變頻空調電控系統的設計Electronic－controlledSystem′sDesignofFrequencyConversionAir－condition

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′sbasic structure, implementing method and pivotal technique by a electronic－controlled system being made of single－chipC504, producedby 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。

　　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。

2 C504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=20kHz，這就意味著(zhù)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

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。

　　對于三相變頻壓縮機來(lái)說(shuō)，必須供給三相正弦波電流。C504的CPU必須向CCU比較寄存器周期地送入三組不同的數據。這些數據來(lái)自?xún)炔吭O置的正弦表。每次送數的周期就是PWM周期，由定時(shí)器1溢出時(shí)間決定，若干個(gè)不同脈寬的脈沖組成的脈沖鏈就可以形成1個(gè)正弦波周期，如圖4所示。顯然，輸出交流電周期是由PWM周期和脈沖的變化規律決定的。

3 電機驅動(dòng)部分的基本硬件結構

　　對于空調電控系統，不論室內機、室外機，都必須具備電機驅動(dòng)的功能。特別是新型變頻空調，為了達到靜噪效果，室內風(fēng)機往往采用直流無(wú)刷電機型。因此，室內機、室外機設計的重點(diǎn)仍是不同類(lèi)型變頻調速電機驅動(dòng)的設計。圖5給出了基本的電機驅動(dòng)原理框圖。

　　圖5（a）給出了一般三相異步電機驅動(dòng)框圖，全橋的三組橋臂分別由CCO,COUTO;CC1,COUT1;CC2、COUT2驅動(dòng)，電流值由傳感器檢測，送至C504的A/D轉換單元進(jìn)行測試。圖5（b）,（c）為直流無(wú)刷電機的驅動(dòng)方式，其中圖5（b）為內置傳感器型的，而圖5（c）為無(wú)內置傳感器，而采用增量位置解碼方式工作的。

4 變頻空調室外機驅動(dòng)部分的設計

　　圖6所示為我們研究的BPK－II型變頻空調電控系統室外機驅動(dòng)部分的電原理圖。

　　從圖中，可看出驅動(dòng)部分共分3大部分：整流部分、逆變部分和控制部分。其中整流部分包括交流濾波、尖峰吸收、電流檢測、整流、濾波等電路。逆變部分包括IPM模塊（PM20CTM060）、工作電源部分、光電隔離部分、驅動(dòng)部分?？刂撇糠种饕蒀504構成。C504根據室內機送來(lái)的控制信息，以及壓縮機溫度、室外溫度和熱交換器的溫度，選擇恰當的運行頻率和有關(guān)控制信息，通過(guò)CPU送入CCU相應的寄存器和定時(shí)器1，并起動(dòng)定時(shí)器1，使SPWM脈沖串通過(guò)CCO，COUTO；CC1，COUT1；CC2、COUT2輸出，經(jīng)74AC04驅動(dòng)電路，驅動(dòng)光耦PS2501，最后送入IPM模塊，產(chǎn)生三相正弦波，驅動(dòng)壓縮機電機運轉。

　　在驅動(dòng)部分中，能對交流電電壓、電流進(jìn)行檢測，并進(jìn)行過(guò)、欠壓、過(guò)流保護，同時(shí)能根據壓縮機溫度、熱交換器溫度和室外溫度的變化，調整運行頻率，使壓縮機脫離危險運行區，避免故障關(guān)機的發(fā)生。當壓縮機運行在危險狀態(tài)時(shí)，如嚴重過(guò)流、壓縮機過(guò)熱（超過(guò)120℃）時(shí)，能迅速關(guān)機，保護系統的安全。PM20CTM060是IPM模塊，具有完備的內部保護措施，一旦進(jìn)入故障狀態(tài)，F0輸出低電平，除關(guān)閉外部5V電源外，還通過(guò)C504⑨腳通知CPU進(jìn)入故障狀態(tài)。

5 結語(yǔ)

　　對于目前通用型分體變頻空調控制系統，用C504作為室內機、室外機控制芯片，不但可以滿(mǎn)足功能的需要，而且從可靠性上得到了提高。該芯片適應溫度范圍廣，其中SAB－C504，：0℃～70℃；SAF－C504，：－40℃～85℃；SAH－C504，：－40℃～110℃；SAK－C504，：－40℃～125℃。其工作頻率有12MHz，24MHz和40MHz3種。因此，在IPM模塊斬波頻率和發(fā)熱允許的情況下，可以使大于10kHz以上，適應范圍較寬。如果要開(kāi)發(fā)“一拖多”分體機，可以使用同類(lèi)型的C508作為控制芯片。