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高效能馬達關鍵技術研討會(下)
掌握關鍵馬達技術 實現全面節能自動化設計

【作者: 江城】   2013年05月28日 星期二

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由於傳統馬達驚人的耗電量造成能源上的高負擔,美、加巿場已開始強制要求馬達必須兼顧能源效率,並對違規者祭出嚴重罰鍰,進而撼動全球馬達產業的革新與翻盤。台灣生產的馬達中,有多項產品產量佔世界第一,在全球巿場佔有一席之地。台灣馬達相關產業勢必要加速提升自身技術,革新產品的設計與製造能力,並趁勢趕上這一波馬達能效變革的龐大商機。


以往舊有的馬達設計,已無法符合節能高效的要求,因應馬達效率要求日趨嚴格,國際上在馬達節能技術方面將朝向降低轉子、定子的損失,開發連續操作的定速馬達、可調整負載變化的變速馬達、永磁馬達等新馬達技術及應用馬達控制技術(如變頻器)發展,以提高馬達效率。


為因應全球對電子產品日益嚴格的節能效率要求,CTIMES日前邀集了Silicon Labs、茂宣企業、Linear Technology、Allegro和文曄科技共同舉辦了「高效能馬達關鍵技術研討會」,針對新一代電子產品對節能技術的要求進行深入討論,範圍涵蓋時脈樹設計、乙太網路PoE供電,以及無霍爾感測、三相直流無刷馬達的應用設計,以下為研討會重點實紀。


來自Silicon Labs公司的資深產品經理沈炫均以「時脈樹的設計架構」為題進行詳細說明。在工程師為他的設計選擇架構之前,首先必須要釐硬體設計的參考時脈需求。時脈樹的設計有簡單也有繁複,完全取決於系統需求。如果IC本身已經整合振盪器和PLL,就可使用石英晶體;若是需要多個參考頻率,則通常會使用時脈產生器和時脈緩衝器。



圖一 :  Silicon Labs公司的資深產品經理沈炫均以「時脈樹的設計架構」為題進行詳細說明。
圖一 : Silicon Labs公司的資深產品經理沈炫均以「時脈樹的設計架構」為題進行詳細說明。


沈炫均表示,常見的時脈樹架構包含有自由運行(Free Running)和同步(Synchronous)兩種。在自由運行架構中,時脈與時脈間不需要有相位關係,亦不需有同步關係,純粹只需要時脈源而已。傳統由數個振盪器組成的時脈即可視為典型的自由運行時脈樹架構,即使其中使用一些時脈緩衝器,它們之間也沒有相關性。而同步時脈架構基本上要求固定相位,或可說其頻率具有跟隨效應,以確保資料傳輸的可靠性。


沈炫均指出,一般定義的時脈樹基本上是由時脈源加上數個元件以支援多個輸出的設計。常見的時脈樹組成元件包括振盪器、緩衝器、時脈產生器,以及針對電信級應用的去抖用的時脈產生器等。在這些元件中,緩衝器無法改變頻率,而時脈產生器因內含PPL因而能夠改變頻率,但ppm值仍以時脈源為主。


在一個系統中可能有數顆主元件,每一顆所需的時脈都不同,因而你的時脈樹設計必須具備足夠彈性,才能應用在系統中的所有主元件,甚至可供多個系統使用。設計時脈樹時,追求性能很可能影響系統穩定度,因而必須在性能和彈性之間做出折衷,取得最佳平衡。


其次要注意的是時脈樹能否涵蓋設計中所有元件的規格。不同元件所能接收的時脈形式都不同,如常見的差分、單端等,因此選料時要注意能否涵蓋所有形式。另外還必須關注供給電壓以及抖動問題。沈炫均表示,無論在你的設計中使用何種處理器或介面,只要含有時脈就會有抖動問題,解決抖動問題對確保系統性能至關重要。而依照不同的量測方式,抖動也有不同的表徵方法,如時間、相位或頻率等。沈炫均指出,評估元件端的抖動能否符合需求非常重要,因此在設計中一個非常重要的環節,便是在於必須評估抖動是如何產生。


接下來,茂宣企業應用工程師陳俞阡針對應用日漸普及的PoE技術說明了供電規範要領和應用規劃。愈來愈多電子設備依靠乙太網路連結,從電腦、電腦、遊戲機到冷氣和數位家庭控制都包括在內。正是由於生活中有如此多的乙太網路佈線,工程師們便開始設想如何運用乙太網路匯流排來做供電,因而發展出了PoE技術。



圖二 :  茂宣企業應用工程師陳俞阡針對應用日漸普及的PoE技術說明了供電規範要領和應用規劃。
圖二 : 茂宣企業應用工程師陳俞阡針對應用日漸普及的PoE技術說明了供電規範要領和應用規劃。


陳俞阡針表示,除了同時傳輸資訊和電力的便利性以外,PoE也能為客戶或終端使用者提供進一步機制保護,例如過壓、過流、開路或短路等功能,以提升產品整體性能。與其他的供電網路技術如PLC相比,PoE的規範確保了元件互通性,製造商可以使用任何品牌的PoE晶片。


最初IEEE 802.3af為設備定義了12.95W的供電,但隨著連網設備數量增加,PoE應用更加廣泛,因而IEEE在2009年再制定了IEEE 802.3at,將輸出功率提升到25.5W。陳俞阡表示,新一代PoE規範除了將原先的350mA限流提高到600mA以外,還增加了檢測機制以提高相容性。


提升電流和輸出功率的優勢在於能在一個網路中容納更多設備,舉例來說,筆電或許可以不用再攜帶電源轉換器而能使用乙太網路直接供電了。此外,PoE的好處不只在減少線纜數量,它的安裝也更加簡便,而且佈線成本也很低,後續維修、保養和電源管理都能輕鬆實現。


接下來,茂宣企業FAE經理楊智光以市場上現有的解決方案說明了無霍爾感測、三相直流無刷馬達的應用設計。變頻馬達的應用很廣,舉凡家電、遙控、電動車到自動控制都包含在內。楊智光表示,採用硬體驅動IC來控制直流無刷馬達可降低程式運算負荷,且具有程式設計簡單穩定、可簡化電路設計和縮短研發時程等優勢,對於訴求穩定、耐用的大多數馬達設計來說,目前已經有許多現成的解決方案可協助廠商快速開發出產品,該公司也能提供硬體和軟體的全方位技術支援。



圖三 :  茂宣企業FAE經理楊智光以市場上現有的解決方案說明了無霍爾感測、三相直流無刷馬達的應用設計。
圖三 : 茂宣企業FAE經理楊智光以市場上現有的解決方案說明了無霍爾感測、三相直流無刷馬達的應用設計。
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