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家電產(chǎn)品采用無(wú)刷直流（BLDC）馬達(dá)或永磁同步馬達(dá)（PMSM）等變頻設(shè)計(jì)的風(fēng)潮日益盛行，促使微控制器（MCU）業(yè)者加緊推出更高運(yùn)算性能與周邊規(guī)格的產(chǎn)品，并紛紛強(qiáng)化功率半導(dǎo)體元件戰(zhàn)力，以提供完整的變頻馬達(dá)控制和驅(qū)動(dòng)解決方案。
無(wú)刷直流變頻馬達(dá)強(qiáng)勢(shì)席卷馬達(dá)市場(chǎng)。傳統(tǒng)的小型電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，應(yīng)用的馬達(dá)多為交流單相感應(yīng)馬達(dá)（Single-phase Induction Motor），后來(lái)有部分應(yīng)用市場(chǎng)將其汰換為效率稍高的直流有刷馬達(dá)（Brushed DC Motor）；不過(guò)，為了減少電刷帶來(lái)的功率損耗與危險(xiǎn)，利用半導(dǎo)體元件與電子電路改變馬達(dá)磁場(chǎng)進(jìn)而產(chǎn)生電力的無(wú)刷構(gòu)造馬達(dá)，其勢(shì)力正在快速崛起。
功耗低又安全 無(wú)刷馬達(dá)賣(mài)相佳
圖1 意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理?xiàng)钫硎荆噪娮与娐房刂频臒o(wú)刷構(gòu)造馬達(dá)，讓半導(dǎo)體元件商有大展身手的機(jī)會(huì)。
意法半導(dǎo)體（ST）大中華暨南亞區(qū)產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理?xiàng)钫▓D1）表示，為了改善交流感應(yīng)馬達(dá)效率不佳的詬病，市場(chǎng)上一度掀起有刷直流馬達(dá)風(fēng)潮；不過(guò)，有刷直流馬達(dá)在電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向上雖容易控制，且靜態(tài)轉(zhuǎn)矩高、啟動(dòng)扭力大，不過(guò)因其含電刷（碳刷）構(gòu)造，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)造成明顯的功率損耗，降低整體馬達(dá)輸出功率，使其能效不甚理想。
有刷直流馬達(dá)是靠電流流經(jīng)電刷，再經(jīng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，而其垂直磁場(chǎng)的產(chǎn)生則系經(jīng)由電刷與換相器 （Commutator）的調(diào)整，使流入電樞的電流，能控制磁場(chǎng)變化。其缺點(diǎn)除了因電刷摩擦帶來(lái)的功率損耗之外，更有安全上的疑慮，因?yàn)殡娝⑴c換相器間容易產(chǎn)生火花，且須定期清理電刷磨擦所產(chǎn)生的污物，使用一段時(shí)間后還可能因故障而須定期更換，增添使用的不便利性。
楊正廉進(jìn)一步表示，至于無(wú)刷馬達(dá)的設(shè)計(jì)，主要是解決直流有刷馬達(dá)的電刷與換相器功率損耗問(wèn)題，其運(yùn)作原理與有刷式直流馬達(dá)最大的不同，在于改以電子電路控制方式，而使轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)能保持在90度相位差，再配合適當(dāng)?shù)?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)電路，有效控制換相時(shí)序，以提高效率或增加轉(zhuǎn)速范圍。
此外，由于無(wú)刷馬達(dá)是靠線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)再讓電樞運(yùn)轉(zhuǎn)，少了電刷與軸的摩擦，因此較為省電、安靜。
值得注意的是，改以電子電路方式控制的無(wú)刷馬達(dá)，也讓半導(dǎo)體元件商有大展身手的機(jī)會(huì)。楊正廉表示，過(guò)去傳統(tǒng)架構(gòu)的馬達(dá)，僅需簡(jiǎn)單的電壓輸入與輸出即可驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，不需復(fù)雜的磁場(chǎng)控制與變頻需求，其控制重點(diǎn)在于機(jī)械設(shè)計(jì)部分，因此微控制器（MCU）、功率元件僅是配角；不過(guò)，透過(guò)電子電路控制方式產(chǎn)生磁場(chǎng)的無(wú)刷構(gòu)造馬達(dá)，則讓MCU及功率半導(dǎo)體元件一躍成為馬達(dá)世界的當(dāng)紅主角。
楊正廉分析，馬達(dá)講求控制速度、精確度等各種參數(shù)的即時(shí)性及正確性，因此內(nèi)部的控制元件不但要有高性能表現(xiàn)，亦須有完善的軟體演算法支援，所以目前MCU廠商除了提供完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)之外，亦會(huì)同步建置軟體資料庫(kù)。
以意法半導(dǎo)體為例（圖2），該公司不僅針對(duì)不同等級(jí)的馬達(dá)控制應(yīng)用提供以安謀國(guó)際（ARM）Cortex-M0到Cortex-M4為核心的全系列硬體開(kāi)發(fā)套件，并搭配周邊驅(qū)動(dòng)電路配置參考設(shè)計(jì)，平均每三個(gè)月還會(huì)更新一次軟體資料庫(kù)，讓馬達(dá)開(kāi)發(fā)商透過(guò)軟體演算做到最精準(zhǔn)的調(diào)校。
圖2 意法半導(dǎo)體針對(duì)馬達(dá)控制應(yīng)用推出的Cortex-M0到Cortex-M4 MCU產(chǎn)品藍(lán)圖
在多種無(wú)刷構(gòu)造馬達(dá)產(chǎn)品中，又以直流無(wú)刷馬達(dá)（Brushless DC Electric Motor， BLDC）與永磁同步馬達(dá)（Permanent-magnet Synchronous Motor， PMSM）最受矚目，此兩種馬達(dá)又可統(tǒng)稱(chēng)為直流變頻馬達(dá)（圖3）；隨著消費(fèi)者節(jié)能環(huán)保意識(shí)逐漸抬頭，這種無(wú)刷構(gòu)造的直流變頻馬達(dá)，亦正全面搶進(jìn)家電應(yīng)用市場(chǎng)。
圖3 BLDC/PMSM架構(gòu)圖
家電吹起變頻風(fēng) BLDC/PMSM前景看俏
為了改善家電的節(jié)能及運(yùn)轉(zhuǎn)效率，不少?gòu)S商已開(kāi)始將家電采用的傳統(tǒng)交流感應(yīng)馬達(dá)，汰換成BLDC或PMSM馬達(dá)。這兩者皆系透過(guò)變頻電路設(shè)計(jì)達(dá)到可調(diào)速的變頻效果，雖然初期采用成本較高，不過(guò)在消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)抬頭之下，BLDC及PMSM市場(chǎng)正在穩(wěn)定起飛。
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圖4 合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專(zhuān)案處長(zhǎng)潘健章指出，在消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)抬頭之下，BLDC及PMSM市場(chǎng)正在穩(wěn)定起飛。
合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專(zhuān)案處長(zhǎng)潘健章（圖4）表示，傳統(tǒng)交流感應(yīng)馬達(dá)存在于大部分家電產(chǎn)品中，其變頻原理系透過(guò)簡(jiǎn)單的V /F（Voltage/Frequency）來(lái)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速；而為了提升交流感應(yīng)馬達(dá)的功率，業(yè)界已開(kāi)始透過(guò)功率元件構(gòu)成的變頻電路，讓部分采用傳統(tǒng)交流感應(yīng)馬達(dá)的小家電能以相同的轉(zhuǎn)速提供較大馬力，不過(guò)其效率值仍不理想。
潘健章進(jìn)一步指出，相較之下，透過(guò)變頻電路設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到調(diào)速功能的BLDC及PMSM馬達(dá)，則擁有靜音、節(jié)能、產(chǎn)品壽命周期長(zhǎng)，以及在相同功率下，因能提供馬達(dá)較高扭力，所以體積較小等特點(diǎn)，這些都是交流感應(yīng)馬達(dá)難以媲美的優(yōu)勢(shì)。隨著現(xiàn)代人開(kāi)始愿意花較高成本來(lái)提高生活品質(zhì)，擁有變頻功能的家電產(chǎn)品需求已逐漸涌現(xiàn)。
從應(yīng)用產(chǎn)品來(lái)看，現(xiàn)階段以變頻空調(diào)發(fā)展相對(duì)比較成熟，變頻冰箱和變頻洗衣機(jī)則處于起步階段，具有廣闊的市場(chǎng)成長(zhǎng)空間，而且對(duì)變頻技術(shù)的要求更加苛刻。
飛思卡爾（Freescale）亞太區(qū)微控制器（MCU）業(yè)務(wù)拓展與市場(chǎng)經(jīng)理李唐山進(jìn)一步分析，變頻馬達(dá)對(duì)于微控制器的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)脈，及內(nèi)置的類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）和脈沖寬度調(diào)變（PWM）都有一定要求。
李唐山進(jìn)一步說(shuō)明，以磁場(chǎng)導(dǎo)向控制（Field Orientated Control， FOC）的高效能馬達(dá)（如PMSM）為例，因應(yīng)馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)需求，ADC速度須至少為1Mbit/s，在采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，ADC又必須完成三相到兩相靜止坐標(biāo)系，再到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，以及搭配相關(guān)的運(yùn)算和控制，并即時(shí)完成系統(tǒng)的其他回應(yīng)。
不過(guò)，李唐山表示，PMSM雖然結(jié)構(gòu)緊湊、性能上適合以弦波控制，所以雜訊更小、效率和可靠性更佳，但囿于成本較高，目前普及率仍不理想，預(yù)計(jì)至2015年P(guān)MSM市場(chǎng)才會(huì)明顯增長(zhǎng)，因此BLDC仍會(huì)是未來(lái)幾年內(nèi)的主流。
圖5 德州儀器馬達(dá)事業(yè)部現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師劉俊男認(rèn)為，MCU廠商為了搶攻變頻馬達(dá)商機(jī)，已紛紛強(qiáng)化功率半導(dǎo)體元件的戰(zhàn)力。
德州儀器（TI）馬達(dá)事業(yè)部現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師劉俊男（圖5）亦認(rèn)為，目前市面上采用BLDC馬達(dá)的小家電，僅約占一成多，未來(lái)成長(zhǎng)空間巨大，因而成為半導(dǎo)體廠商注目的焦點(diǎn)。
事實(shí)上，BLDC可依照不同產(chǎn)品需求，選擇以方波或弦波控制馬達(dá)運(yùn)作。潘健章解釋?zhuān)讲刂品桨傅膬?yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便宜、馬力大；而使用弦波驅(qū)動(dòng)方案可大幅降低馬達(dá)側(cè)向力的作用，達(dá)到降低振動(dòng)噪音的效果，因此對(duì)MCU的規(guī)格要求也較高。
潘健章進(jìn)一步分析，雖然BLDC在馬達(dá)理論上是屬于方波電壓馬達(dá)，不過(guò)為了讓無(wú)法導(dǎo)入高成本PMSM馬達(dá)的家電，仍能享有趨近于PMSM能效的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，因此也有不少?gòu)S商開(kāi)始推出BLDC馬達(dá)改搭弦波控制的方案，尤其是訴求靜音效果的家電更有此需求，如靜音落地扇，而諸如吸塵器、電動(dòng)機(jī)等對(duì)噪聲要求不嚴(yán)苛的產(chǎn)品，則仍采用方波控制的BLDC馬達(dá)。
值得注意的是，面對(duì)變頻家電帶來(lái)的BLDC及PMSM商機(jī)，MCU廠商也祭出各種方案搶攻不同的應(yīng)用市場(chǎng)。如合泰半導(dǎo)體針對(duì)電動(dòng)工具、風(fēng)扇等低價(jià)位需求的BLDC馬達(dá)應(yīng)用，以及冷氣、電冰箱壓縮機(jī)、洗衣機(jī)等訴求高效能的PMSM應(yīng)用，各祭出8位元及32位元MCU系列；飛思卡爾則是以32位元的數(shù)位訊號(hào)控制器（DSC）或是Kinetis KV MCU搭配馬達(dá)開(kāi)發(fā)套件（Motor Suite）來(lái)?yè)尮ジ咝蜀R達(dá)市場(chǎng)。
事實(shí)上，無(wú)論是BLDC或PMSM，其與交流感應(yīng)馬達(dá)最大的不同之處，就在于變頻電路的設(shè)計(jì)，因此MCU廠為了強(qiáng)攻變頻馬達(dá)市場(chǎng)，除了提升MCU的控制性能之外，亦戮力強(qiáng)化與MCU搭配的功率元件戰(zhàn)力。
強(qiáng)化功率元件戰(zhàn)力 MCU廠猛攻直流變頻馬達(dá)
劉俊男表示，歐盟在2015年時(shí)預(yù)計(jì)將7.5千瓦（kW）以上之馬達(dá)最低能效標(biāo)準(zhǔn)（MEPS）提升至IE3，到2017年時(shí)，才將IE3管制范圍向下探至0.75kW以上，從這可以觀察出，相較于7.5kW以上的大功率馬達(dá)，要提升小功率馬達(dá)的效率相對(duì)來(lái)說(shuō)較為困難。
劉俊男進(jìn)一步分析，在過(guò)去，由于小型電機(jī)系統(tǒng)，為了降低電子電路成本及設(shè)計(jì)復(fù)雜度，因此會(huì)傾向于采用便宜、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的交流感應(yīng)馬達(dá)，但其效率往往不佳；不過(guò)，因應(yīng)高效率馬達(dá)發(fā)展趨勢(shì)，透過(guò)變頻器（Variable-frequency Drive， VFD）調(diào)節(jié)馬達(dá)頻率、速度、功率輸出的變頻馬達(dá)，將會(huì)加速侵蝕交流感應(yīng)馬達(dá)在小功率馬達(dá)的市場(chǎng)，而MCU廠商為了搶攻此波商機(jī)，亦紛紛強(qiáng)化功率半導(dǎo)體元件的戰(zhàn)力。
據(jù)了解，直流變頻馬達(dá)的變頻電路，其技術(shù)牽涉層面包括半導(dǎo)體切換元件、變頻器拓?fù)?、控制?a target="_blank">模擬技術(shù)，以及控制硬體及韌體等。劉俊男進(jìn)一步指出，變頻電路指的系由功率元件組成的整合型功率模組（Integrated Power Module， IPM），其包含閘極驅(qū)動(dòng)器（Gate Driver）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）或絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）等關(guān)鍵元件。
以德州儀器為例，該公司即分別針對(duì)7.5kW以上及以下的變頻馬達(dá)應(yīng)用推出「Driver」及「Pre-driver」功率元件組；另外，由于驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通阻抗和開(kāi)關(guān)損耗會(huì)直接影響馬達(dá)系統(tǒng)的能效，飛思卡爾則推出了H橋和雙H橋產(chǎn)品，以降低導(dǎo)通損耗。
此外，意法半導(dǎo)體則是同時(shí)提供MCU為基礎(chǔ)的控制開(kāi)發(fā)板，及功率級(jí)（Power Stage）電子電路開(kāi)發(fā)板（Power Board），讓開(kāi)發(fā)商自由搭配設(shè)計(jì)，力求能符合不同產(chǎn)品的應(yīng)用需求（圖6）；盛群半導(dǎo)體則瞄準(zhǔn)中國(guó)大陸市場(chǎng)，效仿聯(lián)發(fā)科技在中國(guó)大陸的成功模式，于1年多前開(kāi)始針對(duì)馬達(dá)應(yīng)用推出Turn-key解決方案（圖7），拉攏臺(tái)、陸系的功率半導(dǎo)體元件供應(yīng)商，將其解決方案放置在公板平臺(tái)上，發(fā)揮一加一大于二的產(chǎn)品戰(zhàn)力。
圖6 意法半導(dǎo)體各式馬達(dá)控制板與電子電路開(kāi)發(fā)板
圖7 盛群半導(dǎo)體的Turnkey方案，包含控制板、驅(qū)動(dòng)板、隔離板。
另一個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)，則是無(wú)感測(cè)器馬達(dá)應(yīng)用日益受到矚目。
為了要感應(yīng)BLDC及PMSM的轉(zhuǎn)子位置，馬達(dá)系統(tǒng)中須置入磁性感測(cè)器，以將轉(zhuǎn)子位置資訊回授給控制器并輸出相應(yīng)訊號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。不過(guò)這種設(shè)計(jì)方式雖然簡(jiǎn)易，但故障率高，因此為降低感測(cè)器及相關(guān)線(xiàn)材成本，并延長(zhǎng)馬達(dá)使用壽命，無(wú)感測(cè)器馬達(dá)設(shè)計(jì)已日益受到重視。
降低系統(tǒng)成本/故障率 無(wú)感測(cè)器馬達(dá)需求暢旺
圖8 新唐科技馬達(dá)行銷(xiāo)處處長(zhǎng)李新洲談到，無(wú)感測(cè)器方案對(duì)于MCU規(guī)格要求較高，因此過(guò)去不廣為所用；不過(guò)近年來(lái)，馬達(dá)開(kāi)發(fā)商為了降低制造和維護(hù)成本，對(duì)無(wú)感測(cè)器BLDC/PMSM方案的需求日益提升。
新唐科技馬達(dá)行銷(xiāo)處處長(zhǎng)李新洲（圖8）表示，目前BLDC及PMSM的運(yùn)作方式可分為霍爾效應(yīng)感測(cè)器（Hall Effect Sensor）或無(wú)感測(cè)器（Sensor-less）方案。無(wú)感測(cè)器方案對(duì)于MCU規(guī)格要求較高，過(guò)去不廣為所用；不過(guò)近年來(lái)，馬達(dá)開(kāi)發(fā)商為了降低制造和維護(hù)成本，對(duì)無(wú)感測(cè)器BLDC/PMSM方案的需求已逐漸攀升。
事實(shí)上，霍爾感測(cè)器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)感測(cè)器，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等方面。在BLDC及PMSM馬達(dá)中，霍爾感測(cè)器的任務(wù)則是為了要感應(yīng)隸屬于磁性元件的轉(zhuǎn)子位置，并將轉(zhuǎn)子位置參數(shù)回報(bào)到MCU，再由MCU依據(jù)轉(zhuǎn)子位置輸出相對(duì)應(yīng)的控制訊號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。
李新洲指出，透過(guò)霍爾感測(cè)器來(lái)感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)易，不過(guò)其缺點(diǎn)在于返修率高。他進(jìn)一步解釋?zhuān)捎诨魻柛袦y(cè)器緊臨不斷移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子旁，長(zhǎng)期以往元件本身難免受損，當(dāng)霍爾感測(cè)器故障時(shí)，將牽一發(fā)而動(dòng)全身，馬達(dá)也就無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，某些馬達(dá)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，本就不適合放置霍爾感測(cè)器，如空調(diào)系統(tǒng)、洗衣機(jī)或冰箱都必須將馬達(dá)密閉安裝于壓縮機(jī)內(nèi)，這些設(shè)計(jì)方式都將限制霍爾感測(cè)器的應(yīng)用。
相反地，無(wú)感測(cè)器方案則能省去額外的機(jī)械元件及感測(cè)器線(xiàn)路，不僅降低物料成本，并提升可靠性，更能減低因霍爾感測(cè)器磨損而導(dǎo)致馬達(dá)故障的機(jī)率。
李新洲表示，無(wú)感測(cè)器方案的原理是透過(guò)偵測(cè)反電動(dòng)勢(shì)（Back-Electromotive Force， Back-EMF）電壓差，來(lái)獲取轉(zhuǎn)子位置資訊。據(jù)了解，反電動(dòng)勢(shì)取決于轉(zhuǎn)子角速度、轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)、定子繞組的匝數(shù)。因此他分析，無(wú)感測(cè)器方案的 MCU，除須含有ADC、比較器等元件之外，其關(guān)鍵核心在于MCU的演算法如何分析轉(zhuǎn)子的反電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)而輸出控制訊號(hào)。
綜合前述，依照產(chǎn)品應(yīng)用需求，馬達(dá)可選擇以方波、弦波控制，以及有感測(cè)器及無(wú)感測(cè)器方案，因此MCU可粗分為四種類(lèi)型，分別為方波霍爾感測(cè)器方案、方波無(wú)感測(cè)器方案、弦波霍爾感測(cè)器方案、弦波無(wú)感測(cè)器方案。
值得注意的是，為了同時(shí)符合有感測(cè)器及無(wú)感測(cè)方案的應(yīng)用需求，MCU廠商也開(kāi)始推出雙模方案。李新洲表示，如此一來(lái)，即使位處前鋒的霍爾感測(cè)器故障，MCU也能立即啟動(dòng)演算法分析反電動(dòng)勢(shì)電壓差獲知轉(zhuǎn)子位置參數(shù)，讓馬達(dá)照常運(yùn)轉(zhuǎn)。
顯而易見(jiàn)，以BLDC及PMSM為首的高效率變頻馬達(dá)已成為半導(dǎo)體元件商的關(guān)注焦點(diǎn)，而其中所牽涉的系統(tǒng)控制及電子電路設(shè)計(jì)，亦讓MCU及半導(dǎo)體功率元件成為馬達(dá)控制系統(tǒng)中的要角，此更將刺激MCU廠商推出各式解決方案，希冀能于高效直流變頻馬達(dá)市場(chǎng)中搶得一席之地。
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