根据美国能源部（DOE）的规定，HVAC系统的能源效率，在2006年1月前，季节能源效率比（Seasonal Energy Efficiency Ratio；SEER）必须达到13。此一13 SEER效率比的标准，促使HVAC系统的耗电必须减少30％，如此一来尖峰耗电量可降至现在的70％。

每个冷暖空调设备系统，最少必须使用两个由电力驱动的马达。其中一个用于压缩机的控制，另一个负责为服务区域吹送冷暖空气。以往这些马达的开启与关闭，都是以实际温度偏离设定温度来当作触发条件，并于恒温器本身设定一组滞后设定。这些马达在冷暖空调设备系统的耗电中，占有极大的比重。

不像以往马达的「立即开启」与「立即关闭」模式，以电子组件妥善控制马达的速度，能大幅提升HVAC系统的能源效率，以符合甚至超越13 SEER标准。

半导体技术的演进，让业者开发出各种微控制器与电力电子切换器，能用来轻易建构可变速的马达驱动器。包括像8位PIC18F2431微控制器系列，以及16位dsPIC30F2010数字讯号控制器系列，皆拥有许多马达控制的周边组件，包括用来驱动多相马达的专属PWM、支持实时系统监控的高速ADC，以及支持封闭回路应用的正交编码器接口。本文将介绍电力驱动马达控制技术如何协助OEM厂商，运用马达驱动的专用控制器，达到13 SEER的规范。

什么是 13 SEER？

每部HVAC系统都有一个能源比，名为季节能源效率比（Seasonal Energy Efficiency Ratio；SEER）。就技术定义而言，SEER是系统在正常年度使用期间的总冷却输出（单位为British Thermal Units或BTU），除以同时期内的消耗能源总量（单位为瓦特-小时），当SEER效率比越高的时候，代表设备耗用的电力较少，效率却较高。

从1992年开始，HVAC系统的最低效率标准就定为10 SEER。13 SEER的效率比12 SEER单元（过渡标准）高出8％，比10 SEER高出30％。

HVAC系统中最耗电的组件?

每个HVAC系统中都有一个冷却用的压缩机、一个电热组件，以及一个气流处理系统，将暖气或冷气送到欲调节的区域。压缩机和气流处理机，各自有至少一个马达，这些马达消耗的电力占去相当大的比例。另外，也根据系统的尺寸，决定采用一个单相或三相的感应马达，用来支持压缩机控制与气流循环功能。

为马达配置电子式速度控制组件，能大幅节省耗电量。根据Affinity定律，降低流体系统中的马达速度，例如压缩机马达，省电的效果以三次方的比例增加。速度减少20％，系统的耗电量可降低48％。电子式马达控制还有额外的优点，像是速度的变化较为顺畅，降低噪音、以及增加系统寿命。在压缩机和气流循环组件中设置可变速马达控制组件，能让耗电量节省30％以上，符合13 SEER的规范。

《图一 On-Off控制与可变速控制》

如(图一)显示一组范例温度Ts，比较其运作模式。在On-Off控制情况下，当温度落在图标的范围时，马达就会被开启或关闭。而透过可变速控制功能，马达进行缓启动，当实际温度向设定温度移动时，速度就会降低。即使在使用可变速控制组件后，必须花更长的时间让目标区域的温度降低，但平均耗电量会降低很多。曲线可加以修改，以让马达在全速模式下运转，进行初期的降温，然后再视需要降低速度。运用可变速控制组件，温度范围比采用on-off控制技术的系统更加紧缩。结果让温度变化范围缩小，为最终用户提供更舒适的应用。

以下章节介绍HVAC马达系统的组件与功能特色，以及微控制器接口。

速度控制理论

感应马达在定子（stator）和鼠笼式转子上有线圈。其运作是依据定子（stator）和转子的磁通量。感应马达的速度，和电源频率以及定子产生的磁极的数量成正比，其关系如(公式一)。

速度= 120 × 频率 / 磁极

马达磁极的数量在设计时就已决定，在开始制造后就不能改变。马达的速度可透过改变频率来控制。为避免因频率变化导致磁通量饱和，电源电压亦须进行等比例的改变。简而言之，为改变马达的速度，需利用一个可变电压、可变频率的电源供应器，让V/F比值维持固定。

可调式电源供应器可由以下运作方式得到：

●首先，利用一个单相二极管桥式整流器，将交流电转换成直流电；

●利用电容组，过滤电压涟波；

●将这个直流电压转换成可变电压与可变频率，馈送到马达。运用脉冲宽调变（PWM），直流总线进行调变，从变频网桥输出正弦波电压。

《图二 用来控制感应马达的系统方块图》

硬件方块图

输入转换器部份

这个部份的主要组件，是一个输入桥式整流器，将来自插座的交流电压转换成直流电压。可按实际需要，系统中可加入抑制EMI电磁干扰的组件。一般是利用一个NTC电阻来保护涌浪电流。氧化金属变阻器（metal-oxide variaster；MOV）用来抑制高电压突波。在双极网桥的输出端，利用一个电容组来抑制直流涟波。

输出变频器部份

输出部份有一个电压源变频器。每个相有两个电源切换器，每个切换器链接至飞轮二极管。马达绕线链接至切换器的中心。「输入转换器区块」输出的直流电压进行合成，使用这个输出变频器得到可变电压与频率的电源，用来控制马达。

控制与侦测部份

微控制器（例如PIC MCU）或数字讯号控制器（例如dsPIC DSC）是整个系统的大脑。通常，马达控制应用使用的控制器，拥有专属的周边，像是马达控制PWM、高速模拟至数字转换器（ADC）、以及侦测接脚。Microchip的PIC18F2431 与dsPIC30F2010 都内建了这些功能，以降低成本、占用的机板空间、以及组件数量。

微控制器接口

运用微控制器的专业化芯片内建周边组件，让业者更容易建置控制算法。(图三)显示一个范例，是PIC18F2431或dsPIC30F2010的硬件接口。

ADC信道用来量测马达电流、马达温度和散热片温度（链接至电源切换器）。额外的ADC信道可用在HVAC，用来量测不同区域的温度，如图三所示。

《图三 微控制器接口范例》

通用输入与输出（I/O）用来连接开关与LCD或LED屏幕。这让系统能使用单一控制器来控制马达与恒温设定。包括串行端口、I2C或SPI链接埠等接口用来链接HVAC控制板与其他机板，或链接至计算机。这些端口可让服务人员用来进行系统调校，侦测或分析各种错误。

错误与侦测接口包括数个具特殊功能的输入线，像是当系统发生严重故障时能关闭PWM。例如，累积的灰尘或线头积在鼓风机，会让风扇叶片无法转动。这种堵塞现象，可透过马达控制系统电流过高来侦测出。运用各种侦测功能，这类故障可记录与/或显示在LCD屏幕，或着传送到负责故障排除人员的PC。这种功能通常可避免故障或降低产品的停机时间，进而降低服务成本。

PWM是控制马达的主要周边组件。利用上述的输入，微控制器的马达控制算法，会分析PWM的工作周期以及输出模式。PWM最宝贵的功能，是具备互补输出并有可程序化的短路防止时间（dead time）。PWM可边缘对齐或置中对齐。置中对齐的PWM，其优点是降低HVAC控制系统发出的电磁干扰（EMI）。

结论

PWM是控制马达的主要周边组件。利用上述的输入，微控制器的马达控制算法，会分析PWM的工作周期以及输出模式。PWM最宝贵的功能，是具备互补输出并有可程序化的短路防止时间（dead time）。PWM可边缘对齐或置中对齐。置中对齐的PWM，其优点是降低HVAC控制系统发出的电磁干扰（EMI）。

根据美国能源部（DOE）的规范，HVAC系统的省电效率，在2006年1月之前，必须符合13 SEER的规定。控制马达速度的电子组件，能大幅增进HVAC系统的能源效率，符合甚至超越13 SEER标准。像8位PIC18F2431微控制器系列，以及16位dsPIC30F2010数字讯号控制器系列，都有许多内建于芯片的周边组件，能大幅简化电子式马达控制的设计，协助OEM厂商达到13 SEER的规范。