专注马达控制/驱动方案，MCU厂商掀起家电变频风

　　家电产品采用无刷直流（BLDC）马达或永磁同步马达（PMSM）等变频设计的风潮日益盛行，促使微控制器（MCU）业者加紧推出更高运算性能与周边规格的产品，并纷纷强化功率半导体元件战力，以提供完整的变频马达控制和驱动解决方案。

　　无刷直流变频马达强势席卷马达市场。传统的小型电机系统内，应用的马达多为交流单相感应马达（Single-phase Induction Motor），后来有部分应用市场将其汰换为效率稍高的直流有刷马达（Brushed DC Motor）；不过，为了减少电刷带来的功率损耗与危险，利用半导体元件与电子电路改变马达磁场进而产生电力的无刷构造马达，其势力正在快速崛起。

　　功耗低又安全　无刷马达卖相佳

　　

　　图1　意法半导体大中华暨南亚区产品行销经理杨正廉表示，以电子电路控制的无刷构造马达，让半导体元件商有大展身手的机会。

　　意法半导体（ST）大中华暨南亚区产品行销经理杨正廉（图1）表示，为了改善交流感应马达效率不佳的诟病，市场上一度掀起有刷直流马达风潮；不过，有刷直流马达在电路设计、转动方向上虽容易控制，且静态转矩高、启动扭力大，不过因其含电刷（碳刷）构造，在运转过程中会造成明显的功率损耗，降低整体马达输出功率，使其能效不甚理想。

　　有刷直流马达是靠电流流经电刷，再经电枢转动，而其垂直磁场的产生则系经由电刷与换相器 （Commutator）的调整，使流入电枢的电流，能控制磁场变化。其缺点除了因电刷摩擦带来的功率损耗之外，更有安全上的疑虑，因为电刷与换相器间容易产生火花，且须定期清理电刷磨擦所产生的污物，使用一段时间后还可能因故障而须定期更换，增添使用的不便利性。

　　杨正廉进一步表示，至于无刷马达的设计，主要是解决直流有刷马达的电刷与换相器功率损耗问题，其运作原理与有刷式直流马达最大的不同，在于改以电子电路控制方式，而使转子与定子磁场能保持在90度相位差，再配合适当的驱动电路，有效控制换相时序，以提高效率或增加转速范围。

　　此外，由于无刷马达是靠线圈产生磁场再让电枢运转，少了电刷与轴的摩擦，因此较为省电、安静。

　　值得注意的是，改以电子电路方式控制的无刷马达，也让半导体元件商有大展身手的机会。杨正廉表示，过去传统架构的马达，仅需简单的电压输入与输出即可驱动马达运转，不需复杂的磁场控制与变频需求，其控制重点在于机械设计部分，因此微控制器（MCU）、功率元件仅是配角；不过，透过电子电路控制方式产生磁场的无刷构造马达，则让MCU及功率半导体元件一跃成为马达世界的当红主角。

　　杨正廉分析，马达讲求控制速度、精确度等各种参数的即时性及正确性，因此内部的控制元件不但要有高性能表现，亦须有完善的软体演算法支援，所以目前MCU厂商除了提供完整的开发平台之外，亦会同步建置软体资料库。

　　以意法半导体为例（图2），该公司不仅针对不同等级的马达控制应用提供以安谋国际（ARM）Cortex-M0到Cortex-M4为核心的全系列硬体开发套件，并搭配周边驱动电路配置参考设计，平均每三个月还会更新一次软体资料库，让马达开发商透过软体演算做到最精准的调校。

　　

　　图2　意法半导体针对马达控制应用推出的Cortex-M0到Cortex-M4 MCU产品蓝图　

　　在多种无刷构造马达产品中，又以直流无刷马达（Brushless DC Electric Motor， BLDC）与永磁同步马达（Permanent-magnet Synchronous Motor， PMSM）最受瞩目，此两种马达又可统称为直流变频马达（图3）；随着消费者节能环保意识逐渐抬头，这种无刷构造的直流变频马达，亦正全面抢进家电应用市场。

　　

　　图3　BLDC/PMSM架构图