ADI：為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計帶來價值

作為機電工程能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，電機是電氣傳動的基礎(chǔ)部件，在當(dāng)今社會中已無處不在，為現(xiàn)代生活的大量基礎(chǔ)應(yīng)用提供了動力來源。后疫情時代，隨著數(shù)字技術(shù)、AI 加速向各領(lǐng)域滲透，電機應(yīng)用將伴隨技術(shù)創(chuàng)新和新能源汽車、5G、機器人、數(shù)字醫(yī)療、無人工廠等新興領(lǐng)域的興起，不斷走向更為廣闊的市場空間。

近年來，許多終端市場和應(yīng)用中的一個明顯趨勢是用高效率的無刷直流電機(BLDC) 替換交流電機或機械泵。使用BLDC 的一些主要優(yōu)點包括更高的功率和熱效率、更高的空間/ 重量效率、更高的可靠性( 無刷)、在危險環(huán)境下工作更安全( 不會像有刷電機一樣產(chǎn)生刷粉或火花)。此外，由于BLDC 電機采用電子換向方式，因此更易在應(yīng)用的速度范圍內(nèi)控制扭矩和速度參數(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制，例如保持扭矩或速度極限。

因為高扭矩重量比、高功率因數(shù)、響應(yīng)更快、結(jié)實耐用的構(gòu)造、易于維護、易于控制以及高效率等先天優(yōu)勢，永磁同步電機（PMSM）在工業(yè)自動化領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

ADI 專注于為運動控制提供新技術(shù)和解決方案，比如ADI Trinamic 步進電機驅(qū)動器解決方案可為3D 打印、相機、掃描儀和其他自動化設(shè)備應(yīng)用提供集成的電機驅(qū)動器，ADI OtoSense 智能電機傳感器(SMS) 能夠檢測電機及機器人系統(tǒng)的震動及異常情況，以及可重構(gòu)運動和機器人開發(fā)平臺等等，為幫助客戶實現(xiàn)下一代先進和可持續(xù)的運動控制提供可靠的產(chǎn)品和技術(shù)支撐，滿足家庭自動化、辦公室自動化、實驗室自動化、工業(yè)自動化、機器人和AGV、醫(yī)療保健等不同領(lǐng)域的電機控制應(yīng)用。

ADI 針對電機控制系統(tǒng)要求的低功耗、高效率、安全與互聯(lián)，提供了門類齊全的產(chǎn)品組合，其中包括了模數(shù)/ 數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler 數(shù)字隔離器、電源管理器件和實時以太網(wǎng)解決方案，以及ADI Trinamic 運動控制模塊等等。這些高性能的器件和系統(tǒng)有助于實現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計帶來價值。相關(guān)的解決方案包括但不限于：

電機驅(qū)動控制處理器硬件平臺至關(guān)重要，ADI 提供用于高端驅(qū)動和伺服器控制的ADSP-CM40x 混合信號處理器，以及用于運動控制器和高端驅(qū)動以及伺服控制的ADSP-214xx SHARC 浮點DSP；

克服光耦合器和高壓柵極驅(qū)動器解決方案局限性的隔離式柵極驅(qū)動器，隔離式柵極驅(qū)動器系列采用ADI經(jīng)過檢驗的iCoupler 技術(shù)，提供50 ns 最大傳播延遲、小于5 ns 通道間匹配、400V rms 工作電壓下的50 年工作壽命和單封裝電流隔離優(yōu)勢；

用于驅(qū)動大功率工業(yè)電機的新型嵌入式運動控制模塊，控制技術(shù)進一步優(yōu)化了工業(yè)電機的功耗，將大大降低浪費的功率，能夠驅(qū)動功率更高的工業(yè)步進電機和無刷直流(BLDC) 電機；

電機控制系統(tǒng)相關(guān)的電源管理解決方案，包括數(shù)字功率因數(shù)校正(PFC) 控制器、高速MOSFET 驅(qū)動器、集成式調(diào)節(jié)器等。

ADI Trinamic 步進電機驅(qū)動器解決方案，基于精密傳感、信號調(diào)理和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高性能的智能線性運動控制，以助力工業(yè)生產(chǎn)。

ADI 早在多年前就意識到，更智能、高效率電機控制系統(tǒng)的新時代將是一個電機控制工業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)涌現(xiàn)的時代。出于這樣的認(rèn)識，ADI 與戰(zhàn)略合作伙伴共同開發(fā)了一個全面的集成式電機控制設(shè)計程序；這些戰(zhàn)略合作伙伴都是各自領(lǐng)域內(nèi)的專家(MathWorks、ARM、Boston Engineering、IAR Systems 和Xilinx)，目的在于解決整個系統(tǒng)的架構(gòu)問題，實現(xiàn)效率最大化的同時改善系統(tǒng)精度和可靠性。軟件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab & Simulink 工具對電機控制進行建模，并自動產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機控制軟件的開發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注于算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過程。

此外，電機作為工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其健康安全非常重要，ADI 提供基于狀態(tài)監(jiān)控（CbM）的系統(tǒng)解決方案，能夠?qū)崟r在線和離線獲取、學(xué)習(xí)并感知邊緣的任何單向信號（聲音、振動、壓力、電流、溫度等），用于連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和按需診斷，能夠在問題變得嚴(yán)重之前確定工廠機器中的潛在問題。

ADI 有能力提供極具創(chuàng)新性的電機控制解決方案，這些方案著眼于優(yōu)異的系統(tǒng)性能和業(yè)界領(lǐng)先的集成度，具備極佳的系統(tǒng)效率、可靠性和連接性。ADI 還擁有豐富的電機控制系統(tǒng)級知識和戰(zhàn)略技術(shù)合作伙伴聯(lián)盟，能為客戶提供獨特的系統(tǒng)服務(wù)與產(chǎn)品，并引領(lǐng)成為長期技術(shù)合作伙伴。

提升電機能效

根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，電機占全球總電力消耗的45%，因此基于電機驅(qū)動的電子產(chǎn)品的可靠性和能效，不僅對各種應(yīng)用的舒適性、便利性產(chǎn)生直接影響，還對世界環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生深遠的影響。在全球雙碳目標(biāo)壓力下，能耗“大戶”電機的低能耗技術(shù)將成為撐起“雙碳”世界的關(guān)鍵力量。

ADI早在多年前就意識到，更智能、高效率電機控制系統(tǒng)的新時代將是一個電機控制工業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)涌現(xiàn)的時代。ADI以系統(tǒng)級的角度來看待這些挑戰(zhàn)，開發(fā)的產(chǎn)品不僅超越了性能規(guī)格，還代表了電路其他功能模塊之間的最佳接口。這種系統(tǒng)解決方案的方法讓ADI能夠為基于工業(yè)的客戶提供完整的集成式解決方案，并在實現(xiàn)規(guī)格要求的同時幫助他們滿足最新、最苛刻的能源法規(guī)。除此以外，安全與互聯(lián)也是電機控制未來發(fā)展的主要趨勢，可預(yù)測性維護也被越來越引入其中，互聯(lián)則指工業(yè)現(xiàn)場的實時以太網(wǎng)的應(yīng)用與普及。

此外，ADI 也通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)電機節(jié)能降耗。以步進電機驅(qū)動為例，ADI Trinamic無傳感器負(fù)載測量技術(shù)StallGuard?提供一種具有成本效益的負(fù)載實時反饋技術(shù)，通過測量電機的反電動勢，它可以知道電機何時可能會停轉(zhuǎn)并向系統(tǒng)發(fā)送信號?；赟tallGuard負(fù)載值，無傳感器電流自適應(yīng)控制CoolStep 技術(shù)則通過反電動勢的變化檢測電機負(fù)載，并使電流適應(yīng)實際負(fù)載條件，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。CoolStep始終以最佳電流驅(qū)動電機，通過在電機輕負(fù)載時將電流降至最低，并在負(fù)載增加時增加電流來節(jié)省大量能源。特別是對于一些電池供電，或者對一些車間里面長時間運行電機發(fā)熱的情況，以及一些對高溫敏感的生物樣本檢測應(yīng)用，用CoolStep可以有效降低功耗和克服發(fā)熱問題，電機散熱可以減少達80%，使電機溫度保持正常，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

半導(dǎo)體技術(shù)的進步讓功率器件開關(guān)頻率得到快速有效提升，從而讓電機系統(tǒng)能效快速提升。特別是碳化硅（SiC）MOSFET 器件可以達到更高的開關(guān)頻率，為提升電機能效提供了新的空間。然而，驅(qū)動方式是達到這些開關(guān)器件所需開關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設(shè)計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關(guān)頻率對柵極驅(qū)動器的要求越來越高，采用的柵極驅(qū)動器的傳輸延遲、死區(qū)時間、共模瞬變抗擾度(CMTI) 等指標(biāo)對提升充電樁功率和效率產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。

為了操作MOSFET，通常須將一個電壓施加于柵極，使用專門驅(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。隔離式柵極驅(qū)動器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標(biāo)將決定直流模塊的整體功率、效率和系統(tǒng)尺寸，正確選擇這類解決方案非常關(guān)鍵。ADI的iCoupler柵極驅(qū)動器傳輸延時在50~60 ns，降低了傳輸延遲，并且傳輸延時一致性更好，更低的傳輸延遲和延時一致性有助于提高開關(guān)頻率和效率。此外，隔離柵極驅(qū)動器的死區(qū)時間也是關(guān)鍵特性之一，更低的死區(qū)時間將有效降低損耗。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）