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| 【電機】FPGA助工業電機實現節能增效 |
| （時間:2009/8/27 9:16:04） |
在美國，工業應用領域AC電機所用的電能占全國的2/3以上。在許多應用中，AC電機或被關斷或以全速運作，而通過為電機添加變速控制功能，就能夠在標準開啟/關斷控制下實現顯著節能。用混合信號FPGA來實現高效率AC電機控制系統，可大幅降低電機的功耗。
電機無處不在
今天，電機用于各類應用中，然而，很少有人意識到電機在使用中對環境帶來怎樣的影響。專家估計，在美國，電機所消耗的電能約占總發電量的50%。從全球范圍看，AC電機功耗占工業應用的70%，占商業應用電能的45%，占住宅應用電能的42%。
現在，用戶越來越關心不斷上漲的能源成本以及電機技術對環境的影響。環保法規制訂者也不斷強調提高效率，而越來越多的電機驅動產品需要滿足嚴格的環保標準。
解決方案之一是增添智能負載匹配和變速控制，這可將效率提高14%至30%。在美國，電機控制技術被廣泛使用，所節省的電能多達總電能消耗的15%。這相當于每年減少能耗3千億kWh，從而節省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用，其節能潛力是非常驚人的。
控制系統是節能先鋒
一臺電機的速度、轉矩和方向由電機線圈的電子開關電壓來管理，在脈寬調制(PWM)控制系統中，向線圈施加電壓的序列決定了電機的轉動方向和速度。每個“脈沖”峰值電流的頻率和延續時間以線圈的電感為基礎，從而在每個線圈中實現峰值磁通量。電機的線圈電感一部分由其線圈匝數、濾波器來決定，將數字PWM脈沖平滑轉換為機械動力。通過控制序列、頻率以及驅動電子器件的占空比，PWM系統能夠控制電機的方向、速度和平均轉矩。來自數字控制邏輯的PWM輸出經由功率級與電機接口，MOSFET是電子電機控制最常用的功率級開關組件。
電機控制系統中的用戶接口組件可讓用戶發布命令，進行初始化、配置以及控制邏輯組件。它可以簡化為一個正向或反向開關以及一個速度調節電路，或者復雜化為提供與電機控制相關的電壓、電流和溫度監控功能的系統。
市場上有許多不同類型的AC電機，均需要根據特定電機設計的控制技術、傳感器、功率級和算法。能夠支持廣泛的電機控制技術和電機類型的通用性、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。
使用電子電機控制系統，能夠以智能方式連續感測負載，并以合適的輸入功率來精確匹配。即使微小的負載變化亦可檢測，并精確地施加功率以匹配，而不會影響電機的速度。實際上，電子控制不斷根據工作來調節AC感應電機，故電機總是在理想的負載狀況下運作，這可在整個運作負載范圍內最大限度地提高電機的效率，并將功耗和運作成本減至最低。
另外，并非所有應用都需要電機以恒定速度運作，在某些情況下，可能需要連續改變電機的速度以匹配電流狀況。可以使用電子控制系統連續監控電機的速度，并加以調節以滿足某一時刻的需求。
FPGA具低成本優勢
現有多種關于數字控制邏輯/系統的潛在解決方案，其一是使用專用DSP，但這可能會比較昂貴，而且往往需要增添模擬組件、控制組件和子系統。另一個常用方案是使用微控制器(MCU)，許多應用至少包括某些所需的模擬功能如模數轉換器(ADC)，微控制器的優勢在于相對廉價(用于工業電機控制應用約為1至2美元)，但是它們的時鐘頻率通常只有10至50MHz，限制了控制PWM的速度。再者，每個微控制器都擁有控制單一電機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用的通信。例如，如果機器人包括10個電機，就可能需要10個微控制器，也可能還需要增加一個或兩個微控制器來處理用戶接口和通信，導致成本增加。
一個5美元的混合信號FPGA具有充足的模擬和數字處理功能，可以同時控制10個或更多的電機，這樣的器件以 250至300MHz的時鐘頻率運作，FPGA架構的數字部分用于實現電機控制算法的大量并行處理。在使用ActelFusion等混合信號FPGA的情況下，數字架構的一部分可用于實現一個軟微處理器內核，如專為FPGA應用而優化的ARM Cor-tex-M1。除了處理用戶接口和通信之外，這個內核還能夠以動態方式監控和細調模擬組件 。
使用帶有集成式軟處理器的混合信號FPGA，可以采用無傳感器的正弦電流控制來構建電機，這就降低了電子控制裝置的價格。除了監控總線電壓、電機電流和速度之外，在混合信號FPGA中結合Cortex-M1處理器，還能夠實現診斷功能和處理任何用戶接口需求。若能以智能方式運行診斷功能并在問題發生時做出響應，便可顯著減少損害、延長電機壽命，同時降低擁有成本。
此外，在AC電機加入電子控制系統，不一定需要換掉所有使用中的電機，否則成本會很高。據美國能源部預計，僅工業領域就使用了1240萬臺超過735W的電機，在美國每年有60萬臺電機失效并被替換。這意味著在今后20年中，大多數超過735W的電機將需要被替換，使用高效的電子控制電機來替換這些電機，可將現有的工業功率需求減少18%，從而顯著降低制造領域的能源成本。
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