智能控制如何降低能耗

作者：德州仪器

越来越多的企业和个人都在寻找减少能源足迹和增加使用可再生资源的方法。为了产生显著的效果，我们应该把重点放在哪些方面？

全球超过 65% 的电力用于为工业环境、商业建筑和个人住宅中的电机和电源供电。据 Our World in Data 资料显示，60% 的电力来自燃烧煤炭和天然气，只有不到 10%的电力来自可再生能源。智能变频数字电机控制则可降低 25% 以上的能耗。智能数字电源控制可以更大限度地提高太阳能和风能的生产效率，并更大限度地减少超高能耗设备的电源功耗。在本文中，我们将探讨智能控制应用的一些趋势，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。

智能电机控制

空调（图 1）是电网中的主要耗电设备。虽然具体的能效标准因地区而异，但所有设计都需要实施先进的电机控制和功率因数校正 (PFC) 算法，以达到目标额定值并满足功率因数规格。  
控制空调中的每个电机（压缩机、冷却风扇）可能需要一个以高达 20kHz 的频率运行的控制环路。另一方面，PFC 通常需要高达 50kHz 的工作频率。因此，为了可靠地实施多个高频控制环路，微控制器 (MCU) 必须能够在几乎无延迟的情况下迅速高效地处理计算。


图1：空调系统方框图

用于空调系统的 MCU 需要多个模数 (ADC) 和脉宽调制 (PWM) 通道，以灵活地与开关事件同步，并独立采样和控制两个逆变器和 PFC 电路。模拟比较器和 PWM 干扰消除是电力电子保护所必需的。

根据国际电工委员会 60730 的要求，用于空调的 MCU 还将提供时钟保护，包括两个精度高于 1% 的片上振荡器，以及看门狗和时钟故障检测电路。

具有数字交错式 PFC、适用于空调的双电机控制参考设计提供了单个64引脚C2000 TMS320F2800137 MCU的硬件和软件示例，该 MCU 以 >97% 的效率控制压缩机和风扇电机，具有数字交错式 72kHz 升压 PFC 级，提供 >96% 的电源效率（图 2）以及诸多常见的系统和通信功能。  


图 2：空调 PFC 转换器参考设计的电源效率

由于优化了旨在减少检测 (ADC)、处理 (CPU) 和控制 (PWM) 间延迟的 C2000 实时 MCU 架构，因此仅消耗 40KB 的闪存和 30% 的中央处理单元 (CPU)。根据 TI 基准测试，Arm® Cortex®-M7F MCU 需要以 240MHz 运行，才能提供与我们的 120MHz 器件相同的整体性能。  

该参考设计可扩展到单电机和电机增强型 PFC 应用，具有更小的 TMS320F2800137 系列 48 或 32 引脚封装和 64KB 至 256KB 片上非易失性闪存选项。该参考设计也可用来提高住宅空调系统电机到变速、变负载系统（从工业应用中的低压电池供电器件到超高功耗的交流驱动器）中几乎所有电机的效率。  

智能数字电源

对于数字电源，目标是更高效地创造可再生能源，以及更高效地转换和使用能源。例如，太阳能市场趋向于从集中式大功率光伏逆变器转向分布式低功率太阳能系统，例如微型逆变器和功率优化器。通常，每几个太阳能电池板安装一个此类微型逆变器和功率优化器，用于在复杂的日光条件下产生更低的能量损失和更高的效率。当在太阳能系统中添加更多此类模块级电力电子设备时，实时 MCU 需要具有低成本，但仍要足够强大，以便对其控制下的每个太阳能电池板执行最大功率点跟踪。  

全球范围内能源利用需求不断增长，因此需要高效、紧凑和稳定的电源。这一要求已经给电源转换系统的设计人员带来了挑战：既要提供功率密集型设计，又要满足“尺寸足够小但性能高”系统的效率和快速瞬态响应需求。此外，推动将现有的模拟设计数字化以提高可扩展性，也引发了对低成本、高性能实时 MCU 解决方案的需求。

全新的实时控制 MCU 系列

作为 C2000 实时 MCU 产品系列的新成员，TMS320F2800137 有助于降低实时技术的成本，并扩展长期的软件兼容平台，为模拟和数字设计人员提供低、中和高级选项。利用这个新系列，电机控制、电网基础设施和工业电力应用的工程师能够创建既能减少能源足迹、又能提高可再生资源利用率的产品。