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高效能马达关键技术研讨会(下)
掌握关键马达技术 实现全面节能自动化设计

【作者: 江城】2013年05月28日 星期二

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由于传统马达惊人的耗电量造成能源上的高负担,美、加巿场已开始强制要求马达必须兼顾能源效率,并对违规者祭出严重罚锾,进而撼动全球马达产业的革新与翻盘。台湾生产的马达中,有多项产品产量占世界第一,在全球巿场占有一席之地。台湾马达相关产业势必要加速提升自身技术,革新产品的设计与制造能力,并趁势赶上这一波马达能效变革的庞大商机。


以往旧有的马达设计,已无法符合节能高效的要求,因应马达效率要求日趋严格,国际上在马达节能技术方面将朝向降低转子、定子的损失,开发连续操作的定速马达、可调整负载变化的变速马达、永磁马达等新马达技术及应用马达控制技术(如变频器)发展,以提高马达效率。


为因应全球对电子产品日益严格的节能效率要求,CTIMES日前邀集了Silicon Labs、茂宣企业、Linear Technology、Allegro和文晔科技共同举办了「高效能马达关键技术研讨会」,针对新一代电子产品对节能技术的要求进行深入讨论,范围涵盖时脉树设计、乙太网路PoE供电,以及无霍尔感测、三相直流无刷马达的应用设计,以下为研讨会重点实纪。


来自Silicon Labs公司的资深产品经理沉炫均以「时脉树的设计架构」为题进行详细说明。在工程师为他的设计选择架构之前,首先必须要厘硬体设计的参考时脉需求。时脉树的设计有简单也有繁复,完全取决于系统需求。如果IC本身已经整合振荡器和PLL,就可使用石英晶体;若是需要多个参考频率,则通常会使用时脉产生器和时脉缓冲器。



图一 : Silicon Labs公司的资深产品经理沈炫均以「频率树的设计架构」为题进行详细说明。
图一 : Silicon Labs公司的资深产品经理沈炫均以「频率树的设计架构」为题进行详细说明。


沉炫均表示,常见的时脉树架构包含有自由运行(Free Running)和同步(Synchronous)两种。在自由运行架构中,时脉与时脉间不需要有相位关系,亦不需有同步关系,纯粹只需要时脉源而已。传统由数个振荡器组成的时脉即可视为典型的自由运行时脉树架构,即使其中使用一些时脉缓冲器,它们之间也没有相关性。而同步时脉架构基本上要求固定相位,或可说其频率具有跟随效应,以确保资料传输的可靠性。


沉炫均指出,一般定义的时脉树基本上是由时脉源加上数个元件以支援多个输出的设计。常见的时脉树组成元件包括振荡器、缓冲器、时脉产生器,以及针对电信级应用的去抖用的时脉产生器等。在这些元件中,缓冲器无法改变频率,而时脉产生器因内含PPL因而能够改变频率,但ppm值仍以时脉源为主。


在一个系统中可能有数颗主元件,每一颗所需的时脉都不同,因而你的时脉树设计必须具备足够弹性,才能应用在系统中的所有主元件,甚至可供多个系统使用。设计时脉树时,追求性能很可能影响系统稳定度,因而必须在性能和弹性之间做出折衷,取得最佳平衡。


其次要注意的是时脉树能否涵盖设计中所有元件的规格。不同元件所能接收的时脉形式都不同,如常见的差分、单端等,因此选料时要注意能否涵盖所有形式。另外还必须关注供给电压以及抖动问题。沉炫均表示,无论在你的设计中使用何种处理器或介面,只要含有时脉就会有抖动问题,解决抖动问题对确保系统性能至关重要。而依照不同的量测方式,抖动也有不同的表征方法,如时间、相位或频率等。沉炫均指出,评估元件端的抖动能否符合需求非常重要,因此在设计中一个非常重要的环节,便是在于必须评估抖动是如何产生。


接下来,茂宣企业应用工程师陈俞阡针对应用日渐普及的PoE技术说明了供电规范要领和应用规划。愈来愈多电子设备依靠乙太网路连结,从电脑、电脑、游戏机到冷气和数位家庭控制都包括在内。正是由于生活中有如此多的乙太网路布线,工程师们便开始设想如何运用乙太网路汇流排来做供电,因而发展出了PoE技术。



图二 : 茂宣企业应用工程师陈俞阡针对应用日渐普及的PoE技术说明了供电规范要领和应用规划。
图二 : 茂宣企业应用工程师陈俞阡针对应用日渐普及的PoE技术说明了供电规范要领和应用规划。


陈俞阡针表示,除了同时传输资讯和电力的便利性以外,PoE也能为客户或终端使用者提供进一步机制保护,例如过压、过流、开路或短路等功能,以提升产品整体性能。与其他的供电网路技术如PLC相比,PoE的规范确保了元件互通性,制造商可以使用任何品牌的PoE晶片。


最初IEEE 802.3af为设备定义了12.95W的供电,但随着连网设备数量增加,PoE应用更加广泛,因而IEEE在2009年再制定了IEEE 802.3at,将输出功率提升到25.5W。陈俞阡表示,新一代PoE规范除了将原先的350mA限流提高到600mA以外,还增加了检测机制以提高相容性。


提升电流和输出功率的优势在于能在一个网路中容纳更多设备,举例来说,笔电或许可以不用再携带电源转换器而能使用乙太网路直接供电了。此外,PoE的好处不只在减少线缆数量,它的安装也更加简便,而且布线成本也很低,后续维修、保养和电源管理都能轻松实现。


接下来,茂宣企业FAE经理杨智光以市场上现有的解决方案说明了无霍尔感测、三相直流无刷马达的应用设计。变频马达的应用很广,举凡家电、遥控、电动车到自动控制都包含在内。杨智光表示,采用硬体驱动IC来控制直流无刷马达可降低程式运算负荷,且具有程式设计简单稳定、可简化电路设计和缩短研发时程等优势,对于诉求稳定、耐用的大多数马达设计来说,目前已经有许多现成的解决方案可协助厂商快速开发出产品​​,该公司也能提供硬体和软体的全方位技术支援。



图三 : 茂宣企业FAE经理杨智光以市场上现有的解决方案说明了无霍尔感测、三相直流无刷马达的应用设计。
图三 : 茂宣企业FAE经理杨智光以市场上现有的解决方案说明了无霍尔感测、三相直流无刷马达的应用设计。
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