电机

前文书说了,传统伺服电机会有动力和反馈两个(或以上)电气端口。为了避免伺服反馈信号的干扰故障,确保设备运行的稳定性,在运控系统集成过程中,需要非常严格的按照产品应用规范实施伺服动力和反馈线路的布置和连接等操作。

而如果使用基于数字式反馈技术的单电缆伺服电机,伺服反馈和动力电源(含抱闸控制)将集成在一根线缆中。那么,在这种情况下,设备系统对于驱动器和电机之间的线路连接又有着怎样的要求呢?

在伺服反馈信号的传输过程中,遇到的最主要的问题就是电磁噪声干扰。

如上图所示,干扰源侧的交变电流,会通过电容和电感串扰,在其周围的受扰线路上感应产生噪声电流,影响系统正常工作。一般情况下,运控系统中伺服反馈线路往往会成为(潜在的)受干扰对象,而通常充当干扰源角色的,经常都是交流电机的动力电源(和抱闸控制)线路。

串扰是由电气线路环境中的(高频)电场和(低频)磁场的变化而引起的,它本质上其实是暴露于电磁干扰环境中的噪声信号耦合。因此,伺服电机线路集成时所需要遵循的各种应用实施规范,都和消弱或避免线路间噪声信号的耦合有关,例如:

将动力和反馈线路的分开敷设、保持一定距离,并尽可能隔离;
使用屏蔽电缆,并根据要求将屏蔽层接地;
反馈信号传输采用差分技术,并在数据线路上使用双绞线;
......

事实上,使用单电缆伺服电机,反馈信号传输受到来自动力线路串扰的潜在物理机制并没有发生变化,因此,处理其电磁噪声干扰问题的基本原则与传统伺服电机也是类似的,只是将一些有关设备线路集成的工艺要求,变成了伺服线缆和线束产品的制造规格;同时,由于和动力线路距离非常近,反馈线路受到串扰影响的风险更高,因此优质的导线隔离绝缘和线路双绞屏蔽,以及合理的结构布局,就成为应对信号干扰的重要措施。

上图所展示的,是一种用于 HIPERFACE DSL 伺服电机的复合电缆结构布局(左)和实物截面样式(右)。

左右两侧较粗的四芯,即三根黑色(左二和右下一)和右侧一芯黄绿线,为电机的动力电源线路,紧贴电缆屏蔽层;上方较细的两芯黑色导线,有着单独的屏蔽层,用于控制电机的低压直流抱闸线圈;下方一蓝一白,为数字伺服反馈的两芯,除了自带屏蔽层,还采用了双绞线的布局。

可以看到,线缆内部几组导线有着相互对称的布局样式,这样不仅能够让动力 / 抱闸线路在电缆内部尽可能分散并远离较为敏感的伺服反馈线路,同时还可以最大程度的让电缆屏蔽层与干扰源线路耦合,以减小串扰对反馈信号的影响。

线缆内部有三组独立的屏蔽层,并且是相互绝缘隔离的。最外层的线缆屏蔽可以阻隔来自外界的电磁干扰,同时能够防止内部动力或 / 和抱闸线路向周围环境的辐射;抱闸线路的屏蔽层,用来避免抱闸线圈动作瞬间脉冲电流对反馈线路的串扰;两芯伺服反馈的屏蔽层,则保护其信号传输不受外部电磁噪声干扰的影响。

根据电缆规格和应用方式,复合电缆的各屏蔽层可以是金属编织网/箔片类型,同时须具有很高且稳定的覆盖率,以避免或降低串扰水平。例如:HIPERFACE DSL 要求屏蔽层覆盖率达到 >85% 以上。

反馈线两芯的双绞,就是将极性相反的一对数字信号导线绞制在一起,以平衡和抵消其受到周围电磁场的干扰影响,降低对噪声串扰的敏感性。

当然,要做到在驱动器和电机之间稳定的动力传输和数据通信,单电缆的设计和制造还需要在包括上面提到的几点在内的诸多方面有非常明确的量化规格指标,例如:导线直流电阻、传输阻抗、传输延迟、速度比率、线路衰减、导线 / 屏蔽层电容、导线间电容、介电常数、串扰衰减、电机电缆直流屏蔽电阻、信号线直流屏蔽电阻......等等,具体数据可以参照相关伺服反馈协议的说明书,在这里就不一一列举了。

此外,根据应用需要,屏蔽层可能因电机的往复运动而需要在线缆内部承受频繁的弯曲或绞制,因此电缆设计和制造也应该能确保其内部条件,如导线之间、导线与屏蔽层之间的相对位置和屏蔽层的覆盖范围,不会随着线缆长时间的连续弯折而发生改变。

连接器也是伺服电机线路中十分关键的部分,同时因为屏蔽层在这些地方是开路的,因此必须非常小心地进行连接。

在驱动器侧,线缆内各导线须根据各自功能连接到驱动器侧相应端子上,注意外露导线不可过长;同时,应分别将电缆外屏蔽层和反馈信号屏蔽层可靠的压接在驱动器上不同的接地点,以实现低电阻接触 (如上图)。

而在电机侧,伺服电缆是通过连接器与电机上唯一的电气端口连接的。在这里电缆内各个屏蔽层都必须通过电机连接器的外壳可靠接地,避免尾纤式屏蔽层连接。

而至于反馈信号和抱闸控制的线路屏蔽是否需要各自分别使用单独的接地连接,就需要参考反馈协议的技术要求和厂家对产品性能的评估来决定了。例如,HIPERFACE DSL 就允许单电缆内多个屏蔽层在电机侧绑定连接在一起接地。

此外,应该避免在伺服线路中出现过渡连接器,因为每多使用一个连接器,就会相应地增加出现各种问题的风险,如:线辫过长或屏蔽层连接不良...等。最理想的情况是在伺服电机和驱动之间只使用一根连续的电缆。

不难发现,单电缆技术不仅仅是因为减少了一半的伺服线缆型号和连接数量而降低了设备应用的总体成本;更重要的是,它用规格标准的线束产品替代了复杂的线路连接工艺流程,从产品层面解决了伺服电机动力和反馈信号传输的问题,极大简化了设备的线路布局和工程架构,提升了设备的用户体验和整体性能。

本文来源:单电缆伺服系统对线束有怎样的要求

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Aengus Murray 和 Robert Zwicker ADI公司

电机和电源控制逆变器设计人员都会遇到相同的问题,即如何将控制和用户接口电路与危险的功率线路电压隔离。隔离最主要的要求是方式功率线路电压损坏控制电路,更重要的是,保护用户受到危险电压伤害。系统必须符合相应国际标准规定的安全要求,例如涵盖电机驱动和太阳能逆变器的IEC 61800和IEC62109。这些标准主要注重符合性测试。标准的符合性测试会如何赋予工程师自由度?标准会在安全性方面为工程师提供指导,但如何赋予工程师自由度,以便可以选择符合目标系统规格以及标准的相应架构、电路和元件呢?这些是由电路满足在效率、带宽和精度方面提供系统所需性能,同时又满足安全隔离要求来决定的。设计创新系统的难题是,为现有架构、电路和元件制定的设计规则可能不再适用。因此,工程师需要花时间认真评估新电路或元件符合EMC和安全性标准的能力。某些地区工程师的责任更大,一旦所设计系统的安全功能失效并导致伤害,工程师可能需要承担个人责任。本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计以及系统性能的影响。本文还将说明最新可用隔离元件的性能提升如何帮助替代架构在不影响安全性的前提下提升系统性能。

隔离架构

我们关心的问题是您需要根据用户提供的命令,安全地控制从交流电源到负载的能量流动。此问题在图1所示的高电平电机驱动系统图中针对以下三个电源域进行了阐述:给定、控制和功率。安全性要求是,用户给定电路必须与功率电路上的危险电压进行电位隔离。架构决策取决于隔离栅放置在给定和控制电路之间还是控制和功率电路之间。在电路之间引入隔离栅会影响信号完整性并增加成本。模拟反馈信号的隔离尤其困难,因为传统变压器方法会抑制直流信号分量并引入非线性。低速时的数字信号隔离相当简单,但在高速或需要低延迟时则非常困难,并且耗电量巨大。带3相逆变器的系统中的电源隔离尤为困难,因为有多个电源域连接至电源电路。电源电路有四个不同域,这些域需彼此之间需要功能性隔离;所以高端栅极驱动和绕组电流信号需要与控制电路功能性隔离,即使两者可能与功率地共地。

电机控制系统中的隔离架构

图1. 电机控制系统中的隔离架构

非隔离式控制架构在控制和电源电路之间存在共同的接地连接。这样电机控制ADC可获取电源电路中的所有信号。电机绕组电流流入低侧逆变器臂时,ADC在基于中心的PWM信号的中点处进行采样。低侧IGBT栅极的驱动器可以是简单的非隔离式,但PWM信号须经由具有功能性隔离或电平移位转换实现与三个高侧IGBT栅极隔离。命令和控制电路之间的隔离造成的复杂性取决于最终应用,但通常涉及使用独立系统和通信处理器。简单处理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上发送速度命令的架构在家用设备或低端工业应用中可以接受。由于命令接口的高带宽要求,非隔离式架构在用于机器人和自动化应用的高性能驱动器中较少见。

隔离式控制架构在控制和命令电路之间存在共同的接地连接。这使得控制和命令接口之间可以实现非常紧密的耦合,并且可使用单个处理器。隔离问题转到电源逆变器信号上来,从而带来一系列不同挑战。栅极驱动信号需要相对高速的数字隔离来满足逆变器的时序要求。由于存在非常高的电压,磁性或光学耦合的驱动器在隔离要求极高的逆变器应用中表现良好。直流母线电压隔离电路的要求则适中,这是因为其需要的动态范围和带宽较低。电机电流反馈是高性能驱动器中最大的难题,因为其需要高带宽和线性隔离。电流互感器(CT)是很好的选择,因为它们提供的隔离信号能够轻松测量。CT在低电流时具有非线性,不会传输直流电平,但广泛用于低端逆变器中。CT还用于带非隔离式控制架构的大功率逆变器,因为这些场合下采用分流电阻采样会导致损耗太大。开环和闭环霍尔效应电流传感器可测量交流信号,因此更适合高端驱动器,但受失调影响。阻性分流器可提供高带宽、线性信号,而且偏移低,但需要与高带宽、低偏移隔离放大器相匹配。通常,电机控制ADC可直接采样隔离电流信号,但下一节描述的替代测量架构可将隔离问题转移到数字域,并且能够大幅提升性能。

使用隔离式转换器的逆变器反馈

改善隔离系统线性度的一种常见方法是将ADC移至隔离栅的另一侧并隔离数字信号。在许多情况下,这需要将串联ADC与数字信号隔离器结合使用。由于对电机电流反馈存在高频的特殊要求,以及需要对驱动保护进行快速响应,因此可选择Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC配有一个可将模拟信号转换为一位码流的线性调制器,其后配备可将信号重构为高分辨率数字字的数字滤波器。此方法的好处是可使用两种不同的数字滤波器:较慢的用于高保真反馈,另一个低保真快速滤波器用于保护逆变器。在图2中,绕组分流器用于测量电机绕组电流,隔离式ADC用于在隔离栅上传输10 MHz数据流。Sinc滤波器可将高分辨率电流数据提交给电机控制算法,该算法会计算施加所需逆变器电压需要的逆变器占空比。另一个低分辨率滤波器可检测电流过载,并在出现故障时将跳变信号发送至PWM调制器。Sinc滤波器频率响应曲线解释说明了合适的参数选择如何能够使滤波器抑制电流采样中的PWM开关纹波。

隔离式电流反馈

图2. 隔离式电流反馈

Sinc滤波器频率响应

图3. Sinc滤波器频率响应

电源输出隔离

两种控制架构的共同问题是需要支持多个隔离电源域。如果每个域需要多个偏置轨,就更加难以实现。图4的电路可产生+15 V和–7.5 V电压用于栅极驱动,+5 V电压用于为ADC供电,均在一个域中,同时每个域仅使用一个变压器绕组和两个引脚。使用一个变压器磁芯和骨架为四个不同电源域创造双电源或三电源。

栅极驱动和电流反馈转换器的隔离电源电路

图4. 栅极驱动和电流反馈转换器的隔离电源电路

作者简介

Aengus Murray是ADI公司汽车、能源和传感器部门的电机和电源控制应用经理。他负责工业电机和电源控制的整个ADI信号链产品,拥有爱尔兰都柏林大学电气工程学士和博士学位。他在功率电子行业拥有超过30年的丰富经验,曾先后在Rectifier、Kollmorgen Industrial Drives和都柏林城市大学工作。联系方式: aengus.murray@analog.com

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原文:《 Grain-Boundary-Diffused Magnets:The challenges in obtaining reliable and representative BH curves for electromagnetic motor design.》——Margarita P. Thompson etc.

1.晶界扩散技术

传统烧结磁体的工艺:按一定的配比熔炼和铸造生产出小片的NdFeB,然后利用氢爆和精磨制成2-10μm的粉末微粒,再压成磁场定向的小块,然后烧结退火,再把烧结块按需要的尺寸切割成磁体,表面研磨、倒角,表面镀防腐层。传统工艺中,镝(Dy)和铽(Tb)在熔炼工序加入,重稀土元素在最终的磁体中会均匀分布,所有永磁体截面的矫顽力相同。

晶界扩散技术(GBD):在切割和研磨阶段,在磁体表面上敷上富含镝或铽的化合物,然后通过一个24~36小时的热处理工艺将重稀土元素扩散进永磁体。(具体的晶界扩散工艺技术种类还很多,每个永磁体厂家都有所不同)

晶界扩散技术的磁体含有更少的重稀土元素(HRE),因为在基合金中的重稀土含量可以显著减少,在某些情况下可以消除,通常在0–4%的重量百分比范围内(wt%),同时扩散通常是在低于1%的Tb或Dy的质量分数范围内进行的。

晶界扩散技术可以使用1/3~1/2的传统工艺使用的镝或铽的用量达到和传统工艺磁体一样高的剩磁(Br)和矫顽力(Hcj)。

2.EV/HEV电机转子特点

上图是一张有限元法(FEA)计算的高退磁磁场下的转子永磁体的磁密场图。可以看出在角落和边缘位置有较高的退磁磁场,因此在这些位置需要更多的抗退磁保护。

GBD工艺正好可以提供这种保护,因为在角落和边缘位置HRE增加,并且这种保护的成本相比于传统工艺更低。

3.扩散永磁磁体中稀土元素的分布

电子探针显微镜下的铽扩散磁体截面map:

图3(a)显示4个面有明显的Tb层,和角落部分增加的Tb扩散特征;图3(b)显示另外两个面没有Tb扩散发生,说明这些的渗透是从四个面进行的。图3(c)显示同一个面内的Tb分布非常不均匀。

整体上分布规律:角落>边缘>中心,晶界>区域>晶粒。

4.扩散永磁体的BH曲线

振动试样磁力计测试磁特性:

从上图可以看出,角落部位的退磁曲线面积大于中心位置,BH曲线看不出明显差异。所有曲线都不重叠,测量结果不稳定,造成这些现象的原因有:2mm的样板区域可能太大、每一个样本区域的晶界数量不一样、扩散参数影响、扩散工艺、样本制造、初始磁体的圆角和圆边、样本块的面不够平行、样本块的面和测量仪器(VSM)不够平行。获取精确的BH曲线很困难。原文还介绍了一种利用磁滞回线测量仪测量磁特性的方法,结果也不理想。

5.永磁材料的发展

烧结钕铁硼的发展方向:减小晶粒尺寸获得更高的矫顽力;优化的热成型技术可以减小高温时的磁性能损失。

少稀土材料:铈(Ce)基永磁体,铈的价格比钕低很多。Ce2Fe14B可以用于低要求的场合,CeFe10Si2的居里温度可以到310℃,比钕铁硼的稀土含量少1/3。

无稀土材料:锰铝碳manganese–aluminum–carbon (MnAlC) ,锰铋manganese–bismuth (MnBi) ,铁氮Iron nitride(Fe16N2)。

电机设计的挑战:优化电机设计、设计新颖的磁路结构、充分利用钕铁硼的性能、利用最小的永磁体尺寸达到目标性能。

译者总结:

降低永磁体重稀土含量、降低成本、避免价格波动、保证供应链稳定是近年来永磁电机行业的热门话题,特别是汽车行业。晶界扩散技术(GBD)在一定程度上能降低重稀土的用量,并适用于车用永磁电机的特点(高退磁风险的磁钢局部,可以通过渗透技术增加局部重稀土浓度以增加矫顽力,降低退磁风险),同时GBD技术也对电机设计带来很多挑战,最重要的一条就是怎样获得准确的磁钢BH曲线(同一片磁钢不同区域的BH曲线不同)。

本文转自:永磁体新工艺对电机设计的挑战——晶界扩散技术(Grain-Boundary-Diffused Magnets)

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作为常见的应用工具之一,电动工具随处可见,如电钻、电锯、切割机、割草机等。电动工具应用范围十分广泛,是日常生产生活的重要设备,对社会经济发展起着不可或缺的作用。电动工具也因此被划入先进装备制造业范畴,前景持续向好。

电动工具通常以小容量电动机或电磁铁为动力,通过传动结构来驱动工作头,是一种手持式或便携式的机械化工具。根据国家标准,一般分为手持式电动工具、可移式电动工具、电动园林工具三大类。

电动工具可应用领域很广,包括机械工业、建筑装潢、园林绿化、木业加工、金融加工等。可以说,电动工具几乎可涉及所有行业,市场容量相当巨大。

在20世纪40年代后,电动工具成为国际化生产工具,普及率大幅提升,现已成为发达国家家庭生活中不可或缺的家用装备之一。

我国电动工具从20世纪70年代开始进入量产,90年代兴盛,产业规模总量不断扩张。据数据统计,到2013年,我国电动工具行业产值规模达到585.12亿元,同比增长约23.91%,销售收入为478.78亿元,同比增长15.28%。

按照目前发展态势,电动工具有望延续两位数高速增长,未来前景可期。预计到2018年,我国电动工具行业销售收入将达1283亿元,可增长空间依旧可观。

虽然电动工具产业规模不断扩大,但我国大部分企业竞争力比较薄弱,在技术上处于较低层次的模仿阶段,主要为国外厂商进行OEM生产,品牌意识不强,多以低价来获取微利。

未来要从巨大的市场中抢占更多份额,国内电动工具企业要切实提高产品质量和技术水平,树立品牌意识,开展差异化竞争,加大研发投入、提升产品附加值,把握好技术发展方向。

接下来,电动工具行业发展将主要朝三个方向。

其一,电动工具逐步转为清洁能源供电。受益于锂电技术突破,电动工具电池容量和安全性有望大幅提高,电池成本则不断降低,从而抛弃原来的单相、三相电源供电方式。

其二,一机多用或成套复合式工具成为主流。随着在家庭的普及率提升,电动工具需承担起多种用途,一机多用或成套复合式工具应运而生。

其三,电机技术发生质变,智能化工具走入家庭。电子控制技术的突破,将促使电机技术发生质的飞跃。同时,人工智能技术成熟,也令电动工具智能化水平大幅提升。

本文来源:电动工具行业持续看好,未来发展方向分析

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伺服的结构是怎样的?一个最简易的伺服控制单元,就是一个伺服电机加伺服控制器,今天就来解析下伺服电机与伺服控制器。

电机动作的原理

右手螺旋法则(安培定则)——通电生磁

安培定则,也叫右手螺旋定则,是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则:用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指的指向就是磁感线的环绕方向;通电螺线管中的安培定则:用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

弗来明左手法则——磁生力

确定载流导线在外磁场中受力方向的定则。又称电动机定则。左手平展,大拇指与其余4指垂直,手心冲着N级,4指为电流方向,大拇指为载流导线在外磁场中受力方向。

DC伺服马达结构

伺服控制单元

SERVO 语源自拉丁语,原意为“奴隶”的意思,指经由闭环控制方式达到一个机械系统的位置,扭矩,速度或加速度的控制,是自动控制系统中的执行单元,是把上位控制器的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

1. 控制器:动作指令信号的输出装置。
2. 驱动器:接收控制指令,并驱动马达的装置。
3. 伺服马达:驱动控制对象、并检出状态的装置。

伺服马达的种类

伺服马达的种类,大致可分成以下三种:

1. 同步型:采用永磁式同步马达,停电时发电效应,因此刹车容易, 但因制程材料上的问题,马达容量受限制。(回转子:永久磁铁;固定子:线圈)

2. 感应型:感应形马达与泛用马达构造相似,构造坚固、高速时转矩表现良好,但马达较易发热,容量(7.5KW以上)大多为此形式。(回转子、固定子皆为线圈)

3. 直流型:直流伺服马达,有碳刷运转磨耗所产生粉尘的问题,于无尘要求的场所就不宜使用,以小容量为主。(回转子:线圈;固定子:永久磁铁;整流子:磁刷)

SM 同 步 形 伺 服 马 达

■ 特长优点:1. 免维护。2. 耐环境性佳。3. 转矩特性佳,定转矩。4. 停电时可发电剎车。5. 尺寸小、重量轻。6. 高效率。

■ 缺点:1. AMP较DC形构造复杂。2. MOTOR及AMP必需1:1搭配使用。3. 永久磁石有消磁的可能。

IM 感 应 形 伺 服 马 达

■ 特长优点:1. 维护容易。2. 耐环境性佳。3. 高速时,转矩特性佳。4. 可制做大容量,效率佳。5. 构造坚固。

■缺点:1. 小容量机种,效率差。2. AMP较DC形构造复杂。3. 停电时,无法动态剎车。4. 随温度变动影响特性。5. AMP与MOTOR必需1:1使用

DC 直 流 形 伺 服 马 达

■ 特长优点:1. 伺服驱动器构造简单。2. 停电时可发电剎车。3. 体积小、价格低。4. 效率佳。

■ 缺点:1. 整流子外围需定期保养。2. 碳刷磨耗产生(碳粉),无法应用于要求凊絜的场所。3. 因整流器碳刷的问题,高速时转矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。

伺服的控制原理

伺服系统的最大特色:透过回馈信号的控制方式〔可做指令值与目标值的比较,因而大幅减少误差状况〕。

何谓回馈信号:向控制对象下达指令后,正确的追踪并查明现在值,且随时回馈控制内容的偏差值、待目标物到达目的地后,回馈位置值,如此反复动作。

控制流程:检测机械本体之位置检出,回路为封闭系统,称之为全闭回路 。相反,检测马达轴端之回路系统就称为半闭回路。

伺服驱动器的内部构成

整流部:通过整流部,将交流电源变为直流电源,经电容滤波,产生平稳无脉动的直流电源。

逆变部:由控制部过来的SPWM信号,驱动IGBT,将直流电源变为SPWM波形,以驱动伺服电机。

控制部分:伺服单元采用全数字化结构,通过高性能的硬件支持,实现闭环控制的软件化,现在所有的伺服已采用(DSP数字信号处理)芯片,DSP,能够执行位置、速度、转矩和电流控制器的功能。给出PWM信号控制信号作用于功率驱动单元,并能够接收处理位置与电流反馈,具有通讯接口。

编码器:伺服电机配有高性能的转角测量编码器,可以精确测量转子的位置与电机的转速,

逆变器采用新型电力电子半导体器件 目前,伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件,主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。

这些先进器件的应用显着地降低了伺服单元输出回路的功耗,提高了系统的响应速度,降低了运行噪声。尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块,称为智能控制功率模块(Intelligent Power Modules,简称IPM)。

这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容,与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显着地简化了伺服单元的设计,并实现了伺服系统的小型化和微型化。

本文来源:这些伺服的结构和原理,你真的都还记得吗?

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Nicola O’Byrne ADI公司高级系统应用工程师

工业运动控制涵盖一系列应用,包括基于逆变器的风扇或泵控制、具有更为复杂的交流驱动控制的工厂自动化以及高级自动化应用(如具有高级伺服控制的机器人)。这些系统需要检测和反馈多个变量,例如电机绕组电流或电压、直流链路电流或电压、转子位置和速度。变量的选择和所需的测量精度取决于终端应用需求、系统架构、目标系统成本或系统复杂度。还有其他考虑因素,例如状态监控等增值特性。据报道,电机占全球总能耗的40%,国际法规越来越注重全体工业运动应用的系统效率(参见图1)。

工业驱动应用图谱

图1. 工业驱动应用图谱

各种电机控制信号链拓扑中的电流和电压检测技术会因电机额定功率、系统性能要求和终端应用而有所差异。由于这个原因,不同的传感器选择、电流隔离要求、ADC选择、系统集成度和系统电源/接地划分,导致电机控制信号链实现方案也不相同。虽然隔离要求通常对最终电路拓扑和架构有着重要影响,但本文关注的重点是如何改善电流检测(作为一个影响因素)来实现更高效的电机控制系统。

电流和电压测量

图2所示为一个通用电机控制信号链。为实现高保真测量而进行的信号调理并非易事。相位电流检测尤其困难,因为该节点连接的电路节点与逆变器模块核心中的栅极驱动器输出的节点相同,因此在隔离电压和开关瞬变方面的需求也相同。

通用电机控制信号链

图2. 通用电机控制信号链

电机控制中最常用的电流传感器为分流电阻、霍尔效应传感器(HES)以及电流互感器(CT)。虽然分流电阻不具有隔离功能且会引起损耗,但它是所有传感器中最具线性、成本最低且同时适用于交流和直流测量的传感器。为限制分流功率损耗的信号电平衰减通常将分流应用限制为50 A或更低。电流互感器和霍尔效应传感器可提供固有的隔离,因此能够用于电流较高的系统,但它们的成本更高,并且在精度上不及采用分流电阻的解决方案,这是由于此类传感器本身的初始精度较差或者在温度方面的精度较差。与传感器类型不同,电机电流测量节点有很多选择,如图3所示,其中以直接同相绕组电流测量最为理想,可用于高性能系统。

隔离式和非隔离式电机电流反馈

图3. 隔离式和非隔离式电机电流反馈

有许多拓扑可用来检测电机电流,并需考虑多种因素,例如成本、功耗以及性能水平,但对大多数系统设计人员而言,一个重要目标是在成本控制范围内提高效率。

F从霍尔效应传感器到分流电阻

与隔离式Σ-Δ调制器耦合的分流电阻可提供最优质的电流反馈,其中的电流电平足够低。目前,系统设计人员明显倾向于从霍尔效应传感器转移到分流电阻,并且与隔离式放大器方案相比,设计人员更倾向于采用隔离式调制器方案。将霍尔效应传感器替换为分流电阻的系统设计人员往往会选择隔离式放大器,并继续使用之前在基于霍尔效应传感器的设计中使用的模数转换器(ADC)。这种情况下,无论模数转换性能如何,设计性能都会受到隔离式放大器的限制。

将隔离式放大器和ADC替换为隔离式Σ-Δ调制器可消除性能瓶颈,并大大改善设计,通常可将其从9到10位精度的反馈提升到12位水平。此外,还可配置处理Σ-Δ调制器输出所需的数字滤波器,以实现快速过流保护(OCP)环路,从而无需模拟过流保护电路。

现有Σ-Δ调制器可提供±250 mV (±320 mV满量程用于OCP)的差分输入范围,特别适合阻性分流器测量。模拟调制器对模拟输入持续采样,而输入信息则包含在数字输出流内,其数据速率最高可达20 MHz。通过适当的数字滤波器可重构原始信息。由于可在转换性能和带宽或滤波器群延迟之间作出权衡,因此更粗、更快的滤波器能够以2 μs的数量级提供快速OCP响应,非常适用于IGBT保护。

缩小分流电阻尺寸

从信号测量方面来看,一些主要难题与分流电阻的选择有关,因为需要实现灵敏度和功耗之间的平衡。电阻自身的发热效应导致的非线性情况也会是使用较大电阻所面临的挑战。因此,设计人员必须做出权衡取舍,而更棘手的是,他们往往需要选择一个适当大小的分流电阻,以满足不同电流电平下各种型号和电机的需求。如果面对数倍于电机额定电流的峰值电流,并需要可靠捕获两者的值,则保持动态范围也是一个难题。面对这些难题,系统设计人员非常需要具有更宽动态范围或更高信噪比和信纳比(SINAD)的优异Σ-Δ调制器。最新的隔离式Σ-Δ调制器产品具有16位分辨率,并可确保高达12位有效位数(ENOB)的性能。

高性能隔离式Σ-Δ调制器

更高性能的隔离式Σ-Δ调制器可满足工业电机控制设计中的多种需求,并可通过缩小分流电阻尺寸来提高电机驱动器的功效。ADI公司的调制器AD7403就是一个很好的工业应用实例(参见图4)。它是AD7401A的新一代产品,可在相同的20 MHz外部时钟速率下提供更宽的动态范围。这使设计人员可以更为灵活地选择分流电阻大小,并能够在更高电流电平下使用分流电阻替换霍尔效应传感器。该芯片的ENOB典型值为14.2位。此外,还可通过缩短测量延迟改善动态响应。这款器件的隔离方案支持比上一代产品更高的连续工作电压(VIORM),从而可通过使用更高的直流总线电压和更低的电流来提高系统效率。

高性能二阶Σ-Δ调制器AD7403

图4. 高性能二阶Σ-Δ调制器AD7403

采用ADSP-CM40x混合信号控制处理器的系统解决方案

如前所述,实施Σ-Δ调制器需要使用数字滤波器,这通常使用FPGA或ASIC来实现。ADI公司混合信号控制处理器ADSP-CM408F的出现将改变这种设计方式,因为它包含Sinc滤波器硬件,可直接连接调制器。这有望加快运用阻性分流器和Σ-Δ调制器的电流检测技术的普及。

作者简介

Nicola O’ Byrne是ADI公司高级系统应用工程师,办公地点在爱尔兰科克市。联系方式:
nicola.obyrne@analog.com

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今年7月以来,西门子、中达、卧龙等电机行业巨头率先发布调价公告,此举引爆了全国电机行业的连锁反应,一场蓄势已久的电机集体涨价潮席卷全国,上调幅度在8~30%不等。

据电机行业协会搜集到的数据,截止8月底,全国范围内至少已有670家规模以上电机企业发布了调价公告或执行了调价行为,涨价潮已基本覆盖全行业。其中,475家企业涉及电机出口业务,占全部出口电机企业的80.5%。电机产品广泛服务于冶金、电力、石化、煤炭、矿山、建材、造纸、市政、水利、造船、港口装卸等领域,近年来更是大量应用于新能源汽车、高铁、核电、风电等关键装备制造业,可以预见,此波涨价潮的来袭,必将对各下游产品造成冲击,甚至产生颠覆性的影响。
原因分析
与一般的“高调降价、低调涨价”的模式不同,本次集体涨价潮来势汹汹,大有“理直气壮”之意,这在竞争激烈的电机行业绝不会是偶然,通过对行业现状的分析,主要可以归结为以下2个方面:

1、原材料价格上涨压力巨大

随着国家供给侧改革结构性深化,环保整改的进一步深入,电机主要原材料硅钢片、电解铜、铸件、铝锭、圆钢等一路飙升,今年以来,主要原材料铜上升28%,铝上升16%,硅钢(470H)上升37-38%。作为生产高性能钕铁硼永磁材料的主要原料,镨钕合金对电机的重要性不言而喻。而镨钕合金的价格也在频频上升,甚至日增万元。

作为2017年领涨稀土行业的稀土氧化物,氧化镨钕价格一路上扬,6月中旬起更是频繁上调价格。从年初的256500元/吨,上涨至目前的332500元/吨,涨幅达30%。而铸铁机壳,端盖等配套企业在环保整治压力下,甚至无法生产,市场上到了“一壳难求”的地步。部分企业老总调侃“谁掌握了机壳现货,谁就掌握了电机行业”。加上人工成本、制造费用、运输成本的持续上涨,导致了电机产品制造的负利润现象严重。

2、显性/隐性行业壁垒阻碍出口

不论是电机出口的主要市场欧美,还是“一带一路”新兴市场,越来越多的国家出台了电机产品的技术性法规,例如:美国10CFRPART431法规,欧盟的CE指令(EC)N0640/2009及沙特符合性认证计划(Conformity Certification Program,CoCP)等,上述要求对电机性能及能源效率提出了更严格的强制性要求,并扩大了列入监管的电机范围,上述要求大部分等同或高于国内标准要求。

不仅如此,由于电机作为中间产品的特殊性,我国电机出口还面临一些法规之外的隐性要求,例如,在出口认证方面,一些专门机构存在隐形涨价情况,部分认证机构在中国实行“单独定价”;美国对于施工服务、交通等保险要求,占销售额3%;伊朗要求成套设备必须配置30%以上本土化产品;印度对中国电站产品征特别税;部分产品在到港(买方港口)后的货权问题上存在不合理侵权情况等。

应对建议

从目前态势来看,不排除后期货源紧张时继续涨价,电机企业将面临更加严峻的危机。实际上,涨价潮只是一个开始,众多中小电机企业将面临失去价格优势、企业资金困难、技术升级两难等危机,原先一些以价格为竞争优势的电机企业其优势就不明显了,最终导致行业重新面临洗牌。

为了帮助企业打破这些技术性贸易措施,扶持企业更好的走出去,有以下几点应对建议:

1)就检验检疫部门而言,应遵循WTO规则的同时充分发挥资源和信息优势,做好技术性贸易措施研究,在资源和信息共享、上下左右沟通和联系上下功夫,联合行业协会,充分利用“互联网+”的优势,利用包括微信、微博等平台搭建平台、组织专业培训,及时准确的将国内外最新政策法规向企业宣贯。甚至可以跨前一步,突破以往出口企业散兵游勇式的对外出口情况,帮助企业对外进行包括价格沟通协商、认证认可服务采购等一揽子打包服务。使企业可以将更多精力投入产品的研发创新和制造,不断提升产品的质量;

2)对于电机出口企业,应通过提升技术实力和创新生产工艺;升级产品线,提高生产销量,减少原材料的损耗;降低物流、人工成本等方式来提高产品服务等附加值,可以让电机企业的产品更具市场竞争力,从而提高市场占有率。大型的出口企业可以更为积极的去参与国际标准的制定,通过政府部门、标准归口单位争取到国际上发言的机会。电机企业应及时跟踪和积极参与WTO/TBT相关评议等手段和途径逐渐扩大在国际上的影响力,对标国际标准,从而在出口中占据有利地位,有力捍卫国家利益;

3)目前,我国与越来越多的国家签署了双边互认机制,国内已有不少检测机构,获得了国际认可的检测资质,如:IECEE-CB实验室,DOE授权NVLAP认可的电机能效实验室,UL/CSA目击实验室,CE Notify Body等,通过上述实验室出具的检测报告,能够等效地被有关国家认可。且一般而言,国内实验室相比一些外资机构,检测成本要大大降低,且有语言优势。然而,部分电机企业因为缺少相关信息或这样那样的原因,仍然愿意选择外资实验室。上述实验室应加大宣传力度,做好服务,尤其在一站式服务上多下功夫,争取一次检测,多张证书,以更好地解决电机企业的出口难题。

本文来源:出口电机集体涨价潮来袭,我国电机行业如何涅槃?

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Stefan Hacker ADI公司系统专家

围绕现代生产工厂的能源效率问题,目前有许多讨论,系统解决方案制造商不断推出新的概念来应对这个问题。其中一个概念涉及到提高自动化程度,这多少有点令人吃惊,但它考虑到了能源效率需求,意图通过提供更强大的互连网络来提高效率。

关于能源效率的要求已在欧盟标准和EuP (能源使用产品)等指令中写明。新法规已于2015年1月1日生效,到2017年1月将有更多措施出台,届时将会推出新的能效等级并将更小的动力装置纳入其中。目标是到2020年将能耗再降低20%。

电能成本在生产成本中占有相当可观的比例,因此,人们有提高能效的需求不足为怪。目前,生产工厂中的电机消耗了所产生电能的大约46%,电机能源成本占其服役寿命期间总成本的大约90%。电机是生产工厂中几乎所有自动化设备背后的主要动力装置,很难想象一个没有电机的未来。

因此,现在新研发的一个核心目标是改善效率以便降低总成本。此外,绿色环保、资源友好、网络化的生产也是工业的一大趋势。图1所示为此类动力装置的框图。

新产品开发使系统性能和质量不断改进。永磁同步电机(PMSM)已成为新标准,在许多领域取代了无刷直流(BLDC)电机。同步磁阻电机(SynRM)的设计也已成为后续研究的主题。自从有了充足的稀土资源用于制造磁体,电机概念便被载入历史史册。此外,SynRM对所用部件的温度范围有很高的要求,并且需要新的控制概念和PWM驱动级。全数字控制是所有新系统众多要求中的关键要求,没有它便无法满足规范。

生产相关器件的半导体制造商受到系统制造商倡导的趋势的直接影响。他们要求以创新方式发展信号采集、信号转换和信号调理。将准备得更充分的信号送入专用处理器,通过更高电压驱动更快的伺服环路。中间电路中的更高电压要求IGBT使用更耐电压的绝缘器件和栅极驱动器。

网络化动力装置/伺服框图

图1. 网络化动力装置/伺服框图

另外,需要新的绝缘接口模块(长期看其具有更好的稳定性)来保护系统和用户免受危险电压影响,硬件也是如此。软件也在改进:更快的新算法能使更强大的处理器发挥最大效能,而基于模型的设计(MBD)方法则能在构建系统之前对系统进行参数化处理、优化和测试。

很显然,制造自动化系统的能源效率是一个复杂、多维度的问题。下面是优化能效所涉及的一些关键设计挑战:

X 第一,提高系统的输出和/或工厂每小时处理的单元数。这要求新的、更精确的算法,在更短的计算时间内得出结果,减少工具定位时间,实现更高的刀头速度。

X 第二,除新的栅极驱动器外,还要开发其他新器件,如更高集成度、更强大、更节能的处理器;它们可以部署在当前系统中,但主要是针对采用GaN或SiC技术的新型高压IGBT而设计。

X 第三,在整个逆变器或伺服驱动器中采取节能措施以便最佳地利用能源,降低待机模式下的损耗,利用动力装置的制动能,最后还要使生产工厂中的过程模块广泛联网工作。

ADI公司的新器件提供了应对上述挑战的解决方案,使实现最优能效成为现实:

X 强大高效的ADSP-CM40x系列处理器(240 MHz时钟速率)基于ARM®Cortex®-M4F架构,配有很大的内部存储器(2 MB闪存、384 kB SRAM)和灵活的接口。支持浮点的算术单元能够以原生数据格式快速精确地处理基于模型的算法。高精度、多通道、16位ADC (14位ENOB)和带可编程抽取率、用于重构Σ-Δ采样电流的快速sinc滤波器,连同快速开关PWM单元来提高电流伺服环路的精度。这些单元的精密集成减少了延迟和计算时间。灵活的存储器集成和网络谐波计算单元(HAE—谐波分析引擎)支持额外的算法,特别适用于有源前端,可将来自直流总线的电能返回本地电网。适当的接口保证其很容易集成
到现有工业网络中。图2显示了ADSP-CM408F的框图。

X AD740x系列隔离式16位Σ-Δ ADC已采样更精确的元件进行升级(14.2 ENOB),信号噪声间隔更大。它们能在整个额定频率范围内工作,满足最高1250 V采样电压的增强绝缘要求。高电涌和ESD稳定性确保器件具有长使用寿命。时钟可从内部产生(AD7402)或由外部施加(AD7403)。获得的Σ-Δ调制信号可直接送入ADSP-CM40x处理器中的sinc滤波器,无需FPGA来提供重构滤波器。如果走线长度延长很多,也有一款通过LVDS通道输出差分信号的器件(AD7405)可供考虑。

X 另外还有特别针对新型GaN和SiC功率半导体而开发的新型绝缘栅极驱动器,它们也适合现有MOSFET和IGBT技术。

X 隔离需求范围内中针对简单数字接口 ( 具体而言是USB、CAN、RS-232和LVDS)的新产品开发,解决了接口绝缘的安全问题。这些新研发满足了更严格的绝缘要求,因此具有长期稳定性。

新器件使得局部节能成为可能。然而,各逆变器仍存在一个很大的损耗因素:因为没有节能措施,待机时会不必要地消耗大量能源。利用更高程度且更智能的制造系统集成,将能合理地安排运行时间,提高作业水平。当不使用动力装置时,可以激活相应的节能机制。在利用工业以太网将各个系统联网方面正在不断取得进步,它取代了数据速率较低的现场总线系统。因此,不仅是制造数据通过以太网传输,定位数据也能传送,整个生产线都能同步。

 ADSP-CM40x架构框图

图2. ADSP-CM40x架构框图

ADSP-CM40x处理器通过Innovasic RapID模块集成到工业以太网网络中,该模块采用 fido5000 实时以太网、多协议( REM ) 交换机,支持工业以太网广泛使用的标准和协议:POWERLINK、Modbus、EtherNet/ IP (DLR)、PROFINET RT/IRT、SERCOS和EtherCAT,每种标准和协议对实时能力和系统同步的要求都在提高。图3显示了该模块和Innovasic以堆栈形式提供的网络协议。

RapID模块——基于fido5000 REM以太网交换机

图3. RapID模块——基于fido5000 REM以太网交换机

通过上述改进措施,ADI公司希望倡导以可持续发展观来提高生产工厂的能源效率,并实现将强大的器件放入网络环境中的愿景。这些有关精度和新器件合理集成的远大目标,将成为创新的发源地。现在轮到您将这些想法付诸实践,变成各种器件和完整系统解决方案,并利用这些器件和模块提出更好的办法。

作者简介

Stefan Hacker是ADI公司位于德国的工业与仪器仪表部门的电机控制系统专家。他与客户合作处理工业电机控制的完整系统信号链相关问题。Stefan拥有德国慕尼黑应用科学大学的工程学士学位和电气工程硕士学位。他在系统工程领域拥有15年以上的行业经验,负责为整个客户群提供差异化系统建议书。联系方式:stefan.hacker@analog.com

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在未来的两三年里,物联网将是横跨各领域背后的重要身影,包括智能制造、智慧城市、车联网、移动医疗等在内的新兴领域。为了更好地服务于物联网的需要,加强传统模拟领域的创新刻不容缓,包括转换器等现有技术的低功耗、高可靠性等,也包括通过前面提到的并购丰富模拟和传感技术。下面就随工业控制小编一起来了解一下相关内容吧。

从国际范围来看,工业4.0是被广泛谈论的话题,这应该代表了未来智能工业的发展趋势。ADI公司亚太区电机与电源控制行业市场部经理于常涛先生认为:“在新一代的电机制造业中,高效是技术发展的明确趋势。但越来越多的应用和领域对于电机控制的要求已不仅仅停留在满足节能要求的通用变频器及速度控制上,精确的位置控制及电流控制已成为了新的需求。”

于常涛先生提到:“新一代技术产业,高档数控机床和机器人,电机控制,高性能医疗器械都是国家支持也是ADI重点关注的范围,同样的,中国政府也在这些相关重点领域积极支持。就ADI而言,在这些重点领域中,ADI都有着非常好的机会,也都是公司关注的重点。结合到,工业电机控制,高档数控机床和机器人无疑给产业的发展带来了巨大的机会。在这两大类系统产品中,除了ADI处理的传统的电机控制系统方案外,工业物联网也是ADI未来关注的对象。”

“作为一家致力于技术创新的半导体厂商,ADI的许多产品一直以来被广泛应用于电机控制领域。对于ADI伺服控制方案的技术优势,ADI电机控制方案的核心竞争力突出表现在控制器、隔离技术、相电流检测及IGBT门级驱动等多方面。处理器平台的选择是伺服控制方案的核心因素,ADI在该领域主推的是基于ARM Cortex-M4F内核的处理器ADSP-CM408。 这款处理器具有业内最快的M4F内核主频(240 MHz),具有业内最高精度的内部集成SAR ADC,此外还集成多通道的SINC滤波器,这些特点集成了伺服控制所需要的核心性能,为客户实现复杂、精确、快速的伺服控制提供了充分保证。”于常涛先生介绍到。

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