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隨著(zhù)空調技術(shù)的不斷發(fā)展更新，電控技術(shù)已經(jīng)全面走向變頻時(shí)代，尤其是超低頻赫茲時(shí)代。頻率越低，意味著(zhù)空調控制越精準，體感更舒適，也更能節約能源消耗。 介于變頻技術(shù)的主流地位和相應電機控制技術(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(huì )——2012國際制冷技術(shù)交流會(huì )首次設立“電控技術(shù)”專(zhuān)題研討會(huì )，并邀請TI公司（唯一的半導體芯片供應商）作為大會(huì )的支持單位和學(xué)術(shù)演講單位，與制冷和空調行業(yè)的專(zhuān)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體公司之一，德州儀器（TI）創(chuàng )新的模擬、嵌入式處理和無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)滲透到人們日常生活的方方面面�；诖蛟旄悄�、更安全、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(kāi)始進(jìn)入中國節能空調電機控制領(lǐng)域，可以說(shuō)一路伴隨和見(jiàn)證了中國變頻控制領(lǐng)域技術(shù)革新的突飛猛進(jìn)。我們愿意同中國空調和制冷業(yè)者一道，繼續為節能減排做出貢獻，為營(yíng)造更好的生態(tài)環(huán)境做出貢獻！”TI南中國區總經(jīng)理張海昆在電控專(zhuān)題研討會(huì )開(kāi)場(chǎng)致辭中表示。 過(guò)去十二年來(lái)，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)革新節點(diǎn)上，與中國空調企業(yè)緊密合作，攻克了一個(gè)個(gè)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半導體事業(yè)部MCU應用部門(mén)經(jīng)理譚徽博士也得到本屆電控專(zhuān)題研討會(huì )會(huì )議主席的隆重介紹。 譚博士擁有超過(guò)十年電機控制研發(fā)和技術(shù)支持經(jīng)驗，并且與國內外眾多的電機控制學(xué)術(shù)和應用研究機構保持緊密聯(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(huì )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�！暗捎谟来烹姍C與價(jià)格波動(dòng)很大的稀土材料密切相關(guān)，因此對行業(yè)帶來(lái)了一些影響和波動(dòng)，令我們更加謹慎來(lái)看這種高效電機未來(lái)的發(fā)展，這是今天我也會(huì )提到另一新興的高效電機極其控制技術(shù)的原因之一�！弊T博士在會(huì )上指出。 譚博士首先以應用最廣泛的感應電機為基礎，分析了影響高效電機特性的重要因素。感應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(diǎn)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(gè)電機設計本身是優(yōu)化的，但總是讓它運行在一個(gè)非常不利的情況，如滿(mǎn)負載的20%以下，則效率會(huì )非常低。另外，電機本身的功率因數是又一個(gè)影響效率非常關(guān)鍵的指標。 感應電機根據不同的電機功率等級會(huì )有不同的表現，但是基本上都處于40-80%左右負載區間的話(huà)，系統對于電機本身的利用率是可以接受。所以在考慮控制系統的時(shí)候，系統到底應該在一個(gè)什么樣的區間運行，包括功率因數部分，這對效率的影響至關(guān)重要。 譚博士總結了感應電機之所以應用廣泛的一些優(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(lái)；2.沒(méi)是有控制器也可以（當然代價(jià)主要是在能效上面）；3.再者它的轉矩系數低，單相電流情況下可以產(chǎn)生非常穩定的磁場(chǎng)空間。另外，它沒(méi)有永磁體，沒(méi)有失磁性，不怕振動(dòng)也不怕生銹，所以比較牢靠。在控制上它非常容易進(jìn)入到高速的弱磁控制區，在很大功率范圍里面有多種電機可用。 但也存在缺點(diǎn)：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(lái)講，現在實(shí)現電機高效的同時(shí)都希望用矢量變換、矢量控制，因為轉子側電流大，溫度變化非常大，從而導致轉子側電阻的變化非常大，對感應電機矢量控制這一類(lèi)基于參數的控制策略造成困難，是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰。 以低成本實(shí)現永磁同步電機的本質(zhì)安全性驅動(dòng) 以感應電機為基礎，譚博士接著(zhù)分析了永磁同步電機（包括表貼式和內嵌式）的工作原理，并總結這類(lèi)高效電機的優(yōu)點(diǎn)和對電控帶來(lái)的挑戰。永磁同步電機轉子上因有兩個(gè)永磁體，相比感應電機，直接帶來(lái)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，在定子側產(chǎn)生一個(gè)旋轉磁場(chǎng)，單相電流可以到這個(gè)旋轉磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)相互作用，這樣就可以產(chǎn)生相關(guān)的轉矩，其控制模式和策略與感應電機基本是一樣的。 
圖2：永磁同步電機控制策略。 事實(shí)上，永磁同步電機與直流無(wú)刷電機(BLDC)在業(yè)界一度有點(diǎn)混淆。直流無(wú)刷電機理想是方波，但是實(shí)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(kāi)始希望是一個(gè)正弦感應電機，它的所有控制量是正弦電壓電流，但其實(shí)波形也不是那么理想。因此，在表貼式永磁同步電機方面，方波跟正弦電機應用到這個(gè)層面的時(shí)候開(kāi)始模糊，有一段時(shí)間在業(yè)界產(chǎn)生了一些混淆�！斑@個(gè)結果對控制來(lái)講，其實(shí)你發(fā)現很多做正弦控制的算法可以用到永磁電機上，在實(shí)現上面不是那么難。也是因為這個(gè)原因，正弦電機的控制策略跟方波電機的控制策略開(kāi)始混合起來(lái)�！弊T博士說(shuō)。 對于內嵌式永磁同步電機（IPM），“據我所知，現在很多空調壓縮機其實(shí)采用內嵌的結構形式，它其實(shí)覆蓋了磁阻效應。大家在講壓縮機要進(jìn)入到弱磁控制區，其實(shí)我更偏向于認為它進(jìn)入到磁阻和永磁轉矩的優(yōu)化工作區�！弊T博士認為。 他分析道，永磁同步電機在消費類(lèi)領(lǐng)域的應用不能像工業(yè)一樣去進(jìn)行電流采樣。以圖3 所示TI的解決方案為例，上面是功率系統部分，下面是控制系統。工業(yè)應用中把ABC三相電流列為常規采樣，但是在低成本的方案中要么在直流母線(xiàn)采樣重構三相電流信號，要么通過(guò)逆變器下橋臂的電流采樣重構三相電流信號。這兩種的低成本方案部分，不管通過(guò)母線(xiàn)的方式，還是通過(guò)逆變器下調的方式，其常規的驅動(dòng)控制模式，以及電流的采樣，控制以及保護其實(shí)是不完整的。這個(gè)不完整是針對兩部分來(lái)講的，一部分是對逆變器來(lái)講，就是說(shuō)沒(méi)有把逆變器所有電流的工作狀態(tài)采回來(lái)，沒(méi)有采回來(lái)的結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(diǎn)上面可能采不到。 “結合電流采樣的低成本考慮，我們需要一些基本的控制模式，使得驅動(dòng)系統和控制策略是本質(zhì)安全性（Essential Reliable Drive），全部是可控的。這方面涉及到相應的拓撲結構、控制策略的變化，值得業(yè)界關(guān)注。 據我所知，一些研究機構已經(jīng)有非常好的突破成果出來(lái)，也許在不遠的將來(lái)大家可以看到，這些成果對我們產(chǎn)生相關(guān)的影響�！弊T博士指出。
圖3：TI的永磁電機控制方案以低成本實(shí)現本質(zhì)安全性驅動(dòng)（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(shí)現設計升級、改善性能并簡(jiǎn)化數字實(shí)時(shí)控制系統的開(kāi)發(fā)，從而為電機控制應用帶來(lái)全新的效率與創(chuàng )新。F2803x包含一個(gè)通過(guò)一款新型 C 編譯器實(shí)現的、可采用 C 語(yǔ)言進(jìn)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 )新設計的水平。該 CLA 是一個(gè) 32 位浮點(diǎn)數學(xué)加速器，專(zhuān)為獨立于 TMS320C28x CPU 內核工作而設計，以分擔復雜的高速控制算法。這種分擔將 CPU 解放出來(lái)去處理輸入/輸出和反饋環(huán)路測量，從而可使閉環(huán)應用的性能提升 5 倍之多。 此外，CLA自帶中斷控制器，并可直接訪(fǎng)問(wèn) ADC與EPWM等外設。電源與時(shí)鐘方面，Piccolo配備兩個(gè)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皮秒的頻率調制增強型脈寬調制器(EPWM)，以及12位高速ADC。 F2803X可取代多個(gè)電子組件，從而在實(shí)現實(shí)時(shí)控制與系統管理的同時(shí)還可降低系統整體成本。例如，在變頻空調設備中，一個(gè)F2803x控制器就可精確控制兩部三相馬達，并可執行功率因數校正(PFC)計算，具備掉電保護與上電復位功能。 SRM，前景看好的另一種高效電機形式 盡管因為轉矩損耗小帶來(lái)了高效率等優(yōu)點(diǎn)，但永磁體材料價(jià)格的波動(dòng)使得成本控制成為一個(gè)難點(diǎn)，而且對運行環(huán)境要求也比較高，會(huì )受溫度、振動(dòng)等相關(guān)因素的影響。于是無(wú)永磁體電機——開(kāi)關(guān)磁阻電機（SRM）作為實(shí)現高效電機的一路思路成為一些尖端研究機構（特別是國外）積極跟進(jìn)的方向。 譚博士指出：“開(kāi)關(guān)磁阻電機在體積和功率密度、材料成本占優(yōu)，設計結構靈活，對運行環(huán)境要求非常低，得益于控制器技術(shù)的發(fā)展，其功率因數也提升了很多，但因其非線(xiàn)性特性，故控制策略總體來(lái)說(shuō)還是比較復雜。國內不少大學(xué)和研究機構在研究開(kāi)關(guān)磁阻電機并緊跟國際潮流，我有幸與這些機構有很多互動(dòng)。相信隨著(zhù)技術(shù)的創(chuàng )新和進(jìn)步，未來(lái)開(kāi)關(guān)磁阻電機的控制器成本下降空間會(huì )非常大！” 他在演講中展示了合作單位開(kāi)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(tīng)眾濃厚興趣，提問(wèn)不斷。該新型開(kāi)關(guān)磁阻電機有兩套轉子，用特殊的方式疊加起來(lái)形成一個(gè)電機，它的最高效率可到96%左右。
圖4：一種新型開(kāi)關(guān)磁阻電機的效率最高達96%。 據譚博士介紹，通過(guò)新型的結構設計，開(kāi)關(guān)磁阻電機可以開(kāi)始達到與永磁電機相當的效率，特別是高速的情況下，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(huì )低廉很多，更具經(jīng)濟性。從它自身控制拓撲上來(lái)講，隨著(zhù)控制器技術(shù)的發(fā)展，它有潛力比傳統的逆變器結構還要簡(jiǎn)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。 |
