能效規則將改變電機控制設計

　　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(chǎng)和汽車(chē)中使用的數以百萬(wàn)計的電機需要提高能效。 若要實(shí)現更新更嚴格的能效目標，電機控制器設計、電流檢測和控制算法必須有新的發(fā)展。

　　電機控制的主要設計要素可分為四個(gè)方面：通信接口、EMC魯棒性、電路隔離和能效。 接下來(lái)幾年，最大的變化可能發(fā)生在能效方面。

　　根據ADI公司的Anders Fredriksen說(shuō)法，人們大力要求把電機設計中的能效放在更重要的位置，而未來(lái)幾年，隨著(zhù)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(jìn)行了數十年，但到2017年，關(guān)于能效的延伸準則就會(huì )適用于最低1W的電機，這將給制造商帶來(lái)重大影響?！?但是，Frederiksen相信，為了滿(mǎn)足新能效標準的要求，電機控制設計仍需要進(jìn)一步發(fā)展。 Fredriksen說(shuō)道：“可能需要改變電機控制架構，不這樣做的話(huà)，我們將無(wú)法實(shí)現全部新能效標準?！?這不僅適用于工業(yè)電機，而且適用于家用電器和汽車(chē)。

　　為了提高能效，必須從元器件層次做起。 這意味著(zhù)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轉換來(lái)提高精度?！盕redriksen說(shuō)。

　　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型轉換器。 AD7403實(shí)現了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(shí)現更加精確的電流和電壓測量，通過(guò)降低電機軸上的轉矩波動(dòng)，提高電機驅動(dòng)的性能。 它有一個(gè)二階Σ-Δ調制器，能將模擬輸入信號轉換為1位數據流，片內數字隔離(1,250Vpeak)通過(guò)片內變壓器實(shí)現。 測量端采用5V電源供電，可輸入±250mV的差分信號(滿(mǎn)量程±320mV)。對模擬輸入連續采樣，并轉換為數據率最高為20MHz且密度為1位的數字輸出流。 通過(guò)適當的數字濾波可重構原始信息，在78.1ksps時(shí)可實(shí)現88dB的信噪比。

　　針對數據處理，微控制器轉向采用更高性能的內核，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(kāi)發(fā)已開(kāi)展了大量工作，Cortex-M4等內核帶來(lái)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矩波動(dòng)可提高生產(chǎn)率。

　　ADI公司把ARM Cortex-M4處理器和基于模型的設計平臺相結合來(lái)支持閉環(huán)電機控制的需求。 浮點(diǎn)Cortex-M4處理器內核的工作頻率為240MHz，ADI公司還在其中集成了一個(gè)雙通道16位模數轉換器，其最高精度為14位，轉換速度為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(guò)其已經(jīng)意識到，Cortex-M4很快會(huì )成為精密控制系統事實(shí)上的標準架構。

　　Fredriksen還認為，基于模型的設計工具，像MathWorks的Simulink等，會(huì )在電機和PV陣列控制系統的開(kāi)發(fā)中越來(lái)越重要。 兩年前，ADI公司演示了其首款電機控制系統設計平臺，它基于Blackfin處理器，采用MathWorks Matlab計算語(yǔ)言進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)。 它還采用Simulink設計環(huán)境來(lái)部署控制算法，以便優(yōu)化永磁同步電機和交流感應電機的效率。 其目的是讓設計人員在Matlab/Simulink中為系統建模，生成C代碼，并使用ADI公司的Visual DSP++設計環(huán)境進(jìn)行部署，剩余帶寬還可用于執行應用程序代碼。 Fredricksen相信，采用基于模型的設計可以改善無(wú)傳感器和有傳感器電機控制算法的驅動(dòng)效率。

　　ADI公司與MathWorks合作，將Simulink基于模型的設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(shí)現生產(chǎn)就緒代碼的完整設計周期。 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(zhuān)用硬件加速器，并且配備可與隔離式Σ-Δ調制器(用于分流式電流檢測系統架構)直接接口的完整sinc濾波器。 而通常來(lái)說(shuō)，sinc濾波器是在FPGA中實(shí)現。

  ADSP-CM408 EZBoard

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

來(lái)自ADI公司Anders Fredriksen的觀(guān)點(diǎn)