從電力驅動(dòng)轉向智能驅動(dòng)

工業(yè)產(chǎn)品內部的驅動(dòng)始終由電機完成。即使燃料、風(fēng)能、水力或太陽(yáng)能是主要能源，所有這些在用于工業(yè)產(chǎn)品中的物理致動(dòng)器之前也會(huì )首先轉換為電能。完全電氣化可以借由數字化提高生產(chǎn)力。持續的數據收集有助于動(dòng)態(tài)優(yōu)化流程，而在傳統上，機器具備的是靜態(tài)配置，只能在預先規劃的事件中進(jìn)行調整。

通常情況下，主要目標是提高能源效率，以實(shí)現環(huán)境目標并降低成本。此外，市場(chǎng)還期待從電力驅動(dòng)的實(shí)際優(yōu)勢中獲益，包括更靈活的控制、更小的尺寸、更輕的重量以及更少的維護。

在產(chǎn)品設計部門(mén)，決策者正在從戰略性的“如果”和“何時(shí)”問(wèn)題（現在已經(jīng)解決）轉向更實(shí)際的考慮：如何最好地實(shí)施現已嵌入產(chǎn)品路線(xiàn)圖中的先進(jìn)新型電力驅動(dòng)器。當然，這些驅動(dòng)器將采用電子方式進(jìn)行控制和監控，以提供精度、靈活性和附加值。電子控制換向在能效、產(chǎn)品使用壽命和易爆環(huán)境下的運行方面遠優(yōu)于帶電刷的機械換向電機。通過(guò)實(shí)時(shí)了解轉子位置、通過(guò)電機繞組的電流、溫度及其他參數，電子驅動(dòng)器的設計除了簡(jiǎn)單地轉動(dòng)轉子、控制速度和轉矩外，還能控制其它指標。分配給電機的算力性能越多，驅動(dòng)器的運行就越準確和動(dòng)態(tài)。

· 多樣化的設計需求 ·

驅動(dòng)器必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)設計，才能達到能效目標，與市場(chǎng)上的替代產(chǎn)品競爭，并滿(mǎn)足適用的生態(tài)設計規范。此外，還需要通過(guò)適當的設計將聲學(xué)噪聲控制在可接受的范圍內并避免不必要的振動(dòng)。還可以對電機的缺陷應用補償?？梢?xún)?yōu)化驅動(dòng)電機的電壓波形和電流的生成，以降低與應用于功率級的開(kāi)關(guān)信號相關(guān)的電磁輻射。

與這些問(wèn)題相關(guān)的性能與逆變器和功率級拓撲密切相關(guān)。如上所述，控制器需要處理來(lái)自傳感器的信號和診斷信息，以支持延長(cháng)驅動(dòng)器使用壽命所需的狀態(tài)監控。在系統發(fā)生故障時(shí)，控制器還可以負責確保系統安全運行。物理電機的行為與安全參數范圍之間的持續比較，可用于確保電機在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)入安全狀態(tài)，前提是監控具有高可靠性，并且不會(huì )受到導致電機故障的相同影響。

設計內置的再生電路可在制動(dòng)或減速期間將動(dòng)能回收為電能，從而對能效產(chǎn)生直接影響。微處理器或帶有調制器的功能強大的微控制器可用于控制驅動(dòng)器的功率級。許多供應商為其客戶(hù)提供電機控制軟件算法，以加速解決方案的開(kāi)發(fā)。諸如 PWM 模塊、用于電流測量的 ADC 和以太網(wǎng)接口等基本外設功能可以集成在芯片上。然而，在微控制器中運行控制算法存在局限性。處理器最高性能對控制環(huán)路頻率設置了上限。理想情況下，驅動(dòng)轉子的磁場(chǎng)會(huì )隨轉子平穩移動(dòng)，使產(chǎn)生的力在任何時(shí)候都指向正確角度。真正連續的控制環(huán)路必須經(jīng)常采集轉子位置和瞬時(shí)電流等數據，并立即計算下一個(gè)矢量。循環(huán)時(shí)間越短，旋轉場(chǎng)就越平滑。在加速電機控制環(huán)路的同時(shí)還要處理額外的應用級處理，會(huì )產(chǎn)生更高的實(shí)時(shí)性要求，這些要求可以由高成本和高功耗的處理器來(lái)滿(mǎn)足。

設計人員還需要靈活地采用更復雜的電源拓撲，以在控制電機磁場(chǎng)方向時(shí)實(shí)現更高精度。帶有兩個(gè)以上電平的調制器代替傳統的脈寬調制就是這樣的示例。多電平逆變器特別適合于利用碳化硅（ SiC ）等寬帶隙功率半導體技術(shù)特性的高壓驅動(dòng)器?？刂贫嚯娖侥孀兤鞅仁褂脙呻娖焦β始壨負涓鼮閺碗s。因此，除了對逆變器硬件進(jìn)行改變，還需要更多的算力。

此外，確?？蓴U展性對于實(shí)現多軸控制也很重要。例如，要控制一個(gè)鉸接式機器人的手臂，需要多個(gè)電機的同步，才能實(shí)現重負載抓手的規劃軌跡。這可能需要更強大的處理器或同步處理器網(wǎng)絡(luò )。

在工業(yè)環(huán)境中，不僅機器應該能夠訪(fǎng)問(wèn)數據，操作員亦是如此?，F代驅動(dòng)器集成了人機界面（ HMI ）和物聯(lián)網(wǎng)連接等功能。選擇合適的可編程平臺來(lái)構建這些電機驅動(dòng)器，可為設計人員提供靈活性和可擴展性，以滿(mǎn)足當前和未來(lái)市場(chǎng)需求。

當今的許多 FPGA 都集成了硬處理器核心，附加的 DSP 元件可用于卸載具有可編程邏輯的處理器，從而獲得更高的吞吐量、額外的通道或更高的每瓦性能。千兆以太網(wǎng)等高速接口也可與傳統的 FPGA 邏輯架構一起使用，可用于根據需要實(shí)施定制外設。

除此之外，現代驅動(dòng)器的控制器還能結合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )或加速算法，用以處理智能狀態(tài)監測、振動(dòng)檢測、異常檢測。對于這些，更全面的可編程架構可實(shí)現更大的靈活性和集成度。AMD Versal? 系列等自適應 SoC 集成了可用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化 AI 引擎。 

另外，設計人員還需要采用適當的方法來(lái)設計軟件，特別是要更加注重安全性和基本控制。AMD Vitis? 和 Vivado? 以及 MicroBlaze? 編譯器等設計流程均具備安全認證。在設計流程中還可以用到 Python。Python 提供了用于數據分析與可視化的庫，可以在運行期間甚至部署之后分析電機性能和操作參數，為預測性維護功能的開(kāi)發(fā)提供支持。 

靈活的開(kāi)發(fā)平臺—— Flexibile Development Platforms

除了 FPGA 和自適應 SoC 之外，AMD Kria? 系統模塊（ SOM ）還利用可編程硬件以及與 AMD 設計工具的無(wú)縫集成，簡(jiǎn)化了高效、高性能電力驅動(dòng)器的開(kāi)發(fā)。

SOM 可以在幾微秒內執行電機控制環(huán)路的集成可編程邏輯，使控制算法能夠以每秒超過(guò) 100,000 個(gè)環(huán)路的速度運行，從而實(shí)現高精度的電壓和電流控制。這種方法提供了有助于最大限度提升電氣效率和延長(cháng)使用壽命的工具?？刂扑惴ǖ脑O計人員還可以選擇使用 Matlab Simulink 基于模型的方法和設計路徑，使結果適應 ARM 處理系統或具備 AMD Vitis? 和 Vivado? 提供的功能的數字邏輯。

硬件中靈活的可編程調制可以?xún)?yōu)化 EMI 行為。塊 RAM（ BRAM ）等內置存儲器允許對電機數據流進(jìn)行本地分析，并有助于對電力驅動(dòng)進(jìn)行健康監測。包括用于通信的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )（ TSN ）在內的工業(yè)以太網(wǎng)以及 DDS 和 OPC UA 等服務(wù)，簡(jiǎn)化了在現代工廠(chǎng)環(huán)境中的嵌入?？啥ㄖ乞寗?dòng)器的即用型應用可以下載到 SOM。

從機械驅動(dòng)轉向電力驅動(dòng)，結合了卓越的能源效率與軸數的可擴展性、更長(cháng)的使用壽命、更低的噪音和振動(dòng)，以及更好的與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的集成，以支持增值功能。FPGA、自適應 SoC 和 SOM 由經(jīng)過(guò)安全認證的硬件和軟件設計流程提供支持，為設計人員提供了所需的靈活性，通過(guò)在工廠(chǎng)中持續采集數據來(lái)智能優(yōu)化操作，從而提高生產(chǎn)力。

作者：Michael Zapke—AMD 工業(yè)業(yè)務(wù)高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理