隨著制造業(yè)向智能化加速轉(zhuǎn)型，工業(yè)4.0已上升為德國的國家戰(zhàn)略。我們關注到，德國提出工業(yè)4.0， 美國提出“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，我國也在推進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級。在這樣的大背景下，傳統(tǒng)的電機和電機控制行業(yè)也正在發(fā)生變化。
一場智能工業(yè)革命正席卷從工業(yè)控制到白家電等所有市場，業(yè)界對馬達控制要求正在快速增長。馬達控制是MCU應用的一項重要領域，可說是服務于我們工作與生活各個面向，但它卻也占據(jù)了能源消耗中最大的一部分，所以如何更好地提高馬達控制的使用效率以實現(xiàn)節(jié)能的要求，是當前市場一項主要的挑戰(zhàn)。
隨著智能工業(yè)刮起工業(yè)4.0風暴及馬達本身設計的不斷優(yōu)化，及其帶來相應的控制方式也在轉(zhuǎn)變，這讓控制器中的MCU性能需求不斷攀升，比如矢量控制，空間磁場定向，坐標分解以及PI調(diào)節(jié)環(huán)路等，這在以前比較常采用8/16位單片機的控制器就已經(jīng)遇到了性能的瓶頸。
此外，我們也注意到在很多場合，用戶希望把一些系統(tǒng)控制的功能與馬達控制的功能放在一顆芯片里實現(xiàn)，這樣的反饋對于傳統(tǒng)的DSP方案也帶來了挑戰(zhàn)。
有鑒于此，馬達與MCU面臨諸多挑戰(zhàn)，我們該如何把握市場新機遇，從而改變設計策略，以“變”制“變”?
三大趨勢與挑戰(zhàn)：分布式與集成、智能化網(wǎng)絡化和遠程控制及節(jié)能
電機系統(tǒng)節(jié)能是大勢所趨。為提升能效等級，工信部今年6月份剛剛公布了電機能效提升計劃(2013-2015年)，到2015年，實現(xiàn)電機產(chǎn)品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動機產(chǎn)品、40%的高壓電動機產(chǎn)品達到高效電機能效標準規(guī)范;累計推廣高效電機1.7億千瓦，淘汰在用低效電機1.6億千瓦，實施電機系統(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實施淘汰電機高效再制造2000萬千瓦。
圖1 IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木指出，電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導體芯片廠商也能提供集成的解決方案。
圖2 中國低壓馬達市場及產(chǎn)品類別組成圖-2011年 vs. 2015年(Source：IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木)
IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木(圖1)表示，馬達與MCU主要的趨勢和挑戰(zhàn)包括三個方面：分布式電機控制系統(tǒng)與集成的電機控制產(chǎn)品;智能化、網(wǎng)絡化和遠程控制;電機系統(tǒng)節(jié)能。
周萬木指出，電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導體芯片廠商也能提供集成的解決方案，在單顆芯片中集成更多的功能，I/O，驅(qū)動，控制算法以及工業(yè)以太網(wǎng)模塊等。
周萬木進一步指出，8位MCU因為價格便宜，性能穩(wěn)定，應用范圍極為廣范，比如信號檢測，LED照明控制，電源轉(zhuǎn)換控制和BLDC電機控制，這些應用中8位MCU就已經(jīng)足夠。而電機系統(tǒng)自動故障報警、遠程監(jiān)控和遠程診斷調(diào)試等需求，將會使用越來越多的功能更多，處理能力更強的MCU，DSP和FPGA。8位MCU在變頻器控制、伺服電機控制、電力與能源監(jiān)控， 越來越多的以太網(wǎng)應用等現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境下遇到了瓶頸。同時，另外32位MCU價格在進一步的走低，8位MCU和32位MCU的價格差異在縮小，所以未來的電機控制系統(tǒng)會用到越來越多的32位MCU。另外，遠程電機溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監(jiān)測等需求將會為模擬芯片創(chuàng)造更多的市場機會。
整合處理與模擬性能 8位MCU市場空間大增
在馬達控制微控制器(MCU)市場中，Silicon Labs(芯科實驗室)則認為8位微控制器有著極為廣泛的應用，如遙控直升機和玩具車、PC風扇、其他電動風扇、小型電動工具(電鉆和電鋸)和小家電等。這與其能為這些無刷直流馬達控制相關應用提供專門優(yōu)化的高性能、高精度模擬8位MCU不無關系。
提及馬達與MCU面臨新挑戰(zhàn)，Silicon Labs公司8位MCU產(chǎn)品市場經(jīng)理Abhijit Grewal強調(diào)，在馬達控制應用選擇MCU解決方案時需要考慮很多因素，其中重要的是處理性能與芯片上模擬功能的級別。鑒此，圍繞高速8051內(nèi)核設計了F85x/6x系列MCU，該內(nèi)核比同類競爭對手產(chǎn)品速度提高了50%，特別適用于馬達控制應用。
圖3 Silicon Labs公司8位MCU產(chǎn)品市場經(jīng)理Abhijit Grewal表示，在馬達控制應用選擇MCU解決方案時需要考慮很多因素，其中重要的是處理性能與芯片上模擬功能的級別。
Abhijit Grewal表示，未來馬達控制MCU的發(fā)展趨勢是更高性價比和更高模擬功能集成度，從而帶來更大的靈活性和更高的易用性。
【導讀】隨著智能工業(yè)刮起工業(yè)4.0風暴及馬達本身設計的不斷優(yōu)化，及其帶來相應的控制方式也在轉(zhuǎn)變，這讓控制器中的MCU性能需求不斷攀升。有鑒于此，馬達與MCU面臨諸多挑戰(zhàn)，我們該如何把握市場新機遇，從而改變設計策略，以“變”制“變”?
隨著制造業(yè)向智能化加速轉(zhuǎn)型，工業(yè)4.0已上升為德國的國家戰(zhàn)略。我們關注到，德國提出工業(yè)4.0， 美國提出“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，我國也在推進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級。在這樣的大背景下，傳統(tǒng)的電機和電機控制行業(yè)也正在發(fā)生變化。[!--empirenews.page--]
一場智能工業(yè)革命正席卷從工業(yè)控制到白家電等所有市場，業(yè)界對馬達控制要求正在快速增長。馬達控制是MCU應用的一項重要領域，可說是服務于我們工作與生活各個面向，但它卻也占據(jù)了能源消耗中最大的一部分，所以如何更好地提高馬達控制的使用效率以實現(xiàn)節(jié)能的要求，是當前市場一項主要的挑戰(zhàn)。
隨著智能工業(yè)刮起工業(yè)4.0風暴及馬達本身設計的不斷優(yōu)化，及其帶來相應的控制方式也在轉(zhuǎn)變，這讓控制器中的MCU性能需求不斷攀升，比如矢量控制，空間磁場定向，坐標分解以及PI調(diào)節(jié)環(huán)路等，這在以前比較常采用8/16位單片機的控制器就已經(jīng)遇到了性能的瓶頸。
此外，我們也注意到在很多場合，用戶希望把一些系統(tǒng)控制的功能與馬達控制的功能放在一顆芯片里實現(xiàn)，這樣的反饋對于傳統(tǒng)的DSP方案也帶來了挑戰(zhàn)。
有鑒于此，馬達與MCU面臨諸多挑戰(zhàn)，我們該如何把握市場新機遇，從而改變設計策略，以“變”制“變”?
三大趨勢與挑戰(zhàn)：分布式與集成、智能化網(wǎng)絡化和遠程控制及節(jié)能
電機系統(tǒng)節(jié)能是大勢所趨。為提升能效等級，工信部今年6月份剛剛公布了電機能效提升計劃(2013-2015年)，到2015年，實現(xiàn)電機產(chǎn)品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動機產(chǎn)品、40%的高壓電動機產(chǎn)品達到高效電機能效標準規(guī)范;累計推廣高效電機1.7億千瓦，淘汰在用低效電機1.6億千瓦，實施電機系統(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實施淘汰電機高效再制造2000萬千瓦。
圖1 IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木指出，電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導體芯片廠商也能提供集成的解決方案。
圖2 中國低壓馬達市場及產(chǎn)品類別組成圖-2011年 vs. 2015年(Source：IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木)
IHS Electronics & Media工業(yè)自動化組高級分析師周萬木(圖1)表示，馬達與MCU主要的趨勢和挑戰(zhàn)包括三個方面：分布式電機控制系統(tǒng)與集成的電機控制產(chǎn)品;智能化、網(wǎng)絡化和遠程控制;電機系統(tǒng)節(jié)能。
周萬木指出，電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU， FPGA和DSP性能的要求越來越高，同時要求半導體芯片廠商也能提供集成的解決方案，在單顆芯片中集成更多的功能，I/O，驅(qū)動，控制算法以及工業(yè)以太網(wǎng)模塊等。
周萬木進一步指出，8位MCU因為價格便宜，性能穩(wěn)定，應用范圍極為廣范，比如信號檢測，LED照明控制，電源轉(zhuǎn)換控制和BLDC電機控制，這些應用中8位MCU就已經(jīng)足夠。而電機系統(tǒng)自動故障報警、遠程監(jiān)控和遠程診斷調(diào)試等需求，將會使用越來越多的功能更多，處理能力更強的MCU，DSP和FPGA。8位MCU在變頻器控制、伺服電機控制、電力與能源監(jiān)控， 越來越多的以太網(wǎng)應用等現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境下遇到了瓶頸。同時，另外32位MCU價格在進一步的走低，8位MCU和32位MCU的價格差異在縮小，所以未來的電機控制系統(tǒng)會用到越來越多的32位MCU。另外，遠程電機溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監(jiān)測等需求將會為模擬芯片創(chuàng)造更多的市場機會。
整合處理與模擬性能 8位MCU市場空間大增
在馬達控制微控制器(MCU)市場中，Silicon Labs(芯科實驗室)則認為8位微控制器有著極為廣泛的應用，如遙控直升機和玩具車、PC風扇、其他電動風扇、小型電動工具(電鉆和電鋸)和小家電等。這與其能為這些無刷直流馬達控制相關應用提供專門優(yōu)化的高性能、高精度模擬8位MCU不無關系。
提及馬達與MCU面臨新挑戰(zhàn)，Silicon Labs公司8位MCU產(chǎn)品市場經(jīng)理Abhijit Grewal強調(diào)，在馬達控制應用選擇MCU解決方案時需要考慮很多因素，其中重要的是處理性能與芯片上模擬功能的級別。鑒此，圍繞高速8051內(nèi)核設計了F85x/6x系列MCU，該內(nèi)核比同類競爭對手產(chǎn)品速度提高了50%，特別適用于馬達控制應用。
圖3 Silicon Labs公司8位MCU產(chǎn)品市場經(jīng)理Abhijit Grewal表示，在馬達控制應用選擇MCU解決方案時需要考慮很多因素，其中重要的是處理性能與芯片上模擬功能的級別。
Abhijit Grewal表示，未來馬達控制MCU的發(fā)展趨勢是更高性價比和更高模擬功能集成度，從而帶來更大的靈活性和更高的易用性。
【導讀】隨著智能工業(yè)刮起工業(yè)4.0風暴及馬達本身設計的不斷優(yōu)化，及其帶來相應的控制方式也在轉(zhuǎn)變，這讓控制器中的MCU性能需求不斷攀升。有鑒于此，馬達與MCU面臨諸多挑戰(zhàn)，我們該如何把握市場新機遇，從而改變設計策略，以“變”制“變”?
馬達控制MCU戰(zhàn)云起 合泰搶攻8/32位MCU灘頭陣地
合泰半導體(中國)有限公司產(chǎn)品技術開發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術部專案處長潘健章表示，常年深耕家電產(chǎn)品MCU市場的合泰半導體，在馬達控制MCU上，主要分為低價位、高性價比的8-bit MCU(例HT66FM5230/HT66FM5240)與高效能的32-bit MCU。
圖4 合泰半導體(中國)有限公司產(chǎn)品技術開發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術部專案處長潘健章表示，馬達動力組件從ACIM改采DC馬達已成趨勢，合泰當前主攻低價位、高性價比的8-bit MCU與高效能的32-bit MCU。
潘健章認為，馬達及控制器的挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：[!--empirenews.page--]
馬達動力組件從ACIM改采DC馬達已成趨勢，包括DC有刷電機與DC無刷電機，馬達控制與MCU技術上的新挑戰(zhàn)如下：
(1)節(jié)能標章：”節(jié)能標章”在家電產(chǎn)品成新規(guī)格，在全世界各地政府推行，不能通過節(jié)能標章的產(chǎn)品會被供應鏈淘汰。功率轉(zhuǎn)換效率技術包含了馬達組件耗損、MCU的控制整合、與PFC電路。
(2)靜音： 追求更低噪音，成家電產(chǎn)品的新訴求，提高生活質(zhì)量，家電產(chǎn)品以有、無功能選擇產(chǎn)品的時代已過去。
(3)智能家電： 無級調(diào)速，生活與消費的新趨勢，已轉(zhuǎn)向以家庭為中心，外觀漂亮、簡單易用、性能高與性價比高已成為家電產(chǎn)品的新需求，家電產(chǎn)品的新體驗也成為與他人互動交流的共通話題。
這些挑戰(zhàn)將加速推動馬達控制器新一波革命浪潮。
32位MCU蠶食8位MCU馬達市場 FPGA方案尚欠火候
與Silicon Labs和合泰鐘情于8位MCU不同，飛思卡爾微控制器部工業(yè)和多元市場運營高級應用工程師葉萬富指出，近年來，各廠商紛紛推出的低端32位MCU因其較小的價格差異、更高的性能正在蠶食8位MCU的市場，特別是基于ARM的Cortex-M0，M0+，M3及M4等內(nèi)核的馬達控制MCU產(chǎn)品。而在更復雜、更高效和更智能先進的馬達控制應用中，DSC和高端32位MCU占著市場主導位置，僅很少部分使用FPGA方案。
圖5 飛思卡爾微控制器部工業(yè)和多元市場運營高級應用工程師葉萬富指出，在低端市場，低端32位MCU因其較小的價格差異、更高的性能正在蠶食8位MCU的市場;在高端馬達市場，DSC和高端32位MCU占著市場主導位置，僅很少部分使用FPGA方案。
葉萬富強調(diào)，飛思卡爾半導體作為業(yè)界領先的馬達控制MCU提供商，能夠提供全系列從低端到高端的馬達控制MCU產(chǎn)品。
葉萬富進一步指出，為了迎合馬達控制系統(tǒng)所面臨的新挑戰(zhàn)，未來的馬達控制MCU設計需要重點考慮以下幾方面新趨勢：1，更高的性能，更強的數(shù)據(jù)運算能力，并行快速的數(shù)據(jù)處理，以及支持實時操作系統(tǒng)的多任務處理能力;2，更高的集成度;3，高可靠性;4，低功耗;5，具有競爭力的成本;6，豐富的外圍擴展性能;7，簡單易用的開發(fā)工具和穩(wěn)定可靠的控制算法庫。
智能工業(yè)革命要求馬達控制MCU具有更多且更專注的外設、具有磁場導向控制(FOC)功能、有源功率效正因素(PFC)以及DSP功能。同時，MCU本身也要求有更低的功耗，因而采用新一代ARM核的MCU也正在流行。那么，為更好匹配市場及客戶所需，ARM的相應產(chǎn)品與市場策略是什么?
拓疆馬達應用版圖 ARM戮力豐富生態(tài)系統(tǒng)資源
ARM中國嵌入式應用市場經(jīng)理耿立峰表示，由于馬達的應用層面相當廣泛，而不同的馬達對于MCU的需求也不盡相同，市面上已經(jīng)看到了越來越多采用ARM內(nèi)核的MCU解決方案。對于價格敏感同時對CPU處理能力要求不是太高的應用，比如電動自行車/直流風扇等，ARM Cortex-M0或者Cortex-M0+就是非常理想的平臺。需要再高一點性能的，比如變頻空調(diào)/冰箱/洗衣機等控制應用，則可以考慮Cortex-M3。再者，如果需要用到DSP指令甚至浮點運算單元，還可以考慮Cortex-M4。
圖6 ARM中國嵌入式應用市場經(jīng)理耿立峰表示，由于馬達的應用層面相當廣泛，而不同的馬達對于MCU的需求也不盡相同，市面上已經(jīng)看到了越來越多采用ARM內(nèi)核的MCU解決方案。ARM戮力為馬達控制領域的產(chǎn)業(yè)伙伴提供豐富的生態(tài)系統(tǒng)資源。
為了方便廣大工程師在Cortex-M這個平臺上的項目開發(fā)，ARM還提供標準軟件接口和代碼庫， CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard)。針對Cortex-M4中的DSP功能，CMSIS-DSP部分提供了超過60多種功能的DSP算法庫 。除了ARM所提供的資源，眾多的芯片合作伙伴在ARM內(nèi)核的基礎上也不斷開發(fā)創(chuàng)新性的片上外設資源(ADC，PWM， Comparator等)以及參考設計，這些都為ARM平臺在馬達控制領域的產(chǎn)業(yè)伙伴提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)資源。
全球知名MCU原廠在電機市場合縱連橫，戰(zhàn)鼓正盛，創(chuàng)新的烽火依舊延續(xù)著...
歐美臺日主導 馬達控制MCU應用四面開花
在這波馬達與MCU革新大潮驅(qū)動下，馬達控制MCU目前呈現(xiàn)百家爭鳴的狀態(tài)，日系、歐系、美系、臺系MCU大廠，各展身手，在經(jīng)濟尚不景氣的大時代背景下，市場呈現(xiàn)低價與高價的產(chǎn)品暢銷兩極化趨向，合泰身為臺系MCU大廠，通吃高低階MCU市場。
雖然，近年來，中國臺灣及大陸MCU勢力崛起迅猛，然而由于過去歐美日系大廠曾投資于各種MCU系列產(chǎn)品，積累了豐富的應用技術，且具有得到實際檢驗的成套開發(fā)工具支持開發(fā)，故歐美和日本廠商將繼續(xù)主導中國MCU市場，短期內(nèi)或難以改變這一現(xiàn)狀。
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