【电机】FPGA助工业电机实现节能增效-国际节能环保网-行业资讯

    在美国，工业应用领域AC电机所用的电能占全国的2/3以上。在许多应用中，AC电机或被关断或以全速运作，而通过为电机添加变速控制功能，就能够在标准开启/关断控制下实现显著节能。用混合信号FPGA来实现高效率AC电机控制系统，可大幅降低电机的功耗。
    电机无处不在
    今天，电机用于各类应用中，然而，很少有人意识到电机在使用中对环境带来怎样的影响。专家估计，在美国，电机所消耗的电能约占总发电量的50%。从全球范围看，AC电机功耗占工业应用的70%，占商业应用电能的45%，占住宅应用电能的42%。
    现在，用户越来越关心不断上涨的能源成本以及电机技术对环境的影响。环保法规制订者也不断强调提高效率，而越来越多的电机驱动产品需要满足严格的环保标准。
    解决方案之一是增添智能负载匹配和变速控制，这可将效率提高14%至30%。在美国，电机控制技术被广泛使用，所节省的电能多达总电能消耗的15%。这相当于每年减少能耗3千亿kWh，从而节省150亿美元，并每年减少温室气体排放超过1.8亿吨。如果在全球范围广泛应用，其节能潜力是非常惊人的。
    控制系统是节能先锋
    一台电机的速度、转矩和方向由电机线圈的电子开关电压来管理，在脉宽调制(PWM)控制系统中，向线圈施加电压的序列决定了电机的转动方向和速度。每个“脉冲”峰值电流的频率和延续时间以线圈的电感为基础，从而在每个线圈中实现峰值磁通量。电机的线圈电感一部分由其线圈匝数、滤波器来决定，将数字PWM脉冲平滑转换为机械动力。通过控制序列、频率以及驱动电子器件的占空比，PWM系统能够控制电机的方向、速度和平均转矩。来自数字控制逻辑的PWM输出经由功率级与电机接口，MOSFET是电子电机控制最常用的功率级开关组件。
    电机控制系统中的用户接口组件可让用户发布命令，进行初始化、配置以及控制逻辑组件。它可以简化为一个正向或反向开关以及一个速度调节电路，或者复杂化为提供与电机控制相关的电压、电流和温度监控功能的系统。
    市场上有许多不同类型的AC电机，均需要根据特定电机设计的控制技术、传感器、功率级和算法。能够支持广泛的电机控制技术和电机类型的通用性、高度可配置的高集成度控制器是最理想的，而且还可以改善成本、性能和功效。
    使用电子电机控制系统，能够以智能方式连续感测负载，并以合适的输入功率来精确匹配。即使微小的负载变化亦可检测，并精确地施加功率以匹配，而不会影响电机的速度。实际上，电子控制不断根据工作来调节AC感应电机，故电机总是在理想的负载状况下运作，这可在整个运作负载范围内最大限度地提高电机的效率，并将功耗和运作成本减至最低。
    另外，并非所有应用都需要电机以恒定速度运作，在某些情况下，可能需要连续改变电机的速度以匹配电流状况。可以使用电子控制系统连续监控电机的速度，并加以调节以满足某一时刻的需求。
    FPGA具低成本优势
    现有多种关于数字控制逻辑/系统的潜在解决方案，其一是使用专用DSP，但这可能会比较昂贵，而且往往需要增添模拟组件、控制组件和子系统。另一个常用方案是使用微控制器(MCU)，许多应用至少包括某些所需的模拟功能如模数转换器(ADC)，微控制器的优势在于相对廉价(用于工业电机控制应用约为1至2美元)，但是它们的时钟频率通常只有10至50MHz，限制了控制PWM的速度。再者，每个微控制器都拥有控制单一电机所需的充足模拟功能和带宽，但却可能没有充足的带宽以支持诊断应用的通信。例如，如果机器人包括10个电机，就可能需要10个微控制器，也可能还需要增加一个或两个微控制器来处理用户接口和通信，导致成本增加。
    一个5美元的混合信号FPGA具有充足的模拟和数字处理功能，可以同时控制10个或更多的电机，这样的器件以 250至300MHz的时钟频率运作，FPGA架构的数字部分用于实现电机控制算法的大量并行处理。在使用ActelFusion等混合信号FPGA的情况下，数字架构的一部分可用于实现一个软微处理器内核，如专为FPGA应用而优化的ARM Cor-tex-M1。除了处理用户接口和通信之外，这个内核还能够以动态方式监控和细调模拟组件。
    使用带有集成式软处理器的混合信号FPGA，可以采用无传感器的正弦电流控制来构建电机，这就降低了电子控制装置的价格。除了监控总线电压、电机电流和速度之外，在混合信号FPGA中结合Cortex-M1处理器，还能够实现诊断功能和处理任何用户接口需求。若能以智能方式运行诊断功能并在问题发生时做出响应，便可显著减少损害、延长电机寿命，同时降低拥有成本。
    此外，在AC电机加入电子控制系统，不一定需要换掉所有使用中的电机，否则成本会很高。据美国能源部预计，仅工业领域就使用了1240万台超过735W的电机，在美国每年有60万台电机失效并被替换。这意味着在今后20年中，大多数超过735W的电机将需要被替换，使用高效的电子控制电机来替换这些电机，可将现有的工业功率需求减少18%，从而显著降低制造领域的能源成本。

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