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(shí)代，尤其是超低頻赫茲時(shí)代。頻率越低，意味著空調(diào)控制越精準(zhǔn)，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(jī)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(shè)立“電控技術(shù)”專題研討會(huì)，并邀請TI公司（唯一的半導(dǎo)體芯片供應(yīng)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(diào)行業(yè)的專家、學(xué)者、研發(fā)人員，共同探討高效電機(jī)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畹姆椒矫婷妗；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年就開始進(jìn)入中國節(jié)能空調(diào)電機(jī)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(jìn)。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(xiàn)，為營造更好的生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)！”TI南中國區(qū)總經(jīng)理張海昆在電控專題研討會(huì)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(huì)“電控技術(shù)”專題研討會(huì)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(diǎn)上，與中國空調(diào)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(rèn)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(huì)會(huì)議主席的隆重介紹。
譚博士擁有超過十年電機(jī)控制研發(fā)和技術(shù)支持經(jīng)驗(yàn)，并且與國內(nèi)外眾多的電機(jī)控制學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究機(jī)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(jī)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(qiáng)烈關(guān)注。
高效電機(jī)真正“高效”的關(guān)鍵要素
中國在電機(jī)控制領(lǐng)域具有非常重要的位置，全球每年80億只電機(jī)的產(chǎn)量中有70億就是中國制造的。對于高效電機(jī)這一塊，永磁同步電機(jī)目前是主流。“但由于永磁電機(jī)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)帶來了一些影響和波動(dòng)，令我們更加謹(jǐn)慎來看這種高效電機(jī)未來的發(fā)展，這是今天我也會(huì)提到另一新興的高效電機(jī)極其控制技術(shù)的原因之一。”譚博士在會(huì)上指出。
譚博士首先以應(yīng)用最廣泛的感應(yīng)電機(jī)為基礎(chǔ)，分析了影響高效電機(jī)特性的重要因素。感應(yīng)電機(jī)在功率很大的情況下，比如幾十千瓦以上的電機(jī)，可達(dá)到接近95%的效率，但小功率電機(jī)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(jī)效率除了與功率相關(guān)（跟它的勵(lì)磁電流所占的比例有關(guān)系），還與電機(jī)所運(yùn)行的環(huán)境有關(guān)系，如果一個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)本身是優(yōu)化的，但總是讓它運(yùn)行在一個(gè)非常不利的情況，如滿負(fù)載的20%以下，則效率會(huì)非常低。另外，電機(jī)本身的功率因數(shù)是又一個(gè)影響效率非常關(guān)鍵的指標(biāo)。
感應(yīng)電機(jī)根據(jù)不同的電機(jī)功率等級(jí)會(huì)有不同的表現(xiàn)，但是基本上都處于40-80%左右負(fù)載區(qū)間的話，系統(tǒng)對于電機(jī)本身的利用率是可以接受。所以在考慮控制系統(tǒng)的時(shí)候，系統(tǒng)到底應(yīng)該在一個(gè)什么樣的區(qū)間運(yùn)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(jī)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(yùn)行起來；2.沒是有控制器也可以（當(dāng)然代價(jià)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(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(qū)，在很大功率范圍里面有多種電機(jī)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(jī)大不少。從控制上來講，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效的同時(shí)都希望用矢量變換、矢量控制，因?yàn)檗D(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(jī)矢量控制這一類基于參數(shù)的控制策略造成困難，是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
以低成本實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的本質(zhì)安全性驅(qū)動(dòng)
以感應(yīng)電機(jī)為基礎(chǔ)，譚博士接著分析了永磁同步電機(jī)（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(jī)的優(yōu)點(diǎn)和對電控帶來的挑戰(zhàn)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上因有兩個(gè)永磁體，相比感應(yīng)電機(jī)，直接帶來了效率的提升(不需要?jiǎng)?lì)磁)。在控制方面（如圖2），也是正弦電機(jī)模式，在定子側(cè)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，單相電流可以到這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)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(jī)基本是一樣的。
圖2：永磁同步電機(jī)控制策略。
事實(shí)上，永磁同步電機(jī)與直流無刷電機(jī)(BLDC)在業(yè)界一度有點(diǎn)混淆。直流無刷電機(jī)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(jī)（SPM）最開始希望是一個(gè)正弦感應(yīng)電機(jī)，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(jī)方面，方波跟正弦電機(jī)應(yīng)用到這個(gè)層面的時(shí)候開始模糊，有一段時(shí)間在業(yè)界產(chǎn)生了一些混淆。“這個(gè)結(jié)果對控制來講，其實(shí)你發(fā)現(xiàn)很多做正弦控制的算法可以用到永磁電機(jī)上，在實(shí)現(xiàn)上面不是那么難。也是因?yàn)檫@個(gè)原因，正弦電機(jī)的控制策略跟方波電機(jī)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(jī)（IPM），“據(jù)我所知，現(xiàn)在很多空調(diào)壓縮機(jī)其實(shí)采用內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)形式，它其實(shí)覆蓋了磁阻效應(yīng)。大家在講壓縮機(jī)要進(jìn)入到弱磁控制區(qū)，其實(shí)我更偏向于認(rèn)為它進(jìn)入到磁阻和永磁轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化工作區(qū)。”譚博士認(rèn)為。
他分析道，永磁同步電機(jī)在消費(fèi)類領(lǐng)域的應(yīng)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(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(hào)，要么通過逆變器下橋臂的電流采樣重構(gòu)三相電流信號(hào)。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(dòng)控制模式，以及電流的采樣，控制以及保護(hù)其實(shí)是不完整的。這個(gè)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(jī)的相電流，信息是不完整的，在某些點(diǎn)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(dòng)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?fù)浣Y(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(jī)構(gòu)已經(jīng)有非常好的突破成果出來，也許在不遠(yuǎn)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(jī)控制方案以低成本實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全性驅(qū)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(xiàn)設(shè)計(jì)升級(jí)、改善性能并簡化數(shù)字實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的開發(fā)，從而為電機(jī)控制應(yīng)用帶來全新的效率與創(chuàng)新。F2803x包含一個(gè)通過一款新型C 編譯器實(shí)現(xiàn)的、可采用C 語言進(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(shè)計(jì)的水平。該CLA 是一個(gè)32 位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器，專為獨(dú)立于TMS320C28x CPU 內(nèi)核工作而設(shè)計(jì)，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(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(qiáng)對諧波的控制以及避免信號(hào)下降沿丟失，TI還在Piccolo器件上運(yùn)用了可支持150皮秒的頻率調(diào)制增強(qiáng)型脈寬調(diào)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(xiàn)實(shí)時(shí)控制與系統(tǒng)管理的同時(shí)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(gè)F2803x控制器就可精確控制兩部三相馬達(dá)，并可執(zhí)行功率因數(shù)校正(PFC)計(jì)算，具備掉電保護(hù)與上電復(fù)位功能。
SRM，前景看好的另一種高效電機(jī)形式
盡管因?yàn)檗D(zhuǎn)矩?fù)p耗小帶來了高效率等優(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(yùn)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。于是無永磁體電機(jī)——開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）作為實(shí)現(xiàn)高效電機(jī)的一路思路成為一些尖端研究機(jī)構(gòu)（特別是國外）積極跟進(jìn)的方向。
譚博士指出：“開關(guān)磁阻電機(jī)在體積和功率密度、材料成本占優(yōu)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活，對運(yùn)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(jī)構(gòu)在研究開關(guān)磁阻電機(jī)并緊跟國際潮流，我有幸與這些機(jī)構(gòu)有很多互動(dòng)。相信隨著技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，未來開關(guān)磁阻電機(jī)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發(fā)的最新SRM研究成果和突破（效率最高達(dá)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(jī)有兩套轉(zhuǎn)子，用特殊的方式疊加起來形成一個(gè)電機(jī)，它的最高效率可到96%左右。
圖4：一種新型開關(guān)磁阻電機(jī)的效率最高達(dá)96%。
據(jù)譚博士介紹，通過新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開關(guān)磁阻電機(jī)可以開始達(dá)到與永磁電機(jī)相當(dāng)?shù)男?，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(jì)性。從它自身控制拓?fù)渖蟻碇v，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(jī)具有很大的發(fā)展空間。