馬達是最古老的電力應(yīng)用之一，在其漫長的發(fā)展過程中，已歷經(jīng)許多次改變。 在全面電氣化的大趨勢下，如何快速設(shè)計出馬達相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，而且要兼顧省電性跟高效率，將是相關(guān)業(yè)者必須面臨的課題。
人類文明正在朝全面電氣化的方向邁進，未來人們食衣住行育樂對電力的依賴將只增不減。 電動車、電動機車等交通工具的全面電氣化，只是這個大趨勢的一部分，但對馬達相關(guān)應(yīng)用業(yè)者來說，光是電動載具所帶來的商機，就已大到難以估計。
機會與挑戰(zhàn)總是相伴而生，在全面電氣化的社會里，馬達應(yīng)用將無所不在，但對相關(guān)應(yīng)用開發(fā)商來說，如何降低開發(fā)成本、加快開發(fā)速度，以滿足更多變的市場需求，是最大的挑戰(zhàn)之一。 唯有半導(dǎo)體業(yè)者、仿真工具商與馬達制造商攜手合作才能克服。
實現(xiàn)驅(qū)控一體設(shè)計 FPGA功能整合發(fā)威
安馳科技項目經(jīng)理李冠民(圖1)指出，傳統(tǒng)上，馬達系統(tǒng)的控制跟驅(qū)動是分開的，控制的任務(wù)是由可編程邏輯控制器(PLC)來負責，驅(qū)動則由電力驅(qū)動單元(Electric Drive)來執(zhí)行。 但隨著半導(dǎo)體技術(shù)進步，芯片的整合能力越來越強，現(xiàn)在馬達系統(tǒng)的驅(qū)動跟控制已可以用單一芯片來實現(xiàn)。
以賽靈思(Xilinx)推出的Zynq 7000 SoC為例，該組件跟傳統(tǒng)的FPGA有很大不同。 傳統(tǒng)FPGA只提供大量邏輯單元，但Zynq 7000除了邏輯單元外，還有Cortex-A9核心、每秒取樣率達100萬次的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等硬件單元。 有了這些硬件單元，加上賽靈思提供的開源參考設(shè)計，開發(fā)者可以輕松實現(xiàn)驅(qū)控一體設(shè)計。
李冠民分析，驅(qū)控一體設(shè)計對馬達應(yīng)用開發(fā)商來說，最明顯的好處在于設(shè)計更為簡化。 以工業(yè)領(lǐng)域的馬達應(yīng)用為例，以往的驅(qū)動控制板都采取多芯片設(shè)計，最基本款的控制板會使用中央處理器(CPU)搭配數(shù)字信號處理器(DSP)的設(shè)計架構(gòu)，高階版本則是CPU、DSP再加上FPGA，這使得控制板的設(shè)計跟走線變得十分復(fù)雜。 但內(nèi)含Cortex-A9核心的Zynq 7000可以直接取代CPU跟DSP，加上其本身具備的可編程邏輯資源，開發(fā)者還可額外針對某些算法實現(xiàn)硬件加速。
除了簡化設(shè)計外，對于某些對可靠度十分注重的馬達應(yīng)用，以FPGA來實現(xiàn)其驅(qū)動控制，還可帶來一個額外的好處--滿足功能安全標準的需求。
首先，賽靈思的FPGA組件跟相關(guān)開發(fā)工具，在設(shè)計過程中，就已經(jīng)滿足了IEC 61508-2010/ISO 26262-8-2011等國際標準對功能安全的需求。 其次，F(xiàn)PGA內(nèi)的邏輯資源也可以用來增加系統(tǒng)的功能安全，例如用邏輯資源來實作另一個異質(zhì)架構(gòu)的處理器，讓該處理器跟Cortex-A9的運算結(jié)果彼此參照，可進一步確保FPGA輸出的控制命令是正確可靠的。
李冠民總結(jié)說，對用戶來說，F(xiàn)PGA最大的優(yōu)勢跟價值還是在靈活。 因為可編程邏輯資源讓開發(fā)者可以視其需求來運用，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，都可以藉此實現(xiàn)。 而FPGA難以開發(fā)的缺點，在近幾年也有很大的改變。 現(xiàn)在賽靈思提供的開發(fā)環(huán)境比以往更友善，而且賽靈思本身也提供更多參考設(shè)計平臺跟程序模板，讓用戶不用從零開始設(shè)計。 這些都有助于推動FPGA在馬達應(yīng)用上更加普及。
專家系統(tǒng)進駐MCU 馬達驅(qū)動開發(fā)更省力
除了FPGA之外，微控制器(MCU)在馬達驅(qū)動/控制應(yīng)用中，也是十分常見的選擇，且由于其成本相對低廉，因此其應(yīng)用范疇更廣。 從洗衣機、冰箱等消費性電子，到工業(yè)馬達、車用馬達等領(lǐng)域，都能看到MCU的蹤影。 隨著馬達技術(shù)不斷翻新，MCU進化腳步也不曾停歇。
恩智浦半導(dǎo)體(NXP)大中華區(qū)微控制器事業(yè)部市場經(jīng)理李唐山(圖2)表示，馬達應(yīng)用的種類非常多元，從家電、無人機到工業(yè)、汽車，都會用到馬達。 這也意味著馬達本身就是一種多元化的產(chǎn)品，其對應(yīng)的驅(qū)動、控制需求也是五花八門。 作為MCU供貨商，對應(yīng)的解決方案數(shù)量當然也不會少。
目前恩智浦旗下共有KV、DSC、KE與i.MX RT四大類MCU可以應(yīng)用在馬達驅(qū)控上，各自有不同的目標市場。 KV是內(nèi)建ARM核心的MCU，并具有各式各樣的外圍跟接口，能滿足大多數(shù)馬達驅(qū)控需求；DSC則是原飛思卡爾(Freescale)的產(chǎn)品線，以DSP為基礎(chǔ)，主要面向高性能馬達驅(qū)控市場；KE則是以高性價比為主要訴求， 具有眾多GPIO跟大容量Flash，鎖定通用型的馬達控制。 i.MX RT的定位則比較特別，該系列芯片不僅內(nèi)建Cortex-M7 CPU，而且還整合了LCD顯示跟音頻接口，適用在復(fù)雜的高階應(yīng)用。
對馬達應(yīng)用來說，耗電量與成本是終端產(chǎn)品制造商及用戶最關(guān)心的議題，因此，馬達雖然已經(jīng)是很古老的技術(shù)，但為了追求上述目標，業(yè)界仍不斷發(fā)展新的馬達架構(gòu)。 在今明兩年，有一種名為永磁輔助同步磁阻(PMASR)的新型馬達即將開始運用在洗衣機這類家電產(chǎn)品上。
李唐山分析，這種新馬達的效率極高，而且結(jié)構(gòu)簡單、稀土用量少、量產(chǎn)成本低，因此其應(yīng)用前景備受矚目。 但因為這種馬達只使用非常少量磁鐵，因此其驅(qū)動控制算法的開發(fā)難度非常高，導(dǎo)致這種馬達的應(yīng)用難以量產(chǎn)。 但經(jīng)過近幾年的努力，目前恩智浦已成功開發(fā)出適用在這類馬達上的弱磁算法，并已申請專利。 該算法將可在部分KV跟DSC系列MCU上執(zhí)行。
除了因應(yīng)新型馬達所開發(fā)的解決方案外，為了簡化馬達應(yīng)用的開發(fā)難度，恩智浦還開發(fā)了名為Kinetis Motor Suite(KMS)的馬達驅(qū)動開發(fā)工具包。 該套件可視為馬達驅(qū)動/控制的專家系統(tǒng)，所有馬達配置和控制都可以透過圖形化接口跟API來進行，即便是對馬達驅(qū)動不甚熟悉的新手工程師，在KMS的輔助下，也可以輕松上手開發(fā)。
仿真工具協(xié)助應(yīng)用開發(fā)經(jīng)濟效益不容小看
傳統(tǒng)上，各種產(chǎn)品的開發(fā)流程大致上都遵守設(shè)計、打樣、測試、量產(chǎn)的步驟，并且在前三個步驟不斷重復(fù)循環(huán)，待樣品的規(guī)格跟菜單現(xiàn)符合設(shè)計需求，才會進入量產(chǎn)。 但隨著計算機仿真的能力跟精準度越來越高，在仿真環(huán)境中進行產(chǎn)品開發(fā)跟測試，已經(jīng)是更有經(jīng)濟效益的選擇。
安硅思科技(Ansys)應(yīng)用工程師茆尚勛(圖3)認為，電氣化是未來人類科技發(fā)展的重要趨勢，許多原本不以電作為動力來源的產(chǎn)品，未來都會電氣化。 在各類應(yīng)用中，交通工具的電氣化最為明顯。 原本使用汽油的汽車與機車，都已經(jīng)開始掀起電氣化浪潮，這也意味著原本扮演輔助角色的馬達，不僅使用數(shù)量越來越多，在系統(tǒng)中所扮演的角色也會更加吃重。
對馬達設(shè)計制造商來說，這當然是個有利的趨勢，但隨著馬達的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，市場對馬達規(guī)格的需求也變得更多元。 馬達設(shè)計制造商如果還用傳統(tǒng)的開發(fā)流程來設(shè)計產(chǎn)品，產(chǎn)品開發(fā)成本只會節(jié)節(jié)高升，而且開發(fā)周期還會拉長。
茆尚勛解釋，因為未來的馬達要滿足更嚴格的節(jié)能要求，從傳統(tǒng)直接驅(qū)動改為變頻驅(qū)動將是必然趨勢，但變頻驅(qū)動基本上是電子控制領(lǐng)域的專業(yè)，馬達本體則是機械設(shè)計專業(yè)。 這意味著馬達制造商跟相關(guān)應(yīng)用開發(fā)商，都必須找出提升跨部門協(xié)作效率的方法。
為解決馬達應(yīng)用相關(guān)產(chǎn)業(yè)目前所遭遇的挑戰(zhàn)，Ansys提出以仿真展開馬達設(shè)計開發(fā)的新方法論。 在傳統(tǒng)開發(fā)流程中，產(chǎn)品必須先做出原型，然后上動力機進行測試，取得各種必要參數(shù)或發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題后，再回過頭修改設(shè)計。 如此反復(fù)進行，直到產(chǎn)品功能符合預(yù)期，可以量產(chǎn)上市為止。 除了測試的時間跟成本外，光是制作原型就得花費新臺幣數(shù)百萬元。
但透過Ansys完整涵蓋電路設(shè)計、電磁、熱分析的仿真工具來進行，設(shè)計人員可以在虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計可能出現(xiàn)的問題，并提前予以修改，因此產(chǎn)品開發(fā)速度可以明顯加快，更可省下昂貴的開模費用。 茆尚勛估計，業(yè)者若愿意投資仿真工具，只要開發(fā)兩款新的馬達就可回收。
除了經(jīng)濟效益顯著外，以仿真來展開馬達應(yīng)用設(shè)計還有另一個好處，就是同步完成數(shù)字雙胞胎(Digital Twins)的建置，因為應(yīng)用開發(fā)或產(chǎn)品設(shè)計的過程，就是為實體產(chǎn)品建立虛擬模型的過程，當產(chǎn)品進入量產(chǎn)后， 先前建置好的模型就是該產(chǎn)品的數(shù)字雙胞胎。 若輔以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)跟傳感器，從實際產(chǎn)品上收集數(shù)據(jù)，此模型就能用來提供產(chǎn)品故障的早期預(yù)警，實現(xiàn)預(yù)防性維護。
法規(guī)節(jié)能要求只增不減重型馬達邁向IE4
除了馬達設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)的方法正在面臨新變革之外，由于馬達是全球耗電量最大的電氣產(chǎn)品，因此世界各國政府均對馬達的效率展開緊迫盯人，藉由法規(guī)強制要求，讓未來的馬達能具備更高效率。 因此，大型工業(yè)用馬達的本體設(shè)計也在與時俱進，并特別針對直流驅(qū)動的未來趨勢做好準備。
西門子(Siemens)大型驅(qū)動部門產(chǎn)品經(jīng)理鄭志鴻(圖4)指出，用來驅(qū)動各種工業(yè)設(shè)備的大型馬達，其耗電量是非?？捎^的。 據(jù)統(tǒng)計，全世界大概有超過四成電力被用來驅(qū)動各種工業(yè)設(shè)備，而其中馬達所消耗的電力又占最大宗，因此世界各國對于大型馬達一直采取緊迫盯人的態(tài)度，希望藉由更嚴格的法規(guī)要求，提高馬達的效率，減少耗電量。
對于大型馬達，目前全球一共有三大主流標準，分別是歐盟的IE標準、美國的NEMA標準與中國的國標(GB)標準。 這三大標準彼此之間大致可以互相對應(yīng)，例如歐盟的IE2級相當于NEMA的Energy Efficient級、GB的第三級；IE3則相當于NEMA的Premium Efficiency級、GB的第二級。 至于IE4，目前NEMA沒有對應(yīng)的等級，但中國的GB第一級，已相當于IE4。 臺灣對于馬達能源效率的要求大致上依循歐盟標準。
為了追求更高的馬達效率，西門子在轉(zhuǎn)子、軸心與散熱上下了許多功夫。 舉例來說，在大型馬達的轉(zhuǎn)子上，如果漆包線的纏繞越緊密，則效率越高；軸心材質(zhì)的含銅量增加，也有助于提升馬達的效率。 西門子目前已量產(chǎn)滿足IE4規(guī)范的馬達，可進一步滿足未來IE5規(guī)范的馬達，也已經(jīng)研發(fā)完成，其主要改良就在漆包線纏繞跟軸心用料上。 不過，漆包線纏得越緊密，表示漆包線用量越多，會對制造成本造成沖擊；同樣的，在軸心使用含銅比例更高的合金，也會使馬達的生產(chǎn)成本上升。
至于散熱，更是每家馬達制造業(yè)者都必須嚴肅面對的問題，因為熱是馬達最大的敵人。 漆包線的電阻跟溫度成正比，當溫度上升，線路的電阻會增加，導(dǎo)致輸出功率下降。 但馬達為了輸出足夠的功率來推動負載，會增加電流，這又會進一步造成更大的銅損，導(dǎo)致溫度上升，形成惡性循環(huán)。 因此，高效率馬達通常會搭配冷卻風扇，來確保馬達本體的散熱性。
不過，鄭志鴻指出，近年來變頻驅(qū)動架構(gòu)越來越流行，馬達的散熱設(shè)計也必須做出因應(yīng)調(diào)整，才能實現(xiàn)良好的散熱。 在變頻驅(qū)動架構(gòu)下，馬達全速運轉(zhuǎn)的時間其實很短，大多數(shù)時候都是怠速運轉(zhuǎn)，但傳統(tǒng)的馬達風扇是同步風扇，也就是轉(zhuǎn)子在帶動軸心旋轉(zhuǎn)時，會同步帶動風扇旋轉(zhuǎn)，因此當馬達怠速時，風扇產(chǎn)生的氣流往往不足以冷卻馬達。 久而久之，馬達的壽命會受到不小影響。 解決之道就是把同步風扇改成主動風扇，確保馬達在任何時刻都有足夠的冷卻氣流。
