從電力驅動轉向智慧驅動

從電力驅動轉向智慧驅動

作者：Michael Zapke - AMD 工業業務資深產品行銷經理

工業產品內部的驅動始終由馬達完成。即使燃料、風能、水力或太陽能是主要能源，所有這些在用於工業產品中的實體致動器之前也會先轉換為電能。完全電氣化可以藉由數位化提高生產力。持續的資料收集有助於動態最佳化流程，而在傳統上，機器具備的是靜態配置，只能在預先規劃的事件中進行調整。

通常情況下，主要目標是提高能源效率，以實現環境目標並降低成本。此外，市場也期待從電力驅動的實際優勢中獲益，包括更靈活的控制、更小的尺寸、更輕的重量以及更少的維護。

在產品設計部門，決策者正在從策略性的「如果」和「何時」問題（現在已經解決）轉向更實際的考慮：如何最好地實施現已嵌入產品路線圖中的先進新型電力驅動器。當然，這些驅動器將採用電子方式進行控制和監控，以提供精確度、靈活性和附加價值。電子控制換向在能源效率、產品使用壽命和易爆環境下的運作方面遠優於電刷的機械換向馬達。透過即時了解轉子位置、通過馬達繞組的電流、溫度及其他參數，電子驅動器的設計除了簡單地轉動轉子、控制速度和轉矩外，還能控制其它指標。分配給馬達的算力性能越多，驅動器的運作就越準確和動態。

多樣化的設計需求

驅動器必須經過專業設計，才能達到能源效率目標，與市場上的替代產品競爭，並滿足適用的生態設計規範。此外，還需要透過適當的設計將聲學噪音控制在可接受的範圍內並避免不必要的振動。還可以對馬達的缺陷應用補償。可以優化驅動馬達的電壓波形和電流的生成，以降低與應用於功率級的開關訊號相關的電磁輻射。

與這些問題相關的性能與逆變器和功率級拓撲密切相關。如上所述，控制器需要處理來自感測器的訊號和診斷訊息，以支援延長驅動器使用壽命所需的狀態監控。當系統發生故障時，控制器還可以負責確保系統安全運作。實體馬達的行為與安全參數範圍之間的持續比較，可用於確保馬達在發生故障時進入安全狀態，前提是監控具有高可靠性，並且不會受到導致馬達故障的相同影響。

設計內建的再生電路可在煞車或減速期間將動能回收為電能，對能源效率產生直接影響。微處理器或帶有調製器的功能強大的微控制器可用於控制驅動器的功率級。許多供應商為其客戶提供電機控制軟體演算法，以加速解決方案的開發。諸如 PWM 模組、用於電流測量的 ADC 和乙太網路介面等基本週邊功能可以整合在晶片上。然而，在微控制器中運行控制演算法有其限制。處理器最高性能對控制環路頻率設定了上限。理想情況下，驅動轉子的磁場會隨轉子平穩移動，使產生的力在任何時候都指向正確角度。真正連續的控制迴路必須經常擷取轉子位置和瞬時電流等數據，並立即計算下一個向量。循環時間越短，旋轉場越平滑。在加速馬達控制迴路的同時還要處理額外的應用級處理，會產生更高的即時性要求，這些要求可以由高成本和高功耗的處理器來滿足。

設計人員還需要靈活地採用更複雜的電源拓撲，以在控制馬達磁場方向時實現更高精度。帶有兩個以上電平的調製器代替傳統的脈寬調製就是這樣的範例。多電平逆變器特別適合利用碳化矽（ SiC ）等寬帶隙功率半導體技術特性的高壓驅動器。控制多電平逆變器比使用兩電平功率級拓樸更為複雜。因此，除了對逆變器硬體進行改變，還需要更多的算力。

此外，確保可擴展性對於實現多軸控制也很重要。例如，要控制鉸接式機器人的手臂，需要多個馬達的同步，才能實現重負載抓手的規劃軌跡。這可能需要更強大的處理器或同步處理器網路。

在工業環境中，不僅機器應該能夠存取數據，操作員也是如此。現代驅動器整合了人機介面（ HMI ）和物聯網連接等功能。選擇合適的可程式平台來建構這些馬達驅動器，可為設計人員提供靈活性和可擴展性，以滿足當前和未來市場需求。

當今的許多 FPGA 都整合了硬處理器核心，附加的 DSP 元件可用於卸載具有可程式邏輯的處理器，從而獲得更高的吞吐量、額外的通道或更高的每瓦效能。千兆乙太網路等高速介面也可與傳統的 FPGA 邏輯架構一起使用，可用於根據需求實作客製化週邊。

除此之外，現代驅動器的控制器還能結合神經網路或加速演算法，用來處理智慧狀態監控、振動偵測、異常偵測。對於這些，更全面的可程式架構可實現更大的靈活性和整合度。 AMD Versal™ 系列等自適應 SoC 整合了可用於神經網路的最佳化 AI 引擎。

另外，設計人員也需要採用適當的方法來設計軟體，特別是要更重視安全性和基本控制。 AMD Vitis™ 與 Vivado™ 以及 MicroBlaze™ 編譯器等設計流程皆具備安全認證。在設計流程中還可以用到 Python。 Python 提供了用於資料分析與視覺化的程式庫，可在運行期間甚至部署之後分析馬達性能和操作參數，為預測性維護功能的開發提供支援。

靈活的開發平台 - Flexibile Development Platforms

除了 FPGA 和自適應 SoC 之外，AMD Kria™ 系統模組（ SOM ）還利用可編程硬體以及與 AMD 設計工具的無縫集成，簡化了高效、高性能電力驅動器的開發。

SOM 可以在幾微秒內執行電機控制環路的整合可程式邏輯，使控制演算法能夠以每秒超過 100,000 個環路的速度運行，從而實現高精度的電壓和電流控制。這種方法提供了有助於最大限度提升電氣效率和延長使用壽命的工具。控制演算法的設計人員還可以選擇使用 Matlab Simulink 基於模型的方法和設計路徑，使結果適應 ARM 處理系統或具備 AMD Vitis™ 和 Vivado™ 提供的功能的數位邏輯。

硬體中靈活的可程式調變可以優化 EMI 行為。塊 RAM（ BRAM ）等內建記憶體可對馬達資料流進行本地分析，並有助於對電力驅動進行健康監測。包括用於通訊的時間敏感型網路（ TSN ）在內的工業乙太網路以及 DDS 和 OPC UA 等服務，簡化了在現代工廠環境中的嵌入。可定制驱动器的即用型应用可以下载到 SOM。

從機械驅動轉向電力驅動，結合了卓越的能源效率與軸數的可擴展性、更長的使用壽命、更低的噪音和振動，以及更好的與工業物聯網網絡的集成，以支持增值功能。FPGA、自適應 SoC 和 SOM 由經過安全認證的硬體和軟體設計流程提供支持，為設計人員提供了所需的靈活性，透過在工廠中持續收集資料來智慧優化操作，從而提高生產力。

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