根據(jù)各國能源報告指出，2006年電動馬達消耗了全球超過46%的電力，相當(dāng)於產(chǎn)生6040公噸的二氧化碳排放 ^[1] 。這種態(tài)勢促使各國當(dāng)局要求馬達驅(qū)動器（drive）製造商必須加裝先進控制功能與工具，藉以支援系統(tǒng)能源效率優(yōu)化。新衍生的馬達驅(qū)動器生態(tài)系著眼於優(yōu)化工廠製造系統(tǒng)的能源效率，現(xiàn)今正獲得全球各地廣泛接納。而來自歐洲的好消息是，拜各國節(jié)能政策之賜，工業(yè)耗電量以每年減少1%的速度逐漸縮減^[2] 。

馬達在工廠最常見的使用情境包括泵浦、風(fēng)扇、壓縮機、以及輸送設(shè)備，這些馬達大多數(shù)都有標準化型錄產(chǎn)品。小型馬達（低於0.75 kW）用在小型機器與設(shè)備，在全球產(chǎn)品貯備佔90%的比重，但消耗電力僅佔不到10%。

然而，中型（0.75 kW 至350 kW）工業(yè)馬達佔全球馬達能源消耗的比重卻高達將近70%。在典型應(yīng)用中，系統(tǒng)消耗的電力能源只有50%被轉(zhuǎn)換成有用的機械能，此狀況引起全球能源主管當(dāng)局與工廠營運業(yè)者的注意，包括美國、中國、歐洲、以及其他地區(qū)的主管當(dāng)局，在過去幾年紛紛推出最低能源效率標準（MEPS）。超高效率（Premium）馬達從80%的最低水準一直涵蓋到最大型馬達的96%，工廠營運業(yè)者期盼馬達能安全穩(wěn)妥地節(jié)省能源。

圖 1 顯示現(xiàn)代工廠中自動化機器或製程的主要元素。這種模式提供新功能用來優(yōu)化機器與製程的運作，藉以為能源與生產(chǎn)力加入更上一層樓的效率。

圖1 : 自動化機器控制需要多個反饋控制迴路，以及功率轉(zhuǎn)換器、控制、以及通訊電路之間建構(gòu)安全的隔離障礙。

有多個控制層決定馬達與整體製程效率。第一個控制層負責(zé)調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器的切換順序，藉以控制馬達電壓與電流，以及達到最大的扭力產(chǎn)生效率。

接著是位置與速度控制器，它們也決定機器的效率。在製程設(shè)備上，可能是驅(qū)動最適泵浦流率，在自動化設(shè)備則可能是一段用來執(zhí)行組裝功能的速度或位置指令。

以後者而言，速度控制的反應(yīng)時間對於機器控制器的重要性更甚於扭力產(chǎn)生的效率。通訊與系統(tǒng)層的重要性日趨升高，因為多個馬達透過高速資料網(wǎng)路進行同步化，並連接工廠的網(wǎng)路。製程管理者可視需要依序啟動機器，而不是讓它們在閒置模式下等候。連網(wǎng)化安全功能可促成高效率的設(shè)備啟動與停機功能，將停機時間減至最低。工廠管理者可追蹤馬達驅(qū)動器的運行與診斷資料，藉以提升製程的能源效率與可靠度。

高效率扭力產(chǎn)生：演算法與乙太網(wǎng)路

馬達效率是每安培產(chǎn)生扭力的函數(shù)，分母則包括轉(zhuǎn)速與終端電壓。電動馬達生成扭力的驅(qū)動力來自讓內(nèi)部磁場推向?qū)ξ晃恢玫拇帕Α?/span>

在圖2的交流馬達中，這些力是定子與轉(zhuǎn)子磁場交互作用所產(chǎn)生。當(dāng)定子電流與轉(zhuǎn)子運動同步以維持持續(xù)的磁場錯位（misalignment），交流馬達就會產(chǎn)生恆定扭力。交流馬達轉(zhuǎn)速與馬達電流成正比，因此轉(zhuǎn)速控制需要可變頻率的電壓源。當(dāng)轉(zhuǎn)子-定子磁場錯位出現(xiàn)最大值，就會達到最高效率。馬達效率亦取決於馬達結(jié)構(gòu)，尤其是轉(zhuǎn)子磁場結(jié)構(gòu)。在非同步感應(yīng)馬達（AIM），電流會經(jīng)過轉(zhuǎn)子與定子繞線，一些最小定子電流會消耗在磁芯的磁化上。

永磁同步馬達（PMSM）是最具效率的結(jié)構(gòu)，因為它們不需要透過電流來磁化轉(zhuǎn)子磁場。超高效率的內(nèi)藏式永磁（IPM）馬達則憑藉其凸極式（salient）磁芯結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生額外的扭力。

圖2 : PMSM與AIM馬達的定子磁場結(jié)構(gòu)相似，但兩者的轉(zhuǎn)子磁場結(jié)構(gòu)則差異極大。

上述所有馬達都運用於工業(yè)界中，根據(jù)應(yīng)用需要的電力採用不同種類的馬達，但非同步感應(yīng)馬達由於結(jié)構(gòu)簡單且容易使用，因此成為最常見的工業(yè)馬達。永磁同步馬達具備較高的重量扭力比以及低慣性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，非常適合自動化設(shè)備的高動力控制應(yīng)用。非同步感應(yīng)馬達直接連到三相交流線路就能啟動，其速度可透過簡單的變頻器加以控制。

在目前專注提升效率之前，風(fēng)扇、泵浦、或壓縮機的馬達通常都直接連到交流線路，並透過阻尼器、控制閥、或簡單的開/關(guān)機制來控制製程。開迴路頻率控制技術(shù)能將離心泵浦在50%轉(zhuǎn)速下功耗降至20%全功耗以下，並運用開/關(guān)控制將耗電降至50%全功耗，流率（flow rate）降至50%。由於系統(tǒng)效率出現(xiàn)了如此的提升，因此鼓勵工廠營運者將現(xiàn)有固定速率馬達應(yīng)用換成變頻器。

近來許多先進演算法可調(diào)校子電壓，藉以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場以及優(yōu)化效率。驅(qū)動器製造商現(xiàn)在提供各種標準驅(qū)動箱（drive box）能針對的馬達型號與類型進行設(shè)定。最新的類比與數(shù)位訊號處理元件讓業(yè)者能瞄準對成本敏感的變頻器應(yīng)用推出先進控制方案。估計（Estimation）演算法僅根據(jù)定子電流與電壓的量測值就能推算轉(zhuǎn)子磁場的角位置（angular position）。這些無感測器（sensorless）控制演算法讓業(yè)者更容易採納高效率IPM馬達，藉以提升包括壓縮機與輸送設(shè)備的製程效率。更高功率的應(yīng)用，像是繞線機或大型泵浦通常都繼續(xù)採用感應(yīng)馬達，但500 kW馬達的典型效率可高達96%。

這些驅(qū)動器通常包含演算法，用來優(yōu)化馬達效率與馬達驅(qū)動器的健康度。此外，這些驅(qū)動程式還有串列現(xiàn)場匯流排連線，讓本地端可程式邏輯控制（PLC）元件能登錄運行與診斷資料。

目前日漸升溫的趨勢是將驅(qū)動器連到工廠網(wǎng)路，並運用工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定，像是Ethernet/IP或ModbusTCP協(xié)調(diào)多個驅(qū)動器的工作，藉此提升效率。

高效率運動控制：精準隔離與通訊

結(jié)合馬達控制與通訊時序的精準性，除了促成更短的機器製造週期外，製造每個零件所消耗的能源也得以降低。這點對自動化系統(tǒng)非常重要，機器生產(chǎn)力與品質(zhì)通常比馬達能源效率更加重要，因為業(yè)者在這些設(shè)備投入可觀資本。

驅(qū)動器製造商運用PMSM伺服馬達與驅(qū)動器支援各種自動化應(yīng)用，針對高速反應(yīng)與高精準量身設(shè)計，以因應(yīng)速度與位置控制的需求。高速控制處理器結(jié)合精準電壓驅(qū)動與電流反饋，能提供流暢的動態(tài)扭力控制。

功率轉(zhuǎn)換器的高電壓與電流對電路設(shè)計者形成一大挑戰(zhàn)，因為隔離電路必須符合各項嚴苛的電氣安全標準。高速磁隔離技術(shù)支援類比與數(shù)位訊號電壓的安全隔離，而且無須犧牲速度或精準度。

精準類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器內(nèi)嵌有編碼器位置元件，提供最高24位元解析度的位置反饋訊息，在最低1 RPM的轉(zhuǎn)速下仍能執(zhí)行高動態(tài)速度控制。這樣的效能水準足以支援各種自動化應(yīng)用，像是高精度機器零件的多軸銑削、精密IC的組裝、或是手機零件的射出成型。

除了控制精準度，馬達的運動時序還必須緊密同步化，因為時序誤差會直接導(dǎo)致多軸位置控制的軌跡誤差。各種工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定的同步化，包括像PROFINET與EtherCat，都採用修改版乙太網(wǎng)路介面來支援資料，以及1微秒時脈抖動訊號之間的即時同步化。這些網(wǎng)路介面支援同步化運動控制，針對生產(chǎn)系統(tǒng)管理促成生產(chǎn)效率與提供工廠網(wǎng)路連網(wǎng)功能。

工程設(shè)計：快速客製化

建模分析工具讓驅(qū)動器廠商能為終端應(yīng)用快速開發(fā)客製化控制演算法，無須挹注可觀投資在工廠進行嘗試-錯誤-再嘗試（trial and error）的調(diào)校。

自動化機器是複雜的互連系統(tǒng)，需要跨領(lǐng)域的工程團隊提供支援。圖3顯示開發(fā)自動化設(shè)備需要的一些關(guān)鍵設(shè)計能力。這些工程師通常任職於不同公司，因此供應(yīng)鏈的各家供應(yīng)商需要派出各自的工程師來執(zhí)行整合工作。例如MathWorks提供的建模工具能支援完整系統(tǒng)建模，包括狀態(tài)控制、運動演算法、馬達及機器負載。專業(yè)電磁與機器設(shè)計工具能產(chǎn)生交流馬達與機器的行為模型，提高系統(tǒng)模型的準確度。雖然完整設(shè)計流程無法完全自動化，但可以大幅減少開發(fā)過程中原型製品的數(shù)量。

新馬達或機器的控制演算法可以先在模擬平臺上進行開發(fā)與測試，完成後再製作原型。自動程式碼產(chǎn)生工具則讓業(yè)者能在測試平臺上快速部署控制演算法。

每次設(shè)計嘗試都會產(chǎn)生新資料，協(xié)助提升系統(tǒng)模型的準確度。自動產(chǎn)生的控制碼結(jié)合成熟系統(tǒng)應(yīng)用程式碼，可用在產(chǎn)品化驅(qū)動器系統(tǒng)。驅(qū)動器廠商可藉此快速部署新控制允許，針對特定應(yīng)用進行最佳化，藉以優(yōu)化能源效率與推動自動化製造。

圖3 : 需要各種工程工具來支援馬達驅(qū)動器與自動化系統(tǒng)的設(shè)計

總結(jié)

越來越多工業(yè)與儀表應(yīng)用需要精準轉(zhuǎn)換器來精準控制與量測各種製程。此外，這些終端應(yīng)用除了需要更高的彈性、可靠度、以及功能集合，還必須降低成本與佔用電路板空間。為許多元件製造商因應(yīng)這些挑戰(zhàn)，推出了各種產(chǎn)品來因應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)業(yè)者目前與未來設(shè)計的需求。

由本文可瞭解其中有許多不同方法可針對各種精準應(yīng)用選用適合的元件，而且每種元件各有優(yōu)缺點。隨著系統(tǒng)的準確度逐漸提升，在選擇適合元件因應(yīng)特定應(yīng)用需求方面，也必須考量更多層面的需求。

參考資料

[1]Conrad U. Brunner and Paul Waide. “Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems.” International Energy Agency working paper, 2011.

[2]EUREL Task Force. “Electrical Power Vision 2040.” EUREL General Secretariat, February 2013.