智能控制如何降低能耗

越來(lái)越多的企業(yè)和個(gè)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(zhù)的效果，我們應該把重點(diǎn)放在哪些方面？

全球超過(guò) 65% 的電力用于為工業(yè)環(huán)境、商業(yè)建筑和個(gè)人住宅中的電機和電源供電。據 Our World in Data 資料顯示，60% 的電力來(lái)自燃燒煤炭和天然氣，只有不到 10%的電力來(lái)自可再生能源。智能變頻數字電機控制則可降低 25% 以上的能耗。智能數字電源控制可以更大限度地提高太陽(yáng)能和風(fēng)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（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而異，但所有設計都需要實(shí)施先進(jìn)的電機控制和功率因數校正 (PFC) 算法，以達到目標額定值并滿(mǎn)足功率因數規格。  

控制空調中的每個(gè)電機（壓縮機、冷卻風(fēng)扇）可能需要一個(gè)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(shí)施多個(gè)高頻控制環(huán)路，微控制器 (MCU) 必須能夠在幾乎無(wú)延遲的情況下迅速高效地處理計算。

圖1：空調系統方框圖

用于空調系統的 MCU 需要多個(gè)模數 (ADC) 和脈寬調制 (PWM) 通道，以靈活地與開(kāi)關(guān)事件同步，并獨立采樣和控制兩個(gè)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。

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

具有數字交錯式 PFC、適用于空調的雙電機控制參考設計提供了單個(gè)64引腳C2000? TMS320F2800137 MCU的硬件和軟件示例，該 MCU 以 >97% 的效率控制壓縮機和風(fēng)扇電機，具有數字交錯式 72kHz 升壓 PFC 級，提供 >96% 的電源效率（圖 2）以及諸多常見(jiàn)的系統和通信功能。  

圖 2：空調 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(shí)時(shí) MCU 架構，因此僅消耗 40KB 的閃存和 30% 的中央處理單元 (CPU)。根據 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(lái)提高住宅空調系統電機到變速、變負載系統（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(dòng)器）中幾乎所有電機的效率。  

智能數字電源

對于數字電源，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(yáng)能市場(chǎng)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(yáng)能系統，例如微型逆變器和功率優(yōu)化器。通常，每幾個(gè)太陽(yáng)能電池板安裝一個(gè)此類(lèi)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(yáng)能系統中添加更多此類(lèi)模塊級電力電子設備時(shí)，實(shí)時(shí) 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(gè)太陽(yáng)能電池板執行最大功率點(diǎn)跟蹤。  

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

全新的實(shí)時(shí)控制 MCU 系列

作為 C2000 實(shí)時(shí) MCU 產(chǎn)品系列的新成員，TMS320F2800137 有助于降低實(shí)時(shí)技術(shù)的成本，并擴展長(cháng)期的軟件兼容平臺，為模擬和數字設計人員提供低、中和高級選項。利用這個(gè)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。