如何提高永磁同步電機(jī)制造自動化系統(tǒng)的能源效率

?Stefan Hacker ADI公司系統(tǒng)專家

圍繞現(xiàn)代生產(chǎn)工廠的能源效率問題，目前有許多討論，系統(tǒng)解決方案制造商不斷推出新的概念來應(yīng)對這個問題。其中一個概念涉及到提高自動化程度，這多少有點令人吃驚，但它考慮到了能源效率需求，意圖通過提供更強(qiáng)大的互連網(wǎng)絡(luò)來提高效率。

關(guān)于能源效率的要求已在歐盟標(biāo)準(zhǔn)和EuP （能源使用產(chǎn)品）等指令中寫明。新法規(guī)已于2015年1月1日生效，到2017年1月將有更多措施出臺，屆時將會推出新的能效等級并將更小的動力裝置納入其中。目標(biāo)是到2020年將能耗再降低20%。電能成本在生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)可觀的比例，因此，人們有提高能效的需求不足為怪。目前，生產(chǎn)工廠中的電機(jī)消耗了所產(chǎn)生電能的大約46%，電機(jī)能源成本占其服役壽命期間總成本的大約90%。電機(jī)是生產(chǎn)工廠中幾乎所有自動化設(shè)備背后的主要動力裝置，很難想象一個沒有電機(jī)的未來。

因此，現(xiàn)在新研發(fā)的一個核心目標(biāo)是改善效率以便降低總成本。此外，綠色環(huán)保、資源友好、網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)也是工業(yè)的一大趨勢。圖1所示為此類動力裝置的框圖。

新產(chǎn)品開發(fā)使系統(tǒng)性能和質(zhì)量不斷改進(jìn)。永磁同步電機(jī)（PMSM）已成為新標(biāo)準(zhǔn)，在許多領(lǐng)域取代了無刷直流（BLDC）電機(jī)。同步磁阻電機(jī)（SynRM）的設(shè)計也已成為后續(xù)研究的主題。自從有了充足的稀土資源用于制造磁體，電機(jī)概念便被載入歷史史冊。此外，SynRM對所用部件的溫度范圍有很高的要求，并且需要新的控制概念和PWM驅(qū)動級。全數(shù)字控制是所有新系統(tǒng)眾多要求中的關(guān)鍵要求，沒有它便無法滿足規(guī)范。

生產(chǎn)相關(guān)器件的半導(dǎo)體制造商受到系統(tǒng)制造商倡導(dǎo)的趨勢的直接影響。他們要求以創(chuàng)新方式發(fā)展信號采集、信號轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理。將準(zhǔn)備得更充分的信號送入專用處理器，通過更高電壓驅(qū)動更快的伺服環(huán)路。中間電路中的更高電壓要求IGBT使用更耐電壓的絕緣器件和柵極驅(qū)動器。

圖1. 網(wǎng)絡(luò)化動力裝置/伺服框圖 另外，需要新的絕緣接口模塊（長期看其具有更好的穩(wěn)定性）來保護(hù)系統(tǒng)和用戶免受危險電壓影響，硬件也是如此。軟件也在改進(jìn)：更快的新算法能使更強(qiáng)大的處理器發(fā)揮最大效能，而基于模型的設(shè)計（MBD）方法則能在構(gòu)建系統(tǒng)之前對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化處理、優(yōu)化和測試。

很顯然，制造自動化系統(tǒng)的能源效率是一個復(fù)雜、多維度的問題。下面是優(yōu)化能效所涉及的一些關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)：

第一，提高系統(tǒng)的輸出和/或工廠每小時處理的單元數(shù)。這要求新的、更精確的算法，在更短的計算時間內(nèi)得出結(jié)果，減少工具定位時間，實現(xiàn)更高的刀頭速度。

第二，除新的柵極驅(qū)動器外，還要開發(fā)其他新器件，如更高集成度、更強(qiáng)大、更節(jié)能的處理器；它們可以部署在當(dāng)前系統(tǒng)中，但主要是針對采用GaN或SiC技術(shù)的新型高壓IGBT而設(shè)計。

第三，在整個逆變器或伺服驅(qū)動器中采取節(jié)能措施以便最佳地利用能源，降低待機(jī)模式下的損耗，利用動力裝置的制動能，最后還要使生產(chǎn)工廠中的過程模塊廣泛聯(lián)網(wǎng)工作。

ADI公司的新器件提供了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的解決方案，使實現(xiàn)最優(yōu)能效成為現(xiàn)實：

* 強(qiáng)大高效的ADSP-CM40x系列處理器（240 MHz時鐘速率）基于ARM?Cortex?-M4F架構(gòu)，配有很大的內(nèi)部存儲器（2 MB閃存、384 kB SRAM）和靈活的接口。支持浮點的算術(shù)單元能夠以原生數(shù)據(jù)格式快速精確地處理基于模型的算法。高精度、多通道、16位ADC （14位ENOB）和帶可編程抽取率、用于重構(gòu)Σ-Δ采樣電流的快速sinc濾波器，連同快速開關(guān)PWM單元來提高電流伺服環(huán)路的精度。這些單元的精密集成減少了延遲和計算時間。靈活的存儲器集成和網(wǎng)絡(luò)諧波計算單元（HAE—諧波分析引擎）支持額外的算法，特別適用于有源前端，可將來自直流總線的電能返回本地電網(wǎng)。適當(dāng)?shù)慕涌诒ＷC其很容易集成

到現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。圖2顯示了ADSP-CM408F的框圖。

* AD740x系列隔離式16位Σ-Δ ADC已采樣更精確的元件進(jìn)行升級（14.2 ENOB），信號噪聲間隔更大。它們能在整個額定頻率范圍內(nèi)工作，滿足最高1250 V采樣電壓的增強(qiáng)絕緣要求。高電涌和ESD穩(wěn)定性確保器件具有長使用壽命。時鐘可從內(nèi)部產(chǎn)生（AD7402）或由外部施加（AD7403）。獲得的Σ-Δ調(diào)制信號可直接送入ADSP-CM40x處理器中的sinc濾波器，無需FPGA來提供重構(gòu)濾波器。如果走線長度延長很多，也有一款通過LVDS通道輸出差分信號的器件（AD7405）可供考慮。

* 另外還有特別針對新型GaN和SiC功率半導(dǎo)體而開發(fā)的新型絕緣柵極驅(qū)動器，它們也適合現(xiàn)有MOSFET和IGBT技術(shù)。

* 隔離需求范圍內(nèi)中針對簡單數(shù)字接口 （ 具體而言是USB、CAN、RS-232和LVDS）的新產(chǎn)品開發(fā)，解決了接口絕緣的安全問題。這些新研發(fā)滿足了更嚴(yán)格的絕緣要求，因此具有長期穩(wěn)定性。

新器件使得局部節(jié)能成為可能。然而，各逆變器仍存在一個很大的損耗因素：因為沒有節(jié)能措施，待機(jī)時會不必要地消耗大量能源。利用更高程度且更智能的制造系統(tǒng)集成，將能合理地安排運行時間，提高作業(yè)水平。當(dāng)不使用動力裝置時，可以激活相應(yīng)的節(jié)能機(jī)制。在利用工業(yè)以太網(wǎng)將各個系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面正在不斷取得進(jìn)步，它取代了數(shù)據(jù)速率較低的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。因此，不僅是制造數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸，定位數(shù)據(jù)也能傳送，整個生產(chǎn)線都能同步。

圖2. ADSP-CM40x架構(gòu)框圖 ADSP-CM40x處理器通過Innovasic RapID模塊集成到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，該模塊采用 fido5000 實時以太網(wǎng)、多協(xié)議（ REM ） 交換機(jī)，支持工業(yè)以太網(wǎng)廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議：POWERLINK、Modbus、EtherNet/ IP （DLR）、PROFINET RT/IRT、SERCOS和EtherCAT，每種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議對實時能力和系統(tǒng)同步的要求都在提高。圖3顯示了該模塊和Innovasic以堆棧形式提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

圖3. RapID模塊——基于fido5000 REM以太網(wǎng)交換機(jī) 通過上述改進(jìn)措施，ADI公司希望倡導(dǎo)以可持續(xù)發(fā)展觀來提高生產(chǎn)工廠的能源效率，并實現(xiàn)將強(qiáng)大的器件放入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的愿景。這些有關(guān)精度和新器件合理集成的遠(yuǎn)大目標(biāo)，將成為創(chuàng)新的發(fā)源地。現(xiàn)在輪到您將這些想法付諸實踐，變成各種器件和完整系統(tǒng)解決方案，并利用這些器件和模塊提出更好的辦法。

作者簡介

Stefan Hacker是ADI公司位于德國的工業(yè)與儀器儀表部門的電機(jī)控制系統(tǒng)專家。他與客戶合作處理工業(yè)電機(jī)控制的完整系統(tǒng)信號鏈相關(guān)問題。Stefan擁有德國慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的工程學(xué)士學(xué)位和電氣工程碩士學(xué)位。他在系統(tǒng)工程領(lǐng)域擁有15年以上的行業(yè)經(jīng)驗，負(fù)責(zé)為整個客戶群提供差異化系統(tǒng)建議書。聯(lián)系方式： 。

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