空调全面走向变频时代，TI引领高效电机控制技术

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。

图3：TI的永磁电机控制方案以低成本实现本质安全性驱动（Essential Reliable Drive）。

图3 的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%，图4），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。

图4：一种新型开关磁阻电机的效率最高达96%。