1、10ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$技术专题Motor control电子产品世界电机控制ADI：为客户实现系统的差异化设计带来价值ADI作为机电工程能量转换的关键设备,电机是电气传动的基础部件,在当今社会中已无处不在,为现代生活的大量基础应用提供了动力来源。后疫情时代,随着数字技术、AI 加速向各领域渗透,电机应用将伴随技术创新和新能源汽车、5G、机器人、数字医疗、无人工厂等新兴领域的兴起,不断走向更为广阔的市场空间。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。使用 BLDC 的一
2、些主要优点包括更高的功率和热效率、更高的空间/重量效率、更高的可靠性(无刷)、在危险环境下工作更安全(不会像有刷电机一样产生刷粉或火花)。此外,由于 BLDC 电机采用电子换向方式,因此更易在应用的速度范围内控制扭矩和速度参数,并且能够实现更复杂的控制,例如保持扭矩或速度极限。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 专注于为运动控制提供新技术和解决方案,比如ADI Trinamic步进电机驱动器解决方案可为3D打印、相机、扫描仪和其他自动化设备应用提供集成的电机驱动器,
3、ADI OtoSense 智能电机传感器(SMS)能够检测电机及机器人系统的震动及异常情况,以及可重构运动和机器人开发平台等等,为帮助客户实现下一代先进和可持续的运动控制提供可靠的产品和技术支撑,满足家庭自动化、办公室自动化、实验室自动化、工业自动化、机器人和 AGV、医疗保健等不同领域的电机控制应用。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ADI Trinamic 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
4、计,为客户实现系统的差异化设计带来价值。相关的解决方案包括但不限于：电机驱动控制处理器硬件平台至关重要,ADI 提供用于高端驱动和伺服器控制的 ADSP-CM40 x 混合信号处理器,以及用于运动控制器和高端驱动以及伺服控制的 ADSP-214xx SHARC 浮点 DSP；克服光耦合器和高压栅极驱动器解决方案局限性的隔离式栅极驱动器,隔离式栅极驱动器系列采用 ADI经过检验的 iCoupler 技术,提供 50 ns 最大传播延迟、小于 5 ns 通道间匹配、400V rms 工作电压下的 50 年工作寿命和单封装电流隔离优势；用于驱动大功率工业电机的新型嵌入式运动控制模块,控制技术进一步优
5、化了工业电机的功耗,将大大降低浪费的功率,能够驱动功率更高的工业步进电机和无刷直流(BLDC)电机；电机控制系统相关的电源管理解决方案,包括数字功率因数校正(PFC)控制器、高速 MOSFET 驱动器、集成式调节器等。ADI Trinamic 步进电机驱动器解决方案,基于精密传感、信号调理和控制,能够实现高速、高性能的智能线性运动控制,以助力工业生产。ADI 早在多年前就意识到,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
6、、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 2023.3电子产品世界技术专题电机控制Motor controldesign）,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。此外,电机作为工业中的关键设备,其健康安全非
7、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。提升电机能效根据国际能源署的数据,电机占全球总电力消耗的45%,因此基于电机驱动的电子产品的可靠性和能效,不仅对各种应用的
8、舒适性、便利性产生直接影响,还对世界环境可持续性产生深远的影响。在全球双碳目标压力下,能耗“大户”电机的低能耗技术将成为撑起“双碳”世界的关键力量。ADI 早在多年前就意识到,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
9、以太网的应用与普及。此外,ADI 也通过不断的技术创新实现电机节能降耗。以步进电机驱动为例,ADI Trinamic 无传感器负载测量技术 StallGuard 提供一种具有成本效益的负载实时反馈技术,通过测量电机的反电动势,它可以知道电机何时可能会停转并向系统发送信号。基于 StallGuard负载值,无传感器电流自适应控制 CoolStep 技术则通过反电动势的变化检测电机负载,并使电流适应实际负载条件,从而实现节能降耗的目标。CoolStep 始终以最佳电流驱动电机,通过在电机轻负载时将电流降至最低,并在负载增加时增加电流来节省大量能源。特别是对于一些电池供电,或者对一些车间里面长时间运
10、行电机发热的情况,以及一些对高温敏感的生物样本检测应用,用 CoolStep 可以有效降低功耗和克服发热问题,电机散热可以减少达 80%,使电机温度保持正常,提高了整个系统的可靠性。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栅极施加电压并提供驱动电流。隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传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 5060 ns,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。