[狂人新聞台] Taycan硬知識 - -12,000 Nm扭力 解密Porsche Taycan 動力核心

＃小編：坐穩了！令人屏息震驚的加速力道將駕駛和乘客狠狠壓進座椅

永磁同步馬達（PSM）而不是非同步馬達（ASM）

可不是每一種馬達都適合電動車。保時捷使用的是永磁同步馬達（PSM），較成本較低的非同步馬達（ASM）擁有更高的連續輸出功率，也不容易因過熱而需要調降功率。保時捷永磁同步馬達（PSM）透過三相交流電壓的電力電子系統供電與控制；換言之，馬達轉速由交流電壓在零點附近從正極流向負極的頻率來決定。在 Taycan 的馬達中，脈衝變流器負責調節定子磁場旋轉頻率，從而管理轉子轉速。轉子採用釹鐵硼合金製成的高品質永久磁鐵，在製造過程中會經過高強度定向磁場進行永久磁化。永久磁鐵在煞車過程中也有助於高效動能回收。當車輛處於滑行狀態，馬達便進入發電模式，讓磁鐵將電壓和電流導入定子線圈。

Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」

Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」技術亦完整體現了保時捷DNA - 登峰造極的科技。在這項技術中，構成線圈的導線不是圓形，而是矩形。相較於自持續滾動卷軸上取得銅線的傳統繞線技術，髮夾技術則採用成型組裝法，將矩形銅線分成個別好幾段，並彎曲成形似髮夾的 U 形，分別插入安裝線圈的定子疊片中，令矩形截面的表面層層相疊，再以雷射焊接「髮夾」兩端形成線圈，提升線圈密度，進而提高定子的銅含量。
保時捷髮夾技術的優勢，在於可將銅含量從過去的50%提升至近70%，達成相同容積能夠輸出更高的動力輸出與扭力目標；另一個重要的優勢則是相鄰銅線可均勻接觸，進而改善導熱，強化髮夾定子的冷卻效果。Taycan的電動馬達可將超過 90% 的能量轉化為動力：但是，與內燃機引擎一樣，耗能會轉化為熱能，這也使得電動馬達有一層冷卻水套包覆，為其散熱。

脈衝變流器的控制系統 蘊含保時捷的科技心血結晶

為了精確控制永磁同步馬達，電力電子系統必須掌握轉子的準確角度位置，此時就得仰賴解析器了。解析器由一個磁場傳導金屬製成的轉子盤、一個勵磁線圈和兩個接收線圈組成；勵磁線圈產生磁場，透過編碼器傳輸到接收器繞組，並在接收線圈中產生電壓，電壓相位與轉子位置成比例移動。控制系統可依據這些資訊準確計算轉子的角度位置。此一名為脈衝變流器的控制系統蘊含保時捷的科技心血結晶，負責將 800 V直流電轉換為交流電，並輸送至兩具電動馬達中。保時捷是有史以來第一家採用 800V電壓的車廠，這項技術一開始是為了保時捷 919 Hybrid 混合動力賽車而研發，現在則運用在量產車中，採用較細的電纜降低重量和體積，進而縮短充電時間。

Taycan電動馬達每分鐘轉速高達 16,000 轉。前後軸的驅動單元亦分別搭載一具變速箱，以在轉速範圍內成就保時捷經典的動態表現、效能和極速的完美協作。Taycan 是史上首款後軸搭載二速變速箱的電動跑車，其中第一檔的齒比非常短，前輪動力由一組單速行星變速箱傳輸到車輪。
此一組合賦予Taycan Turbo S強大的動力。前軸電動馬達的 440 Nm扭力經由齒輪比轉換後，將約 3,000 Nm的扭力傳至車輪；後軸電動馬達的 610 Nm扭力在第一檔時倍增為 9,000 Nm，齒比較長的二檔則確保高速行駛間維持高效能和動力儲備。這是一項深富開創性的先進科技，關注最細微之處，使得保時捷在純電時代仍能延續百年來的創新傳統。

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#微控制器MCU #馬達 #變頻器 #向量控制演算法 #功率因數修正FPC #可編程增益放大器PGA #開源軟體

【走入千家萬戶的馬達應用，MCU 是首腦】

搭載無刷馬達、可自動收合的智慧嬰兒車，具便利性且推動更流暢順手，但前提是：需有精確的轉矩控制，且馬達得有極高的負重承載能力。一般嬰兒車會使用 1kW 或 3kW 的變頻器；若想準確控制轉矩和速度，浮點運算單元 (FPU) 則是執行快速 PI 控制器 (比例＋積分) 的最佳選擇。

可一舉驅動 LCD、LED、感測器及任何三相永磁馬達、執行向量控制演算法的微控制器 (MCU)，從靜止狀態開始發揮最高轉矩完全不需感測器輔助，5V 電源設計可縮短變頻器與馬達的安裝距離，盡可能降低雜訊干擾。高速處理亦是重點，利於快速傅立葉轉換的濾波操作；而使用浮點運算單元 (FPU) 能縮減程式碼，避免源於格式轉換所導致的量化誤差，確實執行複雜的數學運算。例如，需快速計算磁通估測器的無感測器演算法、整數運算及轉換 FPU 皆能輕易完成。

「向量控制」的無感測器演算法不僅快速，且可保留大量 CPU 資源供應用程式使用。另一個例子是用一個 MCU 同時驅動至少兩個高速馬達的美容磨甲機，向量控制可限制轉矩漣波並避免馬達受到撞擊，開發套件內建自動調試演算法，只要連接馬達便能在幾分鐘內驅動兩個馬達、高速運轉，省卻以往動輒 1～2 週的微調、測試參數時間。另可編程增益放大器 (PGA) 可動態增益、靈活管理高／低轉速的馬達，主動式功率因數修正 (FPC) 可確保快速執行。

整合運算放大器——內建可調整 PGA 和比較器，更合乎成本考量；即使要同時執行兩個高壓馬達，也只需單一印刷電路板 (PCB) 便能實現。管理低速馬達也適用，由 MCU 驅動三相變頻器和超小型無刷馬達的調節胃束帶裝置是其中一項應用；晶片本身搭戴多個安全模組，可做 CRC、RAM、時脈等一致性檢查，I/O 連接埠本身也會執行許多可信度檢查。內建獨立監督功能，擁有高度引腳保護，且隨附軟體是免授權金的開源軟體，已開放給認證機構，可加速產品驗證。

最後一個例子是高速運轉三相無刷馬達、要求超快反應時間的呼吸器。向量控制演算法可確保超低雜訊、保持穩定，給予安穩的睡眠品質；一旦使用者停止呼吸，軟體能管理高速加、減速斜率，迅速做出反應。必要時，可插上霍爾感測器和編碼器，搭配特定 MOSFET 最高可驅動 40V 的外部馬達，也可外接功率級的高電壓或高電流。此應用新增數位訊號處理器 (DSP) 指令，可執行多次快速傅立葉轉換，使用多個感測器也不會產生轉矩漣波。更多資訊：https://www.renesas.com/zh-tw/support/buy/distributors.html。

演示視頻：
《瑞薩 RX23T 微控制器變頻器解決方案》
http://www.compotechasia.com/a/CTOV/2017/0827/36503.html

#瑞薩電子Renesas #RX23T #RX24T

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AMS：智慧機器人新感測器變得更強大

陳端武 2017-07-17

在工業4.0時代，智慧工廠的重點將是大量使用與人類協作的機器人。這些機器人配備3D視覺及各種創新感測器，能以更高精度進行非常複雜的任務，且能感知週遭環境，因此毋須保護設施即可與人類員工協作，大幅提升工廠生產品質及產量。

奧地利微電子(AMS)位置感測器產品高級行銷經理Mark Donovan指出，協作機器人要執行高精度的任務，背後關鍵在於各種先進感測器。

旋轉編碼器位置感測器(Rotary encoder position sensor)

工業機械臂的基本要求之一，是要能在2D或3D空間快速準確地移動。因此機械臂多為分段設計，具備關節及用於夾持物體的手端(end-effector)。機械臂中的每個關節都需要馬達和齒輪機構才能驅動。而每個組馬達∕齒輪機構會需要1~2個編碼器位置感測器，來提供馬達換向反饋和旋轉接頭檔位。

此外，協作機器人通常會有1支以上的機械臂，而且還具備機動力。有不少協作機器人甚至有能移動及旋轉的頭部。協作機器人常會採用磁性旋轉位置感測器。這種感測器能提供高度準確的馬達換向反饋和檔位位置資訊，而且也很適合在惡劣環境中作業。此外，磁性位置感測器還具備消耗功率極低、體積小、重量輕、成本低等優點。

預感感測器(Pre-sense sensor)

預感感測器或稱空間感測器，是讓智慧工廠機器人迅速、安全地執行任務的重要零組件。空間感方面又以視覺感測器最重要，能讓機器人辨識物體、導航及閃避障礙物。

視覺感測技術包括2D CMOS感測器、3D數位鏡頭和光達(Lidar)。2D鏡頭成本相對較低，因此已獲工業機器人使用多年。而且2D鏡頭技術近年來也有長足進步，無論在小型化和提高影像品質方面，讓工業機器人能有更好的視野，而能執行更複雜的任務。

CMOS感測器具極高解析度及高動態範圍(HDR)功能，能在光源不足的情況下作業。光學3D視覺立體鏡頭和光達感測器技術也被整合到智慧機器人，使其能繪製週遭環境的動態3D地圖。3D視覺感測器能提升機器人的操作準確度及安全性，還能避開路徑上的障礙。

光達則能讓機器人繪製高解析度3D地圖，但目前仍非常昂貴。不過有不少公司正在設法降低光達成本。而3D視覺立體感測器(3D vision stereo sensor)是藉將兩個2D視訊鏡頭以不同角度安裝在機器人上，因此成本較低。

超音波感測器(Ultrasonic sensor)

超音波感測器主要用於機器人的近場導航和避障，目前也被大量應用於工業機器人。機器人能利用超音波感測器探測附近的障礙物，以免撞到牆、其他物體、機器人或人類。

超音波感測器的有效範圍僅幾公尺，最大偵測角度約30度。而其優點為成本相對較低，而且近距離偵測準確度很高。缺點則是易受溫度和壓力變化影響，而且會被附近使用相同頻率的超音波感測器的機器人干擾。

力矩感測(Force torque sensing)

力矩感測器主要應用於工業機器人的手端，能確保手端夾具以適量壓力抓取物體。力扭感測器可監視機械臂的移動、檢測障礙物及向機器人的中央處理器發出安全警報。例如，由於機械臂碰到物體時，力矩感測器會感測到突然出現的壓力，其安全控制軟體就會下令機械臂停止運動，移回原先位置。

力矩感測器也能與視覺、超音波、光達等預感感測器，以及其他安全感測器搭配使用，提供安全區域監控功能。

附圖：配備眾多先進感測器的協作機器人，能安全地與人類員工一起工作。法新社

資料來源：http://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp…