基于西門(mén)子專(zhuān)用單片機C504的變頻空調電控系統的設計

摘要：介紹空調變頻器的SPWM原理，并以西門(mén)子專(zhuān)用單片機C504構成的電控系統為例，說(shuō)明變頻空調器電控系統的基本結構、實(shí)現方法及關(guān)鍵技術(shù)。

Abstract: This paper introduces the principle of air- conditioner transducer′ s SPWM and explains its electronic- controlled system′ s basic structure, implementing method and pivotal technique by a electronic- controlled system being made of single- chip C504, produced by SIEMENS .

關(guān)鍵詞：專(zhuān)用單片機SPWM變頻

Keywords: Special single- chip， SPWM， Frequency conversion

1引言

空調系統目前已經(jīng)廣泛地應用于生產(chǎn)、生活中。隨著(zhù)能源的日趨減少，大氣污染愈加嚴重，節能已是1個(gè)不容忽視的問(wèn)題。眾所周知，變頻空調是1種集節能、舒適、靜噪于一體的新型產(chǎn)品，它剛一問(wèn)世，就顯示出強大的生命力，可以預料，下世紀的空調將會(huì )以更快的步伐實(shí)現變頻化。變頻空調結構如圖1所示。

圖1變頻空調電控系統示意

圖2C504內部結構圖

其中室內部分接收遙控器送來(lái)的控制信息，并根據室內空氣溫度、熱交換器溫度以及室外機送來(lái)的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)模糊推理，向室外機送出控制信息，包括：變頻壓縮機運行頻率、四通閥狀態(tài)等。室外機根據室內機送來(lái)的控制信息，產(chǎn)生SPWM波形，驅動(dòng)壓縮機在相應的頻率上運轉。在運轉控制過(guò)程中，隨著(zhù)室外溫度的不同、壓縮機排氣溫度的變化以及發(fā)熱器件溫度的變化自動(dòng)調整運行頻率，使壓縮機始終處于最佳運行狀態(tài)。同時(shí)室外機還不斷檢測電流、電壓的變化，檢測短路、過(guò)電壓、欠壓等故障的發(fā)生，及時(shí)采取保護措施，以保障控制系統的良好運行。

研制的新型變頻空調電控系統中，室內機、室外機的各種控制功能都是由SIEMENS公司生產(chǎn)的專(zhuān)用單片機C504完成的。該類(lèi)單片機除了一般單片機的通用功能外，還有1個(gè)專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅動(dòng)三相交流變頻壓縮機和無(wú)刷無(wú)傳感器的直流壓縮機的CCU單元，功能強大，性能好，編程方便。

2C504中CCU工作原理

一般變頻空調壓縮機分三相交流變頻和直流變頻兩種。C504單片機對這兩種類(lèi)型的壓縮機都可以驅動(dòng)，僅僅是編程方法不同而已。

圖2為C504內部結構框圖。圖中可看出C504由CPU,CCU及異步通信等3部分組成，其中CPU部分和8051完全兼容。CCU部分是其最有特色的獨立單元，它包括有獨立的定時(shí)器、比較器、分頻器和寄存器等，可脫離CPU獨立工作，其目的是產(chǎn)生頻率可變的三相正弦交流電。

2.1周期和偏置量的計算

假設脈寬調制頻率為20kHz，即fPWM=20kHz，這就意味著(zhù)fPWM的比較定時(shí)器1每隔50μs產(chǎn)生一次中斷，在其中斷服務(wù)程序中形成新的脈沖寬度值，存入比較寄存器之中。由于依時(shí)間而變的脈沖序列的脈寬要符合正弦波形的要求，因此實(shí)時(shí)計算脈寬是不可能的。最通用的方法是在內存建立一個(gè)正弦表，在中斷服務(wù)程序執行過(guò)程中周期地讀出，送到比較寄存器中，以便形成SPWM波形。在設計中，我們把確定PWM周期的比較定時(shí)器1設置成模式1狀態(tài)，即所

圖3一組PWM波形(帶死區)形成原理

謂雙邊調制狀態(tài)。這時(shí)定時(shí)器1正向計數滿(mǎn)后，立即反向計數，下溢出后提出中斷請求。因之置入定時(shí)器1的值N可按下式計算(假設fOSC=40MHz，fPWM=20kHz);

N=fOSC/(預分頻數×fPWM×2)

=40MHz/(4×20kHz×2)=250

式中預分頻數是為滿(mǎn)足不同頻率而設置的。計算得到的N值送入周期寄存器，就可以達到fPWM=20kHz的目的。

死區時(shí)間計算的方法如下：由于fOSC/預分頻數=0.1μs，假設需要1μs死區時(shí)間時(shí)，則需偏移量為：

偏移量=(死區時(shí)間×fOSC)/預分頻數

=(1μs×40MHz)/4=10

2.2正弦波形成原理

CCU的PWM有單邊調制和雙邊調制兩種，通過(guò)初始化設置，可以任意選擇。本文只討論諧波量比較小的雙邊調制。三相SPWM波形的產(chǎn)生，是由軟件配合CCU內部復雜的硬件結構確定的。脈沖寬度取決于SPWM比較寄存器所存儲數據值的大小，這6個(gè)寄存器(均為16位)共分3組，分別定義為CCL0,CCH0,CCL1,CCH1,CCL2,CCH2，而且3組相互獨立。在每個(gè)SPWM周期之前，都由CPU經(jīng)過(guò)正弦表查得，并存入這些寄存器中。若內部定時(shí)器1的計數值超過(guò)寄存器的值，則對應的輸出端口被觸發(fā)，從而輸出1組極性相反的PWM矩形波(其占空比取決于比較器中的值)，見(jiàn)圖3。每次內部定時(shí)器反向計數結束時(shí)，產(chǎn)生下溢中斷請求，開(kāi)始新1個(gè)PWM周期，并在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生相應參數。上下橋臂之間的死區的大小，由信號的偏移量決定，該值存于偏置量寄存器中，定義為CT10FX，1個(gè)橋臂的驅動(dòng)波形形成過(guò)程如圖3所示，一旦周期值(輸入到比較定時(shí)器1中)、偏移量、3個(gè)比較器的值已經(jīng)輸入，當專(zhuān)門(mén)用于對比較器定時(shí)的內部定時(shí)器1被激活后，CCU在沒(méi)有CPU干預的情況下，獨立運行，產(chǎn)生3組獨立的PWM脈沖，脈沖寬度值依據置入比較器的值而定。

圖4正弦波電流的形成