如何提高永磁同步電機制造自動化系統的能源效率

?Stefan Hacker ADI公司系統專家

圍繞現代生產工廠的能源效率問題，目前有許多討論，系統解決方案制造商不斷推出新的概念來應對這個問題。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，意圖通過提供更強大的互連網絡來提高效率。

關于能源效率的要求已在歐盟標準和EuP （能源使用產品）等指令中寫明。新法規已于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。目標是到2020年將能耗再降低20%。電能成本在生產成本中占有相當可觀的比例，因此，人們有提高能效的需求不足為怪。目前，生產工廠中的電機消耗了所產生電能的大約46%，電機能源成本占其服役壽命期間總成本的大約90%。電機是生產工廠中幾乎所有自動化設備背后的主要動力裝置，很難想象一個沒有電機的未來。

因此，現在新研發的一個核心目標是改善效率以便降低總成本。此外，綠色環保、資源友好、網絡化的生產也是工業的一大趨勢。圖1所示為此類動力裝置的框圖。

新產品開發使系統性能和質量不斷改進。永磁同步電機（PMSM）已成為新標準，在許多領域取代了無刷直流（BLDC）電機。同步磁阻電機（SynRM）的設計也已成為后續研究的主題。自從有了充足的稀土資源用于制造磁體，電機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驅動級。全數字控制是所有新系統眾多要求中的關鍵要求，沒有它便無法滿足規范。

生產相關器件的半導體制造商受到系統制造商倡導的趨勢的直接影響。他們要求以創新方式發展信號采集、信號轉換和信號調理。將準備得更充分的信號送入專用處理器，通過更高電壓驅動更快的伺服環路。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動器。

圖1. 網絡化動力裝置/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定性）來保護系統和用戶免受危險電壓影響，硬件也是如此。軟件也在改進：更快的新算法能使更強大的處理器發揮最大效能，而基于模型的設計（MBD）方法則能在構建系統之前對系統進行參數化處理、優化和測試。

很顯然，制造自動化系統的能源效率是一個復雜、多維度的問題。下面是優化能效所涉及的一些關鍵設計挑戰：

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

第二，除新的柵極驅動器外，還要開發其他新器件，如更高集成度、更強大、更節能的處理器；它們可以部署在當前系統中，但主要是針對采用GaN或SiC技術的新型高壓IGBT而設計。

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

ADI公司的新器件提供了應對上述挑戰的解決方案，使實現最優能效成為現實：

* 強大高效的ADSP-CM40x系列處理器（240 MHz時鐘速率）基于ARM?Cortex?-M4F架構，配有很大的內部存儲器（2 MB閃存、384 kB SRAM）和靈活的接口。支持浮點的算術單元能夠以原生數據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Σ-Δ采樣電流的快速sinc濾波器，連同快速開關PWM單元來提高電流伺服環路的精度。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絡諧波計算單元（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。適當的接口保證其很容易集成

到現有工業網絡中。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工作，滿足最高1250 V采樣電壓的增強絕緣要求。高電涌和ESD穩定性確保器件具有長使用壽命。時鐘可從內部產生（AD7402）或由外部施加（AD7403）。獲得的Σ-Δ調制信號可直接送入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功率半導體而開發的新型絕緣柵極驅動器，它們也適合現有MOSFET和IGBT技術。

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

新器件使得局部節能成為可能。然而，各逆變器仍存在一個很大的損耗因素：因為沒有節能措施，待機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集成，將能合理地安排運行時間，提高作業水平。當不使用動力裝置時，可以激活相應的節能機制。在利用工業以太網將各個系統聯網方面正在不斷取得進步，它取代了數據速率較低的現場總線系統。因此，不僅是制造數據通過以太網傳輸，定位數據也能傳送，整個生產線都能同步。

圖2. ADSP-CM40x架構框圖 ADSP-CM40x處理器通過Innovasic RapID模塊集成到工業以太網網絡中，該模塊采用 fido5000 實時以太網、多協議（ REM ） 交換機，支持工業以太網廣泛使用的標準和協議：POWERLINK、Modbus、EtherNet/ IP （DLR）、PROFINET RT/IRT、SERCOS和EtherCAT，每種標準和協議對實時能力和系統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絡協議。

圖3. RapID模塊——基于fido5000 REM以太網交換機 通過上述改進措施，ADI公司希望倡導以可持續發展觀來提高生產工廠的能源效率，并實現將強大的器件放入網絡環境中的愿景。這些有關精度和新器件合理集成的遠大目標，將成為創新的發源地?，F在輪到您將這些想法付諸實踐，變成各種器件和完整系統解決方案，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與儀器儀表部門的電機控制系統專家。他與客戶合作處理工業電機控制的完整系統信號鏈相關問題。Stefan擁有德國慕尼黑應用科學大學的工程學士學位和電氣工程碩士學位。他在系統工程領域擁有15年以上的行業經驗，負責為整個客戶群提供差異化系統建議書。聯系方式： 。

編輯：hfy