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马达控制关键 MCU一手掌握
ARM Cortex发挥高性价比优势

【作者: 王岫晨】2013年09月30日 星期一

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MCU的应用范围十分广泛,从消费端的生活周遭,到工业端的自动化控制,都可以见到MCU活跃的身影。而马达控制,更是MCU重要的应用领域之一。放眼马达的应用领域其实相当广泛,小至数位相机的镜头伸缩、家电产品,大到电动车、自动化产线、风扇与重工业等,马达都是系统中的重要角色。其中,担任马达背后控制重任的,就是MCU。


MCU满足各类马达控制


意法半导体产品行销经理杨正廉指出,MCU在马达的应用中,顾名思义就是给予马达控制的能力。例如在一般的家电系统上,通常是由使用者输入指令,透过MCU来进行马达转速变化与电源管理等控制。而工业机器人在产线上所进行的复杂定位,也都是藉由MCU与马达的结合,来进行完美的动作控制。


杨正廉说,随着马达的种类不同,所需要的MCU等级也各有差异,从消费市场最简易的8位元应用,到工业自动化控制所需要的高阶32位元领域,不同种类与功能的MCU都能一手包办。


为了了解MCU究竟在马达控制上,扮演着什么样的角色,首先就必须先了解马达的分类。马达种类大致上可区分为AC(交流电)马达、DC(直流电)马达、步进马达及特殊领域专用马达等四大类。就最常见的AC马达与DC马达来比较,尽管AC马达在各种领域的应用中,占了绝大多数,但由于AC马达的能量转换效率较不理想,对于环保意识抬头,诉求节能的今日产业界来说,逐渐必须转向采用效率更高的直流马达。


直流马达反攻市场

至于直流马达,其优点在于电源的功率转换效率更高,这也让亟欲前进欧美市场的业者,更容易通过欧美国家严苛的节能标准。根据观察,2013年的直流马达市场可望快速起飞,马达系统业者早已看准时机,与上游晶片厂商加快合作脚步,藉由更高效能与更低能耗的MCU产品,让产品能更快推向欧美市场。


直流马达强调更高的能源转换效率,其应用领域广泛。事实上,直流马达正是最早发明出来,能将电力转换为机械功率的电动机。只不过在交流感应马达与步进马达问世后,逐步取代传统的直流马达。


尽管交流马达拥有更精密的定位控制,但直流马达良好的线性特性,加上工业自动化的发展,使其得到再次发展的契机。而直流马达易于控制的优点,至今得以应用于各种变速控制的应用上。


英飞凌工业与多元电子事业处行销部经理黄国为表示,目前直流马达的应用常见于吊扇、工业扇、立扇、散热风扇等。只要透过8位元MCU,便​​可充分对于马达进行控制。


尽管8位元架构设计较为简易,但MCU业者还是必须对于马达电源与功率开关管理有深入的了解。马达的控制涉及不同程度的演算法,例如霍尔效应感测、有刷无刷、单相三相与电压电流功率等层面,既即使8位元MCU业者容易透过价格战来抢得订单,然而若无法提供客户更多马达控制的技术支援,还是难以跨入复杂的马达领域。这些技术支援,都是MCU厂商必须具备的能力之一。



图一 : :风扇马达控制是MCU最普遍的应用场合。举凡吊扇、工业扇、立扇、散热风扇等,都可以看到MCU的身影。
图一 : :风扇马达控制是MCU最普遍的应用场合。举凡吊扇、工业扇、立扇、散热风扇等,都可以看到MCU的身影。

工业复杂运算 MCU助一臂之力

对于工业市场来说,马达其实就是电力驱动器。电力驱动器的特性在于可控性、灵活性与​​准确性。而随着工业自动化的快速发展,自动化的基础技术也为工业驱动带来了革命性的进展。


事实上,驱动技术的日趋成熟,加上商品化产品高度普及,使得马达驱动技术不只普及在消费市场的各个角落,也已经在工业自动化领域中发光发热,这一切都归功于伺服技术的成熟。


黄国为认为,在各种马达的应用中,交流马达占了绝大多数,特别是在变频与工业自动化领域中更为常见。然而交流马达最大的问题点,就在其变速控制的复杂度过高,也使其传统多半只能用于定转速的应用上。


但近年来,随着半导体技术的高度成熟,功率电子元件与先进控制方法都来到一个全新的阶段,再加上电脑辅助设计的普及,透过MCU与DSP等半导体元件,已经可以更进一步控制复杂的交流马达,这使得无段变速交流马达的控制不再是个问题,工业控制也因此获得更高度的自动化。


马达是工业自动化的心脏,而马达控制更是一门极富挑战的学问。就分类来看,各式各样的马达种类繁多,运作原理、特性、应用与材料都各不相同。应用于工业伺服领域的马达,通常必须具备精密的位置检测元件,如光电编码器、解角器等,也通称为伺服马达。


黄国为说,在获得MCU控制的助力之后,交流马达本身的优点得以全盘发挥,特别是针对伺服系统的定位控制,包括工业机器人、数值工具机,甚至是碾压装置的同步转速控制例如炼钢厂、碾纸厂与纺纱厂等,交流马达都能发挥其特性,也因此逐渐取代传统的直流马达系统。



图二 : :工控领域的伺服马达,透过高阶MCU的运作之下,整体产线的智能化已经不再是梦想。
图二 : :工控领域的伺服马达,透过高阶MCU的运作之下,整体产线的智能化已经不再是梦想。

ARM核心造就高性价比优势

在ARM Cortex系列处理器问世之后,各家MCU厂商大量采用该核心来打造自家MCU产品,使得市场上一时间ARM架构MCU成为当红炸子鸡。尽管8位元MCU的普及度高,然而8位元特性并不能满足所有应用,特别是更为复杂的工业自动化控制,这也让ARM Cortex架构的32位元优势能够充分发挥。


杨正廉指出,ARM Cortex系列核心所主打的,就是以32位元的效能与8位元的价格,来取代传统MCU产品。 32位元与8位元的差别,就如同跑车与脚踏车,一旦用上了32位元MCU,意味着运算工作将更为复杂,精确度的要求也更高。


ARM Cortex核心依据效能不同,拥有包括M0、M0+、M3、M4等不同架构。事实上,工业马达复杂的演算法,让MCU必须担负起繁重的运算工作,例如三相马达就必须透过磁场导向控制(FOC)的运算,来精确掌握其转速与扭力等动作。包括FOC演算、霍尔效应感测与过电压、过电流保护等需求,都可以透过中阶的ARM Cortex M3核心来满足。


而最高等级的Cortex-M4,具备浮点运算单元与DSP能力,可以满足工业马​​达更精密复杂的高阶演算。至于M0与更低功耗的M0+核心,则是针对简易的马达控制,不论工业市场与一般的消费市场都能胜任。


对于MCU厂商普遍入主ARM Cortex核心,造成『人人都是ARM、差异化不大』的情况。面对这样的问题,杨正廉认为,ARM Cortex核心为MCU厂商带来产品效能提升、价格便宜与快速上市的优点,但也的确让不同产品间的差异化变低。 「好像买哪一家的MCU都一样。」


这个时候,各家MCU厂商其实都致力让产品在同中求异,如推出让客户更易上手的开发工具、或者主打产品的高性价比,甚至走向更高整合度与更新颖的封装,来让自家产品线更与众不同。


结语

马达控制本身就是一件富有挑战性的工作,而MCU则身负了成败关键。不论马达应用的简易度与复杂度如何,MCU产品本身都必须拥有更优异的性能与周边介面,来满足各种不同的马达驱动需求。


随着ARM Cortex架构的问世,MCU走向高效能、低成本、低功耗已是不可逆的趋势。未来在高性价比的驱使之下,MCU在更多领域发光发热将不是件难事。


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