ADI：為客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計(jì)帶來(lái)價(jià)值

作為機(jī)電工程能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，電機(jī)是電氣傳動(dòng)的基礎(chǔ)部件，在當(dāng)今社會(huì)中已無(wú)處不在，為現(xiàn)代生活的大量基礎(chǔ)應(yīng)用提供了動(dòng)力來(lái)源。后疫情時(shí)代，隨著數(shù)字技術(shù)、AI 加速向各領(lǐng)域滲透，電機(jī)應(yīng)用將伴隨技術(shù)創(chuàng)新和新能源汽車、5G、機(jī)器人、數(shù)字醫(yī)療、無(wú)人工廠等新興領(lǐng)域的興起，不斷走向更為廣闊的市場(chǎng)空間。

近年來(lái)，許多終端市場(chǎng)和應(yīng)用中的一個(gè)明顯趨勢(shì)是用高效率的無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC) 替換交流電機(jī)或機(jī)械泵。使用BLDC 的一些主要優(yōu)點(diǎn)包括更高的功率和熱效率、更高的空間/ 重量效率、更高的可靠性( 無(wú)刷)、在危險(xiǎn)環(huán)境下工作更安全( 不會(huì)像有刷電機(jī)一樣產(chǎn)生刷粉或火花)。此外，由于BLDC 電機(jī)采用電子換向方式，因此更易在應(yīng)用的速度范圍內(nèi)控制扭矩和速度參數(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制，例如保持扭矩或速度極限。

因?yàn)楦吲ぞ刂亓勘?、高功率因?shù)、響應(yīng)更快、結(jié)實(shí)耐用的構(gòu)造、易于維護(hù)、易于控制以及高效率等先天優(yōu)勢(shì)，永磁同步電機(jī)（PMSM）在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

ADI 專注于為運(yùn)動(dòng)控制提供新技術(shù)和解決方案，比如ADI Trinamic 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案可為3D 打印、相機(jī)、掃描儀和其他自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用提供集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，ADI OtoSense 智能電機(jī)傳感器(SMS) 能夠檢測(cè)電機(jī)及機(jī)器人系統(tǒng)的震動(dòng)及異常情況，以及可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)等等，為幫助客戶實(shí)現(xiàn)下一代先進(jìn)和可持續(xù)的運(yùn)動(dòng)控制提供可靠的產(chǎn)品和技術(shù)支撐，滿足家庭自動(dòng)化、辦公室自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和AGV、醫(yī)療保健等不同領(lǐng)域的電機(jī)控制應(yīng)用。

ADI 針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)要求的低功耗、高效率、安全與互聯(lián)，提供了門類齊全的產(chǎn)品組合，其中包括了模數(shù)/ 數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler 數(shù)字隔離器、電源管理器件和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案，以及ADI Trinamic 運(yùn)動(dòng)控制模塊等等。這些高性能的器件和系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計(jì)帶來(lái)價(jià)值。相關(guān)的解決方案包括但不限于：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制處理器硬件平臺(tái)至關(guān)重要，ADI 提供用于高端驅(qū)動(dòng)和伺服器控制的ADSP-CM40x 混合信號(hào)處理器，以及用于運(yùn)動(dòng)控制器和高端驅(qū)動(dòng)以及伺服控制的ADSP-214xx SHARC 浮點(diǎn)DSP；

克服光耦合器和高壓柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案局限性的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器系列采用ADI經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的iCoupler 技術(shù)，提供50 ns 最大傳播延遲、小于5 ns 通道間匹配、400V rms 工作電壓下的50 年工作壽命和單封裝電流隔離優(yōu)勢(shì)；

用于驅(qū)動(dòng)大功率工業(yè)電機(jī)的新型嵌入式運(yùn)動(dòng)控制模塊，控制技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了工業(yè)電機(jī)的功耗，將大大降低浪費(fèi)的功率，能夠驅(qū)動(dòng)功率更高的工業(yè)步進(jìn)電機(jī)和無(wú)刷直流(BLDC) 電機(jī)；

電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的電源管理解決方案，包括數(shù)字功率因數(shù)校正(PFC) 控制器、高速M(fèi)OSFET 驅(qū)動(dòng)器、集成式調(diào)節(jié)器等。

ADI Trinamic 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案，基于精密傳感、信號(hào)調(diào)理和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高性能的智能線性運(yùn)動(dòng)控制，以助力工業(yè)生產(chǎn)。

ADI 早在多年前就意識(shí)到，更智能、高效率電機(jī)控制系統(tǒng)的新時(shí)代將是一個(gè)電機(jī)控制工業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)涌現(xiàn)的時(shí)代。出于這樣的認(rèn)識(shí)，ADI 與戰(zhàn)略合作伙伴共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)全面的集成式電機(jī)控制設(shè)計(jì)程序；這些戰(zhàn)略合作伙伴都是各自領(lǐng)域內(nèi)的專家(MathWorks、ARM、Boston Engineering、IAR Systems 和Xilinx)，目的在于解決整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)效率最大化的同時(shí)改善系統(tǒng)精度和可靠性。軟件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab & Simulink 工具對(duì)電機(jī)控制進(jìn)行建模，并自動(dòng)產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注于算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過(guò)程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過(guò)程。

此外，電機(jī)作為工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其健康安全非常重要，ADI 提供基于狀態(tài)監(jiān)控（CbM）的系統(tǒng)解決方案，能夠?qū)崟r(shí)在線和離線獲取、學(xué)習(xí)并感知邊緣的任何單向信號(hào)（聲音、振動(dòng)、壓力、電流、溫度等），用于連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和按需診斷，能夠在問(wèn)題變得嚴(yán)重之前確定工廠機(jī)器中的潛在問(wèn)題。

ADI 有能力提供極具創(chuàng)新性的電機(jī)控制解決方案，這些方案著眼于優(yōu)異的系統(tǒng)性能和業(yè)界領(lǐng)先的集成度，具備極佳的系統(tǒng)效率、可靠性和連接性。ADI 還擁有豐富的電機(jī)控制系統(tǒng)級(jí)知識(shí)和戰(zhàn)略技術(shù)合作伙伴聯(lián)盟，能為客戶提供獨(dú)特的系統(tǒng)服務(wù)與產(chǎn)品，并引領(lǐng)成為長(zhǎng)期技術(shù)合作伙伴。

提升電機(jī)能效

根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，電機(jī)占全球總電力消耗的45%，因此基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子產(chǎn)品的可靠性和能效，不僅對(duì)各種應(yīng)用的舒適性、便利性產(chǎn)生直接影響，還對(duì)世界環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在全球雙碳目標(biāo)壓力下，能耗“大戶”電機(jī)的低能耗技術(shù)將成為撐起“雙碳”世界的關(guān)鍵力量。

ADI早在多年前就意識(shí)到，更智能、高效率電機(jī)控制系統(tǒng)的新時(shí)代將是一個(gè)電機(jī)控制工業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)涌現(xiàn)的時(shí)代。ADI以系統(tǒng)級(jí)的角度來(lái)看待這些挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品不僅超越了性能規(guī)格，還代表了電路其他功能模塊之間的最佳接口。這種系統(tǒng)解決方案的方法讓ADI能夠?yàn)榛诠I(yè)的客戶提供完整的集成式解決方案，并在實(shí)現(xiàn)規(guī)格要求的同時(shí)幫助他們滿足最新、最苛刻的能源法規(guī)。除此以外，安全與互聯(lián)也是電機(jī)控制未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，可預(yù)測(cè)性維護(hù)也被越來(lái)越引入其中，互聯(lián)則指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的應(yīng)用與普及。

此外，ADI 也通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能降耗。以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，ADI Trinamic無(wú)傳感器負(fù)載測(cè)量技術(shù)StallGuard?提供一種具有成本效益的負(fù)載實(shí)時(shí)反饋技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，它可以知道電機(jī)何時(shí)可能會(huì)停轉(zhuǎn)并向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)?；赟tallGuard負(fù)載值，無(wú)傳感器電流自適應(yīng)控制CoolStep 技術(shù)則通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)的變化檢測(cè)電機(jī)負(fù)載，并使電流適應(yīng)實(shí)際負(fù)載條件，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。CoolStep始終以最佳電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)在電機(jī)輕負(fù)載時(shí)將電流降至最低，并在負(fù)載增加時(shí)增加電流來(lái)節(jié)省大量能源。特別是對(duì)于一些電池供電，或者對(duì)一些車間里面長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電機(jī)發(fā)熱的情況，以及一些對(duì)高溫敏感的生物樣本檢測(cè)應(yīng)用，用CoolStep可以有效降低功耗和克服發(fā)熱問(wèn)題，電機(jī)散熱可以減少達(dá)80%，使電機(jī)溫度保持正常，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步讓功率器件開(kāi)關(guān)頻率得到快速有效提升，從而讓電機(jī)系統(tǒng)能效快速提升。特別是碳化硅（SiC）MOSFET 器件可以達(dá)到更高的開(kāi)關(guān)頻率，為提升電機(jī)能效提供了新的空間。然而，驅(qū)動(dòng)方式是達(dá)到這些開(kāi)關(guān)器件所需開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開(kāi)關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的要求越來(lái)越高，采用的柵極驅(qū)動(dòng)器的傳輸延遲、死區(qū)時(shí)間、共模瞬變抗擾度(CMTI) 等指標(biāo)對(duì)提升充電樁功率和效率產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。

為了操作MOSFET，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極，使用專門驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標(biāo)將決定直流模塊的整體功率、效率和系統(tǒng)尺寸，正確選擇這類解決方案非常關(guān)鍵。ADI的iCoupler柵極驅(qū)動(dòng)器傳輸延時(shí)在50~60 ns，降低了傳輸延遲，并且傳輸延時(shí)一致性更好，更低的傳輸延遲和延時(shí)一致性有助于提高開(kāi)關(guān)頻率和效率。此外，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的死區(qū)時(shí)間也是關(guān)鍵特性之一，更低的死區(qū)時(shí)間將有效降低損耗。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）