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。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。
基于Piccolo F2803x系列MCU,TI的永磁电机控制方案以低成本实现本质安全性驱动,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,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。