变频空调控制器中的单片机应用技术

2006首届中国变频技术应用暨企业家论坛论文集 变颇空调控制器中的单片机应用技术 差书汉 摘要：在指出变频空调控制嚣设计的四点关键技术的基础上，给出了采用凌阳单片机SPMC75F2413A和IPM四件 PS21865A设计的空调变频控制嚣的总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ．同时碧出了硬件电路和软件程序流程图。 关键词：变频空调；控稍器；单片机应用；智能功率模块 随着我国国民经济的发展和人民物质文化生活水 平的不断提高．空调器已广泛应用于社会的各种场 合，变频空调器以其节能、低噪、恒温控制、全 天候运转、启动低频补偿、快速达到设定温度等性 能，而使空调的舒适性大大提高，从而受到人们越 来越多的喜爱。单片机技术的广泛应用，直流变频 技术及模糊控制技术在空调器嵌入式控制领域的成功 使用，以及半导体功率器件的迅速发展都为直流变 频控制的推广提供了技术保障。 本文给出的AC变频空调控制器由室内机控制 器、室外机控制器两部分组成。其中基于 SPMC75F2413A单片机设计的室9I-女dl,AC变频控制器， 很容易实现产品的模块化和智能化。其控制参数采 用开放式结构，十分便于与各种压缩机的联结，从 而能够在最短的时间内根据不同厂家的要求进行产品 的升级换代。本控制器含有以下关键技术： (1)模糊控制技术：依据室内环温、管温， 室外环温、管温、压缩机排气温度、压缩*J12t载保 护温度、压缩机电流等参数建立的模糊逻辑关系， 来控制压缩机的运转速度、室外风机以及其它负载 的运行； ’ (2)基于DDS的高效三次谐波注人式SPWM发 生技术。这种技术充分利用电源电压、精确的频率 调整、实时的电压补尝功能，来使压缩机更有效工 作； (3)模块控制保护电路：当模块有保护信号输 出时，通过硬件电路断开PWM模块输出控制信号， 以达到保护模块的效果，同时给单片机模块提供可 306 靠的保护信号； (4)EMC及可靠性设计技术：在掌握空调的 干扰机理的前提下，硬件设计应重点考虑电源电 路、滤波电路参数设计、印制板地线及信号线设计 等，并且软件采用容错技术。 1 凌阳单片机SPMC75F2413A特性简介 在基于智能功率模组芯片Ps21865A和 sPMc75F2413A实现的AC变频空调方案中，凌阳 SPMC75F2413A是凌阳科技新推出的一个16位结构的 微控制器。与其它仙’nSP?产品不同的是，SPMC75F24 13A主要应用在工控或家电的变频驱动领域。由于其 拥有出色性能定时器PWM信号发生器组。因此， SPMC75F2413A可以方便的实现各种电机驱动方案。 sPMc75砣413A在45v巧-5v工作电压范围内的工 作速度范围为0--24MHz，拥有2K字SRAM和32K字 闪存ROM；64个可编程的多功能I／0端口；5个通 用16位定时器，计数器，且每个定时器均有PWM发 生的事件捕获功能；2个专用于定时可编程周期定时 器；可编程看门狗；低电压复位／监测功能；8通 道10位模一数转换。SPMC75F2413A在变频控制领域 有相当优秀的表现。 凌阳公司的16位IJ-’n辨处理器sPMc7趼2413A的 主要特性包括： 内核工作电压：4．5V一5．5V； 最高运行速度：24MHz； 工作温度：一40℃一85℃； 芯片内含32KB(32K×16)Flash和一2KB(2K× 2006首届中国变额技术应用匿企业家论坛论文集 16)SRAM； 有基于时钟发生模块的锁相环电路； 有看门狗定时器； 具有1啦模，数转换器，并具有8输入通道和10us (100kHz)转换时间； 有串行通讯接口，包括通用异步串行通讯接口 fuART)和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 同步串行口(sPn 总计有64个通用输入输出管脚； 有Wait／Standby2种低功耗电源管理模式； 每个外设都可以独立供电； 有两个比较匹配定时器和5个16位通用定时器， 其中两个2个用于脉宽调制．2个用于速度捕获，1 个用于速度反馈环。在这些定时器中，MCP定时器 3支持T103A—T103F，MCP定时器4支持T104A— T104F。而脉宽调制定时器则支持递增／递减计数， PDC定时器0／1均支持3通道的TIOOA—TIOOC输^捕 获，TPM定时器2支持捕获，脉宽调制； 具有12个16位脉宽调制输出，包括2通道的电 机驱动脉宽调制输出【互补的3相6路脉宽调制输出)。 其中T103A一1103F利用MCP定时器3工作，T104A— T104F利用MCP定时器4工作； 采用中一b(center)或边沿抽d时脉宽调制输出，并 可通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护； 可编程的死区控制(Deadtimecontr01)可控制脉宽 调制服务和错误中断发生； 具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的能力； 内嵌在线仿真功能。 2系统总体设计方案 本AC变频空调系统分室内机 系统和室外机系统两部分，其中 室内机系统主要是对系统—当墅辑 状态信息的处理，而室外机系统 主要是压缩机的变频驱动部分。 在本系统方案中室内机选用的是 SPCE061A实现的．SPMc75n413A 主要是应用在变频驱动部分。因 H、fDD310V C∞U CmV CmW HGND 周l室外机系统框图 图如图l所示。 事实上，室外机的主控MCU(SPMC75F2413A) 用于随时接收来自室内机的控制和状态信息，从而 控制室外的风机、四通阀和压缩机，以完成相应的 控制功能。同时还可将室外机的一些状态和室外的 一些温度信息传回室内机。以供室内机做控制之 用。 3系统硬件设计 系统电路原理图如图2所示。其中PS21865A三 相功率全桥电路模块用采实现PWM信号的功率合 成，以便驱动压缩机。ULN2003A是集电极开路输出 的功率反向器，主要用来驱动系统中的继电器，从 而控制风机和电磁阀。而SPMC75F2413A单片机的主 要作用是根据室内机的命令来控制整个系统。同时 实现AC变频压缩机的变频驱动信号产生和控制功 能。 图2中的Power_Line是一种半双工的电流环变 此室内机系统在此不再详述。室外机的电路结构框 图2 系统电路原理图 蔓艇权乖座霸 hwI畸1E蛔Iogb_Ⅲ^卵Ii_蛔 307 2006首届中国变频技术应用暨企业家论坛论文集 换电路，它主要是利用电源和一条专用的通信线， 使室内外构成一个电流环，电流环由室内机供电。 这个电路可为室内外机提供一条通信回路。 SPMC75F2413A合成的注人三次谐波的SPWM信号 经IOB0—5输出，经缓冲和光隔后输人PS21865A． 而后输出以控制电机。 sPMc75砣413A的IOB6是链}误侦测输入端，通 过对其传回信号的检测，可在PS21865AI作出现异 常(如过压、欠压、过流、过热)时，驱动硬 件以立即禁止PS21865A工作，同时申请中断，并 请求CPU处理。IOA0—3为模拟输人口，主要是温 度传感器接口和直流高压测量接口。IOC8—10为控 制四通阀和外风机的控制。 4系统软件设计 整个室外机系统软件主要包括两部分，一是同 室内机通信、协调控制部分；二是外机的压缩机驱 动控制部分。 系统的室内机通信、协调控制部分主要包括串 口中断服务和命令解释执行和主循环控制等几部分。 其中主控制流程如图3所示。串口中断服务主要是 图3 主流程图 接收来自室内机的数据包。并对相应的信息进行处 理，以确保传给控制程序的命令和数据的正确性； 命令解释执行部分主要是解读室内机命令，并进行 相应的处理。 308 压缩机驱动控制部分分为SPWM信号合成、电 机加减速控制、电机的起停服务等几部分。其中最 核心的是SPWM信号的合成。本系统的波形合成使 用DDS(直接数字频率合成)的方式进行。这部 分主要由PWMJ哥期表中断眼务和相应的辅助计算程 序组成。其中PWM周期中断服务是信号合成的核心 部分，整个系统中它占用70％左右的运算量。它主 要完成驱动波形的合成和干线电压的动态补尝功能， 同时周期中断为DDS提供时钟基准；而加减速控制 部分主要跟踪设置频率，从而使当前工作频率以设 定的加速度向目标工作频率逼近；电机的起停服务 主要是对电机启动和停止这两个特粥立程进行特殊处 理。 由于PWM周期中断服务程序执行频率很高 (5kHz左右)，因此这部分使用汇编语言编写，以 保证尽量小的CPU资源占用。PWM中断服务子程序 图4 P州中断服务子程序流程围 的流程如图4所示。 5结论 通常，在开发变频设备的过程中，一般都需要 编写实时性、程序可读性强的代码，这时就需要采 走糖挑书j硐 hwf时hd∞‘oghd^弹1日-岫 (下特苹303页) 2006首届中国变颁技术应用暨企业家论坛论文集 的变化对主被控变量的影响大为降低，还可使操纵 变量得到更精确的调节。 取水泵房串级控制系统设计中，关键在于选好 副被控变量；首先，副被控变量与主被控变量应有 直接的因果联系。其次。副被控变量应能受到主要 扰动的影响，并有所反映；再次，副被控变量应 处于整个对象的中间点，主、副对象要适当分割。 选取清水池进水流量作为副被控变量既是根据调度员 工手动控制的实践，又是根据串级控制系统理论得 出的。在主、副控制器的控制规律选择上，主控 制器应该选用PI、PID或其他特殊的控制规律，副 控制器一般选用P或PI为宜。因为副控制器的控制 目标是使主被控变量平稳，对副被控变量的过度过 程品质并没有严格的要求，只是要求过度过程快一 点，在保持稳定的条件上控制作用适当的强一些。 一般，副控制器选用比例控制规律已经可以合格。 5结论 在现代自动化水厂中，为了满足工艺要求，平 滑调节进水流量及出水压力，一般都采用了变频调 速代替老式用阀门进行调节。变频调速可以降低电 耗，还可实现取水泵房、送水泵房的自动控制，无 人值守，进行安全、优质、高效、低耗供水．推 动了供水技术前进。还有一点要指出的是，水泵站 的变频调速是整个监控系统的一个重要的设备之一， 它的通讯功能必须接受网络监控的性能，除了接受 水泵站的监控，也要接受监控总中心的监控，必须 具有远程I／O接口。 特别要指出的是变频调速不是单一进行的。与 整个水厂工艺流程，乃至整个城市的供水优化调度 有不可分割的流程监控关系。采用西门子自动化技 术，采用西门子GlSO及sIM0vERTMVINTIA装 置．可以做到三个在网络上的监控统一：一是统一 编程，将驱动工具集成到SIMATIC管理器中。通过 SIMATIC，可统～网上任何点上的计算机界面和操 作环境；二是统一数据储存管理；三是统一通讯方 式。 在变频器的电压选择中。小于500kW的水泵机 组要尽量选用低压等级的变频器，500kW至1000kW 的水泵机组可选用690V的三电平变频器，大于 800kW以上的水泵机组可选用2．3／3．3／4．16／6．0／6．6kV 等系列的变频器，不同电压等级的西门子电动机在 国内已能组装生产，客户没有后顾之忧。就是中压 型的变频器，也要尽量选用耐压等级高的高可靠性 的中压IGBT元件，sIEMENs，EuPEc生产的中压 IGBT的功率半导体是全球最优的元件之一，用来组 建整流侧和逆变侧的直流回路，无需限流电控器， 具有短路保护，触发器数目很少，无缓冲，吸收电 路，模块化结构紧凑，维修方便，可靠性更高， 希望西门子等公司推出价格比更高，更符合中国国 情的变频装置。 (上接第308贾) 用混合编程。而凌阳的'nSP?IDE具有良好的编程环因其有专业的变频硬件支持，变频系统开发变得相 境，它可以很轻松、容易地进行混合编程(在c程 对简单。同时，SPMC75F2413A在变频控制方面有相 序中调用汇编程序，在汇编程序中调用c程序)。 当出众的表现。因此，基于SPMC75F2413A的变频 该系统使用了SPMC75F2413A两个定时器和约17系统在通用变频、变频家电等变频领域具有广阔的 个Io口资源，其实SPMC75F2413A的资源相当丰富。应用前景。 吏藏辍乖启阐 tam阿'r,ema,,smtad^H■_如。 303 变频空调控制器中的单片机应用技术 作者： 姜书汉 作者单位： 相似文献(10条) 1.学位论文 曹勇 智能变频空调控制器的研究 2001 该课题研究新型的智能变频空调控制器,它以模糊控制和PWM脉宽调制技术为理论基础,以专用SPWM波微处理器80C196MC、IPM智能功率模块和新型的 数字化温度传感器为物理核心,并拥有完整的保护机能和故障自诊断功能.该文分析了模糊控制器的基本结构、原理及设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,根据建立模糊控制规则的 基本思想及实际运行经验,确定了较为合理的模糊控制规则,采用Mamdani模糊运算方法得出不同情况下室外变频压缩机制供电频率.该文对单片机控制核 心80C196MC作了重点研究,利用该处理器实现了空调器的多种功能.在空调器室外机组控制系统中重点研究了SPWM波形生成原理及面积等效算法,给出开关 导通时间 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,并根据此公式相应计算出模糊控制器输出频率下的计数时间及计数器比较寄存器值. 2.期刊论文 余仕求.YU Shi-qiu 交流变频空调控制器室外单元电路设计 -长江大学学报（自然科学版）2004,1(2) 根据交流变频空调的结构特点,应用三相正弦脉宽调制(SPWM)变频调速原理,提出了交流变频空调变频器的设计要点,给出了控制器室外单元电路的设 计方法.应用该设计方案,实际运行良好. 3.期刊论文 宋海龙.于泳.张东来.徐殿国 单片机在智能变频空调控制器中的应用 -微型机与应用2001,20(10) 利用Fijitsu单片机作为变频空调控制器核心部件的硬件方案,给出了程序的流程框图. 4.会议论文 王斌 模块化直流全兼容空调控制器应用研究 2003 直流变频空调因其高效低噪,舒适节能成为高科技空调的代表,为空调未来的发展方向。我们根据市场的需要对直流变频空调控制器的模块化与兼容 性进行了研究,主要内容包括:直流变频空调控制器的模块化原则、模块的功能分配及兼容性设计;直流压缩机的逆变驱动;系统的抗干扰设计;室内与室外 控制器的通讯。 5.期刊论文 刘春玲.曹勇.王艳秋 一种高性能的变频空调控制器 -辽宁工学院学报(自然科学版)2004,24(2) 分析了变频空调的控制原理及控制核心Intel8XC196MC,利用其丰富的控制功能具体实现了变频空调的室内机组和室外机组,使其拥有完整的保护和故 障自诊断功能,同时给出了SPWM算法和波形. 6.学位论文 刘晶 新型智能变频空调控制器的研究 2005 随着生活水平的提高，人们对生活环境及其质量的要求日益提高，空调器近年来已经成为消费热点。传统的定频空调有舒适度差，不节能，对电网 冲击大等弊病，变频空调器恰恰可以避免这些缺点，成为空调器发展的方向。国内变频空调器则是刚刚发展起来，技术还不成熟。本文对变频空调器的 控制器的软硬件进行了研究和探讨，设计出了一套变频空调控制器。 尽管国外的家用电器领域已经普遍使用了模糊控制策略，但是目前在国内家 用电器行列中还很少应用此控制策略。由于空调器系统是一个多干扰、参数强耦合、工况多变化、惯性大的非线性系统，难于建立实用的控制模型，传 统的PID控制很难解决这样的问题。本文针对这一控制对象，设计出了利用单片机容易实现的模糊控制器，实现了智能控制，达到了实用的要求，获得了 很好的效果。 电和磁是相互关联的。每一台电子设备都不可避免电磁兼容问题。因此，为了使电子设备可靠运行，必须研究电磁兼容技术。电磁 兼容性能已经成为衡量家用电器产品质量的重要指标。为了提高电子设备的电磁兼容能力，必须从开始设计时就给予电磁兼容性以足够的重视。本文在 硬件选择、印刷电路板等各方面进行了设计，使电磁兼容性达到了设计要求。 硬件电路的可靠是很重要的，也是空调控制器的一大难点。本文对 变频器硬件的方案进行了比较、选择，同时采用了电压空间矢量PWM控制方式，并推导出其开关波形，在压缩机上实现了这种控制方式。由于在变频器工 作过程中，必须保证恒压频比控制，因此变频器必须带有高精度的电压检测电路，本文利用简单的芯片实现了对直流母线电压的精确检测。开关电源在 整个电路中担任控制电源的作用，其输出电压的稳定性直接影响着单片机工作的可靠性。本文总结了电流控制型开关电源较传统的电压控制型开关电源 的优点，并设计了可靠的电流控制型开关电源。 目前国外有许多大的公司都生产专用于空调的单片机，这种单片机的使用使得空调控制器外围电 路变得简单，同时也把主要工作放在了软件的编制上。为获得良好的控制性能，本文对内、外机资源进行了合理的分配，并根据内、外机需要实现的功 能给出了主要部分也是难点部分的软件流程框图，通过试验验证了其实用性和可靠性。 7.学位论文 单翌阳 基于新型模糊控制器的变频空调控制器的研究 2002 该文作者结合当今世界上变频空调领域的先进技术,设计出一套新型的智能变频空调控制器,系统经标准测试,各项技术性能基本合格,证明所设计的 变频空调控制器具有一定的推广价值.模糊控制技术近年来在空调控制方面已有一定的应用,作为其核心部分的模糊控制规则根据专家经验事先确定,控制 过程中多数不可调整,其缺点是控制过程中易出现被控参数超调、波动大的问题.该文根据空调系统的工作特性,设计了控制规则可以连续自动进行在线调 整的新型模糊控制器,实验证明该控制器不仅结构简单,运算量小,而且还具有响应速度快、超调量小、稳定性好的优点.选用先进的数字信号处理器,电机 控制专用DSP芯片,其强大的功能为空调器控制提供了最佳的开发平台.该文以DSP芯片为控制核心,运用电压空间矢量PWM调制方法对压缩机实现连续控制 ,与传统的SPWM控制相比,前者提高了直流母线电压利用率,降低了谐波含量.智能功率模块IPM的使用,提高了可靠性,改善了系统性能.根据空调系统的控 制需要,设计了纹波小,瞬态响应好的开关电源;为避免电网电压波动影响系统的恒压频比控制特性,设计了简洁有效的电压检测电路,其良好的线性度可以 确保压缩机的控制性能.软件设计的主体包括内机控制程序、外机控制程序及两者的通讯部分,该文给出了主要程序的流程框图. 8.会议论文 邹美娟.杨贵杰.张平化 基于SMO的PMSM变频空调控制器研究 2008 设计了一种基于滑模观测器(SMO)的永磁同步电动机变频空调驱动控制器。设计了SMO用于电机的角度估算，并推导了其理论模型。使用饱和函数代 替传统的开关函数，有效地削弱了滑模变结构控制引起的抖振。采用两段式起动技术，解决了无位置传感器的低速起动问题.最后通过实验验证了所设计 的变频空调器控制系统原理上的正确性和可行性。 9.学位论文 袁亚丽 变频空调控制器智能测试系统的开发研究 2004 当前空调器发展的趋势是节能、环保、智能控制.变频空调器以其卓越的节能性、良好的舒适性、高精度的温度控制等优点引起了国内外学术界和制 冷行业界的高度重视,同时也迎合了消费者对生活和工作环境舒适性的更高要求.在变频空调器器的研究和开发过程中,变频控制器控制性能的好坏、与空 调器配合的情况成为国内空调器厂与控制器厂共同关心的问题.该文在对变频控制器功能深入研究的前提下,针对变频控制器的性能开发出一种集测试、 分析、 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 等功能于一身的智能测试系统,设计制作了样机,并进行了实验验证.该文首先对变频空调器控制器的控制功能进行了深入研究,并分析了控制 器的监测参数、控制参数对空调器性能的影响.在此基础上提出智能测试系统的总体设计思路,并进行可行性分析论证.之后,对智能测试系统具体的软硬 件设计提出设计要求和规范,开发了用于模拟空调系统运行的数据库,并通过实验和计算的方法获得测试系统需要的所有数据.最后在电控专业人员的协助 下完成了测试系统的初步样机,并通过实验验证了智能测试系统设计思路的可行性.该文开发的智能测试系统对国内变频控制技术的发展和空调器行业发 展有着重大的现实意义.由于该测试系统的设想立足于空调行业的实际需要,所以该智能测试系统具有广阔的应用前景. 10.学位论文 李晓英 移动式空调变频控制系统研究 2009 变频空调以其舒适、节能、控温精度高等优越性正在获得越来越广泛的应用，研究高性能的变频空调控制器已经成为一个重要课题。本文所研究的 移动式变频空调面向由移动电站供电的通讯局站、石油钻机电控室、军事指挥所等特殊场所，此类应用场合中的变频空调控制系统的研究对于改善作业 环境、提高工作效率有着积极意义。 空调压缩机作为变频空调的核心部分，其驱动电机的控制性能好坏决定着整个变频空调系统的性能优劣。本 文主要研究移动式空调压缩机驱动电机的变频控制系统主电路及其控制策略。 移动电站属于小容量独立电网，对谐波抑制要求较高。鉴于移动电 站的这一特点，本文将PWM整流电路引入到空调变频器中。本文首先从原理上分析了三相三电平电压源型PWM整流器的拓扑结构，深入研究了PWM整流器的 电流控制策略。仿真结果表明三电平PWM整流器有效降低了网侧谐波畸变率，提高了电网功率因数。 空调变频器主电路采用整流部分和逆变部分均 为三电平的对称结构，在PWM控制策略上一致采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术。本文系统分析了二电平空间电压矢量控制的基本原理和一般调 制策略，研究了一种减小开关损耗的三电平变流器的SVPWM调制方法。 针对恒压频比控制方式下压缩电机低频运行时转速波动大的问题，本文将无 速度传感器矢量控制方法应用于变频空调控制系统，通过磁链观测与转速估计实现系统的闭环控制，仿真验证了该控制方法应用于空调变频控制系统具 有较好的静、动态性能。 在上述工作的基础上，本文以16位数字信号控制器dsPIC30F6010A芯片作为控制核心，完成了控制电路的软硬件设计。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6374903.aspx 下载时间：2010年1月10日