隨著空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展更新,，電控技術(shù)已經(jīng)全面走向變頻時代,，尤其是超低頻赫茲時代。頻率越低,，意味著空調(diào)控制越精準,，體感更舒適，也更能節(jié)約能源消耗,。

    介于變頻技術(shù)的主流地位和相應(yīng)電機控制技術(shù)的重要性,，剛剛在珠海落下帷幕的2年一屆的行業(yè)技術(shù)盛會——2012國際制冷技術(shù)交流會首次設(shè)立“電控技術(shù)”專題研討會，并邀請TI公司（唯一的半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商）作為大會的支持單位和學(xué)術(shù)演講單位,，與制冷和空調(diào)行業(yè)的專家,、學(xué)者,、研發(fā)人員，共同探討高效電機控制技術(shù)的最前沿課題和成果,。

    “作為全球最大的半導(dǎo)體公司之一,，德州儀器（TI）創(chuàng)新的模擬、嵌入式處理和無線技術(shù)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷??；诖蛟旄悄堋⒏踩?、更環(huán)保,、更健康以及更精彩的世界的理念，TI公司在2000年就開始進入中國節(jié)能空調(diào)電機控制領(lǐng)域,，可以說一路伴隨和見證了中國變頻控制領(lǐng)域技術(shù)革新的突飛猛進,。我們愿意同中國空調(diào)和制冷業(yè)者一道，繼續(xù)為節(jié)能減排做出貢獻,，為營造更好的生態(tài)環(huán)境做出貢獻,！”TI南中國區(qū)總經(jīng)理張海昆在電控專題研討會開場致辭中表示。

圖1：TI公司張海昆（左上）和譚徽博士（右下）在2012國際制冷技術(shù)交流會“電控技術(shù)”專題研討會現(xiàn)場做演講,。

    過去十二年來,，TI在交流變頻到直流變頻再到低頻變頻控制的所有關(guān)鍵技術(shù)革新節(jié)點上，與中國空調(diào)企業(yè)緊密合作,，攻克了一個個難關(guān),，得到了行業(yè)的認可。而作為這一歷程的重要參與人之一——TI半導(dǎo)體事業(yè)部MCU應(yīng)用部門經(jīng)理譚徽博士也得到本屆電控專題研討會會議主席的隆重介紹,。

    譚博士擁有超過十年電機控制研發(fā)和技術(shù)支持經(jīng)驗,，并且與國內(nèi)外眾多的電機控制學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究機構(gòu)保持緊密聯(lián)系，所以他在技術(shù)演講中探討的主流和新興高效電機控制技術(shù)及TI參與的一些尚處于研究階段的尖端課題案例引發(fā)了與會者的強烈關(guān)注,。

高效電機真正“高效”的關(guān)鍵要素

    中國在電機控制領(lǐng)域具有非常重要的位置,，全球每年80億只電機的產(chǎn)量中有70億就是中國制造的。對于高效電機這一塊,，永磁同步電機目前是主流,。“但由于永磁電機與價格波動很大的稀土材料密切相關(guān)，因此對行業(yè)帶來了一些影響和波動,，令我們更加謹慎來看這種高效電機未來的發(fā)展,，這是今天我也會提到另一新興的高效電機極其控制技術(shù)的原因之一。”譚博士在會上指出,。

    譚博士首先以應(yīng)用最廣泛的感應(yīng)電機為基礎(chǔ),，分析了影響高效電機特性的重要因素。感應(yīng)電機在功率很大的情況下,，比如幾十千瓦以上的電機,，可達到接近95%的效率,，但小功率電機則效率點非常低，如單相的風(fēng)扇甚至大概只有30-40%,。電機效率除了與功率相關(guān)（跟它的勵磁電流所占的比例有關(guān)系）,，還與電機所運行的環(huán)境有關(guān)系，如果一個電機設(shè)計本身是優(yōu)化的,，但總是讓它運行在一個非常不利的情況,，如滿負載的20%以下，則效率會非常低,。另外,，電機本身的功率因數(shù)是又一個影響效率非常關(guān)鍵的指標。

   感應(yīng)電機根據(jù)不同的電機功率等級會有不同的表現(xiàn),，但是基本上都處于40-80%左右負載區(qū)間的話,，系統(tǒng)對于電機本身的利用率是可以接受。所以在考慮控制系統(tǒng)的時候,，系統(tǒng)到底應(yīng)該在一個什么樣的區(qū)間運行,，包括功率因數(shù)部分，這對效率的影響至關(guān)重要,。

   譚博士總結(jié)了感應(yīng)電機之所以應(yīng)用廣泛的一些優(yōu)勢之處：1.成本比較低,，電網(wǎng)直接接上去就可以運行起來；2.沒是有控制器也可以（當然代價主要是在能效上面）,；3.再者它的轉(zhuǎn)矩系數(shù)低，單相電流情況下可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的磁場空間,。另外,，它沒有永磁體，沒有失磁性,，不怕振動也不怕生銹,，所以比較牢靠。在控制上它非常容易進入到高速的弱磁控制區(qū),，在很大功率范圍里面有多種電機可用,。

   但也存在缺點：在輕載情況下面效率非常差，同樣工藝下尺寸比永磁電機大不少,。從控制上來講,，現(xiàn)在實現(xiàn)電機高效的同時都希望用矢量變換、矢量控制,，因為轉(zhuǎn)子側(cè)電流大,，溫度變化非常大，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)電阻的變化非常大,，對感應(yīng)電機矢量控制這一類基于參數(shù)的控制策略造成困難,，是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn),。

以低成本實現(xiàn)永磁同步電機的本質(zhì)安全性驅(qū)動

    以感應(yīng)電機為基礎(chǔ)，譚博士接著分析了永磁同步電機（包括表貼式和內(nèi)嵌式）的工作原理,，并總結(jié)這類高效電機的優(yōu)點和對電控帶來的挑戰(zhàn),。永磁同步電機轉(zhuǎn)子上因有兩個永磁體，相比感應(yīng)電機,，直接帶來了效率的提升(不需要勵磁),。在控制方面（如圖2），也是正弦電機模式,，在定子側(cè)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,，單相電流可以到這個旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場與永磁場相互作用,，這樣就可以產(chǎn)生相關(guān)的轉(zhuǎn)矩,，其控制模式和策略與感應(yīng)電機基本是一樣的。

圖2：永磁同步電機控制策略,。

    事實上,，永磁同步電機與直流無刷電機(BLDC)在業(yè)界一度有點混淆。直流無刷電機理想是方波,，但是實際上理想的方波情況非常少,。而表貼式永磁同步電機（SPM）最開始希望是一個正弦感應(yīng)電機，它的所有控制量是正弦電壓電流,，但其實波形也不是那么理想,。因此，在表貼式永磁同步電機方面,，方波跟正弦電機應(yīng)用到這個層面的時候開始模糊,，有一段時間在業(yè)界產(chǎn)生了一些混淆。“這個結(jié)果對控制來講,，其實你發(fā)現(xiàn)很多做正弦控制的算法可以用到永磁電機上,，在實現(xiàn)上面不是那么難。也是因為這個原因,，正弦電機的控制策略跟方波電機的控制策略開始混合起來,。”譚博士說。

    對于內(nèi)嵌式永磁同步電機（IPM）,，“據(jù)我所知,，現(xiàn)在很多空調(diào)壓縮機其實采用內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)形式，它其實覆蓋了磁阻效應(yīng),。大家在講壓縮機要進入到弱磁控制區(qū),，其實我更偏向于認為它進入到磁阻和永磁轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化工作區(qū)。”譚博士認為,。

    他分析道,，永磁同步電機在消費類領(lǐng)域的應(yīng)用不能像工業(yè)一樣去進行電流采樣,。以圖3 所示TI的解決方案為例，上面是功率系統(tǒng)部分,，下面是控制系統(tǒng),。工業(yè)應(yīng)用中把ABC三相電流列為常規(guī)采樣，但是在低成本的方案中要么在直流母線采樣重構(gòu)三相電流信號,，要么通過逆變器下橋臂的電流采樣重構(gòu)三相電流信號,。這兩種的低成本方案部分，不管通過母線的方式,，還是通過逆變器下調(diào)的方式,，其常規(guī)的驅(qū)動控制模式，以及電流的采樣,，控制以及保護其實是不完整的,。這個不完整是針對兩部分來講的，一部分是對逆變器來講,，就是說沒有把逆變器所有電流的工作狀態(tài)采回來,，沒有采回來的結(jié)果是對它的控制不是全控，另一部分是對電機的相電流,，信息是不完整的,，在某些點上面可能采不到。

    “結(jié)合電流采樣的低成本考慮,，我們需要一些基本的控制模式,，使得驅(qū)動系統(tǒng)和控制策略是本質(zhì)安全性（Essential Reliable Drive），全部是可控的,。這方面涉及到相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu),、控制策略的變化，值得業(yè)界關(guān)注,。據(jù)我所知，一些研究機構(gòu)已經(jīng)有非常好的突破成果出來,，也許在不遠的將來大家可以看到,，這些成果對我們產(chǎn)生相關(guān)的影響。”譚博士指出,。

圖3：TI的永磁電機控制方案以低成本實現(xiàn)本質(zhì)安全性驅(qū)動（Essential Reliable Drive）,。

   圖3 的TI控制方案是基于Piccolo F2803x系列MCU，該系列MCU可實現(xiàn)設(shè)計升級,、改善性能并簡化數(shù)字實時控制系統(tǒng)的開發(fā),，從而為電機控制應(yīng)用帶來全新的效率與創(chuàng)新。F2803x包含一個通過一款新型C 編譯器實現(xiàn)的,、可采用C 語言進行編程的集成型控制律加速器(CLA) 協(xié)處理器,，旨在提升創(chuàng)新設(shè)計的水平,。該CLA 是一個32 位浮點數(shù)學(xué)加速器，專為獨立于TMS320C28x CPU 內(nèi)核工作而設(shè)計,，以分擔(dān)復(fù)雜的高速控制算法,。這種分擔(dān)將CPU 解放出來去處理輸入/輸出和反饋環(huán)路測量，從而可使閉環(huán)應(yīng)用的性能提升5 倍之多,。

    此外,，CLA自帶中斷控制器，并可直接訪問ADC與EPWM等外設(shè),。電源與時鐘方面,，Piccolo配備兩個工作頻率10MHz的片上振蕩器，不但可提供三倍冗余,，還可將誤差精度可控制在±1%左右,；此外，為了加強對諧波的控制以及避免信號下降沿丟失,，TI還在Piccolo器件上運用了可支持150皮秒的頻率調(diào)制增強型脈寬調(diào)制器(EPWM),，以及12位高速ADC。

    F2803X可取代多個電子組件,，從而在實現(xiàn)實時控制與系統(tǒng)管理的同時還可降低系統(tǒng)整體成本,。例如，在變頻空調(diào)設(shè)備中,，一個F2803x控制器就可精確控制兩部三相馬達,，并可執(zhí)行功率因數(shù)校正(PFC)計算，具備掉電保護與上電復(fù)位功能,。

SRM,，前景看好的另一種高效電機形式

    盡管因為轉(zhuǎn)矩損耗小帶來了高效率等優(yōu)點，但永磁體材料價格的波動使得成本控制成為一個難點,，而且對運行環(huán)境要求也比較高,，會受溫度、振動等相關(guān)因素的影響,。于是無永磁體電機——開關(guān)磁阻電機（SRM）作為實現(xiàn)高效電機的一路思路成為一些尖端研究機構(gòu)（特別是國外）積極跟進的方向,。

    譚博士指出：“開關(guān)磁阻電機在體積和功率密度、材料成本占優(yōu),，設(shè)計結(jié)構(gòu)靈活,，對運行環(huán)境要求非常低，得益于控制器技術(shù)的發(fā)展,，其功率因數(shù)也提升了很多,，但因其非線性特性，故控制策略總體來說還是比較復(fù)雜。國內(nèi)不少大學(xué)和研究機構(gòu)在研究開關(guān)磁阻電機并緊跟國際潮流,，我有幸與這些機構(gòu)有很多互動,。相信隨著技術(shù)的創(chuàng)新和進步，未來開關(guān)磁阻電機的控制器成本下降空間會非常大,！”

    他在演講中展示了合作單位開發(fā)的最新SRM研究成果和突破（效率最高達96%,，圖4），引發(fā)聽眾濃厚興趣,，提問不斷,。該新型開關(guān)磁阻電機有兩套轉(zhuǎn)子，用特殊的方式疊加起來形成一個電機,，它的最高效率可到96%左右,。

圖4：一種新型開關(guān)磁阻電機的效率最高達96%。

    據(jù)譚博士介紹,，通過新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，開關(guān)磁阻電機可以開始達到與永磁電機相當?shù)男剩貏e是高速的情況下,，而其尺寸和體積也可以逐漸接近后者,，但因不需要永磁體材料，成本會低廉很多,，更具經(jīng)濟性,。從它自身控制拓撲上來講，隨著控制器技術(shù)的發(fā)展,，它有潛力比傳統(tǒng)的逆變器結(jié)構(gòu)還要簡化,，成本也有望快速下降，因此作為高效電機具有很大的發(fā)展空間,。