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电机控制器的开发、测试与验证技术
2021-03-02 21:34:06· 来源：CYBERNET莎益博
节能趋势持续发酵 电机驱动器(变频器)的使用与日俱增 在全球高度重视气候变迁与节能减碳的趋势中，能源相关议题不断被提出讨论，除了采取绿色能源的发展策略外，各种节能设备与产品的运用也日益重要。根据国际能源总署(IEA)以及美国能源部的统计调查显示，电
节能趋势持续发酵电机驱动器(变频器)的使用与日俱增
在全球高度重视气候变迁与节能减碳的趋势中，能源相关议题不断被提出讨论，除了采取绿色能源的发展策略外，各种节能设备与产品的运用也日益重要。根据国际能源总署(IEA)以及美国能源部的统计调查显示，电机用电量占全球终端用电约46%。因此，除了以更有效率的电机替换现有老旧设备以外，可立即且显著提高电力使用效率的变频器(亦称电机驱动器)，就可为节能带来直接的帮助！由鉴于此，除了原有工业自动化业务的大厂积极投资研发外，近年来更不断有新兴的厂商，成立新事业部门投入工业自动化市场，进行电机驱动器的研究与开发。
虚实整合的实时模拟技术提高产品研发效率与可靠度
电机驱动应用系统必须具有稳定、高效率、安全可靠等特性，因此在电机驱动控制系统的开发过程中，研发人员必须透过各种测试设备与不同机械负载来进行大量的验证与测试。昂贵的硬设备与测试过程可能产生的工安问题皆可能带来相当大的成本支出与灾害，因此在系统开发过程中，如何提高研发效率并降低成本与风险，成为众多电机驱动器厂商的一大挑战。本公司核心团队成员过去皆为知名电机驱动器大厂的研发人员，曾亲身经历开发过程的挑战，并深知若有提高研发效率的设备将可带来的可观益处。
此外，在研究其他对可靠度要求极高的产业，如: 航天产业与汽车产业等，其产品开发流程后，得知其中飞行控制器与电子辅助控制单元的研发过程，早已大量藉助于计算器数值模拟运算的辅助，以提高安全性与可靠度，尤其除了一般计算器数值模拟以外，更使用实时模拟科技，协助实际的产品功能验证。藉此了解到，若能藉助实时模拟计算的能力，达成真实工业控制器的验证与测试，亦将可显著改善现行的研发效率，大幅提高工业控制器(尤其是电机驱动器)的研发水平与产品质量。
飞行仿真器
飞行仿真器即是借助于实时计算器数值模拟运算来达成实际控制器验证(飞行员)的经典案例
MR2硬件在环产品简介
MR2硬件在环系统(Hardware in the loop，HIL)特别锁定电机驱动器与控制器开发的应用，对于协助开发过程的各种早期验证或除错非常有帮助。藉助于实时计算器数值模拟运算来达成实际控制器验证，可让开发者无须冒着极高的工安风险进行产品开发与测试。依其虚实整合的概念，以混合现实(Mixed Reality，混合了虚拟现实与扩增现实的应用)为基础，将其命名为MR2，如图1.3所示。
MR2硬件在环系统
MR2硬件在环通过高速数字I/O撷取真实电机驱动控制器所产生的三相波宽调变(Pulse Width Modulation，PWM)输出信号，透过极低延迟(Low latency)的信号处理，以及快速且精确的演算能力，实时模拟在0.1微秒计算出电机应有的输出，包含: 实际电流、转速与转矩等，并实时回授给真实电机驱动控制器，所有过程都在1微秒(micro-seconds)之内完成以满足实时性(Real-time)，让真实电机驱动控制器参与在整个模拟回路中，此亦即硬件在环系统的核心概念，其模拟回路可以由下图所示。
硬件在环系统关键组成
MR2硬件在环可在0.1微秒计算出电机应有的输出，并在1微秒内完成计算与信号传输回路
其中，Electronic Control Unit为真实电机驱动控制器；I/O为高速数字信号撷取单元；Real-Time Processor为快速运算核心；Operator Interface则为控制面板与监控软件。
MR2硬件在环实时仿真平台主要硬件规格
此举让真实电机驱动控制器的验证与测试，可以在不使用大功率电力的情况下进行，除了节省大量的电力耗损外，更可确保研发人员的安全，在虚(实时模拟)实(真实电机驱动控制器)整合的状态下，省去繁杂的实验设备更换与配线等工作，也大幅提高研发效率。
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