高成本效益的AC感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差控制優(yōu)化方案

　　緊密控制回路以提高效率

　　這種同時(shí)具有 CPU 和 FPGA 處理能力的單芯片系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)回路的緊密控制。片上 CPU 能夠響應(yīng)反饋頻率和相電流，并立即訪問(wèn)片上參數(shù) LUT。這樣，在第一級(jí)就解決了外部存儲(chǔ)器總線帶寬的瓶頸問(wèn)題。

　　此外，基于閃存的混合信號(hào) FPGA 能夠利用 FPGA 邏輯門電路而非利用由MCU或DSP處理器執(zhí)行的軟件程序來(lái)優(yōu)化控制算法單元、比例積分 (PI) 控制器、速度解碼器和計(jì)算器，以及正弦調(diào)制器。這樣，在第二級(jí)便可改進(jìn)響應(yīng)速度和效率。

　　最后，片上ADC帶有多個(gè)模擬通道 (多達(dá)30個(gè))、電壓/電流/溫度輸入和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出，能夠大大縮短多相電流和溫度數(shù)據(jù)的采集及處理時(shí)間?；旌闲盘?hào)FPGA還內(nèi)置有電流、電壓及溫度的監(jiān)控電路，可減少微控制器的外接組件數(shù)目。

　　高集成度增強(qiáng)可靠性

　　AC感應(yīng)電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造環(huán)境，噪聲一直是影響工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備性能的關(guān)鍵問(wèn)題。除了控制板上的高速模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸之外，大量分立式電子組件也加劇了噪聲的影響。因此，在選擇能夠避免噪聲影響和提高可靠性的解決方案時(shí)，集成度是一個(gè)至關(guān)重要的因素。

　　高效控制降低功耗

　　根據(jù)美國(guó)環(huán)保署的資料指出，采用帶有高效轉(zhuǎn)差控制機(jī)制的系統(tǒng)能夠大幅降低普通AC電機(jī)的功耗。圖4所示為采用轉(zhuǎn)差控制補(bǔ)償節(jié)電的10 馬力 (HP) 電機(jī)示例 (輸入功率=8,477W)。

　　在這個(gè)示例中，如果采用轉(zhuǎn)差控制來(lái)保持電機(jī)工作在最佳區(qū)域，輸入功率最多會(huì)降低145W，電源功率可減小1.7%。僅在美國(guó)，2005年AC感應(yīng)電機(jī)的耗電就高至10,000億KW。若采用最優(yōu)化轉(zhuǎn)差控制，總節(jié)能則可達(dá)171億KW。

　　在功率級(jí)，采用轉(zhuǎn)差控制的效率提升如上所述，AC電機(jī)馬力也隨之增加。這意味著較低的電源功率就能夠提供相同的馬力性能。因此，功耗降低是這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)。

　　在專為提升轉(zhuǎn)差控制性能而設(shè)計(jì)的控制單元中，一個(gè)速度較低、外設(shè)模塊在邏輯門電路中實(shí)現(xiàn)的CPU，其性能可能優(yōu)于功能非常強(qiáng)大的獨(dú)立式CPU?；旌闲盘?hào)閃存FPGA提供的低功耗、單芯片解決方案能夠進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

　　嵌入式非易失性存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)高安全性

　　控制算法使用的參數(shù)取決于電機(jī)的類型和應(yīng)用的具體要求，并且通常在閃存LUT中執(zhí)行。在運(yùn)行電機(jī)并提高電機(jī)效率時(shí)，這些參數(shù)是 MCU 訪問(wèn)和更新的主要參考數(shù)據(jù)，必需確保這類數(shù)據(jù)的安全性，防止控制參數(shù)被擦除、或發(fā)生意外或遭惡意破壞，從而避免電機(jī)本身受損的風(fēng)險(xiǎn)。

　　混合信號(hào)FPGA帶有大量嵌入式NVM，能夠避免因噪聲、固件錯(cuò)誤和功率損耗等事故而破壞安全性。另外，利用 AES加密功能，可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全性，實(shí)現(xiàn)嵌入式閃存單元的安全更新，并防止惡意攻擊。

　　軟啟動(dòng)感應(yīng)電機(jī)

　　當(dāng)感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子還沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)差值等于1，因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)和電流可能非常大，這導(dǎo)致定子的耗電量很大，如果不加以控制，便可能導(dǎo)致電機(jī)受損。采用內(nèi)置電壓電流監(jiān)控功能的混合信號(hào)FPGA來(lái)控制爬坡率 (ramp rate)，電機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，防止任何可能的損害。

　　本文小結(jié)

　　基于閃存的混合信號(hào)FPGA可為 AC 感應(yīng)電機(jī)提供優(yōu)化轉(zhuǎn)差控制的低功耗單芯片方案。

　　CPU、NVM、ADC和模擬接口的集成使得控制回路更為緊密，提高效率和可靠性，并降低功耗，從而提高電機(jī)效率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，由于大容量嵌入式非易失性存儲(chǔ)器能夠提供保護(hù)定制控制算法所需的安全性，因此這種簡(jiǎn)化的控制方案可以降低系統(tǒng)部署的BOM成本。