能效規(guī)則將改變電機控制設(shè)計

　　電機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)以百萬計的電機需要提高能效。 若要實現(xiàn)更新更嚴格的能效目標，電機控制器設(shè)計、電流檢測和控制算法必須有新的發(fā)展。

　　電機控制的主要設(shè)計要素可分為四個方面：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設(shè)計中的能效放在更重要的位置，而未來幾年，隨著新能效標準的引入，這種要求將更加強烈。

　　Fredriksen表示：“標準化工作已進行了數(shù)十年，但到2017年，關(guān)于能效的延伸準則就會適用于最低1W的電機，這將給制造商帶來重大影響?！?但是，F(xiàn)rederiksen相信，為了滿足新能效標準的要求，電機控制設(shè)計仍需要進一步發(fā)展。 Fredriksen說道：“可能需要改變電機控制架構(gòu)，不這樣做的話，我們將無法實現(xiàn)全部新能效標準?！?這不僅適用于工業(yè)電機，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。 這意味著要給電機控制器增加處理器能力以便運行優(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)。 較高的信納比可實現(xiàn)更加精確的電流和電壓測量，通過降低電機軸上的轉(zhuǎn)矩波動，提高電機驅(qū)動的性能。 它有一個二階Σ-Δ調(diào)制器，能將模擬輸入信號轉(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)變壓器實現(xiàn)。 測量端采用5V電源供電，可輸入±250mV的差分信號(滿量程±320mV)。對模擬輸入連續(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時可實現(xiàn)88dB的信噪比。

　　針對數(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擴展的ARM Cortex-M4。 Fredriksen表示：“圍繞電機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算法有了用武之地?！?例如，最大限度地降低電機軸上的轉(zhuǎn)矩波動可提高生產(chǎn)率。

　　ADI公司把ARM Cortex-M4處理器和基于模型的設(shè)計平臺相結(jié)合來支持閉環(huán)電機控制的需求。 浮點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公司以前的電機控制器平臺是基于自有的ADSP-BF506A Blackfin處理器，不過其已經(jīng)意識到，Cortex-M4很快會成為精密控制系統(tǒng)事實上的標準架構(gòu)。

　　Fredriksen還認為，基于模型的設(shè)計工具，像MathWorks的Simulink等，會在電機和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控制系統(tǒng)設(shè)計平臺，它基于Blackfin處理器，采用MathWorks Matlab計算語言進行算法開發(fā)。 它還采用Simulink設(shè)計環(huán)境來部署控制算法，以便優(yōu)化永磁同步電機和交流感應(yīng)電機的效率。 其目的是讓設(shè)計人員在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)計環(huán)境進行部署，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)計可以改善無傳感器和有傳感器電機控制算法的驅(qū)動效率。

　　ADI公司與MathWorks合作，將Simulink基于模型的設(shè)計工具和代碼生成器用于其電機控制平臺。 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中實現(xiàn)生產(chǎn)就緒代碼的完整設(shè)計周期。 Simulink生成可在Cortex-M4平臺上運行的優(yōu)化C代碼。 公司還將片內(nèi)存儲器增加到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中實現(xiàn)。

  ADSP-CM408 EZBoard

　　還有一個DSP加速器，可提供PV陣列控制環(huán)路設(shè)計通常使用的諧波分析。 它還支持可擴展且動態(tài)可調(diào)的PWM。 ADI公司還提供標準控制算法支持的開發(fā)與評估板CM40xEZBoard。

來自ADI公司Anders Fredriksen的觀點