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| 【電機(jī)】FPGA助工業(yè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效 |
| （時(shí)間:2009/8/27 9:16:04） |
在美國，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域AC電機(jī)所用的電能占全國的2/3以上。在許多應(yīng)用中，AC電機(jī)或被關(guān)斷或以全速運(yùn)作，而通過為電機(jī)添加變速控制功能，就能夠在標(biāo)準(zhǔn)開啟/關(guān)斷控制下實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)能。用混合信號(hào)FPGA來實(shí)現(xiàn)高效率AC電機(jī)控制系統(tǒng)，可大幅降低電機(jī)的功耗。
電機(jī)無處不在
今天，電機(jī)用于各類應(yīng)用中，然而，很少有人意識(shí)到電機(jī)在使用中對(duì)環(huán)境帶來怎樣的影響。專家估計(jì)，在美國，電機(jī)所消耗的電能約占總發(fā)電量的50%。從全球范圍看，AC電機(jī)功耗占工業(yè)應(yīng)用的70%，占商業(yè)應(yīng)用電能的45%，占住宅應(yīng)用電能的42%。
現(xiàn)在，用戶越來越關(guān)心不斷上漲的能源成本以及電機(jī)技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響。環(huán)保法規(guī)制訂者也不斷強(qiáng)調(diào)提高效率，而越來越多的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品需要滿足嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
解決方案之一是增添智能負(fù)載匹配和變速控制，這可將效率提高14%至30%。在美國，電機(jī)控制技術(shù)被廣泛使用，所節(jié)省的電能多達(dá)總電能消耗的15%。這相當(dāng)于每年減少能耗3千億kWh，從而節(jié)省150億美元，并每年減少溫室氣體排放超過1.8億噸。如果在全球范圍廣泛應(yīng)用，其節(jié)能潛力是非常驚人的。
控制系統(tǒng)是節(jié)能先鋒
一臺(tái)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩和方向由電機(jī)線圈的電子開關(guān)電壓來管理，在脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)中，向線圈施加電壓的序列決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。每個(gè)“脈沖”峰值電流的頻率和延續(xù)時(shí)間以線圈的電感為基礎(chǔ)，從而在每個(gè)線圈中實(shí)現(xiàn)峰值磁通量。電機(jī)的線圈電感一部分由其線圈匝數(shù)、濾波器來決定，將數(shù)字PWM脈沖平滑轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)力。通過控制序列、頻率以及驅(qū)動(dòng)電子器件的占空比，PWM系統(tǒng)能夠控制電機(jī)的方向、速度和平均轉(zhuǎn)矩。來自數(shù)字控制邏輯的PWM輸出經(jīng)由功率級(jí)與電機(jī)接口，MOSFET是電子電機(jī)控制最常用的功率級(jí)開關(guān)組件。
電機(jī)控制系統(tǒng)中的用戶接口組件可讓用戶發(fā)布命令，進(jìn)行初始化、配置以及控制邏輯組件。它可以簡化為一個(gè)正向或反向開關(guān)以及一個(gè)速度調(diào)節(jié)電路，或者復(fù)雜化為提供與電機(jī)控制相關(guān)的電壓、電流和溫度監(jiān)控功能的系統(tǒng)。
市場上有許多不同類型的AC電機(jī)，均需要根據(jù)特定電機(jī)設(shè)計(jì)的控制技術(shù)、傳感器、功率級(jí)和算法。能夠支持廣泛的電機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)類型的通用性、高度可配置的高集成度控制器是最理想的，而且還可以改善成本、性能和功效。
使用電子電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠以智能方式連續(xù)感測負(fù)載，并以合適的輸入功率來精確匹配。即使微小的負(fù)載變化亦可檢測，并精確地施加功率以匹配，而不會(huì)影響電機(jī)的速度。實(shí)際上，電子控制不斷根據(jù)工作來調(diào)節(jié)AC感應(yīng)電機(jī)，故電機(jī)總是在理想的負(fù)載狀況下運(yùn)作，這可在整個(gè)運(yùn)作負(fù)載范圍內(nèi)最大限度地提高電機(jī)的效率，并將功耗和運(yùn)作成本減至最低。
另外，并非所有應(yīng)用都需要電機(jī)以恒定速度運(yùn)作，在某些情況下，可能需要連續(xù)改變電機(jī)的速度以匹配電流狀況。可以使用電子控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控電機(jī)的速度，并加以調(diào)節(jié)以滿足某一時(shí)刻的需求。
FPGA具低成本優(yōu)勢(shì)
現(xiàn)有多種關(guān)于數(shù)字控制邏輯/系統(tǒng)的潛在解決方案，其一是使用專用DSP，但這可能會(huì)比較昂貴，而且往往需要增添模擬組件、控制組件和子系統(tǒng)。另一個(gè)常用方案是使用微控制器(MCU)，許多應(yīng)用至少包括某些所需的模擬功能如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，微控制器的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)廉價(jià)(用于工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用約為1至2美元)，但是它們的時(shí)鐘頻率通常只有10至50MHz，限制了控制PWM的速度。再者，每個(gè)微控制器都擁有控制單一電機(jī)所需的充足模擬功能和帶寬，但卻可能沒有充足的帶寬以支持診斷應(yīng)用的通信。例如，如果機(jī)器人包括10個(gè)電機(jī)，就可能需要10個(gè)微控制器，也可能還需要增加一個(gè)或兩個(gè)微控制器來處理用戶接口和通信，導(dǎo)致成本增加。
一個(gè)5美元的混合信號(hào)FPGA具有充足的模擬和數(shù)字處理功能，可以同時(shí)控制10個(gè)或更多的電機(jī)，這樣的器件以 250至300MHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)作，F(xiàn)PGA架構(gòu)的數(shù)字部分用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法的大量并行處理。在使用ActelFusion等混合信號(hào)FPGA的情況下，數(shù)字架構(gòu)的一部分可用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟微處理器內(nèi)核，如專為FPGA應(yīng)用而優(yōu)化的ARM Cor-tex-M1。除了處理用戶接口和通信之外，這個(gè)內(nèi)核還能夠以動(dòng)態(tài)方式監(jiān)控和細(xì)調(diào)模擬組件 。
使用帶有集成式軟處理器的混合信號(hào)FPGA，可以采用無傳感器的正弦電流控制來構(gòu)建電機(jī)，這就降低了電子控制裝置的價(jià)格。除了監(jiān)控總線電壓、電機(jī)電流和速度之外，在混合信號(hào)FPGA中結(jié)合Cortex-M1處理器，還能夠?qū)崿F(xiàn)診斷功能和處理任何用戶接口需求。若能以智能方式運(yùn)行診斷功能并在問題發(fā)生時(shí)做出響應(yīng)，便可顯著減少損害、延長電機(jī)壽命，同時(shí)降低擁有成本。
此外，在AC電機(jī)加入電子控制系統(tǒng)，不一定需要換掉所有使用中的電機(jī)，否則成本會(huì)很高。據(jù)美國能源部預(yù)計(jì)，僅工業(yè)領(lǐng)域就使用了1240萬臺(tái)超過735W的電機(jī)，在美國每年有60萬臺(tái)電機(jī)失效并被替換。這意味著在今后20年中，大多數(shù)超過735W的電機(jī)將需要被替換，使用高效的電子控制電機(jī)來替換這些電機(jī)，可將現(xiàn)有的工業(yè)功率需求減少18%，從而顯著降低制造領(lǐng)域的能源成本。
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