永磁同步电机提高效率的方法（永磁同步电机优化）

ADI 公司Stefan Hacker 系统专家

目前围绕现代生产工厂的能源效率问题有很多讨论，系统解决方案制造商也在不断引入新概念来解决这个问题。其中一个概念涉及提高自动化程度，这有些令人惊讶，但考虑到了能源效率需求，旨在通过提供更强大的互连网络来提高效率。

欧盟标准和指令（例如EuP（用能产品））中详细说明了能源效率的要求。新法规于2015年1月1日生效，并将于2017年1月推出进一步措施，届时将引入新的能效等级，并将小型发电机组纳入其中。目标是到2020 年将能源消耗进一步减少20%。电能成本在生产成本中占很大比例，因此提高能源效率的需求也就不足为奇了。目前，生产工厂的电动机消耗了约46%的电能，电动机在其使用寿命期间的能源成本约占总成本的90%。电动机是生产工厂中几乎所有自动化设备背后的主要动力装置，很难想象没有它们的未来。

因此，现在新研发的核心目标是提高效率以降低总体成本。此外，绿色化、资源化、网络化生产也是行业发展的大趋势。图1 显示了此类发电厂的框图。

新产品的开发导致系统性能和质量的不断改进。永磁同步电机(PMSM) 已成为新标准，在许多领域取代无刷直流(BLDC) 电机。同步磁阻电机（SynRM）的设计也成为后续研究的课题。自从有丰富的稀土资源用于制造磁铁以来，电动机的概念就被载入史册。此外，SynRM 对所用组件的温度范围提出了很高的要求，并且需要新的控制概念和PWM 驱动级。全数字控制是任何新系统众多要求中的一个关键要求，没有它就无法满足规格。

生产相关器件的半导体制造商直接受到系统制造商推动的趋势的影响。他们需要创新的方法来开发信号采集、信号转换和信号调理。将准备得更好的信号馈送到专用处理器中，以更高的电压驱动更快的伺服环路。中间电路中的电压较高，需要为IGBT 使用更高耐压的绝缘器件和栅极驱动器。

图1. 联网电源单元/伺服框图此外，还需要新的绝缘接口模块（具有更好的长期稳定性）来保护系统和用户免受危险电压的影响，硬件也是如此。软件也在不断改进：新的、更快的算法使更强大的处理器能够充分利用它们，而基于模型的设计（MBD）方法允许系统在构建之前进行参数化、优化和测试。

显然，制造自动化系统的能源效率是一个复杂的、多层面的问题。以下是优化能源效率所涉及的一些关键设计挑战：

首先，增加系统的产量和/或工厂每小时可以处理的单位数量。这需要新的、更精确的算法，以更短的计算时间产生结果，减少工具定位时间，并实现更高的工具头速度。

其次，除了新的栅极驱动器外，还需要开发其他新器件，例如集成度更高、功能更强大、更节能的处理器；它们可以部署在当前系统中，但主要针对使用GaN或SiC技术的新型高压IGBT而设计。

第三，在整个变频器或伺服驱动器中实施节能措施，以优化能源的使用，减少待机模式下的损耗，利用功率单元的制动能量，最终使生产工厂中的工艺模块得到广泛应用网络化。

Analog Devices 的新器件为这些挑战提供了解决方案，使最佳能源效率成为现实：

* 功能强大、高效的ADSP-CM40x系列处理器（240 MHz时钟频率）基于ARM Cortex-M4F架构，配备大内存（2 MB闪存、384 kB SRAM）和灵活的接口。支持浮点的算术单元能够以本机数据格式快速、准确地处理基于模型的算法。高精度、多通道、16位ADC（14位ENOB）和具有可编程抽取率的快速正弦滤波器，用于重建-采样电流，以及快速开关PWM单元，以提高电流伺服的精度环形。这些单元的复杂集成减少了延迟和计算时间。灵活的内存集成和网络的谐波计算单元（HAE - 谐波分析引擎）支持额外的算法，特别是对于将电力从直流总线返回到本地电网的有源前端。适当的接口确保轻松集成

进入现有的工业网络。图2 显示了ADSP-CM408F 的框图。

*AD740x 系列隔离式16 位- ADC 已升级，配备了更精确的采样组件(14.2 ENOB)，从而实现了更好的信噪分离。它们在整个额定频率范围内运行，并满足高达1250 V 采样电压的强化绝缘要求。高浪涌和ESD 稳定性可确保较长的器件寿命。时钟可以在内部生成（AD7402）或从外部应用（AD7403）。获得的-调制信号可以直接馈入ADSP-CM40x处理器中的sinc滤波器，无需FPGA提供重构滤波器。如果走线长度延长很多，还可以考虑通过LVDS 通道输出差分信号的器件（AD7405）。

* 还有专为新型GaN 和SiC 功率半导体开发的新型绝缘栅极驱动器，它们也适用于现有MOSFET 和IGBT 技术。

* 在隔离要求范围内针对简单数字接口（特别是USB、CAN、RS-232和LVDS）的新产品开发，解决了接口绝缘的安全问题。这些新开发成果满足更严格的绝缘要求，因此提供长期稳定性。

新设备使当地节能成为可能。然而，每台逆变器仍然存在很大的损耗因素：由于没有节能措施，在待机时会不必要地消耗大量能量。利用更高程度、更智能的制造系统集成，合理安排作业时间，提高作业水平。当动力单元不使用时，可以启动相应的节能机制。使用工业以太网联网系统正在取得进展，取代了数据速率较低的现场总线系统。这样一来，不仅可以通过以太网传输制造数据，还可以传输定位数据，并且可以同步整个生产线。

图2. ADSP-CM40x 架构框图ADSP-CM40x 处理器通过Innovasic RapID 模块集成到工业以太网中，该模块使用fido5000 实时以太网、多协议(REM) 交换机来支持广泛使用的标准和工业以太网协议。POWERLINK、Modbus、EtherNet/IP (DLR)、PROFINET RT/IRT、SERCOS 和EtherCAT。每个标准和协议对实时能力和系统同步的要求越来越高。图3 显示了该模块以及Innovasic 以堆栈形式提供的网络协议。

图3. RapID 模块—— 基于fido5000 REM 以太网交换机。通过上述改进措施，ADI希望倡导可持续发展理念，提高生产工厂的能源效率，实现将强大设备放入网络环境的愿景。这些新设备精确和正确集成的雄心勃勃的目标将是创新的起点。现在轮到您将这些想法转化为设备和完整的系统解决方案，并想出更好的方法来使用它们。

关于作者

Stefan Hacker 是德国Analog Devices 工业与仪表部门的电机控制系统专家。他与客户合作解决与工业电机控制完整系统信号链相关的问题。 Stefan 拥有德国慕尼黑应用科学大学的工程学学士学位和电气工程硕士学位。他在系统工程方面拥有超过15 年的行业经验，负责向整个客户群提供差异化的系统提案。联系信息：

编辑：hfy