電機智能控制如何降低能耗

越來越多的企業(yè)和個人都在尋找減少能源足跡和增加使用可再生資源的方法。為了產(chǎn)生顯著的效果，我們應該把重點放在哪些方面？

全球超過 65% 的電力用于為工業(yè)環(huán)境、商業(yè)建筑和個人住宅中的電機和電源供電。據(jù) Our World in Data 資料顯示，60% 的電力來自燃燒煤炭和天然氣，只有不到 10%的電力 來自可再生能源。智能變頻數(shù)字電機控制則可降低 25% 以上的能耗。智能數(shù)字電源控制可以更大限度地提高太陽能和風能的生產(chǎn)效率，并更大限度地減少超高能耗設備的電源功耗。在本文中，我們將探討智能控制應用的一些趨勢，以及分享智能控制如何降低能耗和提高可再生能源效率的示例。

智能電機控制

空調(diào)（圖 1）是電網(wǎng)中的主要耗電設備。雖然具體的能效標準因地區(qū)而異，但所有設計都需要實施先進的電機控制和功率因數(shù)校正 (PFC) 算法，以達到目標額定值并滿足功率因數(shù)規(guī)格。

控制空調(diào)中的每個電機（壓縮機、冷卻風扇）可能需要一個以高達 20kHz 的頻率運行的控制環(huán)路。另一方面，PFC 通常需要高達 50kHz 的工作頻率。因此，為了可靠地實施多個高頻控制環(huán)路，微控制器 (MCU) 必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速高效地處理計算。

圖1：空調(diào)系統(tǒng)方框圖

用于空調(diào)系統(tǒng)的 MCU 需要多個模數(shù) (ADC) 和脈寬調(diào)制 (PWM) 通道，以靈活地與開關事件同步，并獨立采樣和控制兩個逆變器和 PFC 電路。模擬比較器和 PWM 干擾消除是電力電子保護所必需的。

根據(jù)國際電工委員會 60730 的要求，用于空調(diào)的 MCU 還將提供時鐘保護，包括兩個精度高于 1% 的片上振蕩器，以及看門狗和時鐘故障檢測電路。

具有數(shù)字交錯式 PFC、適用于空調(diào)的雙電機控制參考設計提供了單個64引腳C2000Tm TMS320F2800137 MCU的硬件和軟件示例，該 MCU 以 >97% 的效率控制壓縮機和風扇電機，具有數(shù)字交錯式 72kHz 升壓 PFC 級，提供 >96% 的電源效率（圖 2）以及諸多常見的系統(tǒng)和通信功能。

圖 2：空調(diào) PFC 轉換器參考設計的電源效率

由于優(yōu)化了旨在減少檢測 (ADC)、處理 (CPU) 和控制 (PWM) 間延遲的 C2000 實時 MCU 架構，因此僅消耗 40KB 的閃存和 30% 的中央處理單元 (CPU)。根據(jù) TI 基準測試，Arm? Cortex?-M7F MCU 需要以 240MHz 運行，才能提供與我們的 120MHz 器件相同的整體性能。

該參考設計可擴展到單電機和電機增強型 PFC 應用，具有更小的 TMS320F2800137 系列 48 或 32 引腳封裝和 64KB 至 256KB 片上非易失性閃存選項。該參考設計也可用來提高住宅空調(diào)系統(tǒng)電機到變速、變負載系統(tǒng)（從工業(yè)應用中的低壓電池供電器件到超高功耗的交流驅動器）中幾乎所有電機的效率。

智能數(shù)字電源

對于數(shù)字電源，目標是更高效地創(chuàng)造可再生能源，以及更高效地轉換和使用能源。例如，太陽能市場趨向于從集中式大功率光伏逆變器轉向分布式低功率太陽能系統(tǒng)，例如微型逆變器和功率優(yōu)化器。通常，每幾個太陽能電池板安裝一個此類微型逆變器和功率優(yōu)化器，用于在復雜的日光條件下產(chǎn)生更低的能量損失和更高的效率。當在太陽能系統(tǒng)中添加更多此類模塊級電力電子設備時，實時 MCU 需要具有低成本，但仍要足夠強大，以便對其控制下的每個太陽能電池板執(zhí)行最大功率點跟蹤。

全球范圍內(nèi)能源利用需求不斷增長，因此需要高效、緊湊和穩(wěn)定的電源。這一要求已經(jīng)給電源轉換系統(tǒng)的設計人員帶來了挑戰(zhàn)：既要提供功率密集型設計，又要滿足“尺寸足夠小但性能高”系統(tǒng)的效率和快速瞬態(tài)響應需求。此外，推動將現(xiàn)有的模擬設計數(shù)字化以提高可擴展性，也引發(fā)了對低成本、高性能實時 MCU 解決方案的需求。

全新的實時控制 MCU 系列

作為 C2000 實時 MCU 產(chǎn)品系列的新成員，TMS320F2800137 有助于降低實時技術的成本，并擴展長期的軟件兼容平臺，為模擬和數(shù)字設計人員提供低、中和高級選項。利用這個新系列，電機控制、電網(wǎng)基礎設施和工業(yè)電力應用的工程師能夠創(chuàng)建既能減少能源足跡、又能提高可再生資源利用率的產(chǎn)品。