發布日期：2022-07-14 點擊率：62
許多設備,如包含消費和商用設備在內的白色家電(洗碗機、干衣機、電冰箱、冰柜和空調等)已經非常普及,除非它們出現故障需要更換或修理,否則我們平時很少注意到它們。
對于非常低端的產品,直接替換可能比修理更具成本效益；然而,所替換的設備通常仍是傳統且能效極低的設備。為了滿足在能效方面的新規章制度,OEM業者必須生產更高端(和更昂貴)的型號,這些產品應采用更高能效的設計方法,但成本只能稍高于采用傳統方法設計的中低階產品。
除了各國當地的規章制度外,各國之間也存在著各不相同的國際規章問題,因此,不同地區可能都需要特殊或獨特的產品型號。
為了更好地管理珍貴的設計資源并獲得規模經濟效益,OEM需要具備通用模塊的平臺,能讓他們建構少量的客制化產品,這樣一來,針對不同地區的法規所需要的獨特型號,就只需在組件或固件部分稍作修改即可。與之前的應用相比,這種平臺和模塊化方法采用的技術套路完全不同。
前代產品通常使用簡單的用戶接口,如通斷開關(泳池泵)、轉盤(烤箱、電冰箱、冰柜和空調)或機械式定時器(洗碗機)。所有這些物品實際上都可以用現成的器件制成。
目前最先進的設計會采用LCD、微控制器甚至互聯網連接來實現遠程診斷或“早期警告性”預防維護措施。主要的運動部件(壓縮機、泵或旋轉裝置用的電機)正變得越來越復雜,電子換向(EC)電機正在逐步替代電容啟動或分相交流電機。
采用EC馬達除了能提高能效外,還具備其它優勢,如降低工作噪音、減少振動和提高可靠性。為了達到這些目標,OEM必須要更善于針對應用需求進行建模,并能快速開發出產品。
上開式和前開式洗衣機的差別就是一個簡單的例子。傳統上開式洗衣機的攪動器透過振蕩來洗掉衣服中的污垢,然后透過滾筒高速旋轉進行脫水,所有功能都由簡單的機械式定時器控制。
前開式洗衣機則更加復雜,它采用了LED(或是LCD)顯示器,具有更多的滾動設置、水質清澈度檢測(以便最佳化清洗時間)和旋轉速度高達2,000rpm的EC馬達(脫水功能較舊型洗衣機強)。這些裝置必須能隨著衣服的滾動偵測到負載變化,這些信息必須用來控制馬達速度和扭矩以確保平滑、無噪音地工作,同時降低能耗。另外,干衣機可以采用濕度檢測裝置來最優化總洗衣/干燥時間。
圖:白色家電中采用變頻馬達控制的比重正不斷上升。
可編程的模塊化平臺可協助OEM業者用最少的精力和成本,為不同領域提供適合的組件,并將一些關鍵的差異化特性保留在微控制器固件中。
據IMS Research公司預測,采用變頻馬達控制的家電比例將從2005年的10%上升到2011年的20%。這種變化在洗衣機和室內空調方面的表現最為明顯。
透過充分利用當前微處理器提供的整合優勢、提升技術團隊的軟件/固件開發能力,并采用更高能效的模塊化平臺,OEM可滿足業界不斷變化的規格要求,同時縮短產品上市時間、增強產品的差異化特性、降低制造成本,為最終用戶提供更可靠、更具性價比的解決方案。
受能效需求影響的其它工業領域還包括工業自動化馬達設備和商用HVAC設備。隨著產業向EC馬達轉移,設備質量的改善和使用成本的降低將進一步節省能量。制造生產線是能效提高的主要受益者,它們將受益于新一代整合式馬達控制器帶來的更長壽命以及預防性與優先維護措施。
以汽車和制藥生產線為例,其每小時的停工檢修成本高達數十甚至數百萬美元。而這種后續的能源節省和作業簡化成果,將很快彌補更先進馬達和控制器的安裝費用。
制造設備中有60%以上的能量用于馬達,并以熱、振動、噪音和馬達運作等形式消耗掉。因為馬達在滿負載工作是最有效率的,因此,采用大小合適的馬達,對最佳化制造設備能耗和降低前期成本來說非常關鍵。而老式馬達對制造設備而言尺寸通常都會過大,因此前期和后續工作成本并不理想。
對大多數馬達(無論是交流感應還是永磁)而言,當工作負載小于滿負載(FL)的40%時,馬達效率就會大打折扣。由于制造設備中使用的馬達幾乎有44%工作在FL的40%以下,因此采用新一代馬達和控制器將可顯著節省能量和前期成本。
例如,采用EC風扇可為最終用戶提供精的低噪聲解決方案,這種方案具有可變速度、更高效率、更寬工作范圍下的更高速度以及更長的使用壽命。
變速功能可透過降低速度以匹配負載要求來降低HVAC和其它設備中的噪音。在老式的HVAC冷凝器設備中,如果負載降低,系統會關掉一個或多個風扇來減少噪音。而當所有風扇保持工作但速度降下來以匹配負載要求時,噪音降低程度會更顯著。
現在,超載保護正在推動馬達應用轉向整合式SoC方案。過去,超載保護功能是用雙金屬斷路器實現的。設備除了必須容許某種程度的終端用戶客制化以外,還必須遵循特殊的熱規范與特殊的跳閘曲線。
Teridian半導體公司已開發出一種單轉換器技術,這種技術非常適合上述設備中要求的高精密度電流測量。以71M6403電子跳閘組件為例,它相當適合斷路和保護繼電器應用。該組件整合了一個22位的Delta-Sigma A/D轉換器、6個初級電流傳感器輸入和1個次級輸入、數字溫度補償電路、一個精密電壓參考源、一個32位可編程運算引擎、多個定時器、一個實時頻率、兩個UART和一個單周期執行8位微控制器。
這款可編程組件內建了數字積分器,這種可編程器件支持任何或所有輸入通道使用電流線圈或Rogowksi線圈,并提供瞬時或延時的過流保護和其它保護功能。這種器件經過配置可以支持匹配現場特殊負載配置的普通或定制保護算法。
獨立于8位MCU的可編程32位運算引擎主要用于接收和處理來自22位A/D轉換器的所有傳感器數據。MCU則處理更高的系統層管理和通信。這種混合信號度量子系統和管理子系統的分離可避免外部中斷和不必要的處理開銷。
Teridian公司提供的另一款組件71M-8100測量控制器有三個輸入,可用于檢測和控制第二級參數,如溫度、振動、空氣流動、壓力和濕度。利用這些相同的芯片級基礎架構,可滿足未來工業自動化、保護和控制功能增強的進一步創新要求。
Tom Kapucija
營銷總監
Teridian半導體公司
