全面解决方案迎接智能、效率电机控制系统新时代

于常涛

在当今不断扩展的工业市场上，对电力的需求正以前所未有的速率增长。其中，超过40%的电力需求来源于各类工业电机。由于这个原因，各国政府和全球认证机构正在面向电机OEM和最终用户制定新的法规以及更严苛的能效要求。更智能、高效率电机控制系统

的新时代将是一个电机控制工业新标准涌现的时代。

ADI以系统级的角度来看待这些挑战，开发的产品不仅超越了性能规格，还代表了电路其他功能模块之间的最佳接口。这种系统解决方案的方法让ADI能够为基于工业的客户提供完整的集成式解决方案，并在实现规格要求的同时帮助他们满足最新、最苛刻的能源法规。除此以外，安全与互联也是电机控制未来发展的主要趋势，可预测性维护也被越来越引入其中，互联则指工业现场的实时以太网的应用与普及。

全面的系统级解决方案

近年来，许多终端市场和应用中的一个明显趋势是用高效率的无刷直流电机（BLDC）替换交流电机或机械泵。因为高扭矩重量比、高功率因数、响应更快、结实耐用的构造、易于维护、易于控制以及高效率等先天优势，永磁同步电机（PMSM）在工业自动化领域获得越来越广泛的应用。

ADI针对电机控制系统要求的低功耗、高效率、安全与互联，提供了门类齐全的产品组合，其中包括了模数/数模转换器、放大器、嵌入式处理器、iCoupler数字隔离器、电源管理器件和实时以太网解决方案，以及运动控制模块等等。这些高性能的器件和系统有助于实现更新型的拓扑结构设计，为客户实现系统的差异化设计带来价值。

此外，电机作为工业中的关键设备，其健康安全非常重要，ADI提供基于状态监控（CbM）的系统解决方案，能够实时在线和离线获取、学习并感知边缘的任何单向信号（声音、振动、压力、电流、温度等），用于连续状态监控和按需诊断，能够在问题变得严重之前确定工厂机器中的潜在问题。

ADI有能力提供极具创新性的电机控制解决方案，这些方案着眼于优异的系统性能和业界领先的集成度，具备极佳的系统效率、可靠性和连接性。ADI还拥有丰富的电机控制系统级知识和战略技术合作伙伴联盟，能为客户提供独特的系统服务与产品，并引领成为长期技术合作伙伴。

功率器件的驱动与传感器的融合

半导体技术的进步让功率器件开关频率得到快速有效提升，从而让电机系统能效快速提升。特别是碳化硅（SiC）MOSFET器件可以达到更高的开关频率，为提升电机能效提供了新的空间。然而，驱动方式是达到这些开关器件所需开关频率的关键，而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高，采用的栅极驱动器的传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度（CMTI）等指标对提升充电桩功率和效率产生关键的影响。

为了操作MOSFET，通常须将一个电压施加于栅极，使用专门驱动器向功率器件的棚极施加电压并提供驱动电流。隔离式棚极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播傳输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸，正确选择这类解决方案非常关键。ADI的iCoupler栅极驱动器传输延时在50～60ns，降低了传输延迟，并且传输延时一致性更好，更低的传输延迟和延时一致性有助于提高开关频率和效率。此外，隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一，更低的死区时间将有效降低损耗。

随着工业生产对电机的精确控制和高效换向的要求的日益提升，高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。

传感器技术的发展进步，人们可以以更低的价格获得更高精确度的传感器，在电机控制系统设计过程中对于传感器，人们也有了更多不同种类、价格、性能的选择。例如一般而言，在基于旋变器的系统中，分辨率和精度可能非常高，但终端解决方案可能价格昂贵且体积较大，这是因为旋变器本身会占用较大的物理空间。无传感器方案也可用于检测反电动势电流，而且还能降低传感器重量和成本，但是电机启动性能可能是个问题，因为这时不会产生反电动势，因此就无法得到可用的位置数据。一种替代方案是使用基于异性磁阻（AMR）技术的角度传感器，这些传感器既便宜又精确。不仅可实现高角度精度，而且可将一个检测元件和电子电路集成在同一封装中。这可获得非常小的传感器子系统，并且能够在电机总成内定位传感器。

应对算法与智能化新挑战

更智能、高效率电机控制系统的新时代将是一个电机控制工业新标准涌现的时代。出于这样的认识，ADI与战略合作伙伴共同开发了一个全面的集成式电机控制设计程序;这些战略合作伙伴都是各自领域内的专家（MathWorks、ARM、Boston Engineering、IAR Systems 和Xilinx），目的在于解决整个系统的架构问题，实现效率最大化的同时改善系统精度和可靠性。软件部分采用了MBD（Model-based design，基于模型设计），采用Matlab & Simulink工具对电机控制进行建模，并自动产生控制部分核心代码，可以大大加速伺服电机控制软件的开发流程，并且提供完善可靠的代码，可以在前期研发阶段让工程师更关注于算法本身而不是陷入复杂的编码和修改代码的过程，以加速产品创新和新技术研发的过程。

人工智能发展到今天已经广泛应用到工业自动化领域的方方面面，电机控制系统也不例外，ADI的工业设备状态监测解决方案是人工智能应用的典范。ADI的OtoSense体系结构是一款人工智能驱动的传感和解译平台，ADI的工业设备状态监测解决方案是人工智能应用的典范。如前所述，ADI的OtoSense体系结构是一款人工智能驱动的传感和解译平台，能够基于连续状态监控功能，分析设备运行状况，监督制造过程并及早察觉异常避免造成问题。人工智能模型在（靠近资产）边缘运行，以便提供实时、在线和离线输出，这有助于避免不必要的停机、严重损坏或故障。

要实现人工智能，数据采集很重要，OtoSense的人工智能平台依赖于包括高性能MEMS加速度计在内的各种传感器进行数据采集。例如ADXL100X系列单轴加速度计针对工业状态监控应用而优化，而集成的模块产品ADcmXL3021还将高性能振动检测和各种信号处理功能相结合，可以跟踪许多机器平台上的振动信号，可简化状态监测系统中的智能传感器节点开发周期。根据现有的研究与产品开发经验，振动+温度检测的模式是非常有效能够检测出设备异常的高性价比方案。针对此方案的实现，ADI SMS（Smart Motor Senor，智能马达传感器）是Otosense AI平台下的系统级解决方案，通过集成的ADI高性能振动、温度与磁传感器采集数据，能够在早期就检测到电机的异常状况。并且通过SmartMesh无线网络将数据上传到云端，客户可以在各类终端设备上监控到电机的状况，并进行一些综合性的数据分析。