马达是最古老的电力应用之一，在其漫长的发展过程中，已历经许多次改变。 在全面电气化的大趋势下，如何快速设计出马达相关应用系统，而且要兼顾省电性跟高效率，将是相关业者必须面临的课题。

人类文明正在朝全面电气化的方向迈进，未来人们食衣住行育乐对电力的依赖将只增不减。 电动车、电动机车等交通工具的全面电气化，只是这个大趋势的一部分，但对马达相关应用业者来说，光是电动载具所带来的商机，就已大到难以估计。

机会与挑战总是相伴而生，在全面电气化的社会里，马达应用将无所不在，但对相关应用开发商来说，如何降低开发成本、加快开发速度，以满足更多变的市场需求，是最大的挑战之一。 唯有半导体业者、仿真工具商与马达制造商携手合作才能克服。

实现驱控一体设计 FPGA功能整合发威

安驰科技项目经理李冠民(图1)指出，传统上，马达系统的控制跟驱动是分开的，控制的任务是由可编程逻辑控制器(PLC)来负责，驱动则由电力驱动单元(Electric Drive)来执行。 但随着半导体技术进步，芯片的整合能力越来越强，现在马达系统的驱动跟控制已可以用单一芯片来实现。

以赛灵思(Xilinx)推出的Zynq 7000 SoC为例，该组件跟传统的FPGA有很大不同。 传统FPGA只提供大量逻辑单元，但Zynq 7000除了逻辑单元外，还有Cortex-A9核心、每秒取样率达100万次的12位模拟数字转换器(ADC)等硬件单元。 有了这些硬件单元，加上赛灵思提供的开源参考设计，开发者可以轻松实现驱控一体设计。

李冠民分析，驱控一体设计对马达应用开发商来说，最明显的好处在于设计更为简化。 以工业领域的马达应用为例，以往的驱动控制板都采取多芯片设计，最基本款的控制板会使用中央处理器(CPU)搭配数字信号处理器(DSP)的设计架构，高阶版本则是CPU、DSP再加上FPGA，这使得控制板的设计跟走线变得十分复杂。 但内含Cortex-A9核心的Zynq 7000可以直接取代CPU跟DSP，加上其本身具备的可编程逻辑资源，开发者还可额外针对某些算法实现硬件加速。

除了简化设计外，对于某些对可靠度十分注重的马达应用，以FPGA来实现其驱动控制，还可带来一个额外的好处--满足功能安全标准的需求。

首先，赛灵思的FPGA组件跟相关开发工具，在设计过程中，就已经满足了IEC 61508-2010/ISO 26262-8-2011等国际标准对功能安全的需求。 其次，FPGA内的逻辑资源也可以用来增加系统的功能安全，例如用逻辑资源来实作另一个异质架构的处理器，让该处理器跟Cortex-A9的运算结果彼此参照，可进一步确保FPGA输出的控制命令是正确可靠的。

李冠民总结说，对用户来说，FPGA最大的优势跟价值还是在灵活。 因为可编程逻辑资源让开发者可以视其需求来运用，不管是要提升功能安全或做算法加速，或是有其他功能需求，都可以藉此实现。 而FPGA难以开发的缺点，在近几年也有很大的改变。 现在赛灵思提供的开发环境比以往更友善，而且赛灵思本身也提供更多参考设计平台跟程序模板，让用户不用从零开始设计。 这些都有助于推动FPGA在马达应用上更加普及。

专家系统进驻MCU 马达驱动开发更省力

除了FPGA之外，微控制器(MCU)在马达驱动/控制应用中，也是十分常见的选择，且由于其成本相对低廉，因此其应用范畴更广。 从洗衣机、冰箱等消费性电子，到工业马达、车用马达等领域，都能看到MCU的踪影。 随着马达技术不断翻新，MCU进化脚步也不曾停歇。

恩智浦半导体(NXP)大中华区微控制器事业部市场经理李唐山(图2)表示，马达应用的种类非常多元，从家电、无人机到工业、汽车，都会用到马达。 这也意味着马达本身就是一种多元化的产品，其对应的驱动、控制需求也是五花八门。 作为MCU供货商，对应的解决方案数量当然也不会少。

目前恩智浦旗下共有KV、DSC、KE与i.MX RT四大类MCU可以应用在马达驱控上，各自有不同的目标市场。 KV是内建ARM核心的MCU，并具有各式各样的外围跟接口，能满足大多数马达驱控需求；DSC则是原飞思卡尔(Freescale)的产品线，以DSP为基础，主要面向高性能马达驱控市场；KE则是以高性价比为主要诉求， 具有众多GPIO跟大容量Flash，锁定通用型的马达控制。 i.MX RT的定位则比较特别，该系列芯片不仅内建Cortex-M7 CPU，而且还整合了LCD显示跟音频接口，适用在复杂的高阶应用。

对马达应用来说，耗电量与成本是终端产品制造商及用户最关心的议题，因此，马达虽然已经是很古老的技术，但为了追求上述目标，业界仍不断发展新的马达架构。 在今明两年，有一种名为永磁辅助同步磁阻(PMASR)的新型马达即将开始运用在洗衣机这类家电产品上。

李唐山分析，这种新马达的效率极高，而且结构简单、稀土用量少、量产成本低，因此其应用前景备受瞩目。 但因为这种马达只使用非常少量磁铁，因此其驱动控制算法的开发难度非常高，导致这种马达的应用难以量产。 但经过近几年的努力，目前恩智浦已成功开发出适用在这类马达上的弱磁算法，并已申请专利。 该算法将可在部分KV跟DSC系列MCU上执行。

除了因应新型马达所开发的解决方案外，为了简化马达应用的开发难度，恩智浦还开发了名为Kinetis Motor Suite(KMS)的马达驱动开发工具包。 该套件可视为马达驱动/控制的专家系统，所有马达配置和控制都可以透过图形化接口跟API来进行，即便是对马达驱动不甚熟悉的新手工程师，在KMS的辅助下，也可以轻松上手开发。

仿真工具协助应用开发经济效益不容小看

传统上，各种产品的开发流程大致上都遵守设计、打样、测试、量产的步骤，并且在前三个步骤不断重复循环，待样品的规格跟菜单现符合设计需求，才会进入量产。 但随着计算机仿真的能力跟精准度越来越高，在仿真环境中进行产品开发跟测试，已经是更有经济效益的选择。

安硅思科技(Ansys)应用工程师茆尚勋(图3)认为，电气化是未来人类科技发展的重要趋势，许多原本不以电作为动力来源的产品，未来都会电气化。 在各类应用中，交通工具的电气化最为明显。 原本使用汽油的汽车与机车，都已经开始掀起电气化浪潮，这也意味着原本扮演辅助角色的马达，不仅使用数量越来越多，在系统中所扮演的角色也会更加吃重。

对马达设计制造商来说，这当然是个有利的趋势，但随着马达的应用领域越来越广，市场对马达规格的需求也变得更多元。 马达设计制造商如果还用传统的开发流程来设计产品，产品开发成本只会节节高升，而且开发周期还会拉长。

茆尚勋解释，因为未来的马达要满足更严格的节能要求，从传统直接驱动改为变频驱动将是必然趋势，但变频驱动基本上是电子控制领域的专业，马达本体则是机械设计专业。 这意味着马达制造商跟相关应用开发商，都必须找出提升跨部门协作效率的方法。

为解决马达应用相关产业目前所遭遇的挑战，Ansys提出以仿真展开马达设计开发的新方法论。 在传统开发流程中，产品必须先做出原型，然后上动力机进行测试，取得各种必要参数或发现设计问题后，再回过头修改设计。 如此反复进行，直到产品功能符合预期，可以量产上市为止。 除了测试的时间跟成本外，光是制作原型就得花费新台币数百万元。

但透过Ansys完整涵盖电路设计、电磁、热分析的仿真工具来进行，设计人员可以在虚拟环境中发现产品设计可能出现的问题，并提前予以修改，因此产品开发速度可以明显加快，更可省下昂贵的开模费用。 茆尚勋估计，业者若愿意投资仿真工具，只要开发两款新的马达就可回收。

除了经济效益显著外，以仿真来展开马达应用设计还有另一个好处，就是同步完成数字双胞胎(Digital Twins)的建置，因为应用开发或产品设计的过程，就是为实体产品建立虚拟模型的过程，当产品进入量产后， 先前建置好的模型就是该产品的数字双胞胎。 若辅以工业物联网跟传感器，从实际产品上收集数据，此模型就能用来提供产品故障的早期预警，实现预防性维护。

法规节能要求只增不减重型马达迈向IE4

除了马达设计与应用开发的方法正在面临新变革之外，由于马达是全球耗电量最大的电气产品，因此世界各国政府均对马达的效率展开紧迫盯人，藉由法规强制要求，让未来的马达能具备更高效率。 因此，大型工业用马达的本体设计也在与时俱进，并特别针对直流驱动的未来趋势做好准备。

西门子(Siemens)大型驱动部门产品经理郑志鸿(图4)指出，用来驱动各种工业设备的大型马达，其耗电量是非常可观的。 据统计，全世界大概有超过四成电力被用来驱动各种工业设备，而其中马达所消耗的电力又占最大宗，因此世界各国对于大型马达一直采取紧迫盯人的态度，希望藉由更严格的法规要求，提高马达的效率，减少耗电量。

对于大型马达，目前全球一共有三大主流标准，分别是欧盟的IE标准、美国的NEMA标准与中国的国标(GB)标准。 这三大标准彼此之间大致可以互相对应，例如欧盟的IE2级相当于NEMA的Energy Efficient级、GB的第三级；IE3则相当于NEMA的Premium Efficiency级、GB的第二级。 至于IE4，目前NEMA没有对应的等级，但中国的GB第一级，已相当于IE4。 台湾对于马达能源效率的要求大致上依循欧盟标准。

为了追求更高的马达效率，西门子在转子、轴心与散热上下了许多功夫。 举例来说，在大型马达的转子上，如果漆包线的缠绕越紧密，则效率越高；轴心材质的含铜量增加，也有助于提升马达的效率。 西门子目前已量产满足IE4规范的马达，可进一步满足未来IE5规范的马达，也已经研发完成，其主要改良就在漆包线缠绕跟轴心用料上。 不过，漆包线缠得越紧密，表示漆包线用量越多，会对制造成本造成冲击；同样的，在轴心使用含铜比例更高的合金，也会使马达的生产成本上升。

至于散热，更是每家马达制造业者都必须严肃面对的问题，因为热是马达最大的敌人。 漆包线的电阻跟温度成正比，当温度上升，线路的电阻会增加，导致输出功率下降。 但马达为了输出足够的功率来推动负载，会增加电流，这又会进一步造成更大的铜损，导致温度上升，形成恶性循环。 因此，高效率马达通常会搭配冷却风扇，来确保马达本体的散热性。

不过，郑志鸿指出，近年来变频驱动架构越来越流行，马达的散热设计也必须做出因应调整，才能实现良好的散热。 在变频驱动架构下，马达全速运转的时间其实很短，大多数时候都是怠速运转，但传统的马达风扇是同步风扇，也就是转子在带动轴心旋转时，会同步带动风扇旋转，因此当马达怠速时，风扇产生的气流往往不足以冷却马达。 久而久之，马达的寿命会受到不小影响。 解决之道就是把同步风扇改成主动风扇，确保马达在任何时刻都有足够的冷却气流。