國際能源報告顯示，2006年電子電機的能耗為全球電能消耗總量的46%，相當于6040 Mt CO2排放量1。這導致人們要求電機驅(qū)動器制造商新增高級控制功能和工具，以便優(yōu)化系統(tǒng)能效。在工廠生產(chǎn)系統(tǒng)中優(yōu)化能效的新電機驅(qū)動器生態(tài)系統(tǒng)已得到了全球范圍內(nèi)的廣泛認可。對于歐洲來說，得益于節(jié)能政策，工業(yè)電能消耗量呈現(xiàn)出每年1%的下降趨勢2。

工廠中最常用到電機的地方是電泵、風扇、壓縮機和運輸機，且電機在這些應用中大多屬于標準產(chǎn)品。小型機器設(shè)備中使用的小型電機(低于0.75 kW)占全球存量的90%，但電機能耗不到總量的10%。然而，中等尺寸(0.75 kW至350 kW)的工業(yè)電機幾乎占全球電機能耗的70%。在一個典型應用中，僅有50%的系統(tǒng)能耗轉(zhuǎn)換為有用的機械能，這引起了全球能源法規(guī)制定者和廠商的重視。過去幾年來，美國、中國、歐洲和其他地區(qū)的監(jiān)管機構(gòu)引入了最低能耗性能標準(MEPS)。優(yōu)質(zhì)電機的額定能效等級現(xiàn)在可從最低功耗范圍時的80%到最高時的96%，因此廠商開始在電機以外尋求節(jié)能手段。

圖1. 自動化機器控制要求在功率逆變器、控制和通信電路之間使用多個反饋控制環(huán)路和安全隔離柵。

圖1描述了現(xiàn)代工廠中自動化機器或過程的主要元素。這種方式提供了優(yōu)化機器運行和過程的全新思路，將能效和生產(chǎn)率提升到新的高度。

電機的效率和總體生產(chǎn)過程由多個控制層決定。第一個控制層調(diào)節(jié)功率逆變器的開關(guān)順序，控制電機電壓和電流以及最大扭矩生產(chǎn)率。第二層是位置和速度控制器，高效率運作機器。在過程設(shè)備中，它可以驅(qū)動最優(yōu)泵流速；而在自動化設(shè)備中，它可以是執(zhí)行裝配功能的速度或位置命令序列。如果是后一種情況，則速度控制的響應時間相比扭矩生產(chǎn)率而言對機器控制器更為重要。通信和系統(tǒng)層的重要性日益凸顯，因為多個電機現(xiàn)在通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡同步，并連接工廠網(wǎng)絡。過程管理器可在需要的時候順序開啟機器，而不是讓它們在空閑模式下等待。聯(lián)網(wǎng)安全功能實現(xiàn)設(shè)備的高效啟動和停止，最大程度縮短停機時間。工廠管理人員跟蹤電機驅(qū)動器的操作，并診斷數(shù)據(jù)，以便改善過程能效和可靠性。

高效扭矩產(chǎn)生： 算法和以太網(wǎng)

電機效率是任意給定速度和終端電壓下每安培所產(chǎn)生扭矩的函數(shù)。電子電機通過試圖將其內(nèi)部磁場拉至對齊位置的力產(chǎn)生扭矩。在圖2交流電機中，這些力通過定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生。當定子電流與轉(zhuǎn)子運動同步時，交流電機產(chǎn)生恒定的扭矩，維持連續(xù)場的不對齊狀態(tài)。交流電機速度與電機電流頻率直接相關(guān)，且需要使用可變頻率電壓源才能進行速度控制。當轉(zhuǎn)子和定子的磁場對齊誤差達到最大時，效率最高。電機效率還取決于電機結(jié)構(gòu)，尤其是轉(zhuǎn)子磁場結(jié)構(gòu)。在異步感應電機中(AIM)，電流流過轉(zhuǎn)子和定子繞組，部分最小定子電流消耗在使磁芯磁化上。永磁同步電機(PMSM)效率更高，因為它們無需任何電流來使轉(zhuǎn)子磁場磁化。借助于突出的磁芯結(jié)構(gòu)，超高效率內(nèi)部永磁(IPM)電機能夠產(chǎn)生額外的扭矩。

圖2. PMSM和AIM電機具有相似的定子場結(jié)構(gòu)，但轉(zhuǎn)子場結(jié)構(gòu)極為不同。

以上所有電機都用于工業(yè)中，具體取決于功率和應用要求，但由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，異步感應電機是目前為止最常用的電機。永磁同步電機具有較高的扭矩重量比，其低慣性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其非常適合自動設(shè)備的高動態(tài)控制應用。然而，AIM可在直接連接三相交流線的時候啟動，并且可以使用簡單頻率逆變器控制速度。以前不像現(xiàn)在那么重視效率，一般是直接把風扇、泵或壓縮機連接到交流線上，并通過阻尼器、閥門或簡單的開/關(guān)控制這個過程。以50%速度運行時，開環(huán)頻率控制可將離心泵的功耗降低至不足全功率的20%；而使用開/關(guān)控制使流速下降到50%時，功耗為全功率的50%。這種系統(tǒng)效率提升促使廠商改造現(xiàn)有固定速度電機應用的變頻器。近來，高級算法可以通過微調(diào)定子電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場，進而優(yōu)化效率。驅(qū)動器制造商現(xiàn)已開始提供標準驅(qū)動箱，可配置為各種電機型號與類型。

最新的模擬和數(shù)字信號處理設(shè)備甚至在成本敏感型變頻器應用中引入了高級控制功能。估算算法僅測量定子電流和電壓便可計算出轉(zhuǎn)子磁場的角位置。這些無傳感器控制算法簡化了高效率IPM電機的部署，并最大程度提升壓縮機和運輸機等應用的處理效率。諸如繞組機器或大型泵等較高功耗應用依然傾向于采用感應電機，但500 kW電機的典型效率可高達96%。這些驅(qū)動器內(nèi)置的算法通?？梢詢?yōu)化電機效率，并監(jiān)控驅(qū)動器的工作情況。一般而言，這些驅(qū)動器采用串行現(xiàn)場總線連接，允許本地PLC記錄運行和診斷數(shù)據(jù)。一個不斷增長的趨勢是使用諸如Ethernet/IP或Modbus TCP等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將驅(qū)動器連接到工廠網(wǎng)絡中，以便通過協(xié)調(diào)多個驅(qū)動器運行而改善效率。

高效運動控制： 精確隔離和通信

精確運動控制加上精確通信時序，可縮短機器生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)每個部件所消耗的能源。由于設(shè)備的資本投入，這一點在機器生產(chǎn)率和質(zhì)量通常比電機能效更重要的自動化系統(tǒng)中很重要。驅(qū)動器制造商通過PMSM伺服電機和驅(qū)動器支持自動化應用；這些電機和驅(qū)動器設(shè)計為可在速度和位置控制中實現(xiàn)快速響應和高精度?？焖倏刂铺幚砥髋浜暇_電壓驅(qū)動器和電流反饋，可提供平滑的動態(tài)扭矩控制。功率變頻器中的高電壓和電流對電路設(shè)計人員來說是一種挑戰(zhàn)，因為隔離電路必須滿足嚴格的電氣安全標準。高速磁隔離技術(shù)支持模擬和數(shù)字信號電壓的安全隔離，且不會降低速度或精度性能。編碼器處內(nèi)置的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器可提供高達24位分辨率的位置反饋，從而在低至1 RPM的速度下實現(xiàn)高動態(tài)速度控制。這種性能水平可支持的自動化應用有：精密機器部件的多軸銑磨、精細幾何集成電路的裝配，或手機部件的注塑成型。除了控制精度，電機運動時序還需緊密同步，因為時序誤差直接導致多軸位置控制的軌跡誤差。諸如PROFINET和EtherCat等同步工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用經(jīng)過修改的以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口，支持數(shù)據(jù)的實時同步，且時鐘抖動低至1 μs。這些網(wǎng)絡接口支持全部兩種同步運動控制，可實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)管理的高生產(chǎn)率和工廠網(wǎng)絡連接性。工程效率：快速定制建模工具可讓驅(qū)動器公司為最終應用快速定制控制算法，無需在工廠中投入大量試生產(chǎn)和誤差調(diào)諧。

自動化機器是復雜的互連系統(tǒng)，需要跨學科工程團隊的支持。圖3僅顯示支持開發(fā)自動化設(shè)備開發(fā)所需的部分關(guān)鍵設(shè)計功能。一般而言，很多這類工程師供職于不同的公司，因此供應鏈上的不同供應商必須為設(shè)計人員的整合工作提供支持。MathWorks等公司提供的建模工具支持完整的系統(tǒng)模型，包括狀態(tài)控制、運動算法、電機和機器負載。特殊的電磁和機械設(shè)計工具可以生成交流電機和機器的行為模型，增加系統(tǒng)模型的精度。雖然無法完全自動化整個設(shè)計過程，但可以大幅減少原型制作次數(shù)。新電機或機器的控制算法可在進行原型制作前于仿真平臺上完成開發(fā)和測試。自動代碼生成工具允許在測試平臺上快速部署控制算法。每一次設(shè)計迭代都提供新的數(shù)據(jù)，改進系統(tǒng)模型的精度。自動生成的控制代碼加上經(jīng)過驗證的系統(tǒng)應用代碼，可以用于生產(chǎn)驅(qū)動器系統(tǒng)中。因此，驅(qū)動器公司可快速部署針對特定應用優(yōu)化的新控制功能，進而優(yōu)化能效和自動化生產(chǎn)率。

圖3. 電機驅(qū)動和自動化系統(tǒng)設(shè)計需要用到多種工程工具。

結(jié)論

越來越多的工業(yè)和儀表應用要求使用精密轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)各種工藝的精確控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產(chǎn)品來滿足系統(tǒng)設(shè)計人員對當前與未來設(shè)計的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應用，每一種都各有優(yōu)缺點。隨著系統(tǒng)精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應用要求。