從電力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向智能驅(qū)動(dòng)

工業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)始終由電機(jī)完成。即使燃料、風(fēng)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(dòng)器之前也會(huì)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(dòng)態(tài)優(yōu)化流程，而在傳統(tǒng)上，機(jī)器具備的是靜態(tài)配置，只能在預(yù)先規(guī)劃的事件中進(jìn)行調(diào)整。

通常情況下，主要目標(biāo)是提高能源效率，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)并降低成本。此外，市場還期待從電力驅(qū)動(dòng)的實(shí)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(hù)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門，決策者正在從戰(zhàn)略性的“如果”和“何時(shí)”問題（現(xiàn)在已經(jīng)解決）轉(zhuǎn)向更實(shí)際的考慮：如何最好地實(shí)施現(xiàn)已嵌入產(chǎn)品路線圖中的先進(jìn)新型電力驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)然，這些驅(qū)動(dòng)器將采用電子方式進(jìn)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(yùn)行方面遠(yuǎn)優(yōu)于帶電刷的機(jī)械換向電機(jī)。通過實(shí)時(shí)了解轉(zhuǎn)子位置、通過電機(jī)繞組的電流、溫度及其他參數(shù)，電子驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)除了簡單地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子、控制速度和轉(zhuǎn)矩外，還能控制其它指標(biāo)。分配給電機(jī)的算力性能越多，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行就越準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)。

· 多樣化的設(shè)計(jì)需求 ·

驅(qū)動(dòng)器必須經(jīng)過專業(yè)設(shè)計(jì)，才能達(dá)到能效目標(biāo)，與市場上的替代產(chǎn)品競爭，并滿足適用的生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)范。此外，還需要通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)將聲學(xué)噪聲控制在可接受的范圍內(nèi)并避免不必要的振動(dòng)。還可以對電機(jī)的缺陷應(yīng)用補(bǔ)償?？梢詢?yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓波形和電流的生成，以降低與應(yīng)用于功率級的開關(guān)信號相關(guān)的電磁輻射。

與這些問題相關(guān)的性能與逆變器和功率級拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)。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(dòng)器使用壽命所需的狀態(tài)監(jiān)控。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器還可以負(fù)責(zé)確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。物理電機(jī)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(jī)在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)入安全狀態(tài)，前提是監(jiān)控具有高可靠性，并且不會(huì)受到導(dǎo)致電機(jī)故障的相同影響。

設(shè)計(jì)內(nèi)置的再生電路可在制動(dòng)或減速期間將動(dòng)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(qiáng)大的微控制器可用于控制驅(qū)動(dòng)器的功率級。許多供應(yīng)商為其客戶提供電機(jī)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(shè)功能可以集成在芯片上。然而，在微控制器中運(yùn)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(shè)置了上限。理想情況下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場會(huì)隨轉(zhuǎn)子平穩(wěn)移動(dòng)，使產(chǎn)生的力在任何時(shí)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(shí)電流等數(shù)據(jù)，并立即計(jì)算下一個(gè)矢量。循環(huán)時(shí)間越短，旋轉(zhuǎn)場就越平滑。在加速電機(jī)控制環(huán)路的同時(shí)還要處理額外的應(yīng)用級處理，會(huì)產(chǎn)生更高的實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)人員還需要靈活地采用更復(fù)雜的電源拓?fù)?，以在控制電機(jī)磁場方向時(shí)實(shí)現(xiàn)更高精度。帶有兩個(gè)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(dǎo)體技術(shù)特性的高壓驅(qū)動(dòng)器?？刂贫嚯娖侥孀兤鞅仁褂脙呻娖焦β始壨?fù)涓鼮閺?fù)雜。因此，除了對逆變器硬件進(jìn)行改變，還需要更多的算力。

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

在工業(yè)環(huán)境中，不僅機(jī)器應(yīng)該能夠訪問數(shù)據(jù)，操作員亦是如此?，F(xiàn)代驅(qū)動(dòng)器集成了人機(jī)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(gòu)建這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可為設(shè)計(jì)人員提供靈活性和可擴(kuò)展性，以滿足當(dāng)前和未來市場需求。

當(dāng)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(gòu)一起使用，可用于根據(jù)需要實(shí)施定制外設(shè)。

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

另外，設(shè)計(jì)人員還需要采用適當(dāng)?shù)姆椒▉碓O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流程均具備安全認(rèn)證。在設(shè)計(jì)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(yùn)行期間甚至部署之后分析電機(jī)性能和操作參數(shù)，為預(yù)測性維護(hù)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(yīng) SoC 之外，AMD Kria? 系統(tǒng)模塊（ SOM ）還利用可編程硬件以及與 AMD 設(shè)計(jì)工具的無縫集成，簡化了高效、高性能電力驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)。

SOM 可以在幾微秒內(nèi)執(zhí)行電機(jī)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(gè)環(huán)路的速度運(yùn)行，從而實(shí)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(shè)計(jì)人員還可以選擇使用 Matlab Simulink 基于模型的方法和設(shè)計(jì)路徑，使結(jié)果適應(yīng) 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(chǔ)器允許對電機(jī)數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地分析，并有助于對電力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行健康監(jiān)測。包括用于通信的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（ TSN ）在內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)以及 DDS 和 OPC UA 等服務(wù)，簡化了在現(xiàn)代工廠環(huán)境中的嵌入?？啥ㄖ乞?qū)動(dòng)器的即用型應(yīng)用可以下載到 SOM。

從機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動(dòng)，結(jié)合了卓越的能源效率與軸數(shù)的可擴(kuò)展性、更長的使用壽命、更低的噪音和振動(dòng)，以及更好的與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的集成，以支持增值功能。FPGA、自適應(yīng) SoC 和 SOM 由經(jīng)過安全認(rèn)證的硬件和軟件設(shè)計(jì)流程提供支持，為設(shè)計(jì)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(wù)高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理