高成本效益的AC感應電機轉差控制優化方案

　　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。混合信號FPGA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。混合信號閃存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。