家電產品采用無刷直流（BLDC）馬達或永磁同步馬達（PMSM）等變頻設計的風潮日益盛行，促使微控制器（MCU）業者加緊推出更高運算性能與周邊規格的產品，并紛紛強化功率半導體元件戰力，以提供完整的變頻馬達控制和驅動解決方案。

　　無刷直流變頻馬達強勢席卷馬達市場。傳統的小型電機系統內，應用的馬達多為交流單相感應馬達（Single-phase Induction Motor），后來有部分應用市場將其汰換為效率稍高的直流有刷馬達（Brushed DC Motor）；不過，為了減少電刷帶來的功率損耗與危險，利用半導體元件與電子電路改變馬達磁場進而產生電力的無刷構造馬達，其勢力正在快速崛起。

　　功耗低又安全　無刷馬達賣相佳

　　圖1　意法半導體大中華暨南亞區產品行銷經理楊正廉表示，以電子電路控制的無刷構造馬達，讓半導體元件商有大展身手的機會。

　　意法半導體（ST）大中華暨南亞區產品行銷經理楊正廉（圖1）表示，為了改善交流感應馬達效率不佳的詬病，市場上一度掀起有刷直流馬達風潮；不過，有刷直流馬達在電路設計、轉動方向上雖容易控制，且靜態轉矩高、啟動扭力大，不過因其含電刷（碳刷）構造，在運轉過程中會造成明顯的功率損耗，降低整體馬達輸出功率，使其能效不甚理想。

　　有刷直流馬達是靠電流流經電刷，再經電樞轉動，而其垂直磁場的產生則系經由電刷與換相器 （Commutator）的調整，使流入電樞的電流，能控制磁場變化。其缺點除了因電刷摩擦帶來的功率損耗之外，更有安全上的疑慮，因為電刷與換相器間容易產生火花，且須定期清理電刷磨擦所產生的污物，使用一段時間后還可能因故障而須定期更換，增添使用的不便利性。

　　楊正廉進一步表示，至于無刷馬達的設計，主要是解決直流有刷馬達的電刷與換相器功率損耗問題，其運作原理與有刷式直流馬達最大的不同，在于改以電子電路控制方式，而使轉子與定子磁場能保持在90度相位差，再配合適當的驅動電路，有效控制換相時序，以提高效率或增加轉速范圍。

　　此外，由于無刷馬達是靠線圈產生磁場再讓電樞運轉，少了電刷與軸的摩擦，因此較為省電、安靜。

　　值得注意的是，改以電子電路方式控制的無刷馬達，也讓半導體元件商有大展身手的機會。楊正廉表示，過去傳統架構的馬達，僅需簡單的電壓輸入與輸出即可驅動馬達運轉，不需復雜的磁場控制與變頻需求，其控制重點在于機械設計部分，因此微控制器（MCU）、功率元件僅是配角；不過，透過電子電路控制方式產生磁場的無刷構造馬達，則讓MCU及功率半導體元件一躍成為馬達世界的當紅主角。

　　楊正廉分析，馬達講求控制速度、精確度等各種參數的即時性及正確性，因此內部的控制元件不但要有高性能表現，亦須有完善的軟體演算法支援，所以目前MCU廠商除了提供完整的開發平臺之外，亦會同步建置軟體資料庫。

　　以意法半導體為例（圖2），該公司不僅針對不同等級的馬達控制應用提供以安謀國際（ARM）Cortex-M0到Cortex-M4為核心的全系列硬體開發套件，并搭配周邊驅動電路配置參考設計，平均每三個月還會更新一次軟體資料庫，讓馬達開發商透過軟體演算做到最精準的調校。

　　圖2　意法半導體針對馬達控制應用推出的Cortex-M0到Cortex-M4 MCU產品藍圖　

　　在多種無刷構造馬達產品中，又以直流無刷馬達（Brushless DC Electric Motor， BLDC）與永磁同步馬達（Permanent-magnet Synchronous Motor， PMSM）最受矚目，此兩種馬達又可統稱為直流變頻馬達（圖3）；隨著消費者節能環保意識逐漸抬頭，這種無刷構造的直流變頻馬達，亦正全面搶進家電應用市場。

　　圖3　BLDC/PMSM架構圖

　　家電吹起變頻風　BLDC/PMSM前景看俏

　　為了改善家電的節能及運轉效率，不少廠商已開始將家電采用的傳統交流感應馬達，汰換成BLDC或PMSM馬達。這兩者皆系透過變頻電路設計達到可調速的變頻效果，雖然初期采用成本較高，不過在消費者環保意識抬頭之下，BLDC及PMSM市場正在穩定起飛。


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　　圖4　合泰半導體產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章指出，在消費者環保意識抬頭之下，BLDC及PMSM市場正在穩定起飛。

　　合泰半導體產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章（圖4）表示，傳統交流感應馬達存在于大部分家電產品中，其變頻原理系透過簡單的V /F（Voltage/Frequency）來控制馬達轉速；而為了提升交流感應馬達的功率，業界已開始透過功率元件構成的變頻電路，讓部分采用傳統交流感應馬達的小家電能以相同的轉速提供較大馬力，不過其效率值仍不理想。

　　潘健章進一步指出，相較之下，透過變頻電路設計來達到調速功能的BLDC及PMSM馬達，則擁有靜音、節能、產品壽命周期長，以及在相同功率下，因能提供馬達較高扭力，所以體積較小等特點，這些都是交流感應馬達難以媲美的優勢。隨著現代人開始愿意花較高成本來提高生活品質，擁有變頻功能的家電產品需求已逐漸涌現。

　　從應用產品來看，現階段以變頻空調發展相對比較成熟，變頻冰箱和變頻洗衣機則處于起步階段，具有廣闊的市場成長空間，而且對變頻技術的要求更加苛刻。

　　飛思卡爾（Freescale）亞太區微控制器（MCU）業務拓展與市場經理李唐山進一步分析，變頻馬達對于微控制器的運轉時脈，及內置的類比數位轉換器（ADC）和脈沖寬度調變（PWM）都有一定要求。

　　李唐山進一步說明，以磁場導向控制（Field Orientated Control， FOC）的高效能馬達（如PMSM）為例，因應馬達的高速旋轉需求，ADC速度須至少為1Mbit/s，在采樣的間隔時間內，ADC又必須完成三相到兩相靜止坐標系，再到旋轉坐標系的變換，以及搭配相關的運算和控制，并即時完成系統的其他回應。

　　不過，李唐山表示，PMSM雖然結構緊湊、性能上適合以弦波控制，所以雜訊更小、效率和可靠性更佳，但囿于成本較高，目前普及率仍不理想，預計至2015年PMSM市場才會明顯增長，因此BLDC仍會是未來幾年內的主流。

　　圖5　德州儀器馬達事業部現場應用工程師劉俊男認為，MCU廠商為了搶攻變頻馬達商機，已紛紛強化功率半導體元件的戰力。

　　德州儀器（TI）馬達事業部現場應用工程師劉俊男（圖5）亦認為，目前市面上采用BLDC馬達的小家電，僅約占一成多，未來成長空間巨大，因而成為半導體廠商注目的焦點。

　　事實上，BLDC可依照不同產品需求，選擇以方波或弦波控制馬達運作。潘健章解釋，方波控制方案的優點為設計簡單、便宜、馬力大；而使用弦波驅動方案可大幅降低馬達側向力的作用，達到降低振動噪音的效果，因此對MCU的規格要求也較高。

　　潘健章進一步分析，雖然BLDC在馬達理論上是屬于方波電壓馬達，不過為了讓無法導入高成本PMSM馬達的家電，仍能享有趨近于PMSM能效的產品優勢，因此也有不少廠商開始推出BLDC馬達改搭弦波控制的方案，尤其是訴求靜音效果的家電更有此需求，如靜音落地扇，而諸如吸塵器、電動機等對噪聲要求不嚴苛的產品，則仍采用方波控制的BLDC馬達。

　　值得注意的是，面對變頻家電帶來的BLDC及PMSM商機，MCU廠商也祭出各種方案搶攻不同的應用市場。如合泰半導體針對電動工具、風扇等低價位需求的BLDC馬達應用，以及冷氣、電冰箱壓縮機、洗衣機等訴求高效能的PMSM應用，各祭出8位元及32位元MCU系列；飛思卡爾則是以32位元的數位訊號控制器（DSC）或是Kinetis KV MCU搭配馬達開發套件（Motor Suite）來搶攻高效率馬達市場。

　　事實上，無論是BLDC或PMSM，其與交流感應馬達最大的不同之處，就在于變頻電路的設計，因此MCU廠為了強攻變頻馬達市場，除了提升MCU的控制性能之外，亦戮力強化與MCU搭配的功率元件戰力。

　　強化功率元件戰力　MCU廠猛攻直流變頻馬達

　　劉俊男表示，歐盟在2015年時預計將7.5千瓦（kW）以上之馬達最低能效標準（MEPS）提升至IE3，到2017年時，才將IE3管制范圍向下探至0.75kW以上，從這可以觀察出，相較于7.5kW以上的大功率馬達，要提升小功率馬達的效率相對來說較為困難。

　　劉俊男進一步分析，在過去，由于小型電機系統，為了降低電子電路成本及設計復雜度，因此會傾向于采用便宜、設計簡單的交流感應馬達，但其效率往往不佳；不過，因應高效率馬達發展趨勢，透過變頻器（Variable-frequency Drive， VFD）調節馬達頻率、速度、功率輸出的變頻馬達，將會加速侵蝕交流感應馬達在小功率馬達的市場，而MCU廠商為了搶攻此波商機，亦紛紛強化功率半導體元件的戰力。

　　據了解，直流變頻馬達的變頻電路，其技術牽涉層面包括半導體切換元件、變頻器拓撲、控制、模擬技術，以及控制硬體及韌體等。劉俊男進一步指出，變頻電路指的系由功率元件組成的整合型功率模組（Integrated Power Module， IPM），其包含閘極驅動器（Gate Driver）、金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）或絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）等關鍵元件。

　　以德州儀器為例，該公司即分別針對7.5kW以上及以下的變頻馬達應用推出「Driver」及「Pre-driver」功率元件組；另外，由于驅動電路的導通阻抗和開關損耗會直接影響馬達系統的能效，飛思卡爾則推出了H橋和雙H橋產品，以降低導通損耗。

　　此外，意法半導體則是同時提供MCU為基礎的控制開發板，及功率級（Power Stage）電子電路開發板（Power Board），讓開發商自由搭配設計，力求能符合不同產品的應用需求（圖6）；盛群半導體則瞄準中國大陸市場，效仿聯發科技在中國大陸的成功模式，于1年多前開始針對馬達應用推出Turn-key解決方案（圖7），拉攏臺、陸系的功率半導體元件供應商，將其解決方案放置在公板平臺上，發揮一加一大于二的產品戰力。

　　圖6　意法半導體各式馬達控制板與電子電路開發板　

　　圖7　盛群半導體的Turnkey方案，包含控制板、驅動板、隔離板。

　　另一個值得關注的趨勢，則是無感測器馬達應用日益受到矚目。

　　為了要感應BLDC及PMSM的轉子位置，馬達系統中須置入磁性感測器，以將轉子位置資訊回授給控制器并輸出相應訊號，從而驅動馬達運轉。不過這種設計方式雖然簡易，但故障率高，因此為降低感測器及相關線材成本，并延長馬達使用壽命，無感測器馬達設計已日益受到重視。

　　降低系統成本/故障率　無感測器馬達需求暢旺

　　圖8　新唐科技馬達行銷處處長李新洲談到，無感測器方案對于MCU規格要求較高，因此過去不廣為所用；不過近年來，馬達開發商為了降低制造和維護成本，對無感測器BLDC/PMSM方案的需求日益提升。

　　新唐科技馬達行銷處處長李新洲（圖8）表示，目前BLDC及PMSM的運作方式可分為霍爾效應感測器（Hall Effect Sensor）或無感測器（Sensor-less）方案。無感測器方案對于MCU規格要求較高，過去不廣為所用；不過近年來，馬達開發商為了降低制造和維護成本，對無感測器BLDC/PMSM方案的需求已逐漸攀升。

　　事實上，霍爾感測器是根據霍爾效應制作的一種磁場感測器，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數，其廣泛應用于工業自動化技術、檢測技術等方面。在BLDC及PMSM馬達中，霍爾感測器的任務則是為了要感應隸屬于磁性元件的轉子位置，并將轉子位置參數回報到MCU，再由MCU依據轉子位置輸出相對應的控制訊號，來驅動馬達運轉。

　　李新洲指出，透過霍爾感測器來感應轉子位置，進而驅動馬達運轉，雖然系統設計較為簡易，不過其缺點在于返修率高。他進一步解釋，由于霍爾感測器緊臨不斷移動、旋轉的轉子旁，長期以往元件本身難免受損，當霍爾感測器故障時，將牽一發而動全身，馬達也就無法正常運轉。另一方面，某些馬達的機構設計，本就不適合放置霍爾感測器，如空調系統、洗衣機或冰箱都必須將馬達密閉安裝于壓縮機內，這些設計方式都將限制霍爾感測器的應用。

　　相反地，無感測器方案則能省去額外的機械元件及感測器線路，不僅降低物料成本，并提升可靠性，更能減低因霍爾感測器磨損而導致馬達故障的機率。

　　李新洲表示，無感測器方案的原理是透過偵測反電動勢（Back-Electromotive Force， Back-EMF）電壓差，來獲取轉子位置資訊。據了解，反電動勢取決于轉子角速度、轉子磁體產生的磁場、定子繞組的匝數。因此他分析，無感測器方案的 MCU，除須含有ADC、比較器等元件之外，其關鍵核心在于MCU的演算法如何分析轉子的反電動勢波形進而輸出控制訊號。

　　綜合前述，依照產品應用需求，馬達可選擇以方波、弦波控制，以及有感測器及無感測器方案，因此MCU可粗分為四種類型，分別為方波霍爾感測器方案、方波無感測器方案、弦波霍爾感測器方案、弦波無感測器方案。

　　值得注意的是，為了同時符合有感測器及無感測方案的應用需求，MCU廠商也開始推出雙模方案。李新洲表示，如此一來，即使位處前鋒的霍爾感測器故障，MCU也能立即啟動演算法分析反電動勢電壓差獲知轉子位置參數，讓馬達照常運轉。

　　顯而易見，以BLDC及PMSM為首的高效率變頻馬達已成為半導體元件商的關注焦點，而其中所牽涉的系統控制及電子電路設計，亦讓MCU及半導體功率元件成為馬達控制系統中的要角，此更將刺激MCU廠商推出各式解決方案，希冀能于高效直流變頻馬達市場中搶得一席之地。