馬達是將電能轉為動能的重要零部件，不論在消費性、工業甚至當前熱門的電動車中，都可看到馬達的蹤影；而在未來全面電氣化的社會中，馬達應用更將無所不在。對馬達應用的開發者與系統整合商而言，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。
節能/小型化趨勢推動驅控一體設計漸明朗
馬達設計永遠朝更低功耗、更高效率和更小體積邁進，特別是在節能減碳意識興起之後，對於馬達的功耗和效率也有更嚴格的要求。意法半導體(ST)技術行銷專案經理林進裕(圖1)表示，在消費者節能意識抬頭和各國政府法規的帶動下，電子消費性產品紛紛從原本的直流(DC)馬達轉變成直流無刷(BLDC)馬達。除了節能之外，電子產品也持續朝小型化發展，家電產品如吸塵器、空氣清淨機等體積愈來愈小。因此，隨著半導體技術進步，晶片整合能力增強，馬達系統設計開始朝驅控一體發展，馬達控制IC供應商新一代解決方案也相繼出爐。
例如意法半導體備有STSPIN32F0A可程式設計馬達控制器，該產品採用7mm× 7mm的系統級封裝(SiP)，整合STM32F0微控制器(MCU)、3.3V DC-DC切換式轉換器、閘極驅動器和12V LDO低壓差穩壓器，讓設計人員可以依照不同的情況靈活地開發馬達控制系統。
同時，該產品具備6.7V到45V的寬工作電壓，且內建32KB快閃記憶體的48MHz微控制器，能夠運作馬達控制演算法，例如6步無感測器向量控制或位置監測控制演算法，以及使用者應用軟體；滿足電動工具、空氣淨化器和小冰箱、伺服器散熱風扇，以及3D印表機等應用。
林進裕指出，馬達系統的驅動跟控制朝單一晶片整合發展的最大好處在於，可減少終端產品的開發時程。過往終端製造商可能須分別購買MCU、LDO、DC轉換器等元件，加以組裝，且在組裝過程中還須克服走線設計、噪音(Noise)干擾等挑戰。以該公司的STSPIN32F0A控制器為例，當中除了MCU外，還整合了LDO、DC切換轉換器等數個元件。如此一來可大幅減少印刷電路板(PCB)的設計空間(減少30%以上)，不僅可實現小型化的設計，還能降低開發成本。總而言之，在節能與電子產品小型化的趨勢帶動之下，以及為了縮減產品研發時間、複雜度及降低成本，馬達系統朝驅控一體發展的趨勢愈加明顯。
安全防護不容忽視 MCU再添各防護功能
松翰科技系統設計一處副處長陳奕儒(圖2)也認為，因應高效率、低成本的市場需求，MCU的設計也須朝高整合化邁進；也就是MCU不能只有單一特性，還須具備寬工作電壓、高抗干擾等功能，否則很容易被取代。像是現在有些MCU供應商，為了使MCU能支援更高的工作電壓，便將MCU與Pre-driver IC透過SiP封裝整合在一起，從原本的5V提升至能支援30V、40V的工作電壓，滿足更多應用。
陳奕儒指出，MCU設計朝高整合化邁進，除了上述所提的因素外，另一個重點便是提升安全性。現今電子產品對安全性的要求越來越高，法規也越來越嚴格，為避免一瞬間的大電流或大電壓導致馬達短路，因此需要有更高的保護措施，像是過流、過壓防護等。
陳奕儒進一步說明，以往馬達的過流、過壓防護多靠韌體(Firmware)實現，也就是當類比數位轉換器(ADC)偵測到一瞬間的大電流或大電壓時，再通知馬達控制器，讓馬達停止運作，避免短路。此一處理過程由韌體進行控制，然而，採用韌體處理的缺點在於運算需要花上一些時間，即便只有幾毫秒(Millisecond)，但對於馬達而言，瞬間過大的電流或電壓都有可能使其短路。為此，目前MCU供應商便將過流、過壓保護改為硬體設計，也就是不仰賴韌體處理，直接研發過流/過壓保護IC，並與MCU整合成單一晶片(SiP或SoC)，如此一來便可提高2~3倍以上的處理速度，也因此，MCU的功能便愈來愈多。
陳奕儒透露，因應市場趨勢，該公司目前及日後的產品設計，也會朝著高整合度發展。像是之前推出的SN32F240系列，其內建各種類比與混合訊號元件、多種高速通訊能力元件，具備低功耗、寬工作電壓、高抗干擾等特性，可協助客戶簡化USB外部電路，降低產品成本，適用於PC周邊、數位家電產品、醫療電子產品、電動工具、工業控制系統、可持式裝置等。
至於在開發工具方面，該系列提供內建線上燒錄功能的開發套件，具備ISP(In-System Programming)功能可直接對系統作線上更新，增加生產的靈活度與便利性，能有效縮短開發時間及節省成本，提升產品品質與競爭力。
除此之外，陳奕儒指出，目前BLDC馬達驅動方式多為六步方波(Six Step Square Wave)，然而，為提升馬達控制效率，達到節能效果，未來馬達控制將會慢慢轉成弦波(Sine Wave)無霍(也就是無霍爾感測器)的方式。原因在於弦波的控制效果較六步方波佳，而沒有霍爾感測器的話，在走線設計上也會比較簡單，成本也比較低；因此，未來家電產品的BLDC馬達，將會加速朝向弦波無霍技術發展。
實現驅控一體設計 FPGA朝高整合發展
除了MCU之外，FPGA在馬達驅動/控制應用中，也扮演重要的角色。賽靈思工業物聯網策略暨業務經理Chetan Khona(圖3)觀察，馬達的功能、效能及成本與市場需求息息相關，像是在工業方面，對於無刷馬達的高速與精準控制的需求甚高，且在支援功能安全方面的要求也持續攀升；汽車領域則需要高功率與高效率的無刷馬達控制，其中包含單階與多階變流器(Inverter)；至於消費型馬達控制應用則較以成本考量，因此所需的效能和功能較低。
然而，不論是何種應用市場，共同的發展皆是改善控制效能，使產品具備更好的效率及更長的運轉壽命，並減少維護作業。Khona指出，在馬達控制設計中，其中一項最普遍、但卻最沒有效率的工作，就是將演算法從原生格式，轉譯成嵌入式系統能使用的格式。因此，該公司透過將原生格式的設計移植到旗下FPGA、SoC，以及ACAP等類型的元件，來消除這方面的落差。此外，像SDSoC 或Vivado高階合成(HLS)這類的工具，能接受原生C或C++語言程式碼，並讓其快速部署在採用賽靈思核心的嵌入式系統，這類流程正是賽靈思電機控制開發平台(Electric Drives Demonstration Platform, EDDP)的基礎。
此外，該公司也透過「混合電路設計」或「資訊科技(IT)與操作技術(OT)的整合」，提升馬達控制效能。Khona表示，過往將馬達控制演算法建置在微控制器或CPU上時，元件執行的所有工作會對控制迴路產生漣漪效應，並且因共用資源而產生負面影響，尤其是當在資源緊絀的情況。因此，該公司便強化FPGA的平行處理能力，讓這些控制迴路的決定性與其他活動相互隔離，像是連網及網路安全等。
另一方面，隨著創新應用不斷興起，終端產品開發商希望馬達能具備更高的效能和更高的決定性(Determinism)，像是在工業物聯網(IIoT)或工業4.0時代，馬達控制系統要做的事遠遠不僅止於控制，還須包括聯網、網路安全、功能安全、數量更多/種類多元的輸入、視覺導引控制以及人機介面(HMI)等；或是需要彈性與擴充性，來因應多軸驅動持續成長的需求。
為此，該公司也致力將各種功能整合到單顆晶片。例如將磁場導向控制(FOC)演算法發展成全硬體式設計，除了傳統採用像VHDL與Verilog這類硬體描述語言(HDL)，還採用C/C++語言撰寫程式碼，再用HLS編譯成可編程邏輯。這樣的設計具有模組化特色，意謂FOC演算法的每個構成模組都能對應到一個程式碼模組(HDL或C/C++語言)，該模組能完全運行它們的功能。而按FOC演算法所定義的來連結所有模組，就會產生最終設計，再透過簡單的高階指令，配合賽靈思旗下Zynq SoC內的處理系統所採用的預設，便可在可編程硬體上運行，這種作法能有效支援不同組態及演算法。
創新應用推動MCU/DSC規格持續革新
Microchip高效能微控制器部門行銷經理Patrick Heath(圖4)則表示，馬達控制應用範圍廣泛，因此對於MCU和數位訊號控制器(DSC)的性能和功能要求也各不相同，而為提升整體控制效率和降低功耗，MCU和DSC的設計方式和規格也產生新的變化。
在很大程度上，馬達控制挑戰是已知且穩定的。現代DSC和MCU馬達控制器的功耗一般來說已足夠低到處理180nm或更小的製程。但為了保持價格競爭力，新的馬達控制器設備正朝向更先進的製程。
Heath指出，目前新的馬達控制器設計均採用90或40nm製程，與以前的設計相比，可提供更低的成本，更高的CPU速度和更低的功耗。不過，產品總是追求小還要更小，這也導致一些新的封裝開發，例如5×5mm 36接腳uQFN，或是7×7mm 48接腳QFN，這為許多馬達控制應用提供了I/O接腳的最佳位置，並顯著降低PCB板的尺寸。
另一個趨勢則是馬達控制器與MOSFET閘極驅動器元件的整合，汽車引擎蓋應用以及在乎PCB尺寸優勢的電動工具公司尤其重視這一點；此外的一些整合還包括支援汽車協定的LIN收發器。對於功耗極低的馬達，除了閘極驅動器之外，一些整合還包括MOSFETS，進而形成單晶片解決方案。
至於在馬達控制演算法方面，需要32KB或更少的程式快閃儲存空間，所需的I/O可以安裝在28接腳封裝中。當然，其他A/D輸入、定時器輸出、串列通訊等的應用要求差異很大，並且增加了接腳數和快閃儲存要求。總之，最佳馬達控制應用的配備正逐漸朝向64KB程式快閃儲存和36/48/64接腳封裝發展。
當然，MCU和DSC也須具備功能安全(Functional Safety)的特點，才能通過IEC 60137 Class B，ISO 26262和ASIL認證。這些特點包括：FLASH ECC，RAM ECC和BIST，雙窗口看門狗定時器(WDT)，死區定時器(Dead-Man Timers)，時鐘監視器和備用振盪器，用於故障檢查的重複接腳；除硬體功能外，應用軟體工程師還需要軟體檢查庫和使用它們的文件等等。
總結來說，不論是何種應用，對於馬達控制設計的長期趨勢，仍會在持續運行狀態下追求更高的效率和扭矩(Torque)，此外，降低噪音和更低的成本也始終受到青睞；而另一個不斷發展的趨勢則是透過自動監控和更新控制系統，為馬達控制系統提供更長的使用壽命和可靠性。
而因應市場需求，Microchip也於日前推出雙核心dsPIC馬達控制設備「dsPIC33CH」。該雙核元件在同一個晶粒上有兩個dsPIC內核，一個主內核和一個從內核，從屬核心本身可以控制兩個三相馬達，主內核可以獨立控制三相馬達，也可以為更高功率的應用提供交錯式功率因數校正(PFC)，主從內核使用FIFO緩衝區和郵箱相互通訊以協調整個應用。
Heath說明，該公司提供各種硬體和免費軟體開發工具，幫助客戶用該公司旗下的dsPIC和MCU馬達控制元件來設計馬達控制系統。硬體包括用於低壓和高壓馬達的開發板；軟體包括許多應用筆記和調整指南，適用於不同類型的馬達和控制技術，從伏特/赫茲控制等簡單演算法到具有不同估算器或觀察器的全場定向控制以及其他附加功能，如轉子失速檢測和恢復，弱磁，MTPA和風磨(Wind-Milling)等。
馬達應用多元 供應商解決方案需齊全
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5)則指出，馬達歷經數位家電、智慧型手機等時期，扮演的角色與重要性不一，馬達如同處理器與記憶體等半導體晶片，進展快速，現在逐漸朝向與壓電元件或與半導體組合，以達到絕佳控制的目標。
李唐山說明，MCU在馬達驅動/控制應用中，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，而在馬達設計中最重要的是軟硬體的配合缺一不可，需要考量角度十分多樣，包括如何選型、硬體評估版、演算法與拓撲資料、驅動底層的開發軟體、認證及效能比等。
馬達應用十分多元，對應的驅動、控制需求也是五花八門，對於MCU供應商而言，須備有完整的解決方案因應市場需求；因此，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。
李唐山表示，該公司與其他MCU供應商最大差異來自於完整的解決方案，終端產品開發商可依據不同應用需求，採用不同解決方案。以工業馬達應用為例，恩智浦KE15Z用於無感FOC的BLDC電機馬達控制，在10KHZ控制頻率下，跑完包括電流環的所有控制之後，CPU負載仍有40%的空間(Margin)。
至於消費性馬達，以變頻洗衣機為例，使用直流無刷電動機設計，特別關注各種負載條件下的啟動、專利弱磁演算法與掉電失壓保護，可參考MC56F827xx系列；若有觸控考量則可使用KE15Z，採用觸控按鍵開關調速。可以向上升級到KE1xF。
總而言之，隨應用需求有所不同，馬達控制技術也會有所不同，但如何提升效率、加快產品開發時程，是不變的發展方向，為此，馬達IC供應商也紛紛推出新一代驅控一體解決方案，不僅降低馬達相關應用系統設計複雜度，也同時兼顧省電性跟高效率。
