聯(lián)網(wǎng)風(fēng)吹起，F(xiàn)PGA SoC顯優(yōu)勢 - 搶攻工業(yè)馬達(dá)控制商機(jī) DSP/FPGA精銳盡出

　　為了符合伺服控制系統(tǒng)對于降低功耗、減少轉(zhuǎn)矩波動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)，對于電流環(huán)採樣準(zhǔn)確度及噪聲、強(qiáng)電流、模擬訊號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)市場的數(shù)量規(guī)模遠(yuǎn)不如消費(fèi)性家電市場的規(guī)模，不過工業(yè)馬達(dá)市場因?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)控制市場的營收預(yù)計(jì)將突破2，000萬美元，較2013年成長13-15% 。

　　值得注意的是，因應(yīng)工業(yè)自動化需求，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)位訊號處理器（DSP）方案，具備平行運(yùn)算優(yōu)勢且能擴(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。

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

　　圖4　賽靈思亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖指出，工業(yè)自動化系統(tǒng)的馬達(dá)須同時(shí)具備高效運(yùn)算與聯(lián)網(wǎng)通訊功能，適合采用具備平行運(yùn)算能力且具擴(kuò)充彈性的FPGA SoC進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　賽靈思（Xilinx）亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖（圖4）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，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)作速度也會更快。

　　羅霖補(bǔ)充，工業(yè)馬達(dá)對于高效率、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，該平臺除了提供功率半導(dǎo)體元件的支援外，亦聚焦于磁場定向控制（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)程從幾個月縮短至幾個星期。

　　簡而言之，在電動馬達(dá)市場中，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，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)自動化風(fēng)潮推波助瀾，讓工業(yè)市場更愿意快速導(dǎo)入高效率馬達(dá)，遂成消費(fèi)性家電市場之外，半導(dǎo)體元件商的另一戰(zhàn)場。