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工業(yè)電機控制設計的經(jīng)驗分享
2022-06-19

國際能源報告顯示，2006年電子電機的能耗為全球電能消耗總量的46%，相當于6040 Mt CO2排放量 。這導致人們要求電機驅(qū)動器 制造商新增高級控制功能和工具，以便優(yōu)化系統(tǒng)能效。在工廠生 產(chǎn)系統(tǒng)中優(yōu)化能效的新電機驅(qū)動器生態(tài)系統(tǒng)已得到了全球范圍內(nèi) 的廣泛認可。對于歐洲來說，得益于節(jié)能政策，工業(yè)電能消耗量 呈現(xiàn)出每年1%的下降趨勢。 工廠中最常用到電機的地方是電泵、風扇、壓縮機和運輸機，且電機在這些應用中大多屬于標準產(chǎn)品。小型機器設備中使用的 小型電機(低于0.75 kW)占全球存量的90%，但電機能耗不到總量的 10%。然而，中等尺寸(0.75 kW至350 kW)的工業(yè)電機幾乎占全球電 機能耗的70%。在一個典型應用中，僅有50%的系統(tǒng)能耗轉換為 有用的機械能，這引起了全球能源法規(guī)制定者和廠商的重視。過去幾年來，美國、中國、歐洲和其他地區(qū)的監(jiān)管機構引入了最低 能耗性能標準(MEPS)。優(yōu)質(zhì)電機的額定能效等級現(xiàn)在可從最低功 耗范圍時的80%到最高時的96%，因此廠商開始在電機以外尋求 節(jié)能手段。 圖1描述了現(xiàn)代工廠中自動化機器或過程的主要元素。這種方式 提供了優(yōu)化機器運行和過程的全新思路，將能效和生產(chǎn)率提升到 新的高度。 圖1. 自動化機器控制要求在功率逆變器、控制和通信電路之間使用多個反饋控制環(huán)路和安全隔離柵。 電機的效率和總體生產(chǎn)過程由多個控制層決定。 第一個控制層調(diào) 節(jié)功率逆變器的開關順序，控制電機電壓和電流以及最大扭矩生 產(chǎn)率。 第二層是位置和速度控制器，高效率運作機器。 在過程設備中，它可以驅(qū)動最優(yōu)泵流速；而在自動化設備中，它可以是執(zhí) 行裝配功能的速度或位置命令序列。如果是后一種情況，則速度 控制的響應時間相比扭矩生產(chǎn)率而言對機器控制器更為重要。通 信和系統(tǒng)層的重要性日益凸顯，因為多個電機現(xiàn)在通過高速數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡同步，并連接工廠網(wǎng)絡。過程管理器可在需要的時候順序開 啟機器，而不是讓它們在空閑模式下等待。聯(lián)網(wǎng)安全功能實現(xiàn) 設備的高效啟動和停止，最大程度縮短停機時間。工廠管理人 員跟蹤電機驅(qū)動器的操作，并診斷數(shù)據(jù)，以便改善過程能效和 可靠性。 高效扭矩產(chǎn)生： 算法和以太網(wǎng) 電機效率是任意給定速度和終端電壓下每安培所產(chǎn)生扭矩的函數(shù)。電子電機通過試圖將其內(nèi)部磁場拉至對齊位置的力產(chǎn)生扭 矩。在圖2交流電機中，這些力通過定子和轉子磁場的相互作用 產(chǎn)生。當定子電流與轉子運動同步時，交流電機產(chǎn)生恒定的扭 矩，維持連續(xù)場的不對齊狀態(tài)。交流電機速度與電機電流頻率直 接相關，且需要使用可變頻率電壓源才能進行速度控制。當轉 子和定子的磁場對齊誤差達到最大時，效率最高。電機效率還取決于電機結構，尤其是轉子磁場結構。在異步感應電機中(AIM)， 電流流過轉子和定子繞組，部分最小定子電流消耗在使磁芯磁化 上。永磁同步電機(PMSM)效率更高，因為它們無需任何電流來使 轉子磁場磁化。借助于突出的磁芯結構，超高效率內(nèi)部永磁(IPM) 電機能夠產(chǎn)生額外的扭矩。 圖2. PMSM和AIM電機具有相似的定子場結構，但轉子場結構極為不同。 以上所有電機都用于工業(yè)中，具體取決于功率和應用要求，但由于結構簡單、使用方便，異步感應電機是目前為止最常用的電機。永磁同步電機具有較高的扭矩重量比，其低慣性轉子結 構使其非常適合自動設備的高動態(tài)控制應用。然而，AIM可在直 接連接三相交流線的時候啟動，并且可以使用簡單頻率逆變器 控制速度。以前不像現(xiàn)在那么重視效率，一般是直接把風扇、 泵或壓縮機連接到交流線上，并通過阻尼器、閥門或簡單的開/ 關控制這個過程。以50%速度運行時，開環(huán)頻率控制可將離心 泵的功耗降低至不足全功率的20%；而使用開/關控制使流速下 降到50%時，功耗為全功率的50%。這種系統(tǒng)效率提升促使廠商 改造現(xiàn)有固定速度電機應用的變頻器。近來，高級算法可以通 過微調(diào)定子電壓來調(diào)節(jié)轉子磁場，進而優(yōu)化效率。驅(qū)動器制造 商現(xiàn)已開始提供標準驅(qū)動箱，可配置為各種電機型號與類型。 最新的模擬和數(shù)字信號處理設備甚至在成本敏感型變頻器應用中 引入了高級控制功能。估算算法僅測量定子電流和電壓便可計算 出轉子磁場的角位置。這些無傳感器控制算法簡化了高效率IPM 電機的部署，并最大程度提升壓縮機和運輸機等應用的處理效 率。諸如繞組機器或大型泵等較高功耗應用依然傾向于采用感應 電機，但500 kW電機的典型效率可高達96%。這些驅(qū)動器內(nèi)置的算法通常可以優(yōu)化電機效率，并監(jiān)控驅(qū)動器的工作情況。一般而 言，這些驅(qū)動器采用串行現(xiàn)場總線連接，允許本地PLC記錄運行 和診斷數(shù)據(jù)。一個不斷增長的趨勢是使用諸如Ethernet/IP或Modbus TCP等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將驅(qū)動器連接到工廠網(wǎng)絡中，以便通過協(xié) 調(diào)多個驅(qū)動器運行而改善效率。 高效運動控制： 精確隔離和通信 精確運動控制加上精確通信時序，可縮短機器生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)每個部件所消耗的能源。由于設備的資本投入，這一點在機器 生產(chǎn)率和質(zhì)量通常比電機能效更重要的自動化系統(tǒng)中很重要。驅(qū) 動器制造商通過PMSM伺服電機和驅(qū)動器支持自動化應用；這些 電機和驅(qū)動器設計為可在速度和位置控制中實現(xiàn)快速響應和高精 度。 快速控制處理器配合精確電壓驅(qū)動器和電流反饋，可提供 平滑的動態(tài)扭矩控制。功率變頻器中的高電壓和電流對電路設計 人員來說是一種挑戰(zhàn)，因為隔離電路必須滿足嚴格的電氣安全標 準。高速磁隔離技術支持模擬和數(shù)字信號電壓的安全隔離，且不 會降低速度或精度性能。編碼器處內(nèi)置的精密模數(shù)轉換器可提供 高達24位分辨率的位置反饋，從而在低至1 RPM的速度下實現(xiàn)高動 態(tài)速度控制。這種性能水平可支持的自動化應用有：精密機器部 件的多軸銑磨、精細幾何集成電路的裝配，或手機部件的注塑成 型。除了控制精度，電機運動時序還需緊密同步，因為時序誤差 直接導致多軸位置控制的軌跡誤差。諸如PROFINET和EtherCat等同 步工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用經(jīng)過修改的以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口，支持數(shù)據(jù)的 實時同步，且時鐘抖動低至1 μs。這些網(wǎng)絡接口支持全部兩種同步 運動控制，可實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)管理的高生產(chǎn)率和工廠網(wǎng)絡連接性。 工程效率：快速定制 建模工具可讓驅(qū)動器公司為最終應用快速定制控制算法，無需在工廠中投入大量試生產(chǎn)和誤差調(diào)諧。 自動化機器是復雜的互連系統(tǒng)，需要跨學科工程團隊的支持。圖 3僅顯示支持開發(fā)自動化設備開發(fā)所需的部分關鍵設計功能。一 般而言，很多這類工程師供職于不同的公司，因此供應鏈上的不 同供應商必須為設計人員的整合工作提供支持。MathWorks等公司提供的建模工具支持完整的系統(tǒng)模型，包括狀態(tài)控制、運動算 法、電機和機器負載。特殊的電磁和機械設計工具可以生成交流 電機和機器的行為模型，增加系統(tǒng)模型的精度。雖然無法完全自 動化整個設計過程，但可以大幅減少原型制作次數(shù)。新電機或機 器的控制算法可在進行原型制作前于仿真平臺上完成開發(fā)和測 試。自動代碼生成工具允許在測試平臺上快速部署控制算法。每 一次設計迭代都提供新的數(shù)據(jù)，改進系統(tǒng)模型的精度。自動生成 的控制代碼加上經(jīng)過驗證的系統(tǒng)應用代碼，可以用于生產(chǎn)驅(qū)動器 系統(tǒng)中。因此，驅(qū)動器公司可快速部署針對特定應用優(yōu)化的新控 制功能，進而優(yōu)化能效和自動化生產(chǎn)率。 圖3. 電機驅(qū)動和自動化系統(tǒng)設計需要用到多種工程工具。 結論 越來越多的工業(yè)和儀表應用要求使用精密轉換器來實現(xiàn)各種工藝 的精確控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的靈活性、 可靠性和功能集，同時降低成本和電路板面積。元件制造商正在 解決這些難題，并推出了一系列產(chǎn)品來滿足系統(tǒng)設計人員對當前 與未來設計的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應用，每一種都各有優(yōu)缺點。隨著系統(tǒng)精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應用要求。

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