ADI

在激增的高质量传感器、可靠连接和数据分析的共同推动下,工业效率迈上了新的台阶,而不断提高这些智能节点的自动化和移动化程度也能带来好处。

在这些情况下,对传感器节点进行精密运动捕捉和位置跟踪成为事关应用成败的核心——

智能农场就可以基于丰富的地理位置、传感器内容以及分析学习结果来联合利用自动化地面车辆和航空器更加有效地指导地面作业;
智能手术室将经典的导引技术带到手术台上,供精密制导机械臂使用,其运用传感器融合技术来确保各种条件下的精准导引。

在多个领域,基于运动的传感器成为移动应用的价值倍增器。

手机中普遍存在的消费类惯性传感器使人们对其精度普遍感到失望,因此,在推动运动物联网(IoMT)的概念方面,迄今都没有什么成效。然而,新型高性能工业传感器能支持精确的角度指向和精确的地理定位性能,同时还能达到必要的尺寸和成本效率要求,故而现在又做好了推动运动物联网发展的准备。

工业系统智能检测的推动因素

工业机械和流程最具价值的进步集中在有形的系统级优势上,而这通常会带来设计和实现方面的挑战,这些挑战又会发展成新的问题解决方案和业务模式。这种系统级推动因素可以归纳为三项追求,即对资源效率、关键精度和更高安全性的追求。瞄准这些横跨多个行业的改进的应用,包括跨越空中/地面/海上、室内/室外、短期/长期和人/机等,但无论如何,它们都依赖于共同的属性;即精度、可靠性、安全性和智能处理与分析,如表1所示。

表1. 运动物联网应用重要的系统属性转变成极具挑战性的设计需求

多种类型的传感器成为目标应用设计任务的核心。目标设计涉及的系统复杂性要求基于广泛变化的条件下慎重考虑传感器质量和鲁棒性。虽然有些行业有可能出于方便考虑而选择传感器(比如,利用手机上已经存在的传感器组合),但其他行业则会重新设计传感器组合,根据精度做出选择,将传感器智能地结合起来,以全面、可靠地覆盖目标系统状态。

智能检测

在传感器大量存在的背景下,这些已面世的智能型系统正在一些所谓的成熟行业掀起革命,把农业变成智能农业,把基础设施变成智能基础设施,把城市变成智能城市。由于传感器被部署在这些环境中以收集相关的情境信息,数据库管理和通信方面出现了新的挑战,不仅要求传感器之间的数据融合,而且要求实现跨平台、跨时间的复杂融合(例如:对跨时间的基础设施状况、前一年的农作物产量、交通状况及模式等进行基于云计算的分析),如图1所示。

新兴工作需求将情境和运动检测与多层融合结合起来

图1. 新兴工作需求将情境和运动检测与多层融合结合起来。

从设备和环境中可靠地抽取哪些信息的决定成为这些新兴应用最终效用和发展前景的主要度量指标。精度驱动效率,进而转变成必要的经济因素,同时也是确保安全、可靠运行的关键。虽然多数基础传感器可以添加简单的功能,但添加的这些简单功能却无法满足目标运动物联网应用的需求,在这类应用中,是/否、上/下、开/关等状态会被更精细的分辨率代替,添加的功能会影响传感器的选择。

运动的重要之处

多数情况下,物联网都处于运动状态。即使不处于运动状态——比如,静止的工业安全摄像头——精密指向仍可能必不可少,或者,关于无用运动(篡改)的知识也可能非常有价值。如果能在恶劣的飞行条件下维持精确的指向角度,用光学载荷捕捉作物图像的无人机就有可能更快地带来更好的结果;如果能为光学数据提供准确的地理测绘信息,则有可能实现对数据和趋势的历史比较。智能交通工具,无论是地面交通工具,还是空中或海上交通工具,它们都越来越依赖GPS导航。然而,GPS遭受的精度压力也越来越大,无论是有意为之,还是自然使然(建筑物、树木、隧道等)。如果选择时考虑了精度需求,则额外的传感器仍然可以在事故中断期间可靠地进行航向角推算。表2列出了使IoMT(运动物联网)中的M(运动)概念名符其实的一些因素,注意运动与通用应用之间的关系。

表2. 运动知识、甚至运动知识的缺乏都事关多种应用的成败

如果有机会和手段捕捉设备或人的自然惯性,抽取的系统状态意义就会得到增强,并且可能与可用的情境信息适当地融合起来,如表3所示。

表3. 位置检测是物联网的价值倍增器

可靠、安全的运动物联网节点

运动物联网节点输出的有效性和价值最为依赖的是核心传感器的质量以及它们高保真地捕捉应用情境的能力。因此,融合处理是传感器校正/增强的必然选择,也是理想捕捉传感器间状态动态的必备条件(例如,在任意给定时间点,哪个传感器最可靠)。应用级的处理以分层方式融入解决方案之中,并根据环境特点进行优化,包括适当的边界条件。虽然这种方式是自动的,但在有些情况下,这些节点会协同工作,比如在地面或空中成群的无人驾驶交通工具中。在这些情况下会部署安全链路,强调可靠传输和受保护的特有身份信息,如图2所示。

图2. 综合情境和位置信息的互联安全传感器。

传感器是自动化的核心

就如人体一样,自动运动物联网节点依赖检测多个输入来实现需要的感知能力,从而独立行动并根据随机、甚至乱序事件优化其结果,最终随时间改进。如表4所示,从基本测量到控制、再到自动化的过渡会提高传感器融合层的复杂性以及嵌入式设备计算的复杂性。由于这些节点也会取得很高的互联能力和自适应性学习能力,所以他们可能走向人机融合。

表4.以高质量传感器为基础,日益提升的集成度和智能程度推动自动化和人机融合

没有基础设施的定位

GPS无处不在,除非卫星信号被阻挡或中断。在可用的条件下,无线测距技术可能非常精确。如果未受干扰,始终都有磁场读数。惯性具有独有的自恃性。显然,惯性MEMS传感器有自身的不足(漂移),但这些不足都在可控范围以内,采用小尺寸经济型封装的新型工业惯性测量装置(IMU)具有前所未有的稳定性。

惯性MEMS器件采用标准半导体工艺、复杂封装和集成模式,通常以线性加速度(g)或角速度(°/秒,或速率)为单位,直接检测、测量和解读其运动,如图3所示。由于除要求最温和的应用以外,所有其他应用都拥有所谓的多自由度(实际上指,可以在任何所有轴上运动,且所有设备在其运动中都相互不受限),这就必须捕捉x、y和z各轴的加速度和角速度值;或者在有些情况下,称为翻滚轴、俯仰轴和偏航轴。综合起来,这些有时被称为六自由度惯性测量单元。

图3. 用于确定精密运动的微机电结构。

虽然经济上的考量自然会促使MEMS设计师用最少的硅片面积在各个轴上(x、y、z)抽取这些多个检测类型(加速度、角速度),但仍然需要采取更加平衡的性能设计视角,以满足更具挑战性的工业检测需求。事实上,有些MEMS结构在尝试用单个MEMS模块测量所有6种模式。在考察这种方式对于高性能检测的有效性之前,我们必须知道,MEMS器件需要捕捉一些运动,这非常重要,但同样重要的是,同一器件还要能够放弃会变成误差的其他形式的运动(或者不受其影响)。例如,虽然陀螺仪测量角速率,但它同样应该能做到忽略角速率测量上的加速度或重力效应。对一个简单的MEMS器件来说,如果试图以小小的结构测量一切,自然(在设计上)会非常容易受到这些其他干扰误差源的影响,并且无法把有用运动与无用运动区分开来。最终,这些误差源会变成导航或应用中的噪声和误差。

运动物联网要兑现必要时提高资源效率、增加安全或关键精度的承诺,就需要比当今移动设备中无处不在的简单传感器具有更高的精度。着眼于性能的设计模式就变成了为每种检测模式和每个检测轴独立设计的模式,但其目的是走向融合和集成。最后,必须知道的是,为性能设计并不一定意味着不能为经济考量而设计。

功能或性能

有些应用可以通过添加功能(设备的手势/方向模式切换)获得极大的价值,用简单的MEMS器件就能相对容易地获得这些信息。工业或专业器件可能更容易测量不同方位的精度与亚度间的差值,或者能以优于一个数量级以上的精度分辨位置,同时还能在高振动环境里工作。低端传感器与高端传感器之间的性能差异并不小,事实上,二者的差异非常大,在选择组件时有必要慎重考虑。

最终应用将决定所需的精度水平,而所选的传感器质量将决定其能否实现。表5选择了两种解决方案进行比较,说明了传感器选择对设计过程和设备精度均很重要。如果只在很有限的情况下依赖传感器,并且应用有较高的容错性,那么可以使用低精度传感器——换言之,如果不是安全或生命攸关的应用,相对较低的精度便足够了。虽然多数消费级传感器在有利条件下噪声很低且性能良好,但它们不适合用于动态运动(包括振动)下的机器,因为性能较低的惯性测量单元无法将动态运动与简单的线性加速度或所需的倾斜测量区分开来。在工业环境中工作时,为实现优于1度的精度,应当选择专门设计的传感器,以便抑制振动或温度影响导致的误差漂移。这种高精度传感器能够支持更大范围的预期应用状态,工作时间也更长。

表5.推动精度和效用的是传感器的质量而非传感器融合的复杂性

精密仪器设计师最感兴趣的一般是惯性测量装置(IMU),这类装置输出的是经校准的加速度和速率而非运动角度或距离,因为这种系统级的信息高度依赖于具体应用,因而是系统设计师而非惯性传感器设计师的工作重点。结果导致的问题,举例来说,是从惯性传感器规格表中分辨指向精度。

表6展示的是一款中端工业器件的规格,同时还用手机中常见的消费级传感器进行了比较。请注意,也有更高端的工业器件可用,其精度比表中所示器件要高一个数量级。多数低端消费级器件未提供诸如线性加速度效应、振动校正、角度随机游走之类的参数规格,而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源。

表6.工业MEMS器件对所有已知潜在误差源进行全面测定,通常能实现消费类器件高出一个数量级或更高的精度水平

这款工业传感器样品设计用于预期会有相对迅速或极端运动(2000°/s、40 g)的场景,宽带宽传感器输出对最佳地辨别信号也很关键。工作期间的失调漂移(运动中稳定度)应最小,以降低对更多补充传感器(用来校正性能)的依赖。在某些情况下,应用无法为后端系统滤波校正提供所需的时间,此时必须使开机漂移(可重复性)最小化。低噪声加速度计同陀螺仪一起使用,以帮助区别并校正任何关于加速度的漂移。

陀螺仪传感器设计可用来直接消除任何加速度g事件(振动、冲击、加速度、重力)对器件失调的影响,可大幅改善线性加速度;通过校准,温漂和对准均得以校正。若不进行对准校正,典型多轴MEMS器件即使集成到单片结构中,也可能有较大对准误差,使其成为误差计算的主要贡献因素。

近年来,噪声在区分传感器级别上所起的作用有所降低。在超出简单判定或相对静止运动确定的应用中,线性加速度效应和对准误差之类的参数成为噪声源,通过芯片设计方法或器件专用校准来改善它们需要付出高昂的成本。

传感器融合能补救劣质传感器吗?

答案很简单,不能。传感器融合是一个滤波和算法处理的过程,它将相对于环境、运动动态信息和应用状态对传感器组合进行合并或管理。传感器融合可以提供确定性的校正(如温度补偿),并会基于系统状态知识,管理从一个传感器到另一个传感器的切换过程,但无法弥补传感器内在的缺陷。

在传感器融合设计中,最关键的任务是首先要深入挖掘应用状态知识,为设计流程的剩余环节提供支撑和动力。针对给定的应用选择适当的传感器时,应先进行详细分析,了解其在总体任务的不同阶段中的权重(相关性)。在行人导航定位推算示例中,解决方案主要取决于可用的设备(如智能手机中的嵌入式传感器),而不是通过性能设计。因此,会严重依赖GPS以及其他可用的传感器,例如嵌入惯性和磁性传感器,仅为确定有用的位置信息发挥一小部分作用。它在室外能够正常工作,但在具有挑战性的城市环境或室内,GPS就不准确了,其他可用传感器的质量很差,存在较大差距,换言之,位置信息的质量具有不确定性。尽管先进的滤波器和算法通常用来融合这些传感器的数据,无需任何额外传感器或质量更好的传感器,软 件对于弥补不确定性差距的作用不大,最终只是大大降低了报 告位置的信心。图4中为概念性说明。

图4. 应用级精度取决于传感器质量而非传感器融合复杂性。

与其形成鲜明对比的是,工业导航定位推算方案是针对系统性能定义而设计的,要根据具体精度要求选择组件。更高质量的惯性传感器允许其发挥主要作用,适当利用其他传感器来缩小不确定性差距。比起推算/估算可靠的传感器读数间的位置,算法在概念上更关注最佳权重、切换和传感器互补,以及对于环境和实时运动动力学的认识。

精度在任何一种情况下都可以通过选择质量更高的传感器来提高,虽然传感器滤波和算法是解决方案的重要一部分,但它们本身并不能消除低质传感器覆盖范围的差距。

新型工业传感器的性能已经接近以前用于导弹制导的传感器的水平。这些新型工业传感器采用最初针对可靠和精密汽车应用设计并以经济型工艺制成的架构,在性能-成本比和性能-尺寸比方面具有独特的优势,如图5所示。

图5. 工业级6自由度IMU ADIS1647x和ADIS1646x,在复杂和动态环境中也能提供高精度水平。

精密运动检测不再是小众应用的专属,其他应用也别无选择,只得投资采购昂贵的跟踪解决方案。随着迷你型IMU工业级精密传感器的上市,物联网设计师现在可以通过整合优质运动检测功能和嵌入式情境检测功能,成倍提高其产品的价值。

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【导读】永磁无刷电动机是随着计算机技术、电子技术和控制技术的进步而发展起来的一种高性能机电一体化的产品。它具有能量密度高、效率高、惯量小等优点被广泛应用于伺服系统、数控机床、医疗器械、航空航天及军事装备等领域, 随着永磁材料和功率电子器件的不断进步, 其应用范围越来越广。永磁无刷电动机由电动机本体及驱动控制器组成, 通常在电动机本体中装有供换向位置检测的霍尔元件, 并与电动机共磁场, 这时, 各相霍尔片如何正确定位, 才能使无刷电动机得以正确换向以获取较佳的工作特性? 本文以齿数Z = 12, 极对数 p =5的无刷电动机为例, 讨论霍尔 S 41的定位原则和方法。

1、无刷电动机霍尔片定位原则

无刷电动机导电顺序是由三相霍尔换向并结合逻辑线路或软件实现的。三相霍尔无刷电动机的三相绕组输入波形和三相霍尔输出波形如图1所示。

图 1中, 各相绕组导通角不论转向正反, 均为120电角度, 各相正向导通由本相霍尔片上跳造成的(换向点), 120反跳由线路保证, 各相反向导通由本相霍尔片下跳保证。为了保证较佳的工作特性,各相120的中间点为各相的绕组磁场中心, 显然,各相霍尔片要超前该相的绕组中心60电角度对该相绕组进行换向操作, 这就是无刷电动机的60霍尔片定位原则。

由于每极每相每一转向总存在一个换向点, 这样, 对于p对极电机, 每相每一转向存在2p 个换向点, 这2p 个换向点沿圆周均布, 三相电机共有6p个霍尔片换向点位置。如果先用磁场中心定位法精确决定一个特征点, 其他换向点也就可以确定, 我们在定子圆周上确定画出6p 个霍尔片换向点位置,及正反放置状态, 制成所谓的!霍尔圆图∀, 霍尔圆图上角度为机械角度。当然, 使用时, 各相取一个霍尔点放置霍尔片就可以了。对于定子斜槽, 这些换向点指的是定子铁芯轴向中间位置, 对于转子斜槽, 图中的磁极指的是转子轴向中间位置的磁极。故本文所指磁场中心定位法决定的特征点就是处于电机定子的齿中心或槽中心。

图 1( a)中磁钢运动方向为 A, B, C, 图中可以看出, A相霍尔片上跳位置正好是B 相的绕组磁场中心, A相霍尔片要放在B相的绕组磁场中心上,就是A 相霍尔片的特征点在B 相的绕组磁场中心上。图1( b)中磁钢运动反方向为 A, C, B, 图中可以看出, A 相霍尔片上跳位置正好是 C 相的绕组磁场中心, A 相霍尔片的特征点在 C相的绕组磁场中心上, 上一相霍尔中心, 按转向放在转子转过120的下一导通相绕组磁场中心上, 如ABC方向转动时, A 相霍尔放在 B相磁场中心。

这就是说, 某相霍尔片的特征点是在另2相的磁场中心, 绝不在本相磁场中心, 由转向最后决定该相霍尔片的特征点是在其他2 相中的某相磁场中心, 这也是无刷电动机霍尔片的磁场中心定位法。霍尔片采用开关型的S41。S41管脚和接线如图2所示。

霍尔片接入电路, 转子N 极向某换向点上的霍尔片移动, 要求该霍尔片输出逻辑高电平, 霍尔片的印章要朝磁极, 霍尔片移出磁场, 它仍维持高电平, 只有移入S极下该霍尔片输出才能转为低电平, 所以, 图1中霍尔片输出波形为180。转子S 极向某换向点上的霍尔片移动, 要求该霍尔片输出逻辑高电平, 霍尔片的印章要背朝磁极, 只有移入N 极下该霍尔片输出才能转为低电平。霍尔片的印章朝磁极, 霍尔片为正向放置; 霍尔片的印章背朝磁极, 霍尔片为反向放置。这样, 2p 个换向点上霍尔片就有正、反放置的问题, 因为转子 N、S磁极沿圆周相互穿插排列, 在定子上, 霍尔圆图霍尔片沿圆周正、反放置也是相互穿插排列。

2、霍尔片定位-霍尔圆图

以齿数Z = 12, 极对数 p = 5内转子单层绕组三相无刷电动机为例具体例示其霍尔片定位, 画出它的霍尔圆图。当 Z = 12, p = 5无刷电动机定子绕组按槽序号逆时针排列时, 电机的槽矢量图如图3( a)所示, 槽矢量图上, 电机定子铁芯相邻槽间电角度为 360[1]# 5 ∃12= 150。在槽电势矢量图上最小分度为 360[1]∃12= 30, 矢量图上电机每相占槽数为 4槽, 按 60分相: A 相 1, 2- ,7 - , 8槽; B相3- , 4, 9, 10- 槽; C相 5, 6 -, 11 -, 12 槽; 负号表示槽电势矢量反向。图 3( b)所示, 对 A 相全部槽电势矢量合成, 求出A 相电势矢量, 并算出电机绕组系数K w = cos15= 0966,考虑斜槽 30电角度,包括斜槽的绕组系数

由于A 相磁场中心与A 相电势矢量垂直, 得出A 相的磁场中心在槽1, 槽2间的齿中心及槽7, 槽8间的齿中心上; 在图3( c)上, 因为B、C相磁场中心与A 相的磁场中心沿绕组逆排列方向分别相差120和240, 得出 B相的磁场中心在槽 3, 槽 4间的齿中心及槽 9, 槽10间的齿中心上; C相的磁场中心在槽5, 槽6 间的齿中心及槽11, 槽 12 间的齿中心上。

图 4( a)是 Z = 12, p = 5内转子单层绕组无刷电动机定子绕组分布、接线和转子磁钢分布图。该图上定、转子相对位置处于 A 相磁场中心与磁钢磁场中心正交, 这时, A相磁场中心处于转子N、S磁极交界面上, 转子磁钢运动方向如图的ABC方向(逆时针方向)。根据无刷电动机60霍尔片定位原则,在图4( a)上将转子逆转子磁钢运动方向后退 60电角度, 如图 4( b)所示, 这时, B相磁场中心处于转子 N、S磁极交界面上, 如果一片霍尔片正放于B相磁场中心的3 槽、4槽间齿中心, 另一片霍尔片反放于B相磁场中心的9槽、10槽间齿中心, 转子沿磁钢运动方向一转动, 该两片霍尔片输出电压上跳, 使A 相正向通电, 所以, B相磁场中心是A 相霍尔片中心, 3槽、4槽间齿中心A 相霍尔片要正放, 9槽、10槽间齿中心霍尔片要反放, 显然, 图4( a)上转子磁钢异极交界处往左移动 60电角度, 磁钢异极交界处对应定子内孔位置, 均是A 相霍尔片安放中心, 此时, 磁钢运动方向霍尔接触S极反放,接触N 极正放。A 相霍尔片在定子圆周上, 有2p =10个位置, 相邻片放置是一正一反。特征点在 3, 4槽间齿中心, 霍尔片正放。根据 ABC逆时针排列,我们画出ABC三相霍尔特征的位置及正反图如图5所示。由此, 我们画出3 相霍尔片在定子圆周上所有霍尔片位置及正、反放置如图6 所示。

图中,( a)、 ( b)、 ( c)三图分别为 A、B、C相霍尔片在定子圆周上所有霍尔片位置及正、反放置, 而图5( d)就是 Z = 12, p = 5内转子单层绕组无刷电动机在定子绕组按槽号逆时针排列逆时针旋转时三相霍尔片所有可安放的位置图, 也就是它的霍尔圆图。在这个霍尔图上有3mp = 30 个霍尔中心沿圆周均布,ABC三相正放霍尔片按槽序号逆时针排列彼此相隔120电角度, ABC三相反放霍尔片按槽序号顺时针排列也彼此相隔 120电角度, 相邻不同相的霍尔放置也是正、反相隔的。所以, 我们能定出A 相一个霍尔片正放(或反放)位置, 由绕组按槽序号排列方向就可画出整个霍尔圆图。

3、结语

Z = 12, p = 5单层绕组无刷电动机定子绕组按槽号有逆时针排列, 也有顺时针排列, 各种排列转子有顺时针旋转, 也有逆时针旋转, 它们由各自的霍尔圆图。当使用霍尔元件作无刷电动机位置传感器, 并与无刷电动机共用同一磁场, 这时, 各相霍尔片正确定位就可使用三相霍尔圆图, 根据机械安装等要求, 在三相霍尔圆图上三相各取一个霍尔位置点, 作为霍尔片安放位置, 就可以了。这里要注意, 霍尔片按印章面相对转子有正, 反放的问题。这时, 霍尔片与无刷电动机共用同一磁场, 放在定子上靠近转子磁钢处。

本文转自:永磁无刷电动机霍尔片的定位方法

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Analog Devices, Inc.(ADI) 今日发布五款高性能惯性测量单元(IMU),满足多个新兴市场工业应用中导航和安全相关需求,同时降低系统复杂度和成本。ADIS16470、ADIS16475和ADIS16477 IMU采用标准表贴组件,在最小尺寸内提供卓越的性能改善。这三款不同型号产品经过优化,可提供一系列的性能和成本优势,满足应用的适用性需求。ADIS16465和ADIS16467 IMU具备相似的性能优势,但外壳更坚固。这些产品的进步共同为无人飞行器(UAV)应用带来了前所未有的性价比,此前设计人员只能选用消费级传感器,解决方案面临价格高昂、高风险和低于标准性能的难题,而且很难达到可靠性目标。新型IMU为智能农业等领域的自主式机器应用带来同样的优势,之前这类坚固耐用的设备需求迫使设计人员在最高级高成本传感器和性能受限的商用传感器之间做出选择。

这五款IMU均通过三轴MEMS加速度计和陀螺仪提供6自由度(DoF)检测,并注重工业“运动物联网”的需求及其对精准地理定位的需求。这些IMU的性能令系统能精确地表征运动,不受湍流、振动、风、温度和其他环境干扰,从而实现更精准的导航和引导和/或仪器稳定度。

借助30年惯性传感器设计经验,ADI公司打造了无与伦比的可靠高性能和尺寸/成本效益组合。凭借行业领先的性能,系统设计人员现在能够更多地依靠这些高规格传感器,而不再像以前需要通过增加测试、元件、校准或软件辅助来获得性能提升。ADIS1646x和ADIS1647x IMU 通过专门的设计抑制其它重要误差源,如"g"影响、跨轴灵敏度以及与温度和机械应力相关的漂移。

主要产品规格

报价与供货

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http://www.analog.com/pr171109/adis16477

了解ADI公司IMU并浏览完整的产品选型表,请访问:
http://www.analog.com/pr171109/mems/imu

通过在线技术支持社区EngineerZone®联系工程师和ADI产品专家:

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了解有关运动物联网的更多信息: http://www.analog.com/pr171109/tech-article/IoMT

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尽管物联网应用程序五花八门、彼此差异很大,但是在选择最佳的物联网平台时,有一些共同点需要重点考虑。

如何选择最佳的物联网平台?

O'Reilly Medi说:“我还是想给你一个简单的答案,就像大多数事情一样,具体情况具体分析。 ”

“每个垂直领域,如医疗保健、制造、能源和银行业等等,都会存在一些特定的问题需要IT和OT专家来解决。例如,警察和消防部门需要一个平台用于保证现场行动与指挥中心之间交流;能源和运输公司将寻找一些抗震的解决方案用于保护在恶劣环境下运行的现场资产;银行业务托管平台将具有强大的加密和安全功能,用以保护内部和消费者的通信和交易。”
----《评价以及选择物联网平台》作者O'Reilly Media

选择最佳的物联网平台需要考虑的重要事项:

1.平台的稳定性

市场上有这么多物联网平台提供服务,有些很可能会失败。选择那些已经经营多年的平台尤为重要,否则如果平台提供商都倒闭了,您的投资也就跟着打水漂。

询问平台现在和以往客户的使用情况,如果他们不能提供,那可能就不是一个好的选择。

2.平台的可扩展性和灵活性

您的需求会随着时间的推移而改变,确保企业刚开始规模较小的时能够使用这个平台,当您企业快速增长、规模变大时也能使用这个平台。

除了可扩展性外,平台还应具有足够的灵活性,用以适应快速变化的技术、协议或功能。灵活的平台通常是基于开放标准之上的,并且承诺跟上不断发展的物联网协议、标准和技术的步伐。

平台对网络开放也很重要,这意味着它可以与外部的重要技术、系统集成和合作,而不是局限于一个供应商。

3.平台提供商的以往工作

如上所述,不同的物联网应用程序差异很大。如果平台提供商做过与您应用程序类似的工作,那么这是一个很好的选择指标,用它来衡量是否满足您的具体需求。但是,应该注意,不一定要必须完全匹配。

例如,如果您正在构建智慧农业应用程序,则可能会寻找一个有类似案例经验的平台,这个应用程序涉及到成百上千个传感器,相同的网络连接(如LPWAN)和数据分析方法、以及创建经验分享。

5.平台提供商如何处理安全问题

安全对于任何物联网系统都是至关重要,物联网平台必须确保每个方面安全无误。

当您询问平台的安全时,请关注:云网络安全设备、用户应用程序的无线网络安全、云安全、设备安全(包括身份验证和最新的证书)、应用认证、数据加密、数据保护(存储状态,运输过程和云端)、会话启动安全、以及更新安全具体计划,包括通过OTA通信。

6.上市时间

使用物联网平台的最大优点之一是加快了产品或服务上市销售时间,要求平台商预估产品或服务上市需要多少时间,以及在整个过程中平台商打算提供怎样的支持。

7.数据分析和数据所有权

物联网的价值在于数据。数据为操作或简单的日常活动提供参考建议,从而提高效率或改善体验。

另外,请务必问清数据的所有权。如果答案含糊不清,比如“你拥有你自己产品所生成的数据”,那么你一定要警惕。再说一遍,物联网的价值在于数据。

8.物联网平台提供商是否为你着想

除了上述你必须了解的问题之外,还需要注意平台提供商问了你一些什么问题,他们是否询问了你的预算、时间安排、期望或者案例?他们看起来真的很真诚?很为你着想么?

这是最关键的考虑因素之一。因为如果一个平台提供商会站在你的立场上关心你的项目是否成功,那么他们就会为你做更多的工作,并弥补其平台可能不足的功能。

本文转自:如何选择最佳的物联网平台?

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Rob Reeder 系统应用工程师 ADI公司

在任何设计中,信号链精度分析都可能是一项非常重要的任务,必须充分了解。在本系列的第二部分中,我们讨论了在整个信号链累积起来并且最终会影响到转换器的多种误差。请记住,转换器是信号链的瓶颈,最终决定着信号的表示精度。因此,转换器的选择是设定系统整体要求的关键。在本文中,我们将以上述认识为基础,重点分析可能在给定信号链中累积的直流误差的类型。

在信号链中,可能会累积的误差有两类——即直流和交流误差。直流或静态误差(如增益和失调误差)有助于了解信号链的精度或灵敏度。交流类误差也称为噪声和失真,限制着系统的性能和动态范围。这两类误差都需要了解,因为二者最终决定着系统的分辨率。

本文将专门分析直流误差,根据其与无源和有源器件的关系,对每种不精确性进行细分。同时还将制作一份矩阵或电子表格,用以展示如何用不同的方法在信号中添加或累积误差。若要了解交流误差,请看参考文献10和11。在此,通过回顾有关噪声的基本知识(如带宽总和、从交流角度看误差累积等),可以确定模拟信号链设计的总信噪比。

信号链知识回顾

在第二部分里,我们的目标是设计出一种可以达到0.1%精度要求的简单数据采集系统(图1)。即是说,每输入1 V的电压,输出要么为0.99388 V,要么为1.00612 V。因此,转换器规定的动态范围为60 dB或9.67 ENOB,假设其满量程电压为10 V。转换器有两个放大器级、一个多路复用器和一个模数转器(ADC)。本分析将忽略传感器、电缆、连接器、印刷电路板(PCB)寄生电容和任何外部影响/误差,因为这些情况在很大程度上取决于设计人员要测量的具体应用或信号。

详文请阅:高速模数转换器精度透视 (第三部分)

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国际上,美国、加拿大和欧洲等地相继颁布了有关法规强制推行高效电动机。我国中小型电机行业的“十五”规划将开发高效电动机提上了议程,并对开发高效电动机借鉴欧洲标准达成了共识。这是因为:

(1)目前我国的电工标准体系基本是等同采用IEC的标准。

(2)我国Y系列和Y2系列电动机均与德国标准DIN 42673相对应,且电压和频率也与欧洲的一致。

(3)我国Y2系列电动机与eff2系列电动机的效率基本相当, Y2E系列略低于eff1系列(2极电动机平均低0.94%, 4极电动机平均低1.65%)。故只要适当调整设计,均可以达到欧洲eff2和eff1的水平。

实现高效的途径

交流电动机按电机工作原理,可分为异步电动机和同步电动机。通常,一般用途的驱动电机都是异步电动机,目前是Y系列和Y2系列电机。虽然传统的电励磁同步电动机具有高效率和高功率因数的优点,但由于其结构复杂、起动困难、制造成本高和维护麻烦,一般电力拖动系统很少使用同步电动机。

而永磁同步电动机随着永磁材料的发展及设计技术的不断成熟,不但解决了电励磁同步电动机结构复杂的缺点,自起动永磁同步电动机还解决了电励磁同步电动机无法自起动的不足,使其可以像异步电动机一样方便使用。

永磁同步电动机结合了异步电动机结构简单和电励磁同步电动机效率高的优点。因此高效电动机既可以设计成高效异步电动机,亦可考虑设计成高效永磁同步电动机。

若以Y2系列异步电动机为蓝本,设计开发高效异步电动机,则主要措施有:降低电磁负荷(铁心加长,降低磁负荷以减少铁耗;适当加大槽形,加粗导体以降低铜耗)、合理选择槽配合、提高制造水平、改进风扇设计和选用高性能的材料等。

而同样以Y2系列电机作蓝本,设计开发高效永磁同步电动机,则主要工作有:选择恰当的磁路结构,确定永磁体的类型和具体牌号,设计定、转子冲片等。

方案对比和分析

1、电机的效率指标

我国于2012年5月11日颁布了国标GB 18613-2 012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》,并于2012年9月1日正式实施。GB 18613-2012将能效等级分为1、2和3级,1级等同于IE1(超超高效,IEC 60034-31);2级等同于IE2(超高效,IEC 60034-30);3级等同于IE3(高效,IEC 60034-30)。表1列出GB 18613-2012 2级能效规定值和1.1~90 kW的4P电机的Y2、Y2-E和永磁电机间的效率指标对比。

2、高效异步电机

Y2系列异步电动机是目前广泛使用的普通用途的电机。在联合开发设计时,对其进行了提高效率等一系列的设改进,即产生了上文中提到的Y2-E系列。Y2-E系列设计从H80-280共进行了53个规格的设计,有效材料的耗材情况对比见表2。

表2中,成本价格按电磁线25元/kg,硅钢片5.5元/kg,铝20元/kg计。这53个规格中,Y2基本系列设计的效率算术平均值为86.77%,Y2-E设计的效率算术平均值为87.83%,效率提升了1.06%。但有效材料多用了13.6%,由此推测,当效率设计值从表1的87.52%提高到90.73%时,有效材料大约应比Y2基本系列多用41.2%。如果设计时效率再留0.5%的余量,则有效材料约比Y2基本系列多用47.6%。高效异步电机三大有效材料的推测用量亦列于表2中。

按目前每年生产中小型异步电动机4 000万千瓦计,如果其中的1/4使用高效异步电动机,节能虽然有效果,但电动机制造厂为此要多付约3.007亿元/年的材料费用,其中,电磁线4 535 t,硅钢片29 220 t,铝830 t。

除此之外,电机生产的辅助材料,如绝缘漆和槽绝缘纸等也要相应多消耗。在模具方面,每个规格高效电机基本都需要增加定、转子冲片模具、绕线模、铸铝中模、铸铝端模和定子叠压涨胎等。对于功率较小的电机,由于效率增加较多,铁心长度加长较多,会出现Y2机座无法容纳铁心的情况,还必须重新制作机座模具,所增加的费用就更多了。另外,由于定、转子与Y2系列不一样,同时又增加了企业的生产管理成本。

3、高效永磁同步电机

永磁同步电动机由于没有了转差功率损耗,效率可以设计得很高,同时功率因数亦相当高。为便于分析比较,本文设计了4P、1.5~90 kW的永磁同步电动机,全部借用Y2系列相应规格的定子冲片,铁心长度也不做变化,只对转子进行了重新设计。这样涉及改动的模具只有转子冲模和铸铝端模。电磁线、硅钢片和电机制造的辅助材料的用量与Y2的相同,用铝量有所下降,当然比Y2系列多用了永久磁钢。其设计的效率值和耗材量亦分别列在表1和表2中。

4、两种方案对比

由表1可知,PM SM的效率设计值高出eff1效率平均值0.75%,而成本却比异步高效方案节约9.38元/kW(永久磁钢按170元/kg计)。以年产1 000万千瓦高效电机来测算,采用永磁同步电机方案每年可节省制造成本9 380万元。此外,还可节省电磁线4 535 t,硅钢片29 220 t以及其它原辅材料。虽然,比异步高效方案多消耗永久磁钢(稀土永磁材料)1 427 t,但我国的稀土资源丰富,稀土矿的储存量为世界其它各国总和的4倍左右,号称“稀土王国” ,因此可利用此得天独厚的条件,大力发展我国的永磁同步高效电机。

5、样机对比

Y2-200L-4铁心长195 m m, Y2-200L-4E铁心长230 m m,后者约多用有效材料17.95%。联合设计时试制的两台样机效率分别为92.7%和92.9%,均低于eff1的93.2%的标准。

若要使电机符合eff1标准,还需要重新设计。如要确保生产的电机符合标准,设计时应留一定的余量。按试制的两台样机的标准,再提高1%,即效率分别为93.7%和93.9%,则有效材料将再增加10%左右,即符合eff1标准的电机有效材料将比Y2-200L-4多用29.7%。Y2-200L-4有效材料约1 800元,则设计生产出合格的高效异步电机将多用534.6元。

而所设计和试制的永磁同步电机PMSM200L-4,铁心长度与Y2-200L-4相同,只对转子部分重新设计,耗用的永久磁钢3.43 kg,按170元/kg计,成本比Y2-200L-4多用583.1元。试制的两台样机效率分别是95.3%和93.8%(其中一台样机铁心叠压质量不太理想),远远超过eff1标准。

总结

本文对高效电机两种设计方案进行对比分析。得出如下结论:

(1)尽管异步电机通过改进设计也可以实现高效节能,但和采用永磁同步电机的方案相比,会耗用更多的材料,而且动用的模具多,会增加生产管理成本。

(2)异步电机即使耗材较多,但也很难实现高效。主要原因为功率越小的电机,转差损耗所占的比例越大。永磁同步电机,特别是功率较小match的电机,耗材少,制造成本低,易达到高效的目的。

(3)根据表1可知,永磁同步电机的效率高于eff1的标准。此外,永磁同步电动机的功率因数也比异步电机高很多,可改善电网的功率因数。

(4)虽然要耗用一定的稀土材料,但采用永磁同步电机方案可节约钢材和铜材。

随着对永磁同步电机的工作原理与结构的持续研究,设计方法与制造工艺的不断改进,控制技术的快速发展和日渐成熟,永磁同步电机的优势将更加凸显。

本文转自:高效同步电机与高效异步电机,两种设计方案的对比分析

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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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