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準和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)工廠中的電機消耗了所產(chǎn)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(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的未來。 因此，現(xiàn)在新研發(fā)的一個核心目標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。永磁同步電機(PMSM)已成為新標準，在許多領(lǐng)域取代了無刷直流(BLDC)電機。同步磁阻電機(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：更快的新算法能使更強大的處理器發(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，支持工業(yè)以太網(wǎng)廣泛使用的標準和協(xié)議：POWERLINK、Modbus、EtherNet/ IP (DLR)、PROFINET RT/IRT、SERCOS和EtherCAT，每種標準和協(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 通過上述改進措施，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大目標，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控制系統(tǒng)專家。他與客戶合作處理工業(yè)電機控制的完整系統(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，負責(zé)為整個客戶群提供差異化系統(tǒng)建議書。聯(lián)系方式： 。 (mbbeetchina)