高成本效益的AC感应电机转差控制优化方案

转差优化

通过直接控制转差值或转差频率可以实现感应电机的最优化控制。每个感应电机都有一个类似于图1示例的特性曲线。对于最大转矩 (击穿点)、最大功率因数和最大电机效率，其转差值都截然不同。一般而言，电机的额定转差 (额定转矩) 落在最大功率因数和最大效率之间的某个地方。转差频率 (电源频率必需能够满足所需转差要求) 的控制方法有多种。这样的系统会采用一个速度传感器来测量转子频率，并根据所需转差值来确定电源频率。其所需转差值将取决于应用或系统的要求，例如，若应用关注重点为系统效率，则必需保持转差频率以获得最大效率。

基于处理器的系统

AC感应电机可以采用基于处理器的实现方案，比如Microchip 公司的PIC微控制器、或者是飞思卡尔半导体公司的MC68H微控制器。这些处理器包含了用于LUT、ADC和PWM输出的板载闪存。如上所述，这类系统的瓶颈源于控制算法的处理时间、LUT速度和总线速度。

混合信号FPGA系统

图3所示系统采用了Actel公司的混合信号Fusion FPGA。该器件加入了非易失性存储器 (闪存)和集成式模拟电路，包括众多模拟单元和带有多个模拟I/O的模数转换器(ADC)，而在某些情况下，还有嵌入式CPU。



               
紧密控制回路以提高效率

这种同时具有 CPU 和 FPGA 处理能力的单芯片系统可以实现对整个回路的紧密控制。片上 CPU 能够响应反馈频率和相电流，并立即访问片上参数 LUT。这样，在第一级就解决了外部存储器总线带宽的瓶颈问题。

此外，基于闪存的混合信号 FPGA 能够利用 FPGA 逻辑门电路而非利用由MCU或DSP处理器执行的软件程序来优化控制算法单元、比例积分 (PI) 控制器、速度解码器和计算器，以及正弦调制器。这样，在第二级便可改进响应速度和效率。

最后，片上ADC带有多个模拟通道 (多达30个)、电压/电流/温度输入和MOSFET栅极驱动输出，能够大大缩短多相电流和温度数据的采集及处理时间。混合信号FPGA还内置有电流、电压及温度的监控电路，可减少微控制器的外接组件数目。

高集成度增强可靠性

AC感应电机广泛应用于工业制造环境，噪声一直是影响工业自动化设备性能的关键问题。除了控制板上的高速模拟和数字数据传输之外，大量分立式电子组件也加剧了噪声的影响。因此，在选择能够避免噪声影响和提高可靠性的解决方案时，集成度是一个至关重要的因素。

高效控制降低功耗

根据美国环保署的资料指出，采用带有高效转差控制机制的系统能够大幅降低普通AC电机的功耗。图4所示为采用转差控制补偿节电的10 马力 (HP) 电机示例 (输入功率=8,477W)。

在这个示例中，如果采用转差控制来保持电机工作在最佳区域，输入功率最多会降低145W，电源功率可减小1.7%。仅在美国，2005年AC感应电机的耗电就高至10,000亿KW。若采用最优化转差控制，总节能则可达171亿KW。



在功率级，采用转差控制的效率提升如上所述，AC电机马力也随之增加。这意味着较低的电源功率就能够提供相同的马力性能。因此，功耗降低是这种方案的主要优点。

在专为提升转差控制性能而设计的控制单元中，一个速度较低、外设模块在逻辑门电路中实现的CPU，其性能可能优于功能非常强大的独立式CPU。混合信号闪存FPGA提供的低功耗、单芯片解决方案能够进一步降低系统功耗。        

嵌入式非易失性存储器实现高安全性

控制算法使用的参数取决于电机的类型和应用的具体要求，并且通常在闪存LUT中执行。在运行电机并提高电机效率时，这些参数是 MCU 访问和更新的主要参考数据，必需确保这类数据的安全性，防止控制参数被擦除、或发生意外或遭恶意破坏，从而避免电机本身受损的风险。

混合信号FPGA带有大量嵌入式NVM，能够避免因噪声、固件错误和功率损耗等事故而破坏安全性。另外，利用 AES加密功能，可以实现更高级别的安全性，实现嵌入式闪存单元的安全更新，并防止恶意攻击。

软启动感应电机

当感应电机启动时，由于转子还没有转动，转差值等于1，因此转子产生的感应磁场和电流可能非常大，这导致定子的耗电量很大，如果不加以控制，便可能导致电机受损。采用内置电压电流监控功能的混合信号FPGA来控制爬坡率 (ramp rate)，电机就能够实现软启动，防止任何可能的损害。

本文小结

基于闪存的混合信号FPGA可为 AC 感应电机提供优化转差控制的低功耗单芯片方案。

CPU、NVM、ADC和模拟接口的集成使得控制回路更为紧密，提高效率和可靠性，并降低功耗，从而提高电机效率和实现节能。此外，由于大容量嵌入式非易失性存储器能够提供保护定制控制算法所需的安全性，因此这种简化的控制方案可以降低系统部署的BOM成本。