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能效规则将改变电机控制设计

发布时间:2020-07-21 17:59:10 阅读: 来源:油泵厂家

电机控制正在成为电力行业中变化最快的技术领域。 其原因在于,家庭、工厂和汽车中使用的数以百万计的电机需要提高能效。 若要实现更新更严格的能效目标,电机控制器设计、电流检测和控制算法必须有新的发展。

本文引用地址:电机控制的主要设计要素可分为四个方面:通信接口、EMC鲁棒性、电路隔离和能效。 接下来几年,最大的变化可能发生在能效方面。

根据ADI公司的Anders Fredriksen说法,人们大力要求把电机设计中的能效放在更重要的位置,而未来几年,随着新能效标准的引入,这种要求将更加强烈。

Fredriksen表示:“标准化工作已进行了数十年,但到2017年,关于能效的延伸准则就会适用于最低1W的电机,这将给制造商带来重大影响。” 但是,Frederiksen相信,为了满足新能效标准的要求,电机控制设计仍需要进一步发展。 Fredriksen说道:“可能需要改变电机控制架构,不这样做的话,我们将无法实现全部新能效标准。” 这不仅适用于工业电机,而且适用于家用电器和汽车。

为了提高能效,必须从元器件层次做起。 这意味着要给电机控制器增加处理器能力以便运行优化算法。 它还要求提高电流检测精度。 “例如,使用隔离式Σ-Δ转换来提高精度。”Fredriksen说。

针对直流和交流电流与电压测量,ADI公司提供高精度隔离式Σ-Δ型转换器。 AD7403实现了81dB(最小值)的信纳比(SINAD,78ksps采样速率和-40至125°C温度范围下)。 较高的信纳比可实现更加精确的电流和电压测量,通过降低电机轴上的转矩波动,提高电机驱动的性能。 它有一个二阶Σ-Δ调制器,能将模拟输入信号转换为1位数据流,片内数字隔离(1,250Vpeak)通过片内变压器实现。 测量端采用5V电源供电,可输入±250mV的差分信号(满量程±320mV)。对模拟输入连续采样,并转换为数据率最高为20MHz且密度为1位的数字输出流。 通过适当的数字滤波可重构原始信息,在78.1ksps时可实现88dB的信噪比。

针对数据处理,微控制器转向采用更高性能的内核,例如具有DSP扩展的ARM Cortex-M4。 Fredriksen表示:“围绕电机控制所用的算法开发已开展了大量工作,Cortex-M4等内核带来的处理能力提升使得这些高级算法有了用武之地。” 例如,最大限度地降低电机轴上的转矩波动可提高生产率。

ADI公司把ARM Cortex-M4处理器和基于模型的设计平台相结合来支持闭环电机控制的需求。 浮点Cortex-M4处理器内核的工作频率为240MHz,ADI公司还在其中集成了一个双通道16位模数转换器,其最高精度为14位,转换速度为380ns。 ADI公司以前的电机控制器平台是基于自有的ADSP-BF506A Blackfin处理器,不过其已经意识到,Cortex-M4很快会成为精密控制系统事实上的标准架构。

Fredriksen还认为,基于模型的设计工具,像MathWorks的Simulink等,会在电机和PV阵列控制系统的开发中越来越重要。 两年前,ADI公司演示了其首款电机控制系统设计平台,它基于Blackfin处理器,采用MathWorks Matlab计算语言进行算法开发。 它还采用Simulink设计环境来部署控制算法,以便优化永磁同步电机和交流感应电机的效率。 其目的是让设计人员在Matlab/Simulink中为系统建模,生成C代码,并使用ADI公司的Visual DSP++设计环境进行部署,剩余带宽还可用于执行应用程序代码。 Fredricksen相信,采用基于模型的设计可以改善无传感器和有传感器电机控制算法的驱动效率。

ADI公司与MathWorks合作,将Simulink基于模型的设计工具和代码生成器用于其电机控制平台。 它采用MathWorks的ARM Cortex-M优化Embedded Coder和工具套件,以支持从仿真到在嵌入式平台中实现生产就绪代码的完整设计周期。 Simulink生成可在Cortex-M4平台上运行的优化C代码。 公司还将片内存储器增加到384kB SRAM,以便存放工具所生成的C代码。

ADSP-CM40x具有控制环路专用硬件加速器,并且配备可与隔离式Σ-Δ调制器(用于分流式电流检测系统架构)直接接口的完整sinc滤波器。 而通常来说,sinc滤波器是在FPGA中实现。

ADSP-CM408 EZBoard

还有一个DSP加速器,可提供PV阵列控制环路设计通常使用的谐波分析。 它还支持可扩展且动态可调的PWM。 ADI公司还提供标准控制算法支持的开发与评估板CM40xEZBoard。

来自ADI公司Anders Fredriksen的观点

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