省下昂貴的開模費用。茆尚勳估計，業者若願意投資模擬工具，只要開發兩款新的馬達就可回收。
除了經濟效益顯著外，以模擬來展開馬達應用設計還有另一個好處，就是同步完成數位雙胞胎(Digital Twins)的建置，因為應用開發或產品設計的過程，就是為實體產品建立虛擬模型的過程，當產品進入量產後，先前建置好的模型就是該產品的數位雙胞胎。若輔以工業物聯網跟感測器，從實際產品上收集資料，此模型就能用來提供產品故障的早期預警，實現預防性維護。
法規節能要求只增不減重型馬達邁向IE4
除了馬達設計與應用開發的方法正在面臨新變革之外，由於馬達是全球耗電量最大的電氣產品，因此世界各國政府均對馬達的效率展開緊迫盯人，藉由法規強制要求，讓未來的馬達能具備更高效率。因此，大型工業用馬達的本體設計也在與時俱進，並特別針對直流驅動的未來趨勢做好準備。
西門子(Siemens)大型驅動部門產品經理鄭志鴻(圖4)指出，用來驅動各種工業設備的大型馬達，其耗電量是非常可觀的。據統計，全世界大概有超過四成電力被用來驅動各種工業設備，而其中馬達所消耗的電力又占最大宗，因此世界各國對於大型馬達一直採取緊迫盯人的態度，希望藉由更嚴格的法規要求，提高馬達的效率，減少耗電量。
對於大型馬達，目前全球一共有三大主流標準，分別是歐盟的IE標準、美國的NEMA標準與中國的國標(GB)標準。這三大標準彼此之間大致可以互相對應，例如歐盟的IE2級相當於NEMA的Energy Efficient級、GB的第三級；IE3則相當於NEMA的Premium Efficiency級、GB的第二級。至於IE4，目前NEMA沒有對應的等級，但中國的GB第一級，已相當於IE4。台灣對於馬達能源效率的要求大致上依循歐盟標準。
為了追求更高的馬達效率，西門子在轉子、軸心與散熱上下了許多功夫。舉例來說，在大型馬達的轉子上，如果漆包線的纏繞越緊密，則效率越高；軸心材質的含銅量增加，也有助於提升馬達的效率。西門子目前已量產滿足IE4規範的馬達，可進一步滿足未來IE5規範的馬達，也已經研發完成，其主要改良就在漆包線纏繞跟軸心用料上。不過，漆包線纏得越緊密，表示漆包線用量越多，會對製造成本造成衝擊；同樣的，在軸心使用含銅比例更高的合金，也會使馬達的生產成本上升。
至於散熱，更是每家馬達製造業者都必須嚴肅面對的問題，因為熱是馬達最大的敵人。漆包線的電阻跟溫度成正比，當溫度上升，線路的電阻會增加，導致輸出功率下降。但馬達為了輸出足夠的功率來推動負載，會增加電流，這又會進一步造成更大的銅損，導致溫度上升，形成惡性循環。因此，高效率馬達通常會搭配冷卻風扇，來確保馬達本體的散熱性。
不過，鄭志鴻指出，近年來變頻驅動架構越來越流行，馬達的散熱設計也必須做出因應調整，才能實現良好的散熱。在變頻驅動架構下，馬達全速運轉的時間其實很短，大多數時候都是怠速運轉，但傳統的馬達風扇是同步風扇，也就是轉子在帶動軸心旋轉時，會同步帶動風扇旋轉，因此當馬達怠速時，風扇產生的氣流往往不足以冷卻馬達。久而久之，馬達的壽命會受到不小影響。解決之道就是把同步風扇改成主動風扇，確保馬達在任何時刻都有足夠的冷卻氣流。
