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TI推出效率高达96%电机控制芯片

我爱方案网| 电机控制| 2013-01-06
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【导读】感应电机在功率很大的情况下,可达到接近95%的效率,但小功率电机则效率点非常低大概只有30-40%。电机效率除了与功率相关,还与电机所运行的环境有关系,满负载的20%以下,TI突破效率最高达96%。

 随着空调技术的不断发展更新,电控技术已经全面走向变频时代,尤其是超低频赫兹时代。频率越低,意味着空调控制越精准,体感更舒适,也更能节约能源消耗。

介于变频技术的主流地位和相应电机控制技术的重要性,刚刚在珠海落下帷幕的2年一届的行业技术盛会——2012国际制冷技术交流会首次设立“电控技术”专题研讨会,并邀请TI公司作为大会的支持单位和学术演讲单位,与制冷和空调行业的专家、学者、研发人员,共同探讨高效电机控制技术的最前沿课题和成果。

“作为全球最大的半导体公司之一,德州仪器(TI)创新的模拟、嵌入式处理和无线技术已经渗透到人们日常生活的方方面面。基于打造更智能、更安全、更环保、更健康以及更精彩的世界的理念,TI公司在2000年就开始进入中国节能空调电机控制领域,可以说一路伴随和见证了中国变频控制领域技术革新的突飞猛进。我们愿意同中国空调和制冷业者一道,继续为节能减排做出贡献,为营造更好的生态环境做出贡献!”TI南中国区总经理张海昆在电控专题研讨会开场致辞中表示。

过去十二年来,TI在交流变频到直流变频再到低频变频控制的所有关键技术革新节点上,与中国空调企业紧密合作,攻克了一个个难关,得到了行业的认可。而作为这一历程的重要参与人之一——TI半导体事业部MCU应用部门经理谭徽博士也得到本届电控专题研讨会会议主席的隆重介绍。

谭博士拥有超过十年电机控制研发和技术支持经验,并且与国内外众多的电机控制学术和应用研究机构保持紧密联系,所以他在技术演讲中探讨的主流和新兴高效电机控制技术及TI参与的一些尚处于研究阶段的尖端课题案例引发了与会者的强烈关注。

高效电机真正“高效”的关键要素

中国在电机控制领域具有非常重要的位置,全球每年80亿只电机的产量中有70亿就是中国制造的。对于高效电机这一块,永磁同步电机目前是主流。“但由于永磁电机与价格波动很大的稀土材料密切相关,因此对行业带来了一些影响和波动,令我们更加谨慎来看这种高效电机未来的发展,这是今天我也会提到另一新兴的高效电机极其控制技术的原因之一。”谭博士在会上指出。

谭博士首先以应用最广泛的感应电机为基础,分析了影响高效电机特性的重要因素。感应电机在功率很大的情况下,比如几十千瓦以上的电机,可达到接近95%的效率,但小功率电机则效率点非常低,如单相的风扇甚至大概只有30-40%。电机效率除了与功率相关(跟它的励磁电流所占的比例有关系),还与电机所运行的环境有关系,如果一个电机设计本身是优化的,但总是让它运行在一个非常不利的情况,如满负载的20%以下,则效率会非常低。另外,电机本身的功率因数是又一个影响效率非常关键的指标。

感应电机根据不同的电机功率等级会有不同的表现,但是基本上都处于40-80%左右负载区间的话,系统对于电机本身的利用率是可以接受。所以在考虑控制系统的时候,系统到底应该在一个什么样的区间运行,包括功率因数部分,这对效率的影响至关重要。

谭博士总结了感应电机之所以应用广泛的一些优势之处:1.成本比较低,电网直接接上去就可以运行起来;2.没是有控制器也可以(当然代价主要是在能效上面);3.再者它的转矩系数低,单相电流情况下可以产生非常稳定的磁场空间。另外,它没有永磁体,没有失磁性,不怕振动也不怕生锈,所以比较牢靠。在控制上它非常容易进入到高速的弱磁控制区,在很大功率范围里面有多种电机可用。

但也存在缺点:在轻载情况下面效率非常差,同样工艺下尺寸比永磁电机大不少。从控制上来讲,现在实现电机高效的同时都希望用矢量变换、矢量控制,因为转子侧电流大,温度变化非常大,从而导致转子侧电阻的变化非常大,对感应电机矢量控制这一类基于参数的控制策略造成困难,是一个很大的技术挑战。

以低成本实现永磁同步电机的本质安全性驱动

以感应电机为基础,谭博士接着分析了永磁同步电机(包括表贴式和内嵌式)的工作原理,并总结这类高效电机的优点和对电控带来的挑战。永磁同步电机转子上因有两个永磁体,相比感应电机,直接带来了效率的提升(不需要励磁)。在控制方面(如图2),也是正弦电机模式,在定子侧产生一个旋转磁场,单相电流可以到这个旋转磁场,这个磁场与永磁场相互作用,这样就可以产生相关的转矩,其控制模式和策略与感应电机基本是一样的。

事实上,永磁同步电机与直流无刷电机(BLDC)在业界一度有点混淆。直流无刷电机理想是方波,但是实际上理想的方波情况非常少。而表贴式永磁同步电机(SPM)最开始希望是一个正弦感应电机,它的所有控制量是正弦电压电流,但其实波形也不是那么理想。因此,在表贴式永磁同步电机方面,方波跟正弦电机应用到这个层面的时候开始模糊,有一段时间在业界产生了一些混淆。“这个结果对控制来讲,其实你发现很多做正弦控制的算法可以用到永磁电机上,在实现上面不是那么难。也是因为这个原因,正弦电机的控制策略跟方波电机的控制策略开始混合起来。”谭博士说。

对于内嵌式永磁同步电机(IPM),“据我所知,现在很多空调压缩机其实采用内嵌的结构形式,它其实覆盖了磁阻效应。大家在讲压缩机要进入到弱磁控制区,其实我更偏向于认为它进入到磁阻和永磁转矩的优化工作区。”谭博士认为。

 

他分析道,永磁同步电机在消费类领域的应用不能像工业一样去进行电流采样。以图3 所示TI的解决方案为例,上面是功率系统部分,下面是控制系统。工业应用中把ABC三相电流列为常规采样,但是在低成本的方案中要么在直流母线采样重构三相电流信号,要么通过逆变器下桥臂的电流采样重构三相电流信号。这两种的低成本方案部分,不管通过母线的方式,还是通过逆变器下调的方式,其常规的驱动控制模式,以及电流的采样,控制以及保护其实是不完整的。这个不完整是针对两部分来讲的,一部分是对逆变器来讲,就是说没有把逆变器所有电流的工作状态采回来,没有采回来的结果是对它的控制不是全控,另一部分是对电机的相电流,信息是不完整的,在某些点上面可能采不到。

“结合电流采样的低成本考虑,我们需要一些基本的控制模式,使得驱动系统和控制策略是本质安全性(Essential Reliable Drive),全部是可控的。这方面涉及到相应的拓扑结构、控制策略的变化,值得业界关注。 据我所知,一些研究机构已经有非常好的突破成果出来,也许在不远的将来大家可以看到,这些成果对我们产生相关的影响。”谭博士指出。

电机控制

TI控制方案是基于Piccolo F2803x系列MCU,该系列MCU可实现设计升级、改善性能并简化数字实时控制系统的开发,从而为电机控制应用带来全新的效率与创新。F2803x包含一个通过一款新型 C 编译器实现的、可采用 C 语言进行编程的集成型控制律加速器 (CLA) 协处理器,旨在提升创新设计的水平。该 CLA 是一个 32 位浮点数学加速器,专为独立于 TMS320C28x CPU 内核工作而设计,以分担复杂的高速控制算法。这种分担将 CPU 解放出来去处理输入/输出和反馈环路测量,从而可使闭环应用的性能提升 5 倍之多。

此外,CLA自带中断控制器,并可直接访问 ADC与EPWM等外设。电源与时钟方面,Piccolo配备两个工作频率10MHz的片上振荡器,不但可提供三倍冗余,还可将误差精度可控制在±1%左右;此外,为了加强对谐波的控制以及避免信号下降沿丢失,TI还在Piccolo器件上运用了可支持150皮秒的频率调制增强型脉宽调制器(EPWM),以及12位高速ADC。

F2803X可取代多个电子组件,从而在实现实时控制与系统管理的同时还可降低系统整体成本。例如,在变频空调设备中,一个F2803x控制器就可精确控制两部三相马达,并可执行功率因数校正(PFC)计算,具备掉电保护与上电复位功能。

SRM,前景看好的另一种高效电机形式

尽管因为转矩损耗小带来了高效率等优点,但永磁体材料价格的波动使得成本控制成为一个难点,而且对运行环境要求也比较高,会受温度、振动等相关因素的影响。于是无永磁体电机——开关磁阻电机(SRM)作为实现高效电机的一路思路成为一些尖端研究机构(特别是国外)积极跟进的方向。

谭博士指出:“开关磁阻电机在体积和功率密度、材料成本占优,设计结构灵活,对运行环境要求非常低,得益于控制器技术的发展,其功率因数也提升了很多,但因其非线性特性,故控制策略总体来说还是比较复杂。国内不少大学和研究机构在研究开关磁阻电机并紧跟国际潮流,我有幸与这些机构有很多互动。相信随着技术的创新和进步,未来开关磁阻电机的控制器成本下降空间会非常大!”

他在演讲中展示了合作单位开发的最新SRM研究成果和突破效率最高达96%,引发听众浓厚兴趣,提问不断。该新型开关磁阻电机有两套转子,用特殊的方式叠加起来形成一个电机,它的最高效率可到96%左右。

据谭博士介绍,通过新型的结构设计,开关磁阻电机可以开始达到与永磁电机相当的效率,特别是高速的情况下,而其尺寸和体积也可以逐渐接近后者,但因不需要永磁体材料,成本会低廉很多,更具经济性。从它自身控制拓扑上来讲,随着控制器技术的发展,它有潜力比传统的逆变器结构还要简化,成本也有望快速下降,因此作为高效电机具有很大的发展空间。

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