|
隨著AC感應電機成為工業電機的首選，全方位降低設計功耗的需求不斷涌現，因此提高這些電機的效率變得非常重要。在AC感應電機中，獲得所需轉矩和效率性能的關鍵在于轉差控制機制的優化。為了實現轉差優化，帶有高集成度控制邏輯的緊密控制回路是必不可少的。 大部分電流解決方案都是基于處理器的，這些處理器運行相當復雜的軟件程序以實現高效運作。在基于軟件的系統中，處理器帶寬和計算時間大大限制了響應能力，因而也限制了這些解決方案的功效。若采用功能較強大的處理器來實現，雖能夠加快處理速度，提高功效，但卻又會產生額外的成本。 直接在 FPGA 邏輯門中實現控制算法是一種高成本效益的替代方案，I/O響應的速度更快。設計人員可以獲取設計所需的知識產權(IP)，而且采用可重編程FPGA，系統可以隨技術的改進而升級。不過，外部處理器和閃存查找表 (LUT) 仍然是兩大性能瓶頸。 高集成度混合信號FPGA帶有嵌入式非易失性存儲器和軟或硬處理器內核，為緊密控制回路和加快轉差控制處理提供了理想的解決方案，從而提高了AC感應電機的效率。由于所有的處理能力、LUT以及直接控制算法均集成在單個可重編程芯片中，因此這種解決方案較傳統解決方案更精確、更高效，而成本也更低。 AC感應電機的基本原理 在AC感應電機中，籠條 (cage) 或靜態部件 (定子, stator ) 上的三相電能通過電磁感應被轉換為旋轉部件 (轉子, rotor) 上的機械能。轉子是沒有直接供電的，轉子上的電流由定子產生的旋轉磁場所感應，產生一個磁場，并與定子產生的旋轉磁場相互作用，從而導致轉子轉動。所謂的轉差 (slip)，就是轉子轉動的速度與定子產生的旋轉磁場旋轉的速度之間的比值。 當轉子的轉動速度幾乎達到定子的磁場旋轉速度時，感應電機的效率最高，這時的轉差接近零。不過，在負載較大的情況下，為提高轉矩，最好選擇較大的轉差，如圖1所示。最優化轉差控制采用了多種算法，以便及時在最高效率或最大轉矩之間找到最佳平衡點。圖1給出了效率/轉差曲線及轉矩/轉差曲線。 轉差計算 三相AC電機是針對AC電源工作而設計的，具有固定的電壓和頻率。電機的電源頻率和磁極數目決定了AC電機的同步速度 (旋轉磁場的速度)。 如果感應電機的電源頻率為 f = p*n/2 這里f是電源頻率，P是磁極對數，n是旋轉磁場的速度，那么感應電機的旋轉磁場速度便是： n = 2f/p revs/second or n = 120f/p revs/ minute 而轉子速度為： r = n(1-S) 這里 “S” 就是轉差。轉差是一個比值，沒有單位。 轉差S = n-r/n 轉差頻率為電源頻率，用以維持所需轉差值。 例如，一個由 60 MHz AC 線供電的四極電機的同步速度為120*60/4=1800rpm。然而，電機的負載水平不可能是固定不變的，負載決定電機的轉差和電機軸的實際速度。其中，轉差對電機轉矩及工作的影響相當大。在控制算法中，轉差控制是決定電機效率及性能的關鍵因素。 在AC電機控制中，高效轉差控制方法的選擇極為重要，對于需要重負載運作的工業自動化應用來說尤其如此。 AC感應電機控制算法 目前有兩種基本的AC電機控制算法：速度控制和轉矩控制。轉差控制算法用于轉矩控制，通過控制相電流和轉差頻率兩個方面(圖2)來實現。這種算法利用PWM對電壓進行調節，以維持所需的轉差頻率。為了提供最佳的轉差控制性能，電機的電流和速度反饋提示軟件對變化的條件進行補償。而檢測采樣速度和計算瓶頸會減弱對速度及電流變化的響應，因此限制系統的響應能力和效率。 我們把所需轉矩值饋入到所示的實例系統中。當轉差頻率固定時，可通過增大電流來提高轉矩。同樣地，當電流恒定時，增加轉差頻率便可提高轉矩。為了基于所需轉矩提供適當的電壓響應，系統會執行電流和轉差 LUT，向每一電流或轉差檢測值提供固定數值響應。 轉矩/轉差曲線由電機本身決定。因此，需要針對電機定制轉差 LUT。轉差控制算法不難實現，但生成轉差表就不那么簡單了，而其困難在于確定給定電流的轉差值。由于電機并非在轉矩最大時效率最高，因而它會試圖選擇低轉差頻率以獲得最大電機效率。然而，鑒于控制器的功耗與電流相關，故偏向每安培最大轉矩可能更有益。無論哪種情況下，轉矩曲線都應該針對應用量身定做。 在LUT表中，轉矩/轉差曲線各參數的用戶專用程度和電機依賴程度都相當高。該表通常在用于微控制器存取的閃存中執行。本地總線帶寬、閃存查找時間和微控制器的速度確定了系統的性能。 轉差優化 通過直接控制轉差值或轉差頻率可以實現感應電機的最優化控制。每個感應電機都有一個類似于圖1示例的特性曲線。對于最大轉矩 (擊穿點)、最大功率因數和最大電機效率，其轉差值都截然不同。一般而言，電機的額定轉差 (額定轉矩) 落在最大功率因數和最大效率之間的某個地方。轉差頻率 (電源頻率必需能夠滿足所需轉差要求) 的控制方法有多種。這樣的系統會采用一個速度傳感器來測量轉子頻率，并根據所需轉差值來確定電源頻率。其所需轉差值將取決于應用或系統的要求，例如，若應用關注重點為系統效率，則必需保持轉差頻率以獲得最大效率。 基于處理器的系統 AC感應電機可以采用基于處理器的實現方案，比如Microchip 公司的PIC微控制器、或者是飛思卡爾半導體公司的MC68H微控制器。這些處理器包含了用于LUT、ADC和PWM輸出的板載閃存。如上所述，這類系統的瓶頸源于控制算法的處理時間、LUT速度和總線速度。 混合信號FPGA系統 圖3所示系統采用了Actel公司的混合信號Fusion FPGA。該器件加入了非易失性存儲器 (閃存)和集成式模擬電路，包括眾多模擬單元和帶有多個模擬I/O的模數轉換器(ADC)，而在某些情況下，還有嵌入式CPU。 緊密控制回路以提高效率 這種同時具有 CPU 和 FPGA 處理能力的單芯片系統可以實現對整個回路的緊密控制。片上 CPU 能夠響應反饋頻率和相電流，并立即訪問片上參數 LUT。這樣，在第一級就解決了外部存儲器總線帶寬的瓶頸問題。 此外，基于閃存的混合信號 FPGA 能夠利用 FPGA 邏輯門電路而非利用由MCU或DSP處理器執行的軟件程序來優化控制算法單元、比例積分 (PI) 控制器、速度解碼器和計算器，以及正弦調制器。這樣，在第二級便可改進響應速度和效率。 最后，片上ADC帶有多個模擬通道 (多達30個)、電壓/電流/溫度輸入和MOSFET柵極驅動輸出，能夠大大縮短多相電流和溫度數據的采集及處理時間�；旌闲盘朏PGA還內置有電流、電壓及溫度的監控電路，可減少微控制器的外接組件數目。 高集成度增強可靠性 AC感應電機廣泛應用于工業制造環境，噪聲一直是影響工業自動化設備性能的關鍵問題。除了控制板上的高速模擬和數字數據傳輸之外，大量分立式電子組件也加劇了噪聲的影響。因此，在選擇能夠避免噪聲影響和提高可靠性的解決方案時，集成度是一個至關重要的因素。 高效控制降低功耗 根據美國環保署的資料指出，采用帶有高效轉差控制機制的系統能夠大幅降低普通AC電機的功耗。圖4所示為采用轉差控制補償節電的10 馬力 (HP) 電機示例 (輸入功率=8,477W)。 在這個示例中，如果采用轉差控制來保持電機工作在最佳區域，輸入功率最多會降低145W，電源功率可減小1.7%。僅在美國，2005年AC感應電機的耗電就高至10,000億KW。若采用最優化轉差控制，總節能則可達171億KW。 在功率級，采用轉差控制的效率提升如上所述，AC電機馬力也隨之增加。這意味著較低的電源功率就能夠提供相同的馬力性能。因此，功耗降低是這種方案的主要優點。 在專為提升轉差控制性能而設計的控制單元中，一個速度較低、外設模塊在邏輯門電路中實現的CPU，其性能可能優于功能非常強大的獨立式CPU�；旌闲盘栭W存FPGA提供的低功耗、單芯片解決方案能夠進一步降低系統功耗。 嵌入式非易失性存儲器實現高安全性 控制算法使用的參數取決于電機的類型和應用的具體要求，并且通常在閃存LUT中執行。在運行電機并提高電機效率時，這些參數是 MCU 訪問和更新的主要參考數據，必需確保這類數據的安全性，防止控制參數被擦除、或發生意外或遭惡意破壞，從而避免電機本身受損的風險。 混合信號FPGA帶有大量嵌入式NVM，能夠避免因噪聲、固件錯誤和功率損耗等事故而破壞安全性。另外，利用 AES加密功能，可以實現更高級別的安全性，實現嵌入式閃存單元的安全更新，并防止惡意攻擊。 軟啟動感應電機 當感應電機啟動時，由于轉子還沒有轉動，轉差值等于1，因此轉子產生的感應磁場和電流可能非常大，這導致定子的耗電量很大，如果不加以控制，便可能導致電機受損。采用內置電壓電流監控功能的混合信號FPGA來控制爬坡率 (ramp rate)，電機就能夠實現軟啟動，防止任何可能的損害。 本文小結 基于閃存的混合信號FPGA可為 AC 感應電機提供優化轉差控制的低功耗單芯片方案。 CPU、NVM、ADC和模擬接口的集成使得控制回路更為緊密，提高效率和可靠性，并降低功耗，從而提高電機效率和實現節能。此外，由于大容量嵌入式非易失性存儲器能夠提供保護定制控制算法所需的安全性，因此這種簡化的控制方案可以降低系統部署的BOM成本。 |
