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工业设计/产品设计 |
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在工业及家电设备中导入智能化设计 |
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| http://cn.newmaker.com
12/3/2007 10:44:00 PM
佳工机电网
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在当今全球密切关注的地理环境中，任何微观或宏观经济事件似乎都会导致各种能源成本的显著提高，这些能源的种类包括电子、气态及液态能源等。随着成本不断提升，为了节省有限的资源，过去在各类应用中被视为理所当然的能效问题正变得越来越重要。
许多设备，如包含消费和商用设备在内的白色家电(洗碗机、干衣机、电冰箱、冰柜和空调等)已经非常普及，除非它们出现故障需要更换或修理，否则我们平时很少注意到它们。
对于非常低端的产品，直接替换可能比修理更具成本效益；然而，所替换的设备通常仍是传统且能效极低的设备。为了满足在能效方面的新规章制度，OEM业者必须生产更高端(和更昂贵)的型号，这些产品应采用更高能效的设计方法，但成本只能稍高于采用传统方法设计的中低阶产品。
除了各国当地的规章制度外，各国之间也存在着各不相同的国际规章问题，因此，不同地区可能都需要特殊或独特的产品型号。
为了更好地管理珍贵的设计资源并获得规模经济效益，OEM需要具备通用模块的平台，能让他们建构少量的客制化产品，这样一来，针对不同地区的法规所需要的独特型号，就只需在组件或固件部分稍作修改即可。与之前的应用相比，这种平台和模块化方法采用的技术套路完全不同。
前代产品通常使用简单的用户接口，如通断开关(泳池泵)、转盘(烤箱、电冰箱、冰柜和空调)或机械式定时器(洗碗机)。所有这些物品实际上都可以用现成的器件制成。
目前最先进的设计会采用LCD、微控制器甚至互联网连接来实现远程诊断或“早期警告性”预防维护措施。主要的运动部件(压缩机、泵或旋转装置用的电机)正变得越来越复杂，电子换向(EC)电机正在逐步替代电容启动或分相交流电机。
采用EC马达除了能提高能效外，还具备其它优势，如降低工作噪音、减少振动和提高可靠性。为了达到这些目标，OEM必须要更善于针对应用需求进行建模，并能快速开发出产品。
上开式和前开式洗衣机的差别就是一个简单的例子。传统上开式洗衣机的搅动器透过振荡来洗掉衣服中的污垢，然后透过滚筒高速旋转进行脱水，所有功能都由简单的机械式定时器控制。
前开式洗衣机则更加复杂，它采用了LED(或是LCD)显示器，具有更多的滚动设置、水质清澈度检测(以便最佳化清洗时间)和旋转速度高达2,000rpm的EC马达(脱水功能较旧型洗衣机强)。这些装置必须能随着衣服的滚动侦测到负载变化，这些信息必须用来控制马达速度和扭矩以确保平滑、无噪音地工作，同时降低能耗。另外，干衣机可以采用湿度检测装置来最优化总洗衣/干燥时间。
可编程的模块化平台可协助OEM业者用最少的精力和成本，为不同领域提供适合的组件，并将一些关键的差异化特性保留在微控制器固件中。
据IMS Research公司预测，采用变频马达控制的家电比例将从2005年的10%上升到2011年的20%。这种变化在洗衣机和室内空调方面的表现最为明显。
透过充分利用当前微处理器提供的整合优势、提升技术团队的软件/固件开发能力，并采用更高能效的模块化平台，OEM可满足业界不断变化的规格要求，同时缩短产品上市时间、增强产品的差异化特性、降低制造成本，为最终用户提供更可靠、更具性价比的解决方案。
受能效需求影响的其它工业领域还包括工业自动化马达设备和商用HVAC设备。随着产业向EC马达转移，设备质量的改善和使用成本的降低将进一步节省能量。制造生产线是能效提高的主要受益者，它们将受益于新一代整合式马达控制器带来的更长寿命以及预防性与优先维护措施。
以汽车和制药生产线为例，其每小时的停工检修成本高达数十甚至数百万美元。而这种后续的能源节省和作业简化成果，将很快弥补更先进马达和控制器的安装费用。
制造设备中有60%以上的能量用于马达，并以热、振动、噪音和马达运作等形式消耗掉。因为马达在满负载工作是最有效率的，因此，采用大小合适的马达，对最佳化制造设备能耗和降低前期成本来说非常关键。而老式马达对制造设备而言尺寸通常都会过大，因此前期和后续工作成本并不理想。
对大多数马达(无论是交流感应还是永磁)而言，当工作负载小于满负载(FL)的40%时，马达效率就会大打折扣。由于制造设备中使用的马达几乎有44%工作在FL的40%以下，因此采用新一代马达和控制器将可显著节省能量和前期成本。
例如，采用EC风扇可为最终用户提供精的低噪声解决方案，这种方案具有可变速度、更高效率、更宽工作范围下的更高速度以及更长的使用寿命。
变速功能可透过降低速度以匹配负载要求来降低HVAC和其它设备中的噪音。在老式的HVAC冷凝器设备中，如果负载降低，系统会关掉一个或多个风扇来减少噪音。而当所有风扇保持工作但速度降下来以匹配负载要求时，噪音降低程度会更显著。
现在，超载保护正在推动马达应用转向整合式SoC方案。过去，超载保护功能是用双金属断路器实现的。设备除了必须容许某种程度的终端用户客制化以外，还必须遵循特殊的热规范与特殊的跳闸曲线。
Teridian半导体公司已开发出一种单转换器技术，这种技术非常适合上述设备中要求的高精密度电流测量。以71M6403电子跳闸组件为例，它相当适合断路和保护继电器应用。该组件整合了一个22位的Delta-Sigma A/D转换器、6个初级电流传感器输入和1个次级输入、数字温度补偿电路、一个精密电压参考源、一个32位可编程运算引擎、多个定时器、一个实时频率、两个UART和一个单周期执行8位微控制器。
这款可编程组件内建了数字积分器，这种可编程器件支持任何或所有输入通道使用电流线圈或Rogowksi线圈，并提供瞬时或延时的过流保护和其它保护功能。这种器件经过配置可以支持匹配现场特殊负载配置的普通或定制保护算法。
独立于8位MCU的可编程32位运算引擎主要用于接收和处理来自22位A/D转换器的所有传感器数据。MCU则处理更高的系统层管理和通信。这种混合信号度量子系统和管理子系统的分离可避免外部中断和不必要的处理开销。
Teridian公司提供的另一款组件71M-8100测量控制器有三个输入，可用于检测和控制第二级参数，如温度、振动、空气流动、压力和湿度。利用这些相同的芯片级基础架构，可满足未来工业自动化、保护和控制功能增强的进一步创新要求。
Tom Kapucija 营销总监 Teridian半导体公司
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