全面解決方案迎接智能、效率電機控制系統(tǒng)新時代

在當今不斷擴展的工業(yè)市場上，對電力的需求正以前所未有的速率增長。其中，超過40% 的電力需求來源于各類工業(yè)電機。由于這個原因，各國政府和全球認證機構(gòu)正在面向電機OEM 和最終用戶制定新的法規(guī)以及更嚴苛的能效要求。更智能、高效率電機控制系統(tǒng)

的新時代將是一個電機控制工業(yè)新標準涌現(xiàn)的時代。ADI 以系統(tǒng)級的角度來看待這些挑戰(zhàn)，開發(fā)的產(chǎn)品不僅超越了性能規(guī)格，還代表了電路其他功能模塊之間的最佳接口。這種系統(tǒng)解決方案的方法讓ADI 能夠為基于工業(yè)的客戶提供完整的集成式解決方案，并在實現(xiàn)規(guī)格要求的同時幫助他們滿足最新、最苛刻的能源法規(guī)。除此以外，安全與互聯(lián)也是電機控制未來發(fā)展的主要趨勢，可預(yù)測性維護也被越來越引入其中，互聯(lián)則指工業(yè)現(xiàn)場的實時以太網(wǎng)的應(yīng)用與普及。

全面的系統(tǒng)級解決方案

近年來，許多終端市場和應(yīng)用中的一個明顯趨勢是用高效率的無刷直流電機(BLDC) 替換交流電機或機械泵。因為高扭矩重量比、高功率因數(shù)、響應(yīng)更快、結(jié)實耐用的構(gòu)造、易于維護、易于控制以及高效率等先天優(yōu)勢，永磁同步電機（PMSM）在工業(yè)自動化領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

ADI 針對電機控制系統(tǒng)要求的低功耗、高效率、安全與互聯(lián)，提供了門類齊全的產(chǎn)品組合，其中包括了模數(shù)/ 數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler 數(shù)字隔離器、電源管理器件和實時以太網(wǎng)解決方案，以及運動控制模塊等等。這些高性能的器件和系統(tǒng)有助于實現(xiàn)更新型的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計帶來價值。

此外，電機作為工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其健康安全非常重要，ADI 提供基于狀態(tài)監(jiān)控（CbM）的系統(tǒng)解決方案，能夠?qū)崟r在線和離線獲取、學(xué)習(xí)并感知邊緣的任何單向信號（聲音、振動、壓力、電流、溫度等），用于連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和按需診斷，能夠在問題變得嚴重之前確定工廠機器中的潛在問題。

ADI 有能力提供極具創(chuàng)新性的電機控制解決方案，這些方案著眼于優(yōu)異的系統(tǒng)性能和業(yè)界領(lǐng)先的集成度，具備極佳的系統(tǒng)效率、可靠性和連接性。ADI 還擁有豐富的電機控制系統(tǒng)級知識和戰(zhàn)略技術(shù)合作伙伴聯(lián)盟，能為客戶提供獨特的系統(tǒng)服務(wù)與產(chǎn)品，并引領(lǐng)成為長期技術(shù)合作伙伴。

功率器件的驅(qū)動與傳感器的融合

半導(dǎo)體技術(shù)的進步讓功率器件開關(guān)頻率得到快速有效提升，從而讓電機系統(tǒng)能效快速提升。特別是碳化硅（SiC）MOSFET 器件可以達到更高的開關(guān)頻率，為提升電機能效提供了新的空間。然而，驅(qū)動方式是達到這些開關(guān)器件所需開關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設(shè)計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關(guān)頻率對柵極驅(qū)動器的要求越來越高，采用的柵極驅(qū)動器的傳輸延遲、死區(qū)時間、共模瞬變抗擾度(CMTI) 等指標對提升充電樁功率和效率產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。

為了操作MOSFET，通常須將一個電壓施加于柵極，使用專門驅(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。隔離式柵極驅(qū)動器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標將決定直流模塊的整體功率、效率和系統(tǒng)尺寸，正確選擇這類解決方案非常關(guān)鍵。ADI的iCoupler 柵極驅(qū)動器傳輸延時在50~60 ns，降低了傳輸延遲，并且傳輸延時一致性更好，更低的傳輸延遲和延時一致性有助于提高開關(guān)頻率和效率。此外，隔離柵極驅(qū)動器的死區(qū)時間也是關(guān)鍵特性之一，更低的死區(qū)時間將有效降低損耗。

隨著工業(yè)生產(chǎn)對電機的精確控制和高效換向的要求的日益提升，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)重要。傳感器技術(shù)的發(fā)展進步，人們可以以更低的價格獲得更高精確度的傳感器，在電機控制系統(tǒng)設(shè)計過程中對于傳感器，人們也有了更多不同種類、價格、性能的選擇。例如一般而言，在基于旋變器的系統(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，但終端解決方案可能價格昂貴且體積較大，這是因為旋變器本身會占用較大的物理空間。無傳感器方案也可用于檢測反電動勢電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機啟動性能可能是個問題，因為這時不會產(chǎn)生反電動勢，因此就無法得到可用的位置數(shù)據(jù)。一種替代方案是使用基于異性磁阻(AMR) 技術(shù)的角度傳感器，這些傳感器既便宜又精確。不僅可實現(xiàn)高角度精度，而且可將一個檢測元件和電子電路集成在同一封裝中。這可獲得非常小的傳感器子系統(tǒng)，并且能夠在電機總成內(nèi)定位傳感器。

應(yīng)對算法與智能化新挑戰(zhàn)更智能、高效率電機控制系統(tǒng)的新時代將是一個電機控制工業(yè)新標準涌現(xiàn)的時代。出于這樣的認識，ADI與戰(zhàn)略合作伙伴共同開發(fā)了一個全面的集成式電機控制設(shè)計程序；這些戰(zhàn)略合作伙伴都是各自領(lǐng)域內(nèi)的專家(MathWorks、ARM、Boston Engineering、IAR Systems和Xilinx)，目的在于解決整個系統(tǒng)的架構(gòu)問題，實現(xiàn)效率最大化的同時改善系統(tǒng)精度和可靠性。軟件部分采用了MBD（Model-based design，基于模型設(shè)計），采用Matlab & Simulink 工具對電機控制進行建模，并自動產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機控制軟件的開發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注于算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過程。

人工智能發(fā)展到今天已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域的方方面面，電機控制系統(tǒng)也不例外，ADI 的工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測解決方案是人工智能應(yīng)用的典范。ADI 的OtoSense 體系結(jié)構(gòu)是一款人工智能驅(qū)動的傳感和解譯平臺，ADI 的工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測解決方案是人工智能應(yīng)用的典范。如前所述，ADI 的 OtoSense 體系結(jié)構(gòu)是一款人工智能驅(qū)動的傳感和解譯平臺，能夠基于連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控功能，分析設(shè)備運行狀況，監(jiān)督制造過程并及早察覺異常避免造成問題。人工智能模型在（靠近資產(chǎn)）邊緣運行，以便提供實時、在線和離線輸出，這有助于避免不必要的停機、嚴重損壞或故障。

要實現(xiàn)人工智能，數(shù)據(jù)采集很重要，OtoSense 的人工智能平臺依賴于包括高性能MEMS 加速度計在內(nèi)的各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集。例如ADXL100x 系列單軸加速度計針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用而優(yōu)化，而集成的模塊產(chǎn)品ADcmXL3021 還將高性能振動檢測和各種信號處理功能相結(jié)合，可以跟蹤許多機器平臺上的振動信號，可簡化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的智能傳感器節(jié)點開發(fā)周期。根據(jù)現(xiàn)有的研究與產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，振動+ 溫度檢測的模式是非常有效能夠檢測出設(shè)備異常的高性價比方案。針對此方案的實現(xiàn)，ADI SMS（Smart Motor Senor，智能馬達傳感器）是Otosense AI 平臺下的系統(tǒng)級解決方案，通過集成的ADI 高性能振動、溫度與磁傳感器采集數(shù)據(jù)，能夠在早期就檢測到電機的異常狀況。并且通過SmartMesh 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云端，客戶可以在各類終端設(shè)備上監(jiān)控到電機的狀況，并進行一些綜合性的數(shù)據(jù)分析。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）