变频技术的空调控制系统

变频技术的空调控制系统 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 基于变频技术的空调控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 [摘要] 随着世界范围内能源危机的到来，各国政府都在积极地推广节能降耗技术作为家庭 用电的主要设备，传统空调器由于其运行效率低下正在逐渐退出市场，新一代的变频空调器 以其高效、节能和舒适性好等优点成为今后的发展趋势。我国的变频空调器生产技术始于20 世纪90年代初，至今还很不成熟。 全直流变频空调是家用空调产品的未来发展方向。无刷直流压缩机具有体积小、效率高 的特点，并且有效地提高了空调整机的能效比，降低震动和噪音。无刷直流电机采用无位置 传感器技术后，克服了外置式位置传感器的诸多弊病，在家用空调上无刷直流电机的无位置 传感器控制具有较大的现实意义和广阔的市场前景。 本文介绍了变频调速技术的原理，并对变频器的结构以及工作原理进行了的阐述，在此 基础上研究了变频技术在空调上的应用，重点对直流变频空调的控制系统进行了研究设计， 在系统分析基础上设计了空调室内机和室外机部分的硬件系统。 [关键词] 变频调速 空调 PWM控制 风机 毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 Design of Air-conditioning Control System Based on Frequency Technology [Abstract] With the arrival of the energy source crisis worldwide, governments in many countries have been promoting the energy saving techniques positively. As the main energy consuming equipment in family, traditional air conditioners are withdrawing from the market gradually because of its low efficiency. Thanks to the advantages of high efficiency, energy saving and more comfort, new generations of the variable frequency air conditioner have become the developing trend from now on. The manufacturing technique of the variable frequency air conditioner in our country, started from early 1990's, is still immature up to now. Combining the advanced technology in this field, the author has designed an intelligent variable frequency air conditioner controller. Variable frequency air conditioner is the future of household air condition. Permanent magnet brushless DC compressor has found wide applications due to their high efficiency and the convenient way of control. Generally speaking, the drive of brushless DC motor requires a position sensor to offer proper commutation to the controller. The application of completely sealed compressor can not adapt to the sensor because of its low reliability at high temperature. The technique of sensor drive for brushless DC motor is now receiving public attention. This paper introduces the principle of VVVF technology, and inverter structure, classification and working principle described in detail, Based on this study the frequency conversion technology in home air-conditioning applications, with an emphasis on the control of DC inverter air conditioning system design research, design analysis based on air-conditioned indoor and outdoor part of the hardware system. [Keywords] VVVF Air-conditioning PWM control Fans 毕业论文 目 录 前 言 .................................................................................................................................................. 1 第一章 绪 论 ...................................................................................................................................... 2 1.1变频空调器的国内外现状 ..................................................................................................... 2 1.2变频空调的发展 ..................................................................................................................... 2 1.3课题来源及主要研究内容 ..................................................................................................... 3 第二章 变频调速技术原理 ................................................................................................................ 5 2.1 变频技术概述 ........................................................................................................................ 5 2.2 变频器的分类 ........................................................................................................................ 5 2.2.1 交-交变频 .................................................................................................................... 5 2.2.2 交-直-交变频 ............................................................................................................... 5 2.3 变频调速的原理 .................................................................................................................... 6 2.4 PWM技术分析 ...................................................................................................................... 8 2.4.1 SPWM控制技术的原理 .............................................................................................. 8 2.4.2 SPWM的数字控制 .................................................................................................... 10 第三章 变频空调的基本知识 .......................................................................................................... 13 3.1 变频空调的分类 .................................................................................................................. 13 3.2 变频空调器的结构 .............................................................................................................. 13 3.2.1 变频空调器的主要器件 ............................................................................................ 14 3.2.2 变频回路触发电路 .................................................................................................... 16 3.3 变频空调器的基本工作原理 .............................................................................................. 17 第四章 变频空调控制系统设计 ...................................................................................................... 19 4.1室内、外控制器的功能 ....................................................................................................... 19 4.2空调室内控制板硬件电路设计 ........................................................................................... 20 4.3空调室外控制板硬件电路设计 ........................................................................................... 22 4.3.1 无刷直流压缩机控制系统 ........................................................................................ 25 4.3.2 无刷直流风机的驱动电路 ........................................................................................ 25 4.3.3 无刷直流风机的保护电路 ........................................................................................ 26 结 论 ................................................................................................................................................ 28 致 谢 ................................................................................................................................................ 29 参考文献 ............................................................................................................................................ 30 附录 毕业论文 前 言 变频空调技术首先是从日本发展起来的，2000年日本空调器的家庭拥有量为9800万台， 普及率为88%，其中78%为变频空调器。我国家用空调器行业起步比较晚，但最近几年发展 很快，特别是进入21世纪以来，家用空调器的生产更是得到了飞速发展。进入21世纪几年 来，国内对变频空调器，特别是对代表先进技术的直流变频空调器的研究也取得了一定的丰 硕成果。 变频空调器是随着制冷技术、电机控制技术、电力电子技术、微电子技术和现代智能控 制技术的发展起来的一种新型空调器。变频空调是一种高效节能产品，压缩机能根据室内需 要冷（热）量的不同，连续地、动态地调节制冷（热）功率并以大功率迅速制冷（热），小功 率维持房间温度恒定，而改变压缩机功率是靠调节压缩机工作频率来实现的。变频器或逆变 器将输入交流电整成直流电，在单片机控制下，将直流电源逆变成电压幅值、频率可调的交 流电源，用此电源配接交流异步机或无刷直流电机压缩机，即可连续调节空调器制冷、制热 功率。 由于新型电力电子器件的迅速发展，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT等器件的 不断问世，特别在新世纪以后，电力电子不断向着高频化、大功率化、绿色化的方向发展， 出现了智能化功率模块IPM和大功率集成电路，以及计算速度更高、功能更强大的数字信号 处理器DSP，使得直流变频空调器成本降低、性能更高，成为新世纪变频空调的发展方向。 1 毕业论文 第一章 绪 论 1.1变频空调器的国内外现状 制冷空调智能控制技术以日本最先走向实用化和商品应用。1978年微电脑开始应用于空调控制系统中，松下电器展出了最早的变频器；1980年东芝在世界上首次成功地研制出大型 空调机用变频往复式压缩机；1981年东芝在世界上成功地研制出小型空调机用变频旋转式压 缩机；1982年变频技术开始进入实用化阶段；1983年电子膨胀阀应用于空调器制冷剂流量、 过热度和排气温度控制，直流变频器研制成功；1985年电子膨胀阀、变频器在房间空调器中 [1]应用成功。 我国自90年代初开始研究变频智能控制器，现已研制出多种形式的变频智能空调器， 对推进我国空调业的进步做出了贡献。变频空调集变频压缩机制造技术、变频技术、热力学 优化技术、智能控制技术、传感技术、模式识别技术于一体，是典型的高新技术机电一体化 产品。目前日本的几家大公司（如三菱、松下、富士）的变频市场正处于上升阶段，在我国 占有很大的份额，而国内变频空调研究虽然已经取得了较大的成果，但还有待完善，尤其是 智能直流变频空调技术还处在起步阶段，在变频压缩机、电子膨胀阀的控制和智能技术方面 [2]还有很多问题有待解决。 1.2变频空调的发展 1. 从异步电机的定频控制发展到变频控制 传统空调器压缩机的转速是一定的，为定频空调器，限定了空调器制冷、制热的能力。 同时，压缩机长期处于开停工作方式，电机启动电流冲击大，正常运行时输出功率固定，导 致系统效率低下，温度波动频繁，达到设定温度时间长等缺点。为了解决上述问题，提高空 调器的调节能力，变频空调器就应运而生了。变频空调通过改变压缩机的转速来改变空调能 力，并运用一定的控制方式使压缩机转速随房间热负荷的变化而变化。 国内对变频空调器的研究和开发始于90年代初，其中控制系统是变频空调系统中关键的 [3]技术之一。限于当时的技术条件和市场情况，最近两三年来才得到了较大的发展。从国内对变频空调控制系统的研究和开发的发展过程来看，主要有两种技术 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 : (1) 在传统热泵式空调器产品的基础上，进行结构和电气线路的适当改进，加装变频控 制电源，实现对压缩机的变频调速控制，避免普通空调器的开、停运行方式。但由于采用普 通压缩机，变频范围较小，一般不超过 60Hz，变频范围为 20-50Hz。此方案的提出是出于 2 毕业论文 前几年适合于变频控制的变频式旋转压缩机的进口受到限制，货源难以解决，而我国又不能 自行生产的考虑。但这种方案不能充分发挥变频控制的优势，性能价格比较低，只能是我国 空调变频技术发展过程中的中间过渡技术。 (2) 开发高性能的变频空调控制系统。国外(主要指日本)变频式智能空调器发展的系统模式是大量经验积累和科技发展的产物，代表了九十年代国际空调器技术的先进水平和发展方 向。我们应当完全自主开发高技术含量的高性能变频空调控制系统，而不应在低水平上发展 国内的变频空调器产品。 2. 从异步电机变频控制发展到无刷直流电机的变转速控制 目前，国内绝大多数变频空调中，压缩机电机和风机电机都采用异步电动机，与无刷直 流电机相比，其效率和功率因数都较低。由于无刷直流电机转子是永磁体，比交流异步电动 机效率高，且结构简单，体积小，重量轻，维护方便。随着无刷直流电机在空调领域的推广 [4]和应用，变频空调进入了第二个发展阶段。 3. 直流变频转速空调器有以下优点 (1)启动功率大，能迅速制热或制冷，达到设定的温度； (2)电机效率高，对逆变器容量要求较低； (3)接近设定温度后低功率运行，维持室温不变且温度控制均匀舒适； (4)节能运行，较定频空调器节电 20%，较交流变频空调器节电10%； (5)传统的异步电机的转速受电源频率的限制，而永磁无刷直流电动机不存在这种限制， 因此压缩机的额定转速可以设计得很高，既可优化压缩机的运行效率，又可减小压缩机的体 积； (6)高能效比，采用异步机变频控制的家用分体式空调器的能效比在2.6-2.8之间；采用无刷直流电机变速控制的空调器的能效比在3.0-3.15之间； [5](7)抗电压波动能力强，低电压时也能保持连续运行。 1.3 课题来源及主要研究内容 本文通过老师的耐心指导，对大量资料的查阅，以及对现阶段空调市场发展的调研。应 用自己所学的专业知识，设计了变频空调控制器硬件控制系统。本文的主要工作内容包括： 1．分析了变频器的分类、结构及原理。着重分析变频调速的原理，SPWM技术的控制方法及其控制原理。 2．介绍了变频技术在空调控制系统中的应用，重点介绍了直流变频的原理和直流无刷 压缩机电机工作原理。 3 毕业论文 3．对变频空调的控制系统进行了设计，重点对室内和室外硬件系统进行了设计和阐述， 同时对相关芯片做了系统 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。 4．介绍了无刷直流压缩机控制系统的组成，对其电路进行了设计。 4 毕业论文 第二章 变频调速技术原理 2.1 变频技术概述 空调器的变频调速技术主要由变频器、微控制器、PWM的生成以及变频压缩机的电机等四个方面的关键技术组成。 变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器VVVFI(variable voltage & variable frequency inverter)。它采用大功率晶体管GTR作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采 用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。它将随着 功率元件和计算机技术的发展，结构上做到体积小，重量轻；性能上优于以往的变极调速、 串阻调速、串极调速、滑差电机调速等交流电机调速方式，并且将会逐步以这种崭新的调速 [6]技术取代直流电机调速。用交流异步电机取代直流电机，将使调速系统更加简单。 2.2 变频器的分类 2.2.1 交-交变频 交-交变频电路一般采用三相桥式电路。因其最高输出频率只能是电网频率的1/3以下， 所以在变频领域，交-交变频逐渐被淘汰。 2.2.2 交-直-交变频 交-直-交变频电路由整流器、滤波环节和逆变器三部分组成，根据中间滤波环节的不同， 可分为电流源型和电压源型。在其工作时首先将三相交流电经桥式整流为直流电。脉动的直 流电经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和电流可调的三相 交流电源，由于采用正弦脉宽调制(SPWM)方法，使输出波形近似正弦波，输出到需要调速的 [7]电动机。在中小容量变频器中应用得最为广泛的是“交-直-交”电压型变频器，其基本结构如图2-1所示： 中间直流环节L1ML2整流器逆变器~L3ACDC 控制指令控制指令 控制电路 运行指令 图2-1 “交-直-交”电压型变频器结构图 Figure 2-1 "AC - DC - AC" structure of voltage-type inverter 5 毕业论文 它包含如下几个主要环节: 1.整流器，它作用是把交流电整流成直流电。可采用硅整流元件构成不可控整流器，也 可采用晶闸管元件构成可控整流器。 2.中间直流环节，它作用是对整流电路的输出进行滤波，以保证逆变电路和控制电路能 够获得质量较高的直流电源。如果使用大电容进行滤波，则变频器属于电压型。如果使用大 电感进行滤波，则变频器属于电流型。 3.逆变器，功率逆变器是把直流逆变为频率、电压可调的交流电的变流装置。使用的功 率元件有普通的晶闸管、控制极可关断的晶闸管、大功率晶体管和功率场效应管。这是长期 以来要解决的核心问题。 4.控制电路是根据变频调速的不同控制方式产生相应的控制指令，控制功率逆变器中各 种功率元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。一般采用SPWM数 字波形的方法进行控制驱动逆变器。 2.3 变频调速的原理 由异步电动机的转速公式: n,60f(1,s)/p,n(1,s) (2-1) 0 式(2-1)中，n为电动机转速； f为电动机定子的供电频率； s为转差率； p为电动机定子绕组极对数； n为旋转磁场的同步转速。 0 由式(2-1)可知，当转差率变化不大时，n基本上正比于f，所以改变供电电源频率f，即 可调节异步电动机的转速。这种调速方法，可以获得很大的调速范围，很好的调速平滑性相 对稳定性。 1.变频调速的基本控制方式 ,在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量为额定量不变。如果磁通太弱，m没有充分利用电机的铁心，也不能产生足够的电磁力矩，影响电机的加减速时的快速性；如 果增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： 6 毕业论文 E,4.44fNK, (2-2) g11N1m式中，f—定子频率； 1 N—定子每相绕组串联匝数； 1 K—基波绕组系数； N1 ,—每极气隙磁通量。 m EN、Kf,由式(2-2)可知，是常数，只要控制好和，便可达到控制磁通的目的。 g1N11m 对此，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。 2.基频以下调速 E,f由式(2-2)可知，要保持不变，当频率f从额定值向下调节时，必须同时降低使： gm1N1 E /f =常值 (2-3) g1 即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕 U,E组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得： 1g U/f =常值 (2-4) 11 EU低频时，和都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，这时，g1 U可以人为的把电压抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降。其控制特性如图2-2所示。 1 U1 U1N 2 1 Off11N 图2-2 恒压频比控制特性 1-不带定子压降的补偿 2-带定子压降的补偿 Figure 2-2 Constant-frequency characteristics than the control 1 - not with the stator voltage drop compensation 2 - with the stator voltage drop compensation 7 3.基频以上调速 毕业论文 fUU在基频以上调速时，频率可以从向上增高，但电压却不能超过电机的额定电压111NN UU最多只能保持=。由式(2-2)可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电弱11N 磁升速的情况。 把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图2-3所示的异步电动机变压变频调速控制 特性。 如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，即电机都能在温升允许清况下长期运行， 则转矩基本上随磁通变化。根据电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。在变频 调速恒压供水系统中，由于系统的装机容量足够大，所以不会出现基频以上调速的情况，因 [8]此主要考虑基频以下调速。 ,Um恒转矩控制恒功率控制1 U1N U1,,,,Cmmn ,m Off11N 图2-3 异步电动机变压变频调速控制特性 Figure 2-3 Induction Motor VVVF speed control characteristics 2.4 PWM技术分析 PWM技术一直是变频技术之一 ，PWM控制技术大致分为几类:正弦 PWM、优化 PWM和随机PWM等。正弦PWM已为大家所熟知，应用非常广泛，SPWM是用三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽SPWM信号以控制功率器件的开关，得到一序列脉宽按正弦规 律变化的脉冲序列，实现同时变频变压。从载波信号和参考信号频率之间的关系看，可分为 [7]同步和异步调制两种；从载波信号和参考信号的极性看，有单极性和双极性两种。 2.4.1 SPWM控制技术的原理 在采样理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 8 毕业论文 时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波 形基本相同。如将各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略 有差异。如下2-4图的a)、b)、c)所示的三个窄脉冲形状不同，a)为矩形脉冲，b)为三角形脉冲，c)为正弦半波脉冲，但它们的面积(即冲量)都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的 同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图d)的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 ,（t） f(t)f(t)f(t)f(t) ,（t） ooooc)d)b)a) 图2-4 形状不同而冲量相同的窄脉冲 Figure 2-4 Different shapes and the same impulse of the narrow pulse 上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面来分析一下如何用一系列等幅而不等宽的 脉冲代替一个正弦波。把下图2-5图a)所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看 ,成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，幅值不等，且脉N冲顶部不是水平直线，而是曲线，N个脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用 同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合， 且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到下图2-5图b)所示的脉冲序列，这就是 PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理， PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。 9 毕业论文 a)o ,t b) ,t o图2-5 PWM控制的基本原理图 Figure 2-5 PWM control of the basic principles of map 2.4.2 SPWM的数字控制 数字控制是SPWM目前常用的方法。下面介绍几种常用SPWM波形的生成方法： 1.自然采样法 按照正弦调制波与三角载波的交点进行脉冲宽度与间歇时间的采样，从而生成SPWM.波形，叫做自然采样法。图2-6所示的就是自然采样法。它是将基准正弦波与一个三角载波 相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法。图2-6中，T为三角波的周期，U为tr三角波的幅值，正弦波为Usinωt，T称为采样周期，T=T/2，t及t为正弦波与三角波两个csst12 [8]相邻交点的时刻。由图2-6可以得出： Tst,（1,Msin,t） off12 Tst,（1，Msin,t） on12 T'st,（1，Msin,t） (2-5) on22 T'st,（1,Msin,t） off22 式(2-5)中：M=U/U为正弦波幅值对三角波幅值之比，013V。 最大输出能力：KJ004为l00mA(流出脉冲电流)。KJ004A为10mA。 输TTL反压：BVceo?l8V(测试条件：Ie?l00μA)。 3.3变频空调器的基本工作原理 空调的原理是在夏季利用空调器对室内空气进行冷却和减湿处理，使房间里保持适宜的 温度和湿度，并通过空调器向室外排出热量和冷凝水。而在冬季是利用空调器对室内空气进 行加热和加湿处理，使室内保持一定的温度和湿度。另外，通过空调器风机的作用造成室内 空气循环，并有一定的送风速度，通过空调过滤器的作用，来提高室内空气的洁净度。 17 毕业论文 变频空调器是一种高效节能的冷暖热泵型空调器。其工作原理是基于压缩机电机电源工 作频率的变化，达到电机转速的无极调节和压缩机容量的连续控制。而压缩机电机的转速是 根据室内负荷成比例变化的。 空调系统的冷凝器是一个制冷剂向系统外放热的热交换器。放出的热量包括两部分：通 过蒸发器向被冷却物体吸取的热量；在压缩机中被压缩时，由机械功转化的热量。制冷剂在 冷凝器中向外散热，温度降低，由气态变为液态。 空调系统中的蒸发器是制冷剂从系统外吸热的热交换器。在蒸发器中，制冷剂的液体在 较低的温度和压强下沸腾转变为蒸汽，在汽化过程中吸收被冷却物体或介质的热量。 空调系统中压缩机把制冷剂蒸汽从低温低压状态压缩至高温高压状态，创造了制冷液体 在蒸发器中低温汽化制冷，在冷凝器中常温液化散热的条件。压缩机不断地吸入和排出气体， 才使制冷循环得以周而复始的进行下去。 空调制冷循环中，室外热交换器为冷凝器，室内热交换器为蒸发器。此时四通阀线圈内 的电流被切断时，阀芯因为重力作用而下落，使压缩机排气口与室外冷凝器连通，而吸气口 与室内蒸发器连通。空调制热循环中，四通阀切换，线圈通电产生磁场，阀芯被吸到上方位 置，压缩机排气口与室内热交换器连通，吸气口与室外热交换器连通，此时制冷剂蒸汽流动 方向改变，室内热交换器向室内散热而成为冷凝器，而室外热交换器成为蒸发器，制冷剂蒸 [14]发吸收室外热量。 变频空调运转时，当室内实际温度和设定温度差距太大时，空调强制冷或强制热，压缩 机电机全速运转，如运行在120Hz；而当两者温度接近时，则电机转速下降，制冷量或制热 量降低。由于变频空调的压缩机可以运行在极低转速下，如30Hz或更低些，所以即使室内 温度已经达到设定温度，压缩机也不会频繁起动，而是自动调节到相应的低速连续工作，这 样就避免了由于频繁起动而给电网带来的冲击和校正比正常运行时大得多的噪音以及频繁 起、停造成的温度波动。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变频工作能力既可以节能 又可以提高人的舒适感。 18 毕业论文 第四章 变频空调控制系统设计 4.1室内、外控制器的功能 1.室内控制器的功能 (1) 通过接收遥控器的输入，可进行开关机、设定等控制。 (2) 制冷、制热、除湿、自动和除霜运转五种运转模式的选择和控制。 (3) 室内温度的测量和控制。时刻检测室内各传感器的检测值，并根据室温和设定温度 之差和温度变化率来进行模糊计算，得出压缩机的运行速度，从而利用通讯控制压缩机的运 转。 (4) 室内热交换器温度测量及保护功能。在空调器进行制热和制冷运转时候，防止出现 室内热交换器温度过高或过低，控制压缩机的转速，以减轻压缩机的负荷。 (5) 室内风机风速的选择和运转控制。室内风机的控制可由用户进行设定，分为高、中、 低及自动几种模式。当选择了自动运转时，空调器内单片机将根据室温与设定温度之差和压 缩机运行速度自动控制室内风机的速度至最佳水平。 (6) 在空调运转时，控制相应的指示灯进行指示。 (7) 定时开关机功能。可利用遥控器进行定时开关机的设置，开关机的时间可选为1-12 小时。 (8) 摆叶电机(步进电机)的控制。空调运转后将打开导风板，如果按下摆风键，摆叶电机 将控制导风板来回摆动，再一次按下摆风键，停止导风板摆动。 (9) 应急键控制。利用应急键可进行控制开关机，开机时系统将根据检测到的室内温度， 自动控制空调进行制冷或制热运行。 (10) 与室外机时刻保持通讯联系，从而达到控制外机的功能。在通讯实现上，内机为主 机,外机为从机。 (11) 工作过程蜂鸣器声响提示，当接收到来自遥控器的有效信号或者出现报警的情况时， 蜂鸣器鸣叫。 (12) 当把室内机板上的拨码开关拨至相应位置时，可以实现故障自检测、演示运转以及 定速运转等功能。 (13) 掉电记忆功能。在空调器上电后，如果没有新的遥控器输入设置，则空调器按照掉 电前用户最后一次设定的模式运转。 2.室外控制器的功能 19 毕业论文 (1) 压缩机运转的控制。 (2) 室外各种温度传感器温度的测量。室外机时刻检测外界环境温度、盘管温度、压缩 机排气温度，并把这些值传给内机。 (3) 室外风机的控制。室外风机的运转速度受室外环境温度以及压缩机运转速度的双重 控制。 (4) 四通阀的控制。制热时，四通阀得电；制冷时，四通阀失电。 (5) 与室内机通讯的协调控制。 [14](6) 外机部分故障自诊断与保护。 4.2空调室内控制板硬件电路设计 变速式空调器由室内和室外两个微控制器芯片来进行协调控制，这两个芯片作为核心部 件构成室内机两块控制电路板，分别完成控制机的任务和控制压缩机的运转。本节主要介绍 室内控制板硬件电路设计，室外控制板硬件电路设计将在下一节中详细介绍。 室内控制芯片选用专用单片机，其内部集成了丰富的硬件资源，提高了可靠性的同时简 化了外围电路的设计。 单片机的选择目前国际上有许多大公司生产专用的单片机，如用在控制电机方面的，就 [16]有美国的Motorola和Intel，日本的Toshiba和Fujitsu等。本文分析的空调选择Fujitsu公司的8位单片机MB89P857。其芯片引脚分布和引脚功能见图4-3和表4-1。 控制电源的设计考虑到室内风机的控制上需要对电网电压过零点进行检测，而且内机板 对电源没有过多的要求，内机板电源采用了普通线性电源，这里不做过多介绍。 红外遥控接收单元的设计红外遥控器完成的功能是把操作者按下的键盘获取相应的一串 指令码，并将这串命令码用38 kHz的载波信号进行调制，并由红外发射部分将调制后的指令 信号发送出去。由于这部分一般都是由专门厂家开发而且成本也很低，所以在本文的设计中 仅仅采用专用的遥控器而没有自行设计。 室内风机控制室内风机为单相交流异步电动机，采用移相调压调速方法，由晶闸管组成 的单相交流调压器改变加在电机电枢绕组上的电压从而改变电机转速，单片机控制输出触发 脉冲，其驱动电路如图4-1所示。单片机左侧为相位同步电路，交流电压经变压器降压和全 桥整流电路整流两个环节后加在三极管的基极，这样在交流正弦电压的过零点就可以产生同 步信号，单片机通过外部中断口采集后作为相位为零的基准点。电机的速度反馈应用霍尔器 件产生脉冲串，每转一圈产生3个脉冲，由单片机读取脉冲并计算出实时转速，根据与设定 [16]转速比较后所得的偏差值来改变触发脉冲的时刻，实现转速闭环控制。 20 毕业论文 +5V+5V+5VCN5NV6C5R3C62R7R8VCC13 3P11INT1 11R10驱动风机+5VQ1V1TLP3526MB89P857CN6 1CN1R16INT02D12C8CA1R1231Vss C12风机反馈变压器端子 电源同步 图4-1 室内风机驱动电路 Figure 4-1 Indoor fan drive circuit 上图4-1中TLP3526为光耦可控硅如图4-2所示，用于控制驱动风机的导通时间，从而 实现内风机风速的调节。TLP3526引脚3为触发，由三极管驱动。电源从引脚11输入，引脚 13输出，具体导通时间受控于触发脚的触发。 215GATEANODE13T2311CATHODET19T2NCNCNCNC 4576 图4-2 TLP3526芯片 Figure 4-2 TLP3526 chip 单片机MB89P857芯片及部分引脚功能： 21 毕业论文 图4-3 单片机引脚图 Figure 4-3 Single-chip pin diagram 表4-1 引脚功能 Table 4-1 Pin function 引脚号 引脚名 功能 通用输入端口也可作为外部中断输入。 这些端口是一26 P60/INT0 个滞后输入类型。 25 P61/INT1 通用输入端口也可作为外部中断输入。 这些端口是一 个滞后输入类型。 64 V电源引脚 CC 32,57 V电源（地）引脚 SS 通用I/O端口。当外部总线使用时，这些端口的功能作47 P11 为上层地址输出。 4.3空调室外控制板硬件电路的设计 室外机电路板在硬件上主要包含有如下结构:控制器、提供控制电源的开关电源、无刷直 流电动机位置检测电路、室外风扇电机的驱动电路和功率驱动电路等几部分。 1．DSP-TMS320C241型芯片的选择 (1)TMS320C241是TI(Texas Instruments)公司专为数字电机控制(DMC)应用而设计的DSP 22 毕业论文 控制器。此芯片具有每秒执行20兆条指令的运算能力，它将实时处理能力和控制器的外设功 能集于一身，为无刷直流电机控制系统的多种无位置传感器控制方法的灵活应用提供了一个 理想的解决方案。 (2)C241具有特殊的PWM功能。其片内的事件管理器与其它任何一种DSP功能和空间矢量PWM状态机特殊的附加功能，后者可为三相电机在功率晶体管开关机制中提供了迄今 为止最高的工效。三个独立的向上/下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支 持产生非对称的和对称的PWM波形，非常适合于无位置传感器的无刷直流电机的控制。 (3)C241具备强大的片内I/O和其它外设功能。它具有26个可单独编程的多路复用的I/O口，及A/D、RS-232等丰富的外围接口，足以满足全直流变速空调室外系统的要求。 (4)C241具有优越的性价比。此芯片具有以上如此优越的性能对于同类MCU来说是不可比拟的，并且TMS320C241是制造商TI公司目前大力推广的芯片，现在此芯片的市价为4～5美元/片。因此选择TMS320C241芯片作为以上无刷直流压缩机为核心的室外控制器的主控 [15]芯片。 2．DSP-TMS320C241型芯片的技术指标 DSP-TMS320C241控制器的技术指标如下： (1)内核CPU： (a)32位中央算术逻辑单元(CALU)； (b)32位累加器； (c)16位×16位的32位乘积并行乘法器； (d)三个定标移位器； (e)八个16位辅助寄存器和一个用于数据存储器间接寻址的专用算术单元； (2)存储器： (a)544字×16位的片内数据/程序双通道RAM； (b)16K字×16位的片内ROM或Flash； (c)224K字×16位最大可寻址空间（64K子程序空间、64K数据空64K字I/O空间和32K字的全局数据空间）； (d)外部扩展内存接口模块，含：软件等待状态发生器、16位数据总16位地址总线； (e)硬件等待状态发生器； (3)程序控制： (a)四级流水线操作； 23 毕业论文 (b)八级硬件堆栈； (c)六个外部中断：功率驱动保护中断、复位（reset）、NMI（不可中断）和三个可屏 蔽中断； (4)指令集： (a)源码兼容TMS320家族的C2x、C2xx和C5x定点系列； (b)单指令重复操作； (c)单周期乘/加指令； (d)用于程序/数据管理的存储块移动指令； (e)变址寻址能力； (f)用于基-2FFT变换的位反转变址寻址能力； (5)电源： (a)静态CMOS技术； (b)四种用于减少功耗的省电模式； (6)仿真：符合IEEE1149.1标准的测试访问口，可以连接片内的基于的仿真逻辑； (7)速度：50ns(20MIPS)指令周期时间，大多指令为单周期； (8)事件管理器： (a)8个比较/PWM通道（其中5个是独立的）； (b)2个16位的一般定时器，共有6种模式：连续向上计数和连续/下计数； (c)3个具有死区功能的16位全比较单元； (d)3个16位单比较单元； (e)3个捕获单元，其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力； (9)2个10位A/D单元： (a)8个A/D通道； (b)4个A/D通道合用一个A/D单元； (c)850ns可同时转换2个A/D通道； (10)26个可单独编程的多路复用I/O引脚； (11)基于锁相环（PLL）的时钟模式； (12)带实时中断的看门狗定时器模块； (13)串行通信接口（SCI）； (14)串行外设接口（SPI）。 24 毕业论文 4.3.1 无刷直流压缩机控制系统 完成室外机控制器的前期各功能实现及压缩机可靠运行实验系统，其中控制系统是由 [15]DSP系统、TMS320C241为核心CPU的主控板和室外机的主电路组成，如图4-4所示。主电路采用典型的交-直-交电压源型变频器结构，由单相交流输入电压首先经过交流滤波器(电抗器L1和电容C1、C2、C3、C4)的滤波，及防雷击(气体放电管SA1和压敏电阻NR1)的保护电路，然后通过二极管整流模块(B1)整流变为脉动的直流电压，由功率因数补偿电路(平波电感L2、二极管D1和无极性电容C6)及直流滤波电路(C7)滤波成平滑的直流电压，送至由 IPM模块组成的逆变器，C8为吸收电路。 C6P C5D1无刷直流B1C7C8IPM压缩机 L2C2L1C1NACC4220V6IPM路保C3P护W信M号NR1驱及动SA1电信源号 以TMS320C21为核心 CPU主控板 图4-4 全直流变速家用空调室外机系统 Figure 4-4 DC-wide speed of domestic air-conditioning outdoor unit system 4.3.2 无刷直流风机的驱动电路 室外机控制器中另一个主要的控制对象是无刷直流风机。无刷直流风机带有霍尔位置传 感器，因此可选用日立公司ECN3022专用芯片来驱动无刷直流风机。 日立公司ECN3022适用于DC200~330V电压、1A电流以下、功率在20~60W的三相有位置传感器的无刷直流风机。 ECN3022芯片内部自带6个IGBT管及驱动电路(上桥臂驱动和下桥臂驱动)、6个续流二极管、泵升电路、PWM发生器、过流保护电路、转子方向监视电路、频率生成电路过流保护 电路(FG)及三相分配器。三相分配器内部具有与SIEMENS公司的C508芯片类似的块换相控制表，根据表格中相对照的值来合理分配各个桥臂的通断状态。一旦流过某一桥臂的电流大 于1A，此芯片就会自动封锁6路PWM信号，产生过流保护，停止驱动无刷直流风机。 无刷直流风机选用松ARS-99KK218A电机，此风机的最大电压为DC230V、功率为23W。 25 毕业论文 5R11HU内置3个霍尔传感器来产生三相转子位置信号。 R12HV4 3R13HWFrom Hall 2IC4-10+15V1R14R15D1 R18D2ZQ1C19C18CN14R17 C17C20 C21 +12VCBHUHVHWCC+15VCLYS2YS1，,Vcc IC4-14UFG11MUD3RY1BHECN3022VMWDM WR19IC4-13MVT1R1013VSP CRVTRGLRSCH1CH23RY2C232 1R22图4-5 室外风机驱动电路 R23CN13Figure 4-5 Outdoor fan drive circuit ECN3022芯片的控制管脚主要有三个：VSP是用于电压控制的信号脚，与CPU输出PWM的管脚相连；DM是反映电机转向的信号脚，转向信号直接连接CPU输入脚；FG是反映电机转速的信号脚，与CPU输入脚相连，把电机转子运转的频率或转速馈送给CPU。这部分电路如图4-5所示。通过选取电阻R22的阻值可以对所控电机的起动电流进行设定，利用C23和R23可以对PWM的调制频率进行设定。外部控制器通过隔离光耦把速度控制信号作为速 度给定输入到ECN3022的13脚，此芯片则通过14脚把电机的运转频率信号以脉冲的形式反 馈给控制器。为了提高可靠性，在给风扇电机绕组供电的前端加入继电器控制。 用日立ECN3022芯片来控制无刷直流风机就变得简单了。起动时，从VSP管脚上输出一定电压的PWM信号，然后根据FG管脚上的电机转速信号，由CPU进行PI运算，调整PWM信号来调节风机的压频比，从而控制风机的正常运行。由于空调的室外风机只能允许单 方向的运行，因此在起动时必须通过DM管脚上的信号来判别电机运转方向，保证风机不会 反方向运行。但实际上，大自然的风向是不定的，不同的风向在风机起动时会出现不同的现 [15]象，并需要加以控制。 4.3.3无刷直流风机的保护电路 大自然的风向是一恼人的问题，特别是沿海地区海风较大，会拖着无刷直流风机反转发 电而造成内置驱动电路受损。在25Hz运转频率下松下电机的发电量为156.4V。并且随着风速的升高，发电量也随之增加，在67Hz下，发电电压可达420V。因此，这样高的发电电压 26 毕业论文 很容易会把ECN3022驱动控制器内的IGBT烧毁。 解决此问题方法是：当未起动风机时，由继电器切断其中两路输出线，使电机任何一个 绕组都不能形成回路，因此即使风机处于反转运行，也不能把如此高的电压引入到控制电路 内；在风机起动前，通过DM引脚来检测风机运转方向，若为反转的情况下，再通过FG引脚来检测风机转速，转速一旦大于某个极限值，不管系统是否要求起动，都切断风机绕组回 路，就不会使ECN3022内的IGBT因两端电压过大而烧毁。在硬件和软件处理处理上都需做 [15]一些调整。 硬件方面，在ECN3022的U、V、W三路输出引脚中任意两路，各串联入继电器触头， 从CPU上再引出一路BH作为风机驱动的使能端，此输出信号就是根据风机起动前的状态来 控制风机启停的，如图4-6所示。 空调控制系统发出起动风机的指令后，风机控制系统立即检测ECN3022的DM管脚和FG管脚（如图4-5所示）。当检测到DM管脚得知风机处于反转状态时，立即再检测FG管脚获取目前风机的转速。若反转转速超过某一极限转速值，则继电器RY1和RY2触头（如图4-6所示）不闭合，直到反转转速低于极限转速，才闭合继电器RY1和RY2触头，使风机开始起动运行；反之，起动前风机并未处于反转状态或反转转速超过极限值，都立即闭合继 电器把逆变器的三相电压送给无刷直流风机，其极限值根据芯片所能承受的反电势值来定。 +12V U MURY1D3ECN3022BHVMW(H I T A C H I)WMVR10R19T1 RY2风机 图4-6 风机反向发电保护电路 Figure 4-6 Reverse power protection circuit fan 27 毕业论文 结 论 变频技术是20世纪80年代问世的一种高新技术,它应用在家用空调上,使家用空调在节能、舒适、工作适应范围等方面都得到了很大的改善,使家用空调完成了一次新的革命。但家 用变频空调生产成本高,价格一般比同匹数普通空调高,目前在发达国家比较普及。 随着社会的不断发展，人们对自己赖以生存的环境提出了更高的要求，从室内环境而言， 恒温环境并非是卫生和舒适的标准环境。因为除了温度以外，还有湿度、负离子浓度等影响 到舒适的程度。常规空调系统仅以强度为控制变量采用开、关运行方式实现空气调节系统的 恒温控制，这种以温度为变量的运行方式一方面忽略了影响人体舒适感的多因素性，另一方 面，由于压缩机的频繁运行和停止，造成压缩机的较大冲击，并造成一定的能量损失。变频 空调是制冷理论、热动力学、电机驱动技术、电力电子技术和智能控制理论等交叉发展应用 的产物，具有高效节能和智能控制等优异特性，己经成为家用空调器的主要发展方向。 本文着重研究直流变频空调系统，深入分析了变频技术原理及其发展，以及变频器在空 调系统中的广泛应用，在系统分析基础上设计了家用空调室内机和室外机部分的硬件。具体 来说，本文主要完成了以下各方面的工作。 1．分析了变频器的分类、结构及原理。着重分析变频调速的原理，SPWM技术的控制方法及其控制原理。 2.分析了直流变频空调的结构组成、工作原理以及优越性。由于空调的工作融合了传热、 传质流动和相变得复杂过程，且空调器的实际工作环境又复杂多变，所以空调器的各参数是 动态非线性变化的，这就对系统的高性能控制提出了很高的要求。本文详细分析了空调工作 原理，为变频空调的研究提供了理论依据。 3.对变频空调的控制系统进行了设计，重点对室内和室外硬件系统进行了设计和阐述， 同时对相关芯片做了系统说明。 4.介绍了室外机控制部分采用的专为变频控制而设计的微处理器，并在变频空调室外机 主要功能基础上，为室外机各部分设计了相应的硬件控制电路。 5.设计了无刷直流电机的控制方法，风机的驱动控制系统及保护。 28 毕业论文 致 谢 在论文顺利完成之际，我首先要由衷地感谢我的论文导师。在论文的选题、文献查阅、 开题、实验以及撰写的每一个环节，都得到了老师严格的审阅和悉心的指导。正是由于老师 这样的谆谆教导和鼓励，才使我能够在短短的几个月里顺利的完成毕业设计论文。同时，我 也体会到了老师扎实的专业知识基础，严谨的学术思维方式，以及丰富的实践经验。 而且，魏老师积极乐观的生活态度，以诚相待的处事原则，给我留下了深深的印象。使我学会了在 为自己的理想努力奋斗的过程中，及时享受阶段性的成功带来的喜悦。我觉得通过这学期的 毕业环节，对我是一个很好的锻炼。在此，向老师表示衷心的感谢和诚挚的谢意! 另外，感谢山东工商学院信电学院的各位老师，感谢你们精心培养了我，教会了我思考， 教会了我许多做人、做事的道理„„ 感谢在论文写作过程中给予我帮助和指导的同学！ 在此，我谨表示深深的谢意！ 29 毕业论文 参考文献 [1] 彦启森.空调器的发展历程与展望[J].电子产品世界,2005.7，35～39. 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