隨著空調技術的不斷發展更新，電控技術已經全面走向變頻時代，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。

    介于變頻技術的主流地位和相應電機控制技術的重要性，剛剛在珠海落下帷幕的2年一屆的行業技術盛會——2012國際制冷技術交流會首次設立“電控技術”專題研討會，并邀請TI公司（唯一的半導體芯片供應商）作為大會的支持單位和學術演講單位，與制冷和空調行業的專家、學者、研發人員，共同探討高效電機控制技術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）創新的模擬、嵌入式處理和無線技術已經滲透到人們日常生活的方方面面?；诖蛟旄悄?、更安全、更環保、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能空調電機控制領域，可以說一路伴隨和見證了中國變頻控制領域技術革新的突飛猛進。我們愿意同中國空調和制冷業者一道，繼續為節能減排做出貢獻，為營造更好的生態環境做出貢獻！”TI南中國區總經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國際制冷技術交流會“電控技術”專題研討會現場做演講。

    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鍵技術革新節點上，與中國空調企業緊密合作，攻克了一個個難關，得到了行業的認可。而作為這一歷程的重要參與人之一——TI半導體事業部MCU應用部門經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和技術支持經驗，并且與國內外眾多的電機控制學術和應用研究機構保持緊密聯系，所以他在技術演講中探討的主流和新興高效電機控制技術及TI參與的一些尚處于研究階段的尖端課題案例引發了與會者的強烈關注。

高效電機真正“高效”的關鍵要素

    中國在電機控制領域具有非常重要的位置，全球每年80億只電機的產量中有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，因此對行業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的原因之一。”譚博士在會上指出。

    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非常低，如單相的風扇甚至大概只有30-40%。電機效率除了與功率相關（跟它的勵磁電流所占的比例有關系），還與電機所運行的環境有關系，如果一個電機設計本身是優化的，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是又一個影響效率非常關鍵的指標。

   感應電機根據不同的電機功率等級會有不同的表現，但是基本上都處于40-80%左右負載區間的話，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候，系統到底應該在一個什么樣的區間運行，包括功率因數部分，這對效率的影響至關重要。

   譚博士總結了感應電機之所以應用廣泛的一些優勢之處：1.成本比較低，電網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.再者它的轉矩系數低，單相電流情況下可以產生非常穩定的磁場空間。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，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，現在實現電機高效的同時都希望用矢量變換、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基于參數的控制策略造成困難，是一個很大的技術挑戰。

以低成本實現永磁同步電機的本質安全性驅動

    以感應電機為基礎，譚博士接著分析了永磁同步電機（包括表貼式和內嵌式）的工作原理，并總結這類高效電機的優點和對電控帶來的挑戰。永磁同步電機轉子上因有兩個永磁體，相比感應電機，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，在定子側產生一個旋轉磁場，單相電流可以到這個旋轉磁場，這個磁場與永磁場相互作用，這樣就可以產生相關的轉矩，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。

    事實上，永磁同步電機與直流無刷電機(BLDC)在業界一度有點混淆。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，方波跟正弦電機應用到這個層面的時候開始模糊，有一段時間在業界產生了一些混淆。“這個結果對控制來講，其實你發現很多做正弦控制的算法可以用到永磁電機上，在實現上面不是那么難。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。

    對于內嵌式永磁同步電機（IPM），“據我所知，現在很多空調壓縮機其實采用內嵌的結構形式，它其實覆蓋了磁阻效應。大家在講壓縮機要進入到弱磁控制區，其實我更偏向于認為它進入到磁阻和永磁轉矩的優化工作區。”譚博士認為。

    他分析道，永磁同步電機在消費類領域的應用不能像工業一樣去進行電流采樣。以圖3 所示TI的解決方案為例，上面是功率系統部分，下面是控制系統。工業應用中把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采樣重構三相電流信號，要么通過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，不管通過母線的方式，還是通過逆變器下調的方式，其常規的驅動控制模式，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采回來，沒有采回來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，使得驅動系統和控制策略是本質安全性（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，值得業界關注。據我所知，一些研究機構已經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，這些成果對我們產生相關的影響。”譚博士指出。

圖3：TI的永磁電機控制方案以低成本實現本質安全性驅動（Essential Reliable Drive）。

   圖3 的TI控制方案是基于Piccolo F2803x系列MCU，該系列MCU可實現設計升級、改善性能并簡化數字實時控制系統的開發，從而為電機控制應用帶來全新的效率與創新。F2803x包含一個通過一款新型C 編譯器實現的、可采用C 語言進行編程的集成型控制律加速器(CLA) 協處理器，旨在提升創新設計的水平。該CLA 是一個32 位浮點數學加速器，專為獨立于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 解放出來去處理輸入/輸出和反饋環路測量，從而可使閉環應用的性能提升5 倍之多。

    此外，CLA自帶中斷控制器，并可直接訪問ADC與EPWM等外設。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皮秒的頻率調制增強型脈寬調制器(EPWM)，以及12位高速ADC。

    F2803X可取代多個電子組件，從而在實現實時控制與系統管理的同時還可降低系統整體成本。例如，在變頻空調設備中，一個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了高效率等優點，但永磁體材料價格的波動使得成本控制成為一個難點，而且對運行環境要求也比較高，會受溫度、振動等相關因素的影響。于是無永磁體電機——開關磁阻電機（SRM）作為實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）積極跟進的方向。

    譚博士指出：“開關磁阻電機在體積和功率密度、材料成本占優，設計結構靈活，對運行環境要求非常低，得益于控制器技術的發展，其功率因數也提升了很多，但因其非線性特性，故控制策略總體來說還是比較復雜。國內不少大學和研究機構在研究開關磁阻電機并緊跟國際潮流，我有幸與這些機構有很多互動。相信隨著技術的創新和進步，未來開關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的最新SRM研究成果和突破（效率最高達96%，圖4），引發聽眾濃厚興趣，提問不斷。該新型開關磁阻電機有兩套轉子，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4：一種新型開關磁阻電機的效率最高達96%。

    據譚博士介紹，通過新型的結構設計，開關磁阻電機可以開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，成本會低廉很多，更具經濟性。從它自身控制拓撲上來講，隨著控制器技術的發展，它有潛力比傳統的逆變器結構還要簡化，成本也有望快速下降，因此作為高效電機具有很大的發展空間。