“雙碳”、“減排”背景下的電機控制系統能效提升思考

何國祥

隨著“雙碳”、“減排”越來越受重視，作為耗電大戶的電機控制系統應用正朝著高效化、高頻化、小型化、智能化方向發展，受可靠性、可維護性、用戶體驗影響，BLDC（無刷直流）/PMSM（永磁同步電機）/SRM（開關磁阻電機）電機將持續替換有刷電機，市占率將進一步提升。

電機控制系統能效提升的關鍵在于“一升一降”，一升是指從提升電機FOC（field-oriented control，磁場導向控制）控制算法在高/中/低速的PWM（脈沖寬度調制）調制及載波頻率自適應控制策略，一降是指盡可能地降低功率器件損耗以及待機功耗。電機更高效，就要求MCU（微控制器）算力更強，ADC （模數轉換器）采樣速度更快，集成多路軌對軌模擬運放、比較器、門級驅動。電機更智能，則要求MCU具備雙核或多核，其中一個內核用于電機控制，其他內核用于深度機器學習及AI（人工智能）辨識算法，通過分析當前電機系統長時間運行電流波形數據，自適應優化電機控制參數，降低動態損耗，提升整機效率，為產品全生命周期保駕護航。

通過深度機器學習，AI辨識算法可以在一定程度上提升電機控制系統運行效率，那應該如何獲取對應的樣本呢？通過英飛凌AIROC Wi-Fi（無線保真）將電機控制系統連接上網，通過OPTIGA Trust M加密之后，傳給電機控制系統遠程AI服務器，通過對諸多樣本歷史數據學習及分析，給出更優的控制策略，再回傳給電機控制系統，進一步優化產品全生命周期性能，同時也為客戶在電機系統功能迭代設計提供相應的數據支持。

在家電應用領域，英飛凌有長達40年的變頻電機控制經驗，針對全直流空調、變頻冰箱及冷柜、變頻波輪及滾筒（BLDC/DD）洗衣機、變頻吊扇及風機、高速吹風筒、掃地機器人、變頻水泵等電機控制領域，提供一站式量產級方案。FOC矢量控制算法是電機控制的核心，英飛凌不僅實現了實時電機參數測量、實時電機溫升檢測、自適應載波控制、自適應電流啟動、無定位預閉環啟動、高頻注入啟動等電機底層控制算法，而且在系統級實現了不平衡檢測、智能電子稱重、不停機正反轉、逆風1 000 RPM啟動等特色算法?？蛻糁恍栊薷碾姍C及系統保護參數，即可快速將電機運行起來，再融入個性化的產品控制邏輯策略，即可完成一個全新且可靠的產品研發，方便快速占領市場。

在工業應用領域，伺服系統的高精準度及高快速響應正好符合現代化工廠的需求，這將會促使伺服行業在未來一段時間內爆發，英飛凌XMC 7 000系列MCU、XENSIV磁傳感器、電流傳感器、3D TOF測距傳感器將助力伺服系統能效進一步提升。

降低功率器件損耗以及待機功耗，是“一升一降”的另一半，電機變頻化是實現高能效標準的重要手段，同時也提高家電的性能和使用的便利性和舒適性。變頻需要功率變換，降低電機和驅動器的損耗非常重要。英飛凌一直致力于低損耗的功率半導體和解決方案的開發，把最新的IGBT技術，SiC技術應用到家電領域和工業領域的電機控制和功率因數矯正PFC。