【電機】FPGA助工業電機實現節能增效-國際節能環保網-行業資訊

    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製功能，就能夠在標準開啟/關斷控製下實現顯著節能。用混合信號FPGA來實現高效率AC電機控製係統，可大幅降低電機的功耗。
    電機無處不在
    今jin天tian，電dian機ji用yong於yu各ge類lei應ying用yong中zhong，然ran而er，很hen少shao有you人ren意yi識shi到dao電dian機ji在zai使shi用yong中zhong對dui環huan境jing帶dai來lai怎zen樣yang的de影ying響xiang。專zhuan家jia估gu計ji，在zai美mei國guo，電dian機ji所suo消xiao耗hao的de電dian能neng約yue占zhan總zong發fa電dian量liang的de50%。從全球範圍看，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xian在zai，用yong戶hu越yue來lai越yue關guan心xin不bu斷duan上shang漲zhang的de能neng源yuan成cheng本ben以yi及ji電dian機ji技ji術shu對dui環huan境jing的de影ying響xiang。環huan保bao法fa規gui製zhi訂ding者zhe也ye不bu斷duan強qiang調tiao提ti高gao效xiao率lv，而er越yue來lai越yue多duo的de電dian機ji驅qu動dong產chan品pin需xu要yao滿man足zu嚴yan格ge的de環huan保bao標biao準zhun。
    解決方案之一是增添智能負載匹配和變速控製，這可將效率提高14%至30%。在美國，電機控製技術被廣泛使用，所節省的電能多達總電能消耗的15%。這相當於每年減少能耗3千億kWh，從而節省150億美元，並每年減少溫室氣體排放超過1.8億噸。如果在全球範圍廣泛應用，其節能潛力是非常驚人的。
    控製係統是節能先鋒
    一台電機的速度、轉矩和方向由電機線圈的電子開關電壓來管理，在脈寬調製(PWM)控製係統中，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“脈衝”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脈衝平滑轉換為機械動力。通過控製序列、頻率以及驅動電子器件的占空比，PWM係統能夠控製電機的方向、速度和平均轉矩。來自數字控製邏輯的PWM輸出經由功率級與電機接口，MOSFET是電子電機控製最常用的功率級開關組件。
    電機控製係統中的用戶接口組件可讓用戶發布命令，進行初始化、配置以及控製邏輯組件。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，或者複雜化為提供與電機控製相關的電壓、電流和溫度監控功能的係統。
    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製技術、傳感器、功率級和算法。能夠支持廣泛的電機控製技術和電機類型的通用性、高度可配置的高集成度控製器是最理想的，而且還可以改善成本、性能和功效。
    使(shi)用(yong)電(dian)子(zi)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，能(neng)夠(gou)以(yi)智(zhi)能(neng)方(fang)式(shi)連(lian)續(xu)感(gan)測(ce)負(fu)載(zai)，並(bing)以(yi)合(he)適(shi)的(de)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)來(lai)精(jing)確(que)匹(pi)配(pei)。即(ji)使(shi)微(wei)小(xiao)的(de)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)亦(yi)可(ke)檢(jian)測(ce)，並(bing)精(jing)確(que)地(di)施(shi)加(jia)功(gong)率(lv)以(yi)匹(pi)配(pei)，而(er)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)電(dian)機(ji)的(de)速(su)度(du)。實(shi)際(ji)上(shang)，電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)不(bu)斷(duan)根(gen)據(ju)工(gong)作(zuo)來(lai)調(tiao)節(jie)AC感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)，故(gu)電(dian)機(ji)總(zong)是(shi)在(zai)理(li)想(xiang)的(de)負(fu)載(zai)狀(zhuang)況(kuang)下(xia)運(yun)作(zuo)，這(zhe)可(ke)在(zai)整(zheng)個(ge)運(yun)作(zuo)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)內(nei)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)提(ti)高(gao)電(dian)機(ji)的(de)效(xiao)率(lv)，並(bing)將(jiang)功(gong)耗(hao)和(he)運(yun)作(zuo)成(cheng)本(ben)減(jian)至(zhi)最(zui)低(di)。
    lingwai，bingfeisuoyouyingyongdouxuyaodianjiyihengdingsuduyunzuo，zaimouxieqingkuangxia，kenengxuyaolianxugaibiandianjidesuduyipipeidianliuzhuangkuang。keyishiyongdianzikongzhixitonglianxujiankongdianjidesudu，bingjiayitiaojieyimanzumouyishikedexuqiu。
    FPGA具低成本優勢
    現有多種關於數字控製邏輯/係統的潛在解決方案，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、控製組件和子係統。另一個常用方案是使用微控製器(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)，微控製器的優勢在於相對廉價(用於工業電機控製應用約為1至2美元)，但是它們的時鍾頻率通常隻有10至50MHz，限製了控製PWM的de速su度du。再zai者zhe，每mei個ge微wei控kong製zhi器qi都dou擁yong有you控kong製zhi單dan一yi電dian機ji所suo需xu的de充chong足zu模mo擬ni功gong能neng和he帶dai寬kuan，但dan卻que可ke能neng沒mei有you充chong足zu的de帶dai寬kuan以yi支zhi持chi診zhen斷duan應ying用yong的de通tong信xin。例li如ru，如ru果guo機ji器qi人ren包bao括kuo10個電機，就可能需要10個微控製器，也可能還需要增加一個或兩個微控製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，可以同時控製10個或更多的電機，這樣的器件以 250至300MHz的時鍾頻率運作，FPGA架構的數字部分用於實現電機控製算法的大量並行處理。在使用ActelFusion等混合信號FPGA的情況下，數字架構的一部分可用於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製來構建電機，這就降低了電子控製裝置的價格。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並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電機加入電子控製係統，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1240萬台超過735W的電機，在美國每年有60萬台電機失效並被替換。這意味著在今後20年中，大多數超過735W的電機將需要被替換，使用高效的電子控製電機來替換這些電機，可將現有的工業功率需求減少18%，從而顯著降低製造領域的能源成本。

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