“双碳”、“减排”背景下的电机控制系统能效提升思考

何国祥

随着“双碳”、“减排”越来越受重视，作为耗电大户的电机控制系统应用正朝着高效化、高频化、小型化、智能化方向发展，受可靠性、可维护性、用户体验影响，BLDC（无刷直流）/PMSM（永磁同步电机）/SRM（开关磁阻电机）电机将持续替换有刷电机，市占率将进一步提升。

电机控制系统能效提升的关键在于“一升一降”，一升是指从提升电机FOC（field-oriented control，磁场导向控制）控制算法在高/中/低速的PWM（脉冲宽度调制）调制及载波频率自适应控制策略，一降是指尽可能地降低功率器件损耗以及待机功耗。电机更高效，就要求MCU（微控制器）算力更强，ADC （模数转换器）采样速度更快，集成多路轨对轨模拟运放、比较器、门级驱动。电机更智能，则要求MCU具备双核或多核，其中一個内核用于电机控制，其他内核用于深度机器学习及AI（人工智能）辨识算法，通过分析当前电机系统长时间运行电流波形数据，自适应优化电机控制参数，降低动态损耗，提升整机效率，为产品全生命周期保驾护航。

通过深度机器学习，AI辨识算法可以在一定程度上提升电机控制系统运行效率，那应该如何获取对应的样本呢？通过英飞凌AIROC Wi-Fi（无线保真）将电机控制系统连接上网，通过OPTIGA Trust M加密之后，传给电机控制系统远程AI服务器，通过对诸多样本历史数据学习及分析，给出更优的控制策略，再回传给电机控制系统，进一步优化产品全生命周期性能，同时也为客户在电机系统功能迭代设计提供相应的数据支持。

在家电应用领域，英飞凌有长达40年的变频电机控制经验，针对全直流空调、变频冰箱及冷柜、变频波轮及滚筒（BLDC/DD）洗衣机、变频吊扇及风机、高速吹风筒、扫地机器人、变频水泵等电机控制领域，提供一站式量产级方案。FOC矢量控制算法是电机控制的核心，英飞凌不仅实现了实时电机参数测量、实时电机温升检测、自适应载波控制、自适应电流启动、无定位预闭环启动、高频注入启动等电机底层控制算法，而且在系统级实现了不平衡检测、智能电子称重、不停机正反转、逆风1 000 RPM启动等特色算法。客户只需修改电机及系统保护参数，即可快速将电机运行起来，再融入个性化的产品控制逻辑策略，即可完成一个全新且可靠的产品研发，方便快速占领市场。

在工业应用领域，伺服系统的高精准度及高快速响应正好符合现代化工厂的需求，这将会促使伺服行业在未来一段时间内爆发，英飞凌XMC 7 000系列MCU、XENSIV磁传感器、电流传感器、3D TOF测距传感器将助力伺服系统能效进一步提升。

降低功率器件损耗以及待机功耗，是“一升一降”的另一半，电机变频化是实现高能效标准的重要手段，同时也提高家电的性能和使用的便利性和舒适性。变频需要功率变换，降低电机和驱动器的损耗非常重要。英飞凌一直致力于低损耗的功率半导体和解决方案的开发，把最新的IGBT技术，SiC技术应用到家电领域和工业领域的电机控制和功率因数矫正PFC。