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掌握高效能馬達關鍵技術
全面節能自動化設計

【作者: 陳韋哲/江城】   2013年07月15日 星期一

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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,範圍涵蓋高效能馬達國際節能發展趨勢、高效能馬達MCU節能控制技術、高速隔離器為馬達控制應用帶來的效益,以下為研討會重點實紀。



圖一 : CTIMES主辦的高效能馬達關鍵技術研討會,報名參加者踴躍,現場坐無需席。
圖一 : CTIMES主辦的高效能馬達關鍵技術研討會,報名參加者踴躍,現場坐無需席。

馬達設計決定節能效益

「機械為工業之母,馬達則為機械之母」,馬達為各種動力機械的核心設備,目前已廣泛應用在泵浦、送風機、壓縮機、空壓機、工具機等相關設備。由於馬達動力設備所耗電力約佔工業用電近70%,成為主要的用電設備。


工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁表示,馬達耗電量佔總用電量之46%,而根據國際能源總署資料中指出,使用高效率馬達約可節省4~5%的馬達用電,如果再結合馬達驅動系統(例如:馬達大小、泵浦管線、傳動裝置、工廠製程等進行效率最佳化)更可省下20~30%的馬達系統用電。鄭詠仁進一步指出,正確選用馬達與系統設計,能夠在長時間使用下節省相當可觀的電力花費。


IEK的研究報告中亦特別指出七項影響動力機械系統節能的因素,分別為:1.馬達本身的效率。2.被帶動旋轉機械的效率。3.動力傳動系統的效率。4.系統的匹配設計。5.系統的控制操作。6.系統的管理與維修。7.供應電源的品質。簡言之,只要改善馬達系統便可提昇用電效率20%~25%,由此可見使用高效率馬達所帶來的效益相當高。


由於採AC(交流電)電源設計的電器設備在能源轉換效率方面不甚理想,因而帶動採DC(直流電)電源設計的電器設備迅速竄起。為了要通過歐美的環保節能標準規範,MCU業者也陸續採用DC電源設計的電器設備。目前MCU應用的領域相當廣泛,其中又以馬達控制佔MCU應用最大比例,而馬達類別可區分為:AC(交流電)馬達、DC(直流電)馬達、步進馬達以及特殊領域專用馬達這四大類別。


Silicon Labs芯科實驗室亞太區MCU市場經理彭志昌表示,馬達控制和其他工業電力系統必須具備長期可靠性以及延長的保固期,並且能夠安全運行長達20年,不過容易發生故障狀況的光耦合驅動器往往成為關鍵問題。其主要的原因在於光耦合驅動器基於LED技術,使得訊號輸出容易受到輸入電流、溫度和老化的影響。


隔離器設計要領

針對高速隔離器為馬達控制應用帶來的效益議題,Silicon Labs資深應用工程師劉斐中指出,由於隔離器的參數要求取決於終端設備應用的需求,因此設計者往往很重視隔離器參數的設定。


舉例來說,在嘈雜的工業環境中使用隔離器,可能會讓設計者優先考慮高共模瞬態抗擾度(CMTI),而不是低功耗操作。因此高精度的ADC應用亦可能導致設計者優先考慮低抖動,而非脈衝寬度失真。對此,設計者絕大多數會採取獨立驗證這些參數的方式,以便確保能夠符合系統要求。


目前新型的隔離式閘極驅動器已可支援高達5kV隔離等級和10kV電湧保護,其理想的配置和封裝更加適合替換光耦合驅動器,並且能夠廣泛應用在高功率馬達控制、工業驅動器、太陽能電源和EV/HEV逆變器、交換式和不斷電供應系統等。


此外,由於HEV/EV、太陽能和風能系統等應用要求隔離器具備20年以上的使用壽命,並且通常在120°C以上的高溫環境中運行,為了確保噪聲工業環境下的數據完整性,需要穩定的、具有高度共模瞬變事件抗擾度的隔離設備。



圖二 : 隔離器運作架構示意圖(資料來源:Silicon Labs)
圖二 : 隔離器運作架構示意圖(資料來源:Silicon Labs)

時脈設計要領

一般來說,工程師在為自己的設計選擇架構之前,首先必須要釐清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。


Silicon Labs公司資深產品經理沈炫均表示,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動的時脈產生器等。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。



圖三 : 電子系統時脈運作架構示意圖(資料來源:Silicon Labs)
圖三 : 電子系統時脈運作架構示意圖(資料來源:Silicon Labs)

更便利的PoE供電技術

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。


茂宣企業應用工程師陳俞阡針表示,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。


變頻馬達,時代所趨

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。茂宣企業FAE經理楊智光表示,直流無刷馬達(BLDC Motor)具有高轉距與高轉速的特性,透過向量控制來提高精度,也讓驅動電流反應速度加快。這些特性也讓BLDC能夠達到降低功耗的訴求,而且能採用多重介面進行控制。


楊智光指出,採用硬體驅動IC來控制直流無刷馬達(BLDC Motor)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。



圖四 : BLDC馬達運作原理示意圖(資料來源:茂宣)
圖四 : BLDC馬達運作原理示意圖(資料來源:茂宣)

圖五 : 工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁
圖五 : 工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁

圖六 : Silicon Labs亞太區微控制器市場經理彭志昌
圖六 : Silicon Labs亞太區微控制器市場經理彭志昌

圖七 : Silicon Labs資深應用工程師劉斐中
圖七 : Silicon Labs資深應用工程師劉斐中

圖八 : Silicon Labs資深產品經理沈炫均
圖八 : Silicon Labs資深產品經理沈炫均

圖九 : 茂宣企業應用工程師陳俞阡
圖九 : 茂宣企業應用工程師陳俞阡

圖十 : 茂宣企業FAE經理楊智光
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