從電力驅(qū)動轉(zhuǎn)向智能驅(qū)動

工業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部的驅(qū)動始終由電機完成。即使燃料、風能、水力或太陽能是主要能源，所有這些在用于工業(yè)產(chǎn)品中的物理致動器之前也會首先轉(zhuǎn)換為電能。完全電氣化可以借由數(shù)字化提高生產(chǎn)力。持續(xù)的數(shù)據(jù)收集有助于動態(tài)優(yōu)化流程，而在傳統(tǒng)上，機器具備的是靜態(tài)配置，只能在預先規(guī)劃的事件中進行調(diào)整。

通常情況下，主要目標是提高能源效率，以實現(xiàn)環(huán)境目標并降低成本。此外，市場還期待從電力驅(qū)動的實際優(yōu)勢中獲益，包括更靈活的控制、更小的尺寸、更輕的重量以及更少的維護。

在產(chǎn)品設計部門，決策者正在從戰(zhàn)略性的“如果”和“何時”問題（現(xiàn)在已經(jīng)解決）轉(zhuǎn)向更實際的考慮：如何最好地實施現(xiàn)已嵌入產(chǎn)品路線圖中的先進新型電力驅(qū)動器。當然，這些驅(qū)動器將采用電子方式進行控制和監(jiān)控，以提供精度、靈活性和附加值。電子控制換向在能效、產(chǎn)品使用壽命和易爆環(huán)境下的運行方面遠優(yōu)于帶電刷的機械換向電機。通過實時了解轉(zhuǎn)子位置、通過電機繞組的電流、溫度及其他參數(shù)，電子驅(qū)動器的設計除了簡單地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子、控制速度和轉(zhuǎn)矩外，還能控制其它指標。分配給電機的算力性能越多，驅(qū)動器的運行就越準確和動態(tài)。

· 多樣化的設計需求 ·

驅(qū)動器必須經(jīng)過專業(yè)設計，才能達到能效目標，與市場上的替代產(chǎn)品競爭，并滿足適用的生態(tài)設計規(guī)范。此外，還需要通過適當?shù)脑O計將聲學噪聲控制在可接受的范圍內(nèi)并避免不必要的振動。還可以對電機的缺陷應用補償。可以優(yōu)化驅(qū)動電機的電壓波形和電流的生成，以降低與應用于功率級的開關信號相關的電磁輻射。

與這些問題相關的性能與逆變器和功率級拓撲密切相關。如上所述，控制器需要處理來自傳感器的信號和診斷信息，以支持延長驅(qū)動器使用壽命所需的狀態(tài)監(jiān)控。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，控制器還可以負責確保系統(tǒng)安全運行。物理電機的行為與安全參數(shù)范圍之間的持續(xù)比較，可用于確保電機在發(fā)生故障時進入安全狀態(tài)，前提是監(jiān)控具有高可靠性，并且不會受到導致電機故障的相同影響。

設計內(nèi)置的再生電路可在制動或減速期間將動能回收為電能，從而對能效產(chǎn)生直接影響。微處理器或帶有調(diào)制器的功能強大的微控制器可用于控制驅(qū)動器的功率級。許多供應商為其客戶提供電機控制軟件算法，以加速解決方案的開發(fā)。諸如 PWM 模塊、用于電流測量的 ADC 和以太網(wǎng)接口等基本外設功能可以集成在芯片上。然而，在微控制器中運行控制算法存在局限性。處理器最高性能對控制環(huán)路頻率設置了上限。理想情況下，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的磁場會隨轉(zhuǎn)子平穩(wěn)移動，使產(chǎn)生的力在任何時候都指向正確角度。真正連續(xù)的控制環(huán)路必須經(jīng)常采集轉(zhuǎn)子位置和瞬時電流等數(shù)據(jù)，并立即計算下一個矢量。循環(huán)時間越短，旋轉(zhuǎn)場就越平滑。在加速電機控制環(huán)路的同時還要處理額外的應用級處理，會產(chǎn)生更高的實時性要求，這些要求可以由高成本和高功耗的處理器來滿足。

設計人員還需要靈活地采用更復雜的電源拓撲，以在控制電機磁場方向時實現(xiàn)更高精度。帶有兩個以上電平的調(diào)制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈寬調(diào)制就是這樣的示例。多電平逆變器特別適合于利用碳化硅（ SiC ）等寬帶隙功率半導體技術特性的高壓驅(qū)動器?？刂贫嚯娖侥孀兤鞅仁褂脙呻娖焦β始壨負涓鼮閺碗s。因此，除了對逆變器硬件進行改變，還需要更多的算力。

此外，確?？蓴U展性對于實現(xiàn)多軸控制也很重要。例如，要控制一個鉸接式機器人的手臂，需要多個電機的同步，才能實現(xiàn)重負載抓手的規(guī)劃軌跡。這可能需要更強大的處理器或同步處理器網(wǎng)絡。

在工業(yè)環(huán)境中，不僅機器應該能夠訪問數(shù)據(jù)，操作員亦是如此?，F(xiàn)代驅(qū)動器集成了人機界面（ HMI ）和物聯(lián)網(wǎng)連接等功能。選擇合適的可編程平臺來構建這些電機驅(qū)動器，可為設計人員提供靈活性和可擴展性，以滿足當前和未來市場需求。

當今的許多 FPGA 都集成了硬處理器核心，附加的 DSP 元件可用于卸載具有可編程邏輯的處理器，從而獲得更高的吞吐量、額外的通道或更高的每瓦性能。千兆以太網(wǎng)等高速接口也可與傳統(tǒng)的 FPGA 邏輯架構一起使用，可用于根據(jù)需要實施定制外設。

除此之外，現(xiàn)代驅(qū)動器的控制器還能結合神經(jīng)網(wǎng)絡或加速算法，用以處理智能狀態(tài)監(jiān)測、振動檢測、異常檢測。對于這些，更全面的可編程架構可實現(xiàn)更大的靈活性和集成度。AMD Versal? 系列等自適應 SoC 集成了可用于神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化 AI 引擎。 

另外，設計人員還需要采用適當?shù)姆椒▉碓O計軟件，特別是要更加注重安全性和基本控制。AMD Vitis? 和 Vivado? 以及 MicroBlaze? 編譯器等設計流程均具備安全認證。在設計流程中還可以用到 Python。Python 提供了用于數(shù)據(jù)分析與可視化的庫，可以在運行期間甚至部署之后分析電機性能和操作參數(shù)，為預測性維護功能的開發(fā)提供支持。 

靈活的開發(fā)平臺—— Flexibile Development Platforms

除了 FPGA 和自適應 SoC 之外，AMD Kria? 系統(tǒng)模塊（ SOM ）還利用可編程硬件以及與 AMD 設計工具的無縫集成，簡化了高效、高性能電力驅(qū)動器的開發(fā)。

SOM 可以在幾微秒內(nèi)執(zhí)行電機控制環(huán)路的集成可編程邏輯，使控制算法能夠以每秒超過 100,000 個環(huán)路的速度運行，從而實現(xiàn)高精度的電壓和電流控制。這種方法提供了有助于最大限度提升電氣效率和延長使用壽命的工具?？刂扑惴ǖ脑O計人員還可以選擇使用 Matlab Simulink 基于模型的方法和設計路徑，使結果適應 ARM 處理系統(tǒng)或具備 AMD Vitis? 和 Vivado? 提供的功能的數(shù)字邏輯。

硬件中靈活的可編程調(diào)制可以優(yōu)化 EMI 行為。塊 RAM（ BRAM ）等內(nèi)置存儲器允許對電機數(shù)據(jù)流進行本地分析，并有助于對電力驅(qū)動進行健康監(jiān)測。包括用于通信的時間敏感型網(wǎng)絡（ TSN ）在內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)以及 DDS 和 OPC UA 等服務，簡化了在現(xiàn)代工廠環(huán)境中的嵌入?？啥ㄖ乞?qū)動器的即用型應用可以下載到 SOM。

從機械驅(qū)動轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動，結合了卓越的能源效率與軸數(shù)的可擴展性、更長的使用壽命、更低的噪音和振動，以及更好的與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的集成，以支持增值功能。FPGA、自適應 SoC 和 SOM 由經(jīng)過安全認證的硬件和軟件設計流程提供支持，為設計人員提供了所需的靈活性，通過在工廠中持續(xù)采集數(shù)據(jù)來智能優(yōu)化操作，從而提高生產(chǎn)力。

作者：Michael Zapke—AMD 工業(yè)業(yè)務高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理