能效規則將改變電機控制設計

　　電機控制正在成為電力行業中變化最快的技術領域。 其原因在于，家庭、工廠和汽車中使用的數以百萬計的電機需要提高能效。 若要實現更新更嚴格的能效目標，電機控制器設計、電流檢測和控制算法必須有新的發展。

　　電機控制的主要設計要素可分為四個方面：通信接口、EMC魯棒性、電路隔離和能效。 接下來幾年，最大的變化可能發生在能效方面。

　　根據ADI公司的Anders Fredriksen說法，人們大力要求把電機設計中的能效放在更重要的位置，而未來幾年，隨著新能效標準的引入，這種要求將更加強烈。

　　Fredriksen表示：“標準化工作已進行了數十年，但到2017年，關于能效的延伸準則就會適用于最低1W的電機，這將給制造商帶來重大影響。” 但是，Frederiksen相信，為了滿足新能效標準的要求，電機控制設計仍需要進一步發展。 Fredriksen說道：“可能需要改變電機控制架構，不這樣做的話，我們將無法實現全部新能效標準。” 這不僅適用于工業電機，而且適用于家用電器和汽車。

　　為了提高能效，必須從元器件層次做起。 這意味著要給電機控制器增加處理器能力以便運行優化算法。 它還要求提高電流檢測精度。 “例如，使用隔離式Σ-Δ轉換來提高精度。”Fredriksen說。

　　針對直流和交流電流與電壓測量，ADI公司提供高精度隔離式Σ-Δ型轉換器。 AD7403實現了81dB(最小值)的信納比(SINAD，78ksps采樣速率和-40至125°C溫度范圍下)。 較高的信納比可實現更加精確的電流和電壓測量，通過降低電機軸上的轉矩波動，提高電機驅動的性能。 它有一個二階Σ-Δ調制器，能將模擬輸入信號轉換為1位數據流，片內數字隔離(1,250Vpeak)通過片內變壓器實現。 測量端采用5V電源供電，可輸入±250mV的差分信號(滿量程±320mV)。對模擬輸入連續采樣，并轉換為數據率最高為20MHz且密度為1位的數字輸出流。 通過適當的數字濾波可重構原始信息，在78.1ksps時可實現88dB的信噪比。

　　針對數據處理，微控制器轉向采用更高性能的內核，例如具有DSP擴展的ARM Cortex-M4。 Fredriksen表示：“圍繞電機控制所用的算法開發已開展了大量工作，Cortex-M4等內核帶來的處理能力提升使得這些高級算法有了用武之地。” 例如，最大限度地降低電機軸上的轉矩波動可提高生產率。

　　ADI公司把ARM Cortex-M4處理器和基于模型的設計平臺相結合來支持閉環電機控制的需求。 浮點Cortex-M4處理器內核的工作頻率為240MHz，ADI公司還在其中集成了一個雙通道16位模數轉換器，其最高精度為14位，轉換速度為380ns。 ADI公司以前的電機控制器平臺是基于自有的ADSP-BF506A Blackfin處理器，不過其已經意識到，Cortex-M4很快會成為精密控制系統事實上的標準架構。

　　Fredriksen還認為，基于模型的設計工具，像MathWorks的Simulink等，會在電機和PV陣列控制系統的開發中越來越重要。 兩年前，ADI公司演示了其首款電機控制系統設計平臺，它基于Blackfin處理器，采用MathWorks Matlab計算語言進行算法開發。 它還采用Simulink設計環境來部署控制算法，以便優化永磁同步電機和交流感應電機的效率。 其目的是讓設計人員在Matlab/Simulink中為系統建模，生成C代碼，并使用ADI公司的Visual DSP++設計環境進行部署，剩余帶寬還可用于執行應用程序代碼。 Fredricksen相信，采用基于模型的設計可以改善無傳感器和有傳感器電機控制算法的驅動效率。

　　ADI公司與MathWorks合作，將Simulink基于模型的設計工具和代碼生成器用于其電機控制平臺。 它采用MathWorks的ARM Cortex-M優化Embedded Coder和工具套件，以支持從仿真到在嵌入式平臺中實現生產就緒代碼的完整設計周期。 Simulink生成可在Cortex-M4平臺上運行的優化C代碼。 公司還將片內存儲器增加到384kB SRAM，以便存放工具所生成的C代碼。

　　ADSP-CM40x具有控制環路專用硬件加速器，并且配備可與隔離式Σ-Δ調制器(用于分流式電流檢測系統架構)直接接口的完整sinc濾波器。 而通常來說，sinc濾波器是在FPGA中實現。

  ADSP-CM408 EZBoard

　　還有一個DSP加速器，可提供PV陣列控制環路設計通常使用的諧波分析。 它還支持可擴展且動態可調的PWM。 ADI公司還提供標準控制算法支持的開發與評估板CM40xEZBoard。

來自ADI公司Anders Fredriksen的觀點