电机

伺服系统广泛用于机床工具、纺织机械、印刷机械、激光雕刻机等传统OEM行业。机器人、机床、电子半导体以及风电太阳能等新能源对交流伺服的需求增长较快,不同细分领域的竞争格局差异较大。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域,比如火炮、雷达控制等,后来逐渐进入到工业领域和民用领域。

1. 电子机械
由于中国逐渐发展为制造业大国,在电子行业尤其如此,中国已经成为各类消费电子产品如电视、手机、电脑等的世界制造工厂。因此产生了大量电子产品加工机械的需求。自动邦定机、固晶机是其中发展较快的两类产品。这两类机械通常一台机械配有3~6轴伺服,有些厂家一年就可生产上千套机器,因此对伺服产品需求量巨大。但这两类机械通常要求伺服快速、定位精度要求非常高,这就要求伺服产品具有小功率、小惯量、高精度的性能,适用伺服产品的功率范围一般在1KW以下,但精度通常要求达到17位编码器反馈。集成电路封装机、自动点胶机也是电子行业发展较快的分支产品,但对伺服精度要求较低,通常11位编码器反馈即可。目前此行业中松下伺服产品得到广泛应用。

2. 检测试验机械
在OEM行业,最终用户对机械生产产品质量要求越来越高,因此也产生了一类新的设备,即对产品质量的检测或试验设备。此类设备中对伺服有大量需求的机械有材料试验机(用于生产出的材料测试)、飞针测试机(用于对电子线路板质量测试)、光学检测设备等机械。这类设备对伺服的要求通常功率在5KW以下,位控精度要求较高,目前此行业中,安川伺服产品得到广泛应用。

3. 风力发电
2016年中国风电并网装机超过1.49亿千瓦,居全球首位。作为后起之秀,2005年中国风电总装机占全球装机仅为2.0%,仅仅十年时间中国风电累计装机占全球装机比例已达25.9%。风电的迅速发展不仅向中国各地输送了绿色清洁能源,同时也催生了中国风电产业链的繁荣发展。风电开发要实现大中小、分散与集中、陆地与海上开发相结合,通过风电开发和建设,促进风电技术进步和产业发展,实现风电设备制造自主化,尽快使风电产业具有市场竞争力,力争2020年我国风电技术达到世界领先水平。在“三北”(西北、华北北部和东北)等风资源富集地区,建设大型和特大型风电场,同步开展电力外送和市场消纳研究。发展海上风电,坚持海洋规划先行,避免无序发展。坚持统一规划,加快制定相关政策措施,促进低风速地区资源开发,因地制宜地建设中小型风电场,采用低速风机,就近上网本地消纳。在偏远地区,因地制宜发展离网风电。规划2020年风电装机总量为1.8亿千瓦。伺服系统主要应用于风机变浆系统,路斯特伺服产品由于针对风电行业单独定制,因此在风电行业被广泛使用。
4. 包装机械
包装机械行业对于伺服产品是潜力非常大的行业市场。2016年包装机械行业工业总产值同比去年增长1.6%。金融危机从某种程度上算得上是我国包装机械行业的利好消息。因为在宏观经济不景气的态势下,国外的包装工业企业为了节约成本,纷纷采用较为廉价的中国设备来替代发达国家的昂贵设备。那么全球经济的逐步回暖,我国包装机械自动化水平不高的劣势将显露无疑。因此,提高产品的自动化程度已经成为我国包装机械行业的当务之急。国内厂商可多关注出口较多的包装机械企业,寻求新的市场突破口。

供稿:睿工业
全文见《伺服与运动控制》2018年第二期

本文来源:四大伺服系统新兴市场以及趋势分析

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现代电机不再是只是简单执行任务的单独的零件,而是成为一个全面性的系统,可以说现代电机是整个机电体系的神经中枢。现代电机可以为整个机电体系提供能源,也就是说现代电机是动力中心;现代电机也可以起到调节、平衡、控制整个机电系统的作用。甚至很多现代电机兼具这两种功能。如此强大且全面的功能必然对现代电机提出更高要求,这些要求不仅仅体现在现代电机本身的设计和生产,而且体现在现代电机生产出的产品的经济性、应用性和发展性。

现代电机的六大发展方向

1、从有刷到无刷的转变

在过去,传统的直流电动机的使用覆盖率非常高,主要是因为绝大多数的电力供给都是直流电。而传统的直流电动机都是有刷的。有刷电机指的是靠换向器和电刷的配合来自动完成的电机,换向器和电刷装在电机内部。虽然有刷电机在制作方面技术纯熟,相应的配件也比较便宜,但是有刷电机存在着很多缺点。比如,更换配件程序麻烦、配件使用寿命短、发热率高、换向火花大、损耗严重、电磁干扰严重等。所以,尽管有刷电机存在很多优点,但是它还是随着时代的变化逐渐被无刷电机所取代。无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。无刷电机的种类很广泛,并且几乎不存在有刷电机的所有缺点,无刷电机磨损小、噪音低、干扰低,可以说无刷电机相对于有刷电机具有很大的优势。

2、现代电机的直接驱动

现代电机通常都是高速运转的,它的运转速度每分钟能够达到数百甚至数千转, 这样高的运转速度要进行高低速的变换是相对困难的,但是很多应用场合恰恰就有这样的需求。因此,就需要现代电机为其提供转换转速的配件系统。但是这样的转换系统必然会增加整个电机系统的大小,并且也会影响到设备的精确度和工作效率。这时候,只有使现代电机驱动向直接驱动发展,才能有效的解决这一问题。

3、电机的极速化

现代工业的发展经常需要电机的极速化,即经常需要电机保持极高或者极低的速度。现代电机要极速化的要求与电机的直驱化紧密相关。电机的极速化,不仅有助于实现电机的直驱化,而且可以提高电机的工作效率和设备的精确度。

4、从匀速到调速的转变

传统的电机基本维持一个速度,大部分的电机也只有开关机器的这一个开关。但是在实际的运用中又需要对电机的速度进行调节,而在这一过程中,频繁的开关对电机不可避免的造成了电机的内部零件的磨损,对控制器和电网也会造成一定的冲击。因此,调速功能的运用对于整个电机系统起着至关重要的作用。例如,现代的变频空调就是采取了调速的方式。这种方式使得它的舒适度比传统的空调要好得多,而且这种调速系统使得电机的工作效率更高,也就更加省电。

5、从大型化到小型化、微型化的转变

现代工业越来越需要电机的小型化和微型化,尤其是便携式的产品更是对电机的大小提出更高的要求。比如从第一代电子计算机到台式电脑再到笔记本电脑再到 iPad、手机的转变都体现了人们对于电机的小型化和微型化的需求。但是要达到电机从大型化到小型化的转变,首先要提高基础配件的功率,并且保证基础元件的性能和改善电机运行的原理。

6、智能化

当今社会,电子信息技术日新月异,智能化系统渗透到我们生活的方方面面。现代电机不仅为整个机电系统提供动力,而且对于电机系统有平衡、调节等功能,而当今社会越来越要求现代电机拥有自我适应、自我更新等功能,形成具有针对不同任务的个性化服务。而这就是智能化融入到现代电子系统的体现。而现代电机的智能化也需要各种电子理论、智能传感器、高性能材料等的综合运用。

现代电机的关键技术

1、仿真技术和设计技术

仿真技术和设计技术的突破电机是一项综合技术的产物,它是温度、磁场、电力、机器相互交叉融合的产物。它们相辅相成,并相互影响。例如,温度升高或者降低都会影响磁性材料电磁的大小和磁场的位置,而这样又会影响到电机的工作效率与耗能的多少,从而也会直接影响电机内部零件的磨损程度,而磨损程度的变化对电机本身的温度又产生一定的影响。因此,现代电机中的每一个环节都是不能忽视的,任何一个环节出现差错都会牵一发而动全身。所以,具有综合性的仿真技术和设计技术就显得尤为重要。

2、高效节能技术

高效节能技术是一个经久不变的话题,高效节能也就意味着电机工作效率的提升。而电机正是由于是整个机电系统中耗电量最大的部分,所以对于它的工作效率的提升就显得更为重要。首先,要从电机的体积入手,体积小的电机效率远远高于大体积电机;其次,要不断更新电机原件的材料,使电机在工作过程中自身对于电能的消耗降到最低。

3、极端环境的适应能力

极端环境的适应能力现代电机涉及的领域越来越多,而传统的电机存在温度限制,这使得电机在特定的环境中失去动力。因此,如果要现代电机能够在更广泛的领域发展,就必须提高它在极端环境的中的适应能力。

综上所述,无刷化、直驱化、极速化、调速化、微型化、伺服化、机电一体化以及智能化是现代电机未来的发展方向和发展重点。它们中的每一点都是在日常的生产生活中不断实践,反复论证出来的。因此,无论是无刷化、直驱化还是机电一体化、智能化都是未来现代电机发展不可或缺的重要元素之一。而在现代电机的未来发展过程中,也要着重注意它的仿真技术、设计技术、高效节能技术以及对极端环境的适应能力,从而使现代电子技术得到更加良性的发展。

本文转自:六大发展方向,三大关键技术,现代电机的前景在这里!

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伺服是目前工业制造领域一种十分常见的技术,我们之前也已经谈的比较多了。可是话说,到底什么是伺服呢?本期,咱就来简单的聊一聊。

伺服 Servo 这个词来自拉丁文 “servus”,意思是仆人按照主人的指示行事,并且忠实而快速地工作。

而 Servo 作为一个技术名词,我比较认同的定义大致是这样的:
a device used to provide control of a desired operation through the use of feedback
通过使用反馈来为所需的运行操作提供控制的设备装置

从上面这段描述中我们可以看到,伺服首先是一种控制装置,需要有指令输入和动力输出。

由于需要对运行动作进行控制,其输出的就应该是机械动力。因此,伺服其实本质上是一种用于运动控制的动力传动技术。如果按照所使用的动力类型的不同,我们基本上可以把伺服分为:气动伺服、液压伺服、直流伺服和变频伺服...等。

不过,由于近些年来变频驱动技术的发展成熟,加上其在很多方面表现出来的极佳的应用体验,如:体积较小、使用灵活、易于集成、方便维护...等等,变频伺服已经在大量应用中取代了其他类型的伺服技术,逐渐成为工业运控领域的绝对主力。这就是为什么现在大家只要提到伺服,基本上指的就都是变频伺服。

伺服的输入为与运行动作需求相对应的一系列动态控制指令,如:速度、位置或转矩...等等。之所以说这些指令是动态的,是因为在实际应用中,目标对象往往需要在运行过程中根据工艺要求不断改变其位置、速度、转矩...等动作状态。因此伺服产品往往需要有一个或多个实时控制信号输入端口,如:脉冲输入、模拟量输入或数字通讯输入...等,用于从上位控制器接收连续的运动控制指令。

这些指令可能是控制器中已经规划好的运动曲线在各个时间点上的值,也有可能是基于其他运动轴状态实时计算出来的中间变量(如:主轴...),但不管怎样,伺服的任务就是要让其最终控制对象的动作轨迹尽可能的与给定的运行曲线相吻合。

我们需要特别要注意伺服定义中“使用反馈”这几个字。尽管在伺服与普通传动技术(例如:变频)之间并没有一道非常清晰的界限,但在系统中是否有用于实现控制的面对应用对象的反馈机制,却是其区别于一般的气动、液压和电机传动技术的一个关键标志。

伺服的反馈主要是指那些用于检测动力执行机构速度和位置...等动作状态的传感元器件,例如:旋转编码器、直线光栅尺...等等,并且通常这些反馈元件都会被直接整合到伺服产品的控制环回路中,如:大部分伺服电机内部都集成了反馈编码器、以及通常伺服驱动器也都会将反馈接口卡作为其产品的一项标准配置。

伺服系统需要借助这些反馈元件即时获取控制对象的位置、速度...等运动状态,并将其与输入端给定的目标值进行实时比对,然后依据反馈误差的大小快速调节其动力响应输出,从而让系统的运控性能更加接近其工艺所需要达到的应用指标。

而对于伺服而言,我们在这里所说的“快速响应”,通常指的是毫秒甚至微秒级的,这样系统才能够在极短的时间窗口内对那些细微的动作偏差作出反应并及时调节。因此,绝大多数伺服产品都会用频响带宽值(BandWidth)来标称其响应能力。而我们看到在印刷套色、金属加工、数控机床、木料加工、纸张处理......等各类高性能运控应用中都会使用伺服技术来实现精确的位置控制,就是伺服响应能力的一种体现。

不过,伺服的这种实时响应能力不仅仅适用于高精度的位置控制,很多有着较高动态特性要求的应用领域,如:机器人、风电变桨、贴标套标、包装码垛、阀门控制...等,也都会用到伺服技术。在这些应用中,真正的挑战往往并不一定是定位精度(一般毫米级就都足够了),而是如何在高速运行过程中,克服来自负载、环境和自身...等多方面的各种扰动,并确保动作的姿态和节拍达到设备运行的工艺要求。

此外,在很多非位置控制领域中,我们也能够看到不少伺服技术的应用,这同样是因为其较强的闭环响应能力。例如:一些设备在薄膜材料(如:纸张、塑料、电池...等)的张力控制上,就用到了伺服系统在速度、转矩方面具备的高动态响应和快速调节的特性;再比如:现在很多空压机和液压泵站也已经开始在使用伺服技术,以实现对气体和油路压力的灵活控制...

伺服技术在工业领域的应用,其商业驱动力源于制造企业在追求生产效益时,对产品质量和设备自动化流程提出的越来越高的要求;而其能够在最近二十几年间从航空航天、数控机床、半导体、机器人...等少数专业领域逐步普及到各类通用自动化行业,则很大程度上得益于因技术成熟和产品易用性的提升而带来的系统综合成本的优化,尤其是我们之前提到的变频驱动技术的发展,在其中起到了极为积极的作用。

本文来源:伺服是什么?

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对此,有许多采购商要求和业主重新谈价格。采购商或业主认为,税率降了,干制造可真是赚大了,机泵价格必须下降。事实真是这样的吗?为什么税率下降,价格反而可能上涨?

因为,增值税由17%降为16%,实际上是减少1%增值税冲抵后的税率!让全国各企业都享受国家的减税政策,并不是将价格降低!也不是只对个别企业进行减税赋!更要注意,环保税今年已经开始征收,另原材料涨价10%-30%,根本无法用降1%稅收能弥补,故请大家莫要将国务院降低企业税赋之好意去要求降价!否则国家对全国企业减少税赋就失去了公平意义!所以跟客户的交易单价从5月开始不会因为税率下降而降低!

另外还有以下几个原因:

1.环保投入加大

全国各地掀起环保整改风暴,各地铸造厂等出现大面积停产状况。工厂想要恢复生产,必须投入大量的资金去更换设备、提升工艺。许多中小型工厂,由于负担不起高额的费用,直接关门大吉,造成市场紧张。

2.错峰生产、工厂生产时间减少

即使有一些还在坚持的工厂,投入大量资金,一点点按照国家标准整改。好不容易合格了,可以生产了。结果刚生产没两天又因为天气原因,被迫错峰生产,关门了!!

3.原材料价格涨了

4.工人成本上涨

用工荒现象比较普遍,年轻人不愿意干,给钱少了没人来,工人工资一年一涨!

其实无论哪个行业,老手都在求质量,新手都在拼价格,专业的现在越来越贵了,如果您问的价格很便宜,不是捡到便宜了,而是您被新手练手了!

本文转自:市场 | 税率下降,电机价格可能还要涨?

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当前市场在不断动态变化,促使设计周期越来越短,系统功能越来越强,而且终端系统更具便携性。这就要求必须采用新方法来简化这些挑战,同时又不增加设计复杂度。 本文将讨论控制和测量方面的一些关键系统挑战;许多不同应用都涉及到控制和测量,包括数据采集系统、工业自动化、可编程逻辑控制器和电机控制。 本文将探讨双极性数模转换器(DAC)架构的最新进展,以及这些拓扑结构如何应对终端系统挑战,例如:通过[比如]在相同或更少的空间中提供更多功能和智能。 本文还会探讨分立式和功能更完整的解决方案。 最后,本文会说明多种替代传统设计拓扑的方案,这些方案在设计重用和系统模块化方面具有更高的灵活性。

应当注意的是,下面的图形并非实际原理图,而是关于如何利用多功能DAC和其他器件来实现应用的示意图。 虽然并未包括电源电路、旁路和其他无源元件等方面,但这些图形显示了应用[此类应用]的一般实现方法。

数据采集系统

数据采集系统(DAQ)用于测量电压、电流或压力等电气或物理特性,并利用微控制器或微处理器(MPU)来处理数据。 DAQ由传感器、放大器、数据转换器和控制器组成,其中控制器利用嵌入式软件控制采集过程。

在过程控制应用中,传感器必须足够敏感以便保障待测信号的质量,这点非常重要。 但是,即便传感器足够敏感,增益和失调等信号链误差也可能会干扰信号质量。 在高性能应用中,数据采集系统利用DAC自动校准调理电路。 图1是一个压力检测系统的框图。 它显示了AD5761R 等双极性DAC及该系列产品如何用于自动增益和失调校准方案。

精密电桥传感器收到来自压力传感器的激励信号,产生输出电压。 由于电桥传感器的信号幅度较低,通常会使用仪表放大器来放大信号。 这种低幅度信号容易受误差影响。 此类误差通常包括温度变化引起的漂移误差、电路板上的寄生误差以及无源器件的容差。

利用AD5761R,系统可实现增益和失调校准,从而在系统工作期间动态校正误差。 根据调整水平和所需的极性,完整、高分辨率、多功能、双极性DAC可大大简化校准过程。 AD5761R可通过高速4线SPI接口进行编程,该接口的串行数据输出(SDO)线可为菊花链和回读操作提供便利。

图1. 压力检测系统的自动校准

工业自动化

工业自动化应用多种多样。 但无论什么应用,此类自动化系统的功能和性能都取决于其信号采集和控制单元。 在采集方面,传感器的灵敏度、调理电路的适应性以及从低电平信号采集正确信息的速度是非常重要的。 在控制方面,能够灵活适应不同执行器和驱动器的要求至关重要。

图2是一个工业自动化系统的示例。 一个带冷结补偿的热电偶用来测量激光加工机床或重型电机等工业设备的温度。 电压经过放大和滤波后送至集成模拟前端(AFE) IC进行转换,数字数据送入处理器进行分析。 基于处理过的数据,处理器将信号送至一个同样完全隔离的控制DAC,以驱动工业风机、激活Peltier之类的冷却装置或开启水冷系统的阀门。 此外,用户可通过控制接口设备输入超控命令。

经过改造后,该系统也可用于压力和振动的测量与控制。 油品和化学品储罐监控通常使用压力传感器系统,快速运动机器头部的振动监控通常使用陀螺仪系统。 这些应用可采用相同的AFE,它与外部环境完全隔离。

AD5761R是一款高电压、高分辨率、双极性DAC,内置低漂移基准电压源并提供软件可选的输出范围,可以很好地取代多个DAC或单个复用DAC。 它提供单极性和双极性电压并保持相同的精度,还有超范围输出选项。 该双极性DAC支持执行器的不同需求,包括通过软件调整控制单元,以免修改硬件。

AD5761R及该系列产品提供两种小型封装——3 mm × 3 mm引脚框架芯片级封装(LFCSP)和16引脚超薄紧缩封装(TSSOP),并且支持–55°C至+125°C的宽工作温度范围。 这种新型工业控制方法对缩小电路板空间和降低成本非常有帮助。

图2. 工业自动化系统简图

可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器(PLC)集成电源、中央处理单元和多个模拟/数字I/O模块,以便控制、激活、监测复杂的机器变量。 PLC广泛用于各行各业,它们提供扩展的温度范围,不受电气噪声影响,并且能够耐受振动和冲击。 图3显示了一个过程控制系统的基本构建模块。 报告过程变量状态的输入信号通过输入模块来监控,并传输到MCU进行分析。 基于分析结果,输出模块作出必要的响应来控制系统中的设备。

图3. 过程控制系统构建模块

图4. 完整PLC系统框图

输入和输出模块的精度和分辨率要求大不相同。 在高端应用中,输入模块需要监控高度精确的过程数据采集,而输出模块本质上是以16位分辨率和精度调整输出。 因此,PLC系统的输入模块常常使用Σ -Δ型ADC,市场上有各种各样的隔离式、单通道/多通道、同步采样ADC可供使用。

输出模块可提供精密电压DAC、精密电流DAC或二者的结合。 针对PLC模拟输出,可利用多种方法来产生电流和电压电平。 AD5761R等精密双极性DAC的发展,提供了额外的功能和高集成度,对PLC系统相当有利,可降低系统复杂度、缩小电路板尺寸并减少成本。

电机控制

在电机控制环路中,例如在输液泵系统中,DAC是必不可少的。 输液泵广泛用于医疗服务中,可为所有年龄层次的病人提供治疗。 输液泵的作用是断续或连续地向病人的心血管系统输送液体、药物或补充剂。

虽然输液泵要求具备资格的用户来设置治疗的特定参数,但相比于手动管理,其暗含的优势无疑会提高用户的信心。 在自行操作模式下,此类仪器能够以设定的间隔精确输送小剂量液体,无需护士或医生手动控制液流以输送给病人。 输液泵系统能够实时显示关于剂量限制的系统信息,医生和医疗管理员可以借助输液泵系统的安全性实现滴定安全性,防止输液过量,并确保物理输送机制本身的可靠性和准确性。

图5. 大容量输液泵系统

工作过程中,微控制器接收来自直流电机的速度和方向信号,并进行分析和调整(如需要)以达到设定值。 正馈路径中的DAC提供对系统的调整,反馈路径中的ADC监控每次调整的效果。 DAC设定的电压通过驱动器网络放大,以向直流电机提供所需的驱动电流。

ADI公司提供高性能模拟和混合信号处理解决方案,用于检测、测量、控制化学分析仪、流式细胞分析仪、输液泵、透析设备、呼吸器、导管及其他医疗仪器中的传感器和执行器。 具体而言,AD5761R这款提供8个软件可选输出范围且保持同一精度的高分辨率、双极性DAC,便非常适合电机控制应用,其支持电机所需的不同电压摆幅。

结论

对于许多控制系统和简单的转换电路,以及其他复杂应用,DAC在决定其性能和精度方面起着重要作用。 AD5761R及该产品系列是完整的16位分辨率、精密双极性DAC,提供多种可编程输出范围,适合上述应用。 AD5761R系列DAC高度可配置的范围(0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至16 V、0 V至20 V、±3 V、±5 V、±10 V和−2.5 V至+7.5 V;5%超范围),使得该系列DAC具有普遍适用性,支持数据采集系统、工业自动化、可编程逻辑控制器和电机控制器等所有解决方案。 AD5761R产品系列的高集成度,包括输出缓冲器和2 ppm/°C内部缓冲基准电压源,可大大简化电路板设计,缩小电路板尺寸,并使功耗和成本最低。

作者:Estibaliz Sanz Obaldia

Estibaliz Sanz Obaldia 毕业于西班牙德乌斯托大学,获电子工程与自动化学士学位。 2010年加入ADI公司,任爱尔兰利默里克精密转换器部门的应用工程师。

Junifer Frenila

Junifer Frenila 于2005年毕业于菲律宾西部维萨亚科学技术学院(WVCST),获电子与通信工程学士学位。 2006年加入ADI公司,任ADI菲律宾公司精密转换器部的设计评估工程师。 他目前正在攻读玛布亚科技学院电子工程博士学位。

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功能安全指与电气和电子系统正常运行相关的安全性 能。目前,变速驱动器在实现功能安全方面发挥着重要 作用。以前,面向电机控制应用的功能安全是通过驱动 器外部的安全继电器和接触器来实现的。但随着安全特 性被集成到驱动器当中,STO、SLS等安全功能可以集成 到驱动器上,从而提高工厂的生产效率。集成安全要求 采用集成电路,但是,解读变速驱动器中所用集成电路 的功能安全要求并非易事。理想情况下,所有此类IC均应 符合IEC 61508规范,但其成本高昂,因此各项标准并未予 以要求。本文将尝试总结相关指导方针,以便在变速驱 动器的设计中选用正确的集成电路。本文的目标之一是 不使用术语概括各个主题。

功能安全有三个关键要求:

要求1—使用可靠组件。这是指FIT率足够低的IC。FIT率通常依 照IEC 62380或SN 29500等标准进行计算,其结果基于各类组件 在现场的平均故障率。此外,数据可能基于加速寿命测试, 例如analog.com/ReliabilityData上提供的数据。一个重要的考虑因 素是,IEC 61508和类似标准中给出的PFH (每小时发生危险故障 的概率)数字是针对整个安全功能,而不仅仅针对一个IC。因 此,SIL 3安全功能(100 FIT)的PFH数字10-7 h-1可能会给出错误的预 算,即给定的IC只有1 FIT。另外还需要注意的是,PFH实际上是 指每小时发生危险故障的概率。可以说,至少50%的故障是安 全的,并且IC的可靠性限制可以翻倍。

要求 2—实施过去已证明能够设计高安全性产品的一系列措施。 这是指称为系统完整性的标准。不同于随机的硬件故障,系统 故障内置于系统中,只需要更改设计就能消除它们。软件缺陷 便是系统故障和EMC故障的例子。

要求 2—容忍缺陷和接受缺陷,因为无论组件多么可靠或者多 么遵循开发流程,都会出现随机硬件故障或系统故障。应对故 障的两种方法是诊断和冗余。诊断可以检测故障,并使系统处 于安全状态。对于电机控制,安全状态通常会使电机利用安全 子功能停止,如IEC 61800-5-2的STO。另一个替代方法是实现冗 余,这样会有两个或两个以上的项目,任意一个项目可以检测 到不安全的状态,并在必要时使系统处于安全状态。标准通常 允许在诊断和冗余之间进行权衡。提高有效性的措施包括IEC 61508中的SFF、ISO 13849中的诊断覆盖率(DC)和ISO 26262中的单 点故障指标。

IEC 61800-5-2

IEC 61800-5-2是C类标准。这意味着此标准提出了特定机器类别 的要求,在这种情况下是指变速驱动器。采用C类标准是非常 有价值的,因为它解释了这种设备类型的通用标准IEC 61508, 并且只保留了与该机器相关的内容。通用标准本质上必须能够 应对许多不同类型的设备和情况,这意味着它包含很多与特定 设计不相关的信息和要求。IEC 61800-5-2声称,“通过采用IEC 61800系列的这一部分要求,可以满足PDS (SR)所需要的IEC 61508 相应要求。”然而,对于C类标准(如IEC 61800-5-2)没有提供指导 的主题,则可以参考IEC 61508。

IEC 61800-5-2中定义了STO (安全转矩关闭)和SLS (安全限制速度) 等安全子功能,并概括了功能安全生命周期。

图1. STO安全功能。

借助STO安全子功能,通过防止为电机提供发电的力,可以达到安全状态。通常,当防护装置打开时,可以通过在栅极驱动器阻塞脉冲或切断电源来完成。由于驱动器的总电源切断了,当防护装置关闭时,有助于快速重启。

借助SLS安全子功能,可以监控电机的速度,如果超过了设定的水平,驱动器会使电机进入安全状态,通常是STO。这个安全子功能通常用于滚轴的清洗过程中,并与三位控制开关配合使用。图2显示了SLS在t12处脱开。红色方块表示(如果进入)将导致驱动器进入安全状态的速度区域。

图2. 安全限制速度。

虽然IEC 61800-5-2不强制要求双通道安全,但大多数驱动器制造 商也希望宣称符合ISO 13849的性能水平,因此双通道非常常见。

ISO 13849

ISO 13849是基于目前冗余的EN954标准的机器标准。与IEC 61800-5-2、IEC 61508和IEC 62061相比,它采用了性能水平(PL),而不是SIL水平。水平为PLa至PLe。ISO 13849也明显偏好用双通道系统来实现更高的性能水平,因此必须使用三类或四类系统。ISO 13849使用DC (诊断覆盖率)作为诊断有效性的指标,而其他标准使用SFF作为指标。假设缺陷是50%安全/50%危险,则SFF和DC的关系可以用下面的方程式表示。

IEC 62061

IEC 62061是IEC 61508的机器解读。它实际上是ISO 13849的平行标准 — 事实上,ISO/IEC 17305将这两个机器标准结合在了一起。

在IEC 62061的范围中,它指出,“在此标准中,可以推测出复杂可编程电子子系统或子系统元件的设计符合IEC 61508的相关要求。此标准提供了SRECS的此类子系统和子系统元件的使用方法,而不是开发方法。”

IEC 61508

IEC 61508-2:2010包含了重要的IC要求,但是如果随意阅读或阅读 部分标准,很容易漏掉这些要求。这些要求包括一个ASIC开发V模型,请参见IEC 61508-2:2010图3。V模型针对数字ASIC,它引用合成位置和路由以及最后的编码,但用一点想象力就可以把V模型解读为模拟或混合信号ASIC。

图3. ADuM4135隔离式栅极驱动器。

标题为“ASIC的技术和措施—避免系统故障”的附录F介绍了数字ASIC的首选项,并且注释1中指出,“以下技术和措施仅与数字ASIC和用户可编程IC相关。对于混合模式和模拟ASIC,目前没有提供通用技术和措施”。尽管存在限制,但是仍然可以完成混合信号ASIC的数字部分的检查清单,以及不适用于纯模拟IC的一些用途。

附录E的标题为“具有芯片冗余的集成电路(IC)的特殊架构要求。”同样,该附录说明了数字限制,它在E.1中指出,“下列要求仅与数字IC相关。对于混合模式和模拟IC,目前没有提供通用要求”。当其他标准中引用附录E时,往往忽视了关于附录E的另一个限制,即“此标准中使用的芯片冗余是指功能单元的成倍重复(或三倍重复),以便实现大于零的硬件容错。”“重复”一词意味着相同的冗余,并且本文作者认为,其目标是可能使用同步技术的双核微指令。虽然大多数技术是有用的,但是当应用于各种冗余模块之间或一个模块与另一个芯片模块(用于对第一个模块进行诊断)之间的分离时,它们可能是多余的。复制的模块可能出现常见原因引起的故障,例如温度、ESD、电源故障和其他不太可能在同一时间以相同方式影响不同模块的因素。在ISO 13849-2:2012的D.2.4部分,可以找到引用附录E的 方式,其指出,“因此,如果使用单个集成电路,不大可能实现满足2类、3类或4类的容错和/或检测要求所需要的多通道功能,除非它满足IEC 61508-2:2010附录E中的特殊架构要求。”IEC 61800-5-2 FDIS (2015年秋季)允许根据IEC 61508-2:2010附录E的要求,排除芯片短路,但是通过查看附录E您会发现,只有第f)和g)条直接指向芯片短路。第f)条要求独立模块之间的间距至少是流程最低设计规定的10倍,而第g)条仅讨论了相邻行的独立物理模块。

图4. 双通道概念架构,用于使用ADSP-CM419 (/8/7/6) DSP内核实施IEC 61800-5-2的SLS安全子功能。

图5. SLS解读的可靠性模块图。

IEC 61508-2:2010的表A.1给出了计算SFF时假设的缺陷或故障。表A.2至A.14给出了典型诊断覆盖率的示例,可宣称为典型诊断,但是这些表有时需要解读为集成电路。IEC 62380的附录H和UL 1998的相关附录A更为详细,尤其是对数字微控制器和类似产品。

对于计算集成电路的FIT率,则引用了IEC 62380和SN29500以及其他来源。

该标准的2010年修订版中添加了考虑软错误的要求,并暗示了为易失性存储器(如RAM)添加ECC和奇偶校验,以便检测和控制尤其影响RAM的软错误。

ISO 26262要求

ISO 26262是IEC 61508派生出的汽车版本标准。它与IEC 61508的 第2版同时开发,包含IEC 61508未提供的一些集成电路相关要 求,并澄清了IEC 61508中的一些项目,但省略了其他要求。例如,ISO 26262-10:2012包含IEC 61508-2:2010的附录F和ISO 26262-5:2011的表D.1的汽车版本,它澄清了关于如何考虑汽车上的芯片短路的位置,“这里并不需要进行详尽的分析,例如并不需要对桥接故障进行详尽的分析,而桥接故障可能会影响微控制器或复杂PCB中的任何信号的任何理论组合。分析主要针对通过布局级别分析识别的重要信号或高度耦合的互连。”

第10部分特别包含了重点内容,比如“如果一个CPU面积占据了整个微控制器芯片面积的3%,则可以假设它的故障率等于总微控制器故障率的3%。”虽然此类流程是IEC 61508的自定义和实践部分,但是写出来也很有用。

ISO 26262的集成电路说明可作为ISO/TC 22/SC32中的ISO/AWI PAS 19451-1使用。

集成电路设计辅助

查看各项标准之后,作者提出了关于IC制造商如何协助驱动器制造商在驱动器中设计集成电路的许多建议。

首先,集成电路安全手册应该会对集成电路设计人员很有帮助。即使ASIC或设备未按照IEC 61508开发,也可以制作安全手册。

安全手册中的项目包括:

* 所使用的开发流程和生命周期模型。
* IEC 61508-2:2010的完整附录F检查清单。
* 假定任务说明。
* 根据IEC 62380和SN29500,以合理的平均工作温度预测FIT率, 例如55°C,在24小时内的热循环温度为10°C。
* 芯片尺寸、芯片数量、RAM单元数量和晶体管数量,以便设计人员使用SN29500和IEC 62380计算他们自己的FIT率(如果计算已经完成并已给出计算的详细信息,则会更好)。
* 支持芯片分离的证据。
* 支持排除任何相关故障的证据。
* 芯片诊断的详细信息。
* 假定系统级诊断的详细信息。
* 给出λDU, λDD, λS的引脚FMEA,并针对查看预期封装故障模式的一组假设诊断计算SFF和DC的结果。
* 给出λDU, λDD, λS的引脚FME(D)A,并针对查看预期芯片故障模式的一组假设诊断计算SFF和DC的结果。
* 数据手册上显示的各种模块的FIT率,以便驱动器制造商重新进行FME(D)A。
* 鉴于数据的性质,安全手册可能只在签订NDA (保密协议)后提供。

与电机控制安全有关的部分,ADI公司目前正在开发安全手册,包括 AD7403 隔离式ADC和ADuM4135隔离式栅极驱动器。

其次,了解系统级设计的IC制造商可以帮助设计实现功能安全所需要的特性。例如:

* 知道只有一小部分PFH可用于IC,也许只有1%。
* 知道虽然一般来说功能安全越简单越好,但是在芯片上安装晶体管是非常可靠的,而且如果芯片上* 的晶体管数量增加10倍,则PCB上的组件将会减少,整体PFH将会下降。
* 知道芯片上的诊断可以比系统级诊断反应更快,可以帮助预防错误的积累。
* 知道驱动器的一般生命周期是20年,数据应该证明IC可以在给定的任务下匹配这一生命周期。
* 知道添加硬件加速器(如CRC引擎)可以减少软件负担。
* 第三,一系列建议架构显示了如何组合使用IC来实施IEC 61800-5-2的安全功能。可能涉及:

关于系统级诊断的建议。
关于适用组件的建议。
关于满足不同通道之间的独立要求的建议。
关于安全和非安全软件之间的软件独立性的建议,如果控制和安全可以组合到至少一个处理器上,则可以将所需要的处理器数从三个减少到两个。如果无法展现足够的独立性,则必须将一切事宜视为安全事宜。
第四,为了澄清要求,应当引用标准。例如:

为了防止数据损坏,应当对将ADC连接到同一个PCB上的微控制器或DSP的SPI接口采取什么预防措施?IEC 61800-5-2:2006等 标准让读者参考IEC 61508,进而参考电轨标准。IEC 61800-5-2的下一个版本添加了一些文本,用于澄清IEC 61784-3的要求不适用于此类接口,但是当作者阅读新标准中他自己的文字时,澄清并不像他所希望的那样清晰。EN 50402的最新标准草案做出了更好的澄清,它区分了空间上独立模块的信号传输与空间上不独立模块的信号传输。

澄清实施各种冗余的IC芯片独立要求。

澄清模拟和混合信号IC芯片独立要求。

第五,从标准中删除对特定解决方案的引用,因为这会导致一些读者认为这些是唯一的问题解决方案。例如,众所周知,光耦合器是实现信号隔离的一种传统方式,但与较新的数字隔离器相比,在可靠性、功率和速度方面有一些劣势。编辑ISO 13849和IEC 61800-5-2等标准,并将光耦合器的引用替换为更通 用的术语,如电流隔离器,也将有助于采用更可靠的新型数字隔离器。2015年,IEC 61800-5-2的最新FDIS(终稿)已经这样做了。

结论

本文概括介绍了与机器和变速驱动器相关的主要功能安全标准。同时,得出了关于集成电路相关要求的结论。其中一个结论是,为了帮助满足功能安全IC要求,制造商可以提供更多附加信息和功能。本文列出了最重要的一些信息要点。第二个结论是,半导体制造商需要了解更多系统级要求,而ADI公司已开始着手分析自己的非功能安全、电机控制演示系统设计。目标是了解如何修改架构来满足功能安全要求,并了解缺少哪些信息,以便让我们的客户将我们的产品设计到符合功能安全要求的驱动器中。

参考电路

ADI公司功能安全计划: http://www.analog.com/en/about-adi/quality-reliability/functional-safety... .

BGIA报告2/2008e,机器控制的功能安全—EN ISO 13849的应用。.

IEC 61508-2:2010,电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安 全—第2部分:电气/电子/可编程电子安全相关系统的要求。

IEC 61800-5-2:2007,可调速电力驱动系统,安全要求,功能安全。.

IEC 62061:2005,机器安全—电气、电子和可编程电子控制相关 系统的功能安全。.

ISO 13849-1:2006,机器安全—控制系统的安全相关部分—第1部 分:一般设计原则。.

ISO 13849-2:2012,机器安全—控制系统的安全相关部分—第2部 分:验证。.

ISO 26262:2011,道路车辆—功能安全。.

作者

Tom Meany - Analog Devices -6970

Tom Meany

Tom Meany是八项美国专利的持有者,并且是ISA和IEEE的高级成员。Tom是一位应用领域机器的FS工程师(莱茵公司),获得了Technis的可靠性和功能安全方面的认证。他也是IEC SC22G/MT12的成员,负责IEC 61800-5-2的二稿(变速驱动器的功能安全要求)。Tom于1987年加入ADI公司,目前担工业产品的功能安全技术专家职位。

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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。

本文转自:电动工具行业持续看好 未来发展方向分析

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Tom Meany ADI公司

摘要

功能安全指与电气和电子系统正常运行相关的安全性能。目前,变速驱动器在实现功能安全方面发挥着重要作用。以前,面向电机控制应用的功能安全是通过驱动器外部的安全继电器和接触器来实现的。但随着安全特性被集成到驱动器当中,STO、SLS等安全功能可以集成到驱动器上,从而提高工厂的生产效率。集成安全要求采用集成电路,但是,解读变速驱动器中所用集成电路的功能安全要求并非易事。理想情况下,所有此类IC均应符合IEC 61508规范,但其成本高昂,因此各项标准并未予以要求。本文将尝试总结相关指导方针,以便在变速驱动器的设计中选用正确的集成电路。本文的目标之一是不使用术语概括各个主题。

功能安全的三个关键要求

功能安全有三个关键要求:

要求1—使用可靠组件。这是指FIT率足够低的IC。FIT率通常依照IEC 62380或SN 29500等标准进行计算,其结果基于各类组件在现场的平均故障率。此外,数据可能基于加速寿命测试,例如analog.com/ReliabilityData上提供的数据。一个重要的考虑因素是,IEC 61508和类似标准中给出的PFH (每小时发生危险故障的概率)数字是针对整个安全功能,而不仅仅针对一个IC。因此,SIL 3安全功能(100 FIT)的PFH数字10-7 h-1可能会给出错误的预算,即给定的IC只有1 FIT。另外还需要注意的是,PFH实际上是指每小时发生危险故障的概率。可以说,至少50%的故障是安全的,并且IC的可靠性限制可以翻倍。

要求2—实施过去已证明能够设计高安全性产品的一系列措施。这是指称为系统完整性的标准。不同于随机的硬件故障,系统故障内置于系统中,只需要更改设计就能消除它们。软件缺陷便是系统故障和EMC故障的例子。

要求3—容忍缺陷和接受缺陷,因为无论组件多么可靠或者多么遵循开发流程,都会出现随机硬件故障或系统故障。应对故障的两种方法是诊断和冗余。诊断可以检测故障,并使系统处于安全状态。对于电机控制,安全状态通常会使电机利用安全子功能停止,如IEC 61800-5-2的STO。另一个替代方法是实现冗余,这样会有两个或两个以上的项目,任意一个项目可以检测到不安全的状态,并在必要时使系统处于安全状态。标准通常允许在诊断和冗余之间进行权衡。提高有效性的措施包括IEC 61508中的SFF、ISO 13849中的诊断覆盖率(DC)和ISO 26262中的单点故障指标。

详文请阅:变速驱动器中所用集成电路的功能安全

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