能效規(guī)則將改變電機(jī)控制設(shè)計(jì)

　　電機(jī)控制正在成為電力行業(yè)中變化最快的技術(shù)領(lǐng)域。 其原因在于，家庭、工廠和汽車中使用的數(shù)以百萬計(jì)的電機(jī)需要提高能效。 若要實(shí)現(xiàn)更新更嚴(yán)格的能效目標(biāo)，電機(jī)控制器設(shè)計(jì)、電流檢測和控制算法必須有新的發(fā)展。

　　電機(jī)控制的主要設(shè)計(jì)要素可分為四個(gè)方面：通信接口、EMC魯棒性、電路隔離和能效。 接下來幾年，最大的變化可能發(fā)生在能效方面。

　　根據(jù)ADI公司的Anders Fredriksen說法，人們大力要求把電機(jī)設(shè)計(jì)中的能效放在更重要的位置，而未來幾年，隨著新能效標(biāo)準(zhǔn)的引入，這種要求將更加強(qiáng)烈。

　　Fredriksen表示：“標(biāo)準(zhǔn)化工作已進(jìn)行了數(shù)十年，但到2017年，關(guān)于能效的延伸準(zhǔn)則就會(huì)適用于最低1W的電機(jī)，這將給制造商帶來重大影響?！?但是，F(xiàn)rederiksen相信，為了滿足新能效標(biāo)準(zhǔn)的要求，電機(jī)控制設(shè)計(jì)仍需要進(jìn)一步發(fā)展。 Fredriksen說道：“可能需要改變電機(jī)控制架構(gòu)，不這樣做的話，我們將無法實(shí)現(xiàn)全部新能效標(biāo)準(zhǔn)。” 這不僅適用于工業(yè)電機(jī)，而且適用于家用電器和汽車。

　　為了提高能效，必須從元器件層次做起。 這意味著要給電機(jī)控制器增加處理器能力以便運(yùn)行優(yōu)化算法。 它還要求提高電流檢測精度。 “例如，使用隔離式Σ-Δ轉(zhuǎn)換來提高精度?！盕redriksen說。

　　針對(duì)直流和交流電流與電壓測量，ADI公司提供高精度隔離式Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器。 AD7403實(shí)現(xiàn)了81dB(最小值)的信納比(SINAD，78ksps采樣速率和-40至125°C溫度范圍下)。 較高的信納比可實(shí)現(xiàn)更加精確的電流和電壓測量，通過降低電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能。 它有一個(gè)二階Σ-Δ調(diào)制器，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為1位數(shù)據(jù)流，片內(nèi)數(shù)字隔離(1,250Vpeak)通過片內(nèi)變壓器實(shí)現(xiàn)。 測量端采用5V電源供電，可輸入±250mV的差分信號(hào)(滿量程±320mV)。對(duì)模擬輸入連續(xù)采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)率最高為20MHz且密度為1位的數(shù)字輸出流。 通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波可重構(gòu)原始信息，在78.1ksps時(shí)可實(shí)現(xiàn)88dB的信噪比。

　　針對(duì)數(shù)據(jù)處理，微控制器轉(zhuǎn)向采用更高性能的內(nèi)核，例如具有DSP擴(kuò)展的ARM Cortex-M4。 Fredriksen表示：“圍繞電機(jī)控制所用的算法開發(fā)已開展了大量工作，Cortex-M4等內(nèi)核帶來的處理能力提升使得這些高級(jí)算法有了用武之地?！?例如，最大限度地降低電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可提高生產(chǎn)率。

　　ADI公司把ARM Cortex-M4處理器和基于模型的設(shè)計(jì)平臺(tái)相結(jié)合來支持閉環(huán)電機(jī)控制的需求。 浮點(diǎn)Cortex-M4處理器內(nèi)核的工作頻率為240MHz，ADI公司還在其中集成了一個(gè)雙通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其最高精度為14位，轉(zhuǎn)換速度為380ns。 ADI公司以前的電機(jī)控制器平臺(tái)是基于自有的ADSP-BF506A Blackfin處理器，不過其已經(jīng)意識(shí)到，Cortex-M4很快會(huì)成為精密控制系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

　　Fredriksen還認(rèn)為，基于模型的設(shè)計(jì)工具，像MathWorks的Simulink等，會(huì)在電機(jī)和PV陣列控制系統(tǒng)的開發(fā)中越來越重要。 兩年前，ADI公司演示了其首款電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，它基于Blackfin處理器，采用MathWorks Matlab計(jì)算語言進(jìn)行算法開發(fā)。 它還采用Simulink設(shè)計(jì)環(huán)境來部署控制算法，以便優(yōu)化永磁同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)的效率。 其目的是讓設(shè)計(jì)人員在Matlab/Simulink中為系統(tǒng)建模，生成C代碼，并使用ADI公司的Visual DSP++設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行部署，剩余帶寬還可用于執(zhí)行應(yīng)用程序代碼。 Fredricksen相信，采用基于模型的設(shè)計(jì)可以改善無傳感器和有傳感器電機(jī)控制算法的驅(qū)動(dòng)效率。

　　ADI公司與MathWorks合作，將Simulink基于模型的設(shè)計(jì)工具和代碼生成器用于其電機(jī)控制平臺(tái)。 它采用MathWorks的ARM Cortex-M優(yōu)化Embedded Coder和工具套件，以支持從仿真到在嵌入式平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)就緒代碼的完整設(shè)計(jì)周期。 Simulink生成可在Cortex-M4平臺(tái)上運(yùn)行的優(yōu)化C代碼。 公司還將片內(nèi)存儲(chǔ)器增加到384kB SRAM，以便存放工具所生成的C代碼。

　　ADSP-CM40x具有控制環(huán)路專用硬件加速器，并且配備可與隔離式Σ-Δ調(diào)制器(用于分流式電流檢測系統(tǒng)架構(gòu))直接接口的完整sinc濾波器。 而通常來說，sinc濾波器是在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

  ADSP-CM408 EZBoard

　　還有一個(gè)DSP加速器，可提供PV陣列控制環(huán)路設(shè)計(jì)通常使用的諧波分析。 它還支持可擴(kuò)展且動(dòng)態(tài)可調(diào)的PWM。 ADI公司還提供標(biāo)準(zhǔn)控制算法支持的開發(fā)與評(píng)估板CM40xEZBoard。

來自ADI公司Anders Fredriksen的觀點(diǎn)