为了从IGBT和MOSFET等半导体器件中榨取更多的功率,不连续PWM技术正在广泛使用,利用功率因素信息的最低损耗不连续PWM技术也用于最大限度地减小开关损耗。
平台化动向
据富士通半导体公司产品经理彭涛介绍,就电机驱动技术的发展趋势而言,高效节能、简易安全、精准控制、成本优化是发展方向。从富士通MCU产品来说,基于ARM Cortex-M系列的32位嵌入式处理器因其高效的运算处理能力和优化的内核技术,将成为电机控制MCU的主流。而电机变频控制、矢量控制和正弦波180度控制则是交流电机和直流电机控制技术的发展趋势。富士通半导体在电机控制应用中,产品、算法和方案实现了平台化。
工业自动化领域趋势
工业电机:FPGA关注的领域
Xilinx公司亚太区新兴业务拓展经理黄文杰指出,为获得优化的电机效率,电机控制电子设备要读取电机的电流、电压数据,并进行一系列的数学运算和校正。结果输出为转换器的指令。这些都需要在电机的反馈读取过期之前及时地完成。环路时间越短,电机响应就越快,同时电流波纹就越小,电机耗散的能量也越少--而这,是更精确、更高效的电机驱动系统所带来的。
工业自动化的挑战
Altera亚太区工业业务部市场开发经理江允贵介绍道,工业自动化的趋势首先是提高性能,包括开发更好的算法,支持变化的标准,比如变化中的工业以太网(西门子Profinet和传统低速的RS485,RS232等)。另外一些比较复杂的运算使得电机不会发烫,效率更高,所以包括全球的学术单位也在研究新的数学算法,来增强电机的性能,提升效率。
其次,突出优势,降低成本,并寻求差异化。工业电机主要是定制化的。因为电机终端的应用,有车床、铣床、机器人、汽车生产线,或是笔记本电脑生产线等,每一条生产线都不一样,所以电机公司的产品必须要定制化、差异化,同时要降低成本,最理想的是用单芯片来支持不同的定制化产品。
再有,符合功能安全要求。在中国已经强制执行了一些标准,例如电梯业,今年7月1日以后国内出产的电梯必须有功能安全的认证执照,才能卖到市场上[1]。所以功能安全要符合新标准--IEC61508,这部分的主旨是保护人为操作过失而造成的意外;另外使生产线更流畅,能提高生产率,使机器不会损坏,可靠度提高。
节能+更小的电机+更长的使用寿命=工厂效益
如果专注在伺服驱动或者电机控制,第一要求是降低能耗。工业领域64%的电能消耗来自电机驱动设备。驱动能够节省40%的能耗。换句话说,很多能源在中间的传输过程中或者是在运算过程中被浪费掉,其实效能并不高。如何提高效能?比如电机的转速,如果转得快,电机会发烫,所以我们现在的科技还无法让电机转得很快而不发烫。所以我们就要发展一些新的材料,新的算法让电机的效率提高。
第二,电机的成本非常高,如何降低它的成本?可以改善它的材料和大小。
第三是怎样延长寿命。可以通过电机智能管理来实现(图2)。
集成化
如图3所示,左上方有PLC/电机控制器,是属于主站,接着有一个平台,经由工业以太网控制到最下面虚线框起来的多轴驱动系统,之所以是多轴的,因为整个生产平台上面,带动的电机不只一个。它是多个动作的:清洗,翻转,固定,切割,打包等。
这种多轴控制有一定的相关性,一些轴跟另一些轴必须要搭配,有一些轴是相对独立的,通过工业以太网来实时控制。
左侧表格综合了上述的说明,从PLC下控制命令,传达到电机系统,然后多轴的电机系统,来控制不同电机系统的动作、命令,但是要达到实时性,通过工业以太网这种实时性的以太网来执行这个命令。另外要考虑到功能安全,就是怎样去避免机器的故障,机器的损坏,还有人员操作的意外。
芯片的集成化
对于半导体芯片厂商,驱动设计的发展趋势是集成。如图4所示,左图是第一阶段,整个系统方块可用一颗DSP或者MCU做主芯片,这时候FPGA扮演I/O扩展的角色。第一代的特点是单轴控制,不是实时的以太网,效能不高。
中图显示的是目前流行的第二代伺服驱动控制系统,FPGA还可实现工业以太网,但把左图的现场总线ASIC的低速部分淘汰了,提升了系统的性能和效能。但是主要的算法还是在DSP和MCU上。在此,Altera的FPGA方案是Cyclone IV器件。
未来的趋势是多轴控制,一条生产线一定是带多个电机的。多个电机方案可使成本降低。所以右图中,FPGA把算法、工业以太网等集成在一颗FPGA内部了,功能安全也被集成进来。换句话说,在不久的将来,用单颗FPGA就可以做伺服驱动控制。Altera的方案是集成了ARM双核Cortex-A9的下一代的Cyclone V器件。
Altera的方案比较倾向在交流永磁电机,尤其是三相交流或者是感应电机。这些电机需要精确的运算、控制。而一般像抽水马达等不需要很高精度、高效能,通常一个简单、便宜的MCU就可以实现。
Altera提供平台和参考设计,客户根据终端客户的需求,开发不同的算法。