消費者如以舊款家電換購新型節能家電時，就能省下最高200元美金。該項計劃適用的家電涵蓋冰箱、洗衣機、洗碗機、以及暖爐和空調系統等等。家電業者面臨的挑戰，在於如何提升產品效率，但不增加成本。雖然消費者會較為重視長期使用的成本，他們仍需要政府協助提供折扣價，才願進行採購。

對於節能家電的製造商而言，他們著重的是像洗衣機及洗碗機中的清洗槽、抽水幫浦，以及冰箱和室內空調用的可變速壓縮機等馬達控制功能。直到現在，仍有許多家電製造商使用單相交流馬達（如交流電感式），而這些高電壓馬達的速度控制則是靠著電壓/回數速度演算法。此類型馬達只需透過附有計時器功能的嵌入式單晶片微控制器和軟體，來驅動交流馬達的高電壓TRIAC，便可輕易地達到電子式驅動的效果。這些單相馬達的效果良好，但是改用三相式交流馬達，還可省下可觀的能源。

三相式交流馬達　節能首選

常見的三相交流馬達典型配置有久磁同步馬達（Permanent Magnet Synchronous Motors，PMSM）和無刷式直流電（BLDC）兩種，兩種都不使用電刷（亦即不會有磨損），而其整體的機械結構比起現有的通用感應式馬達亦較為簡單。一旦數量龐大時，這種特性將可降低機械式馬達成本，缺點則是電子式驅動較為複雜，因為它需要更可觀的CPU能力和繁複的數位驅動電子線路。即使如此，隨著不斷地有越來越多小型應用使用它，將可以分擔額外成本。由於三相馬達控制解決方案具備更佳的能源效益、更為可靠、壽命更長、噪音也更低，因此整體來說消費者仍能從中獲益。

《圖一　三相馬達控制拓樸圖》

三相馬達控制機通常包含3對輔助式PWMs （脈衝寬度調變）頻道，它們負責驅動一對高電壓推拉式組態（Push-Pull）的MOSFETs或是IGBT電晶體，以便推動馬達中每一相位的線圈。此外，每一相位的電流/電壓會以類比式比較器或是類比對數位轉換器測量，這種方式稱為無感應器控制，因為它完全不倚靠速度位置感應器來提供封閉控制迴圈。當相位因旋轉馬達所產生磁場、進而在未使用相位出現反電動勢，導致無法推動時，這時便可即時比較訊號，以計算速度及位置。在提升能源效益的同時，家電製造商也使用被稱為「場向量控制」的先進演算法，這是一種數學模型，可預測馬達的相位電壓及電流。以模型估算的效能會與實際測量值相比，所得出的誤差便用來校正PWM驅動。此種馬達控制方式需要高效能的CPUs，其MAC指令集需超過30MIPS。

《圖二　水量計算方式》

提升用水效率

雖然先進的馬達控制可以改善電源效率，家電製造商還有來自於消費者和法規的壓力，必須提昇用水的效率。在傳統的有水式家電設計裡，可以先啟動幫浦、再測量計算幫浦實際啟動的時間，以便算出用水量。由於家中的冷水水壓不同，因此這種方式並不精確。有水式家電的設計可以精確測出用水量，誤差不超過+/-1mm。經過比較以上兩種設計之後，其中之一使用簧片水流偵測器來測量水的流動。簧片水流偵測器非常精確，但是價位高昂。替代方案則是改用空氣柱組件連結至洗槽，以及補償式差異氣壓感應器，使氣壓的差異會與水位變動成正比。使用另一個壓力感應計來測量負載重量，以一個智慧型控制器則可減少低負載的水量，如此便可自動提升一段時間後的用水效率。

此外，家電製造商也設計出更大型的家電，以便提升能源效益，因為這樣可以靠單一壓縮機冷卻較大的空間，也可以用單一馬達控制模組驅動洗槽，符合以負載/回數所定義法規的節約效果。雖然增加洗衣機大小並不困難，機體標準尺寸仍有限制，以便安裝在廚房中。這裡的關鍵在於洗槽會非常靠近機體外殼，因此洗槽的晃動都會觸及機體，引起噪音與震動，甚至造成機體移動，浪費更多能源。家電製造商現在採用了更為複雜的演算法、以及加速計之類的智慧型感應器，偵測即將發生的晃動，並據以修正馬達驅動方式，讓洗槽正常旋轉。

長久以來家電製造商都在尋求更聰明的家電控制方式，以便提升能源效益，例如連接家電與電表。從短期來說，這樣可以讓消費者選擇合適的運作時間，充分利用供電優惠時段，從長期來說則可讓能源業者自動暫停部分設備，以便調度電網因應短期內突然高漲的需求。對於家電製造業者來說，連結的關鍵問題就是要以何為媒介？是無線（ZigBee®或<1Ghz、Wifi）、還是有線的電源線數據機（PLM）。首先，以有線式PLM來說，優點在於線路架構已經完備，可以在交流主幹線上直接進行調變。以往的PLM無法達成有效的通訊，但是如今我們已有較新的協定，雜訊過濾效果也更佳，而整合的資料協定也可以偵測及更正錯誤，讓媒介變得更為可靠、適用。

家電是達到智慧電網的基本前提

再來就是無線訊號，它也是以現有的空氣為媒介。Wifi是一項已趨成熟的協定，在已開發國家的家庭中有很高的佔有率，但是能源業者則顧慮到直接連結網際網路的安全性，因此傾向於推動獨立的家用網路，以保持隱密。由於傳遞的資料內容不是控制指令就是狀態更新，因此會考慮使用較低的頻寬來替代，因為其功率損耗較低之故。IEEE 802.15.4和ZigBee目前似乎較受歡迎，因為它們所使用的2.4Ghz網狀協定，允許在家中選擇最佳通訊路徑，同時兼具智慧卡AES-128加密所帶來的安全性。預計在未來數年中，會在家中看到所謂的「能源閘道器」，並支援Wifi、ZigBee和PLM，為消費者帶來更多選擇，並保障家電控制的安全性。

《圖三　家中智慧型電力網格》

電力公司　公用服務線路　現場服務　服務供應商　測量表

閘道器　安全感應器　雙向資料通訊　娛樂　溫度感應器　大型家電

交流或熱流幫浦

家中智慧型電力網格的連結媒介，通常會混合搭配無線及有線兩種。

主要媒介之一就是802.15.4，透過RF收發器可連結至嵌入式微控制器，以及完全相容的ZigBee平台。這些極小的平台僅需極少的零件，讓家電製造商得以將天線節點置於產品中的任何位置，甚至可以放在外部，以確保放在車庫或地下室的家電也能穩定連線。

觸控功能愈趨重要

儘管三相馬達控制及智慧網格連結性之類的特性有助於提升能源效益，家電製造廠商的下一個挑戰卻是要讓使用變得更為簡易。不同的用電優惠時段必須以簡易的方式明確告知，而在選擇不同的清洗方式時要能夠一目瞭然地比較及觀察節能效果。所有的家電製造廠商都在順應消費者趨勢，設法以新技術改進家電的使用者介面。顯示方式從以往簡陋的LED顯示燈號變成區段及圖形化的LCD，製造商可以在其中呈現家電操作及設定的動畫效果，協助消費者輕鬆了解如何完全發揮家電性能。

《圖四　觸控面板已逐漸取代傳統機械式按鈕》

使用者控制鍵盤則轉變成近接感應式無碰觸面板解決方案，利用觸碰面板類比IC為獨立裝置提供電容式觸碰感應。低成本的替代方案則以專屬的觸碰軟體套件（Touch Software Suite，TSS）程式庫，取代電容式觸碰感應元件，讓家電製造商可以將其嵌入到自己的主控用微控制器當中，以節省零件和線路板的成本。總之，嵌入式電子可協助家電製造商，讓產品變得更節能、更環保、使用更簡單、也更為安全可靠，最重要的，更便宜。