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1 引言 隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，空調器已廣泛應用于社會(huì )的各種場(chǎng)合，直流變頻空調器因具有節能、低噪、恒溫控制、全天候運轉、啟動(dòng)低頻補償、快速達到設定溫度等性能，使空調的舒適性大大提高，將越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)。單片機技術(shù)的廣泛應用，直流變頻技術(shù)及模糊控制技術(shù)在空調器嵌入式控制領(lǐng)域的成功應用，半導體功率器件的迅速發(fā)展為直流變頻控制的推廣提供了技術(shù)保障。 本設計方案的DC變頻空調控制器由室內機控制器、室外機控制器兩部分組成�；赟PMC75F2413A 的優(yōu)越性能，用其設計室外機DC變頻控制器，容易實(shí)現產(chǎn)品模塊化、智能化特點(diǎn)，控制參數采用開(kāi)放式結構，便于與各種壓縮機聯(lián)結，從而能夠在最短的時(shí)間內根據不同廠(chǎng)家的要求進(jìn)行產(chǎn)品的升級換代。以這種方式，產(chǎn)品可以更快地推向市場(chǎng)，獲得時(shí)間上的競爭優(yōu)勢。本控制器含有以下關(guān)鍵技術(shù)： 1、模糊控制技術(shù)：依據室內環(huán)溫、管溫，室外環(huán)溫、管溫、壓縮機排氣溫度、壓縮機過(guò)載保護溫度、壓縮機電流等參數建立模糊邏輯關(guān)系，控制壓縮機的運轉速度、室外風(fēng)機及其它負載運行； 2、基于反電勢位置偵測的BLDC驅動(dòng)技術(shù); 3、模塊控制保護電路：當模塊有保護信號輸出時(shí)，通過(guò)硬件電路斷開(kāi)PWM 模塊輸出控制信號，以達到保護模塊的效果，并且可靠的給單片機模塊保護信號； 4、EMC 及可靠性設計技術(shù)：在掌握空調的干擾機理的前提下，硬件設計重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：電源電路設計、濾波電路參數設計、印制板地線(xiàn)及信號線(xiàn)設計，并且軟件采用容錯技術(shù)。 2 芯片特性簡(jiǎn)介 本系統是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實(shí)現DC變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。 SPMC75F2413A 是μ’nSP?系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的一個(gè)16位結構的微控制器。與其它μ’nSP?產(chǎn)品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動(dòng)領(lǐng)域。由于其擁有出色性能定時(shí)器PWM信號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實(shí)現各種電機驅動(dòng)方案。 SPMC75F2413A在4.5V～5.5V工作電壓范圍內的工作速度范圍為12～24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個(gè)可編程的多功能I/O端口；5個(gè)通用16位定時(shí)器/計數器，且每個(gè)定時(shí)器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個(gè)專(zhuān)用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門(mén)狗；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉換。SPMC75F2413A在電機控制領(lǐng)域有相當優(yōu)秀的表現。 特性包括： ◆ 凌陽(yáng)16位μ’nSP?處理器(ISA 1.2) ◆ 工作電壓： 內核：4.5V～5.5V ◆ 最高運行速度：24MHz ◆ 工作溫度： -40 ℃～85 ℃ ◆ 芯片內存儲器： 32KW (32K×16) Flash 2KW (2K×16) SRAM ◆ 基于時(shí)鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路 ◆ 看門(mén)狗定時(shí)器 ◆ 10位模/數轉換器 8通道輸入 10us (100kHz)轉換時(shí)間 ◆ 串行通訊接口 通用異步串行通訊接口(UART) 標準外圍接口(SPI) ◆ 總計64個(gè)通用輸入輸出管腳 ◆ 電源管理 2種低功耗模式：Wait/Standby 每個(gè)外設都可以獨立的供電 ◆ 兩個(gè)比較匹配定時(shí)器 ◆ 5個(gè)16位通用定時(shí)器 2個(gè)用于脈寬調制 2個(gè)用于速度捕獲 1個(gè)用于速度反饋環(huán)。 ◆ 中心(center)或邊沿(edge)脈寬調制輸出 ◆ 通過(guò)外部錯誤保護管腳進(jìn)行脈寬調制輸出保護 ◆ 可編程的死區控制(Dead time control) ◆ 脈寬調制服務(wù)和錯誤中斷發(fā)生 ◆ 具備驅動(dòng)交流感應電機和直流無(wú)刷電機的能力 ◆ 內嵌在線(xiàn)仿真功能 3 系統總體方案介紹 本DC變頻空調系統分室內機系統和室外機系統兩部分，其中室內機系統主要是系統一些邏輯狀態(tài)信息的處理，而室外機系統主要是DC壓縮機的變頻驅動(dòng)部分。在本系統方案中室內機選用的是SPMC701FM0A實(shí)現的，SPMC75F2413A主要是應用在BLDC變頻驅動(dòng)部分。系統結構框圖如圖3-1所示。 圖 3-1 DC變頻空調系統框圖 系統的基本工作過(guò)程： 室外機的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時(shí)接收來(lái)自室內機的控制和狀態(tài)信息，從而去控制室外的風(fēng)機、四通閥和壓縮機，完成相應的控制功能。同時(shí)還會(huì )將室外機的一些狀態(tài)和室外的一些溫度信息傳回室內機。室內機則根據室外機返回的參數和室內機本身的一些工作狀態(tài)和溫度信息對整個(gè)空調系統進(jìn)行協(xié)調控制。 4 系統硬件設計 整個(gè)系統由室內機系統和室外機系統兩部分組成。下面主要介紹室外內系統。 4.1 系統結構 室外機系統主要由IPM功率驅動(dòng)模塊、反電勢位置偵測電路、開(kāi)關(guān)電源、室外風(fēng)機驅動(dòng)、由SPMC75F2413A構成的MCU子系統和Power Line通信電路等模塊構成。室外機系統電路結構如圖 4-1所示。 圖 4-1 室外機系統框圖 4.2 MCU控制電路 圖4-2 為MCU 控制電路，此部分的電路主要是以SPMC75F2413A 微控制器為主，CON5 連接在線(xiàn)調試、仿真器ICE。MCU控制電路是整個(gè)室外機系統的控制核心，室外機的所有外設均在其協(xié)調控制下工作。 圖4-2 MCU 控制電路 4.3 電源電路 圖4-3為EMI電源濾波電路與軟啟動(dòng)電路，AC 電源輸入接頭為CON1、CON3和CON5，電壓為220VAC，電源輸入端通過(guò)突波吸收器ZNR3 以避免過(guò)大的電壓突波損壞器件，L1、C2、C1、C5和C3組成EMI濾波電路，濾除電路中的電磁干擾；RL1、RT2和D1構成軟起動(dòng)電路，防止電路上電時(shí)的大電流沖擊。 圖4-3 EMI 電源濾波器 圖4-4為DC/DC電源供應電路，電路是由TOP234和其相應的外圍電路構成。電路的輸出P+18V與+12V電源供系統使用。P+18V電源輸出后分別透過(guò)IC21 與IC22 產(chǎn)生P+15V 與P+5V，以供給IPM 功率模塊的工作電壓。而+12V 經(jīng)線(xiàn)性穩壓器IC20 產(chǎn)生+5V 電源供給SPMC75F2413A 等數字電路。 圖4-4 DC/DC電源供應電路 4.4 室外風(fēng)機驅動(dòng)電路 室外風(fēng)機使用有霍爾傳感器的BLDC，其驅動(dòng)電路如圖4-5所示。電路使用SMA5118和功率驅動(dòng)光藕TLP251實(shí)現。SPMC75F2413A輸出PWM信號經(jīng)TLP251光電隔離后送入SMA5118功率驅動(dòng)模塊進(jìn)行功率合成后輸出，從而驅動(dòng)風(fēng)機可靠的工作。 圖 4-5 室外風(fēng)機驅動(dòng)電路 4.5 壓縮機功率驅動(dòng)電路 壓縮機功率驅動(dòng)電路如圖4-6所示。電路主要由IPM功率驅動(dòng)模塊（PS21865A）電路和PWM信號光電隔離驅動(dòng)電路構成。SPMC75F2413A輸出PWM信號經(jīng)光電隔離后送入IPM功率驅動(dòng)模塊進(jìn)行功率合成后輸出，從而驅動(dòng)壓縮機。 圖4-6 IPM 馬達驅動(dòng)電路 4.6 反電勢位置偵測電路 反電勢位置偵測電路如圖4-7所示，電路主要是利用BLDC電機在旋轉時(shí)會(huì )在定子線(xiàn)圈上產(chǎn)生與轉子位置相關(guān)的反電勢的特性。電路由電壓比較器和相應的阻容網(wǎng)絡(luò )構成，完成無(wú)傳感BLDC電機的轉子位置偵測功能。 圖 4-7 反電勢位置偵測電路 4.7 Power Line通信電路 Power Line通信電路如圖 4-8和圖 4-9所示。它實(shí)質(zhì)上是一種半雙工的電流環(huán)通信電路，它主要是利用一條電源線(xiàn)和一條專(zhuān)用的通信線(xiàn)，使室內外構成一個(gè)電流環(huán)，電流環(huán)由室內機供電。這個(gè)電路利用芯片內部的UART通信模塊，為室內外機提供一條可靠的通信回路。 圖 4-8 Power Line通信電路室內機部分 圖 4-9 Power Line通信電路室外機部分 5 系統軟件設計 整個(gè)室外機系統軟件主要包括以下幾部分： 1. 同室內機通信、協(xié)調控制部分； 2. 室外機的壓縮機驅動(dòng)控制部分； 3. 室外風(fēng)機驅動(dòng)控制； 4. 四通閥驅動(dòng)控制。 系統同室內機通信、協(xié)調控制部分主要包括串口中斷服務(wù)和命令解釋執行和主循環(huán)控制等幾部分。其中主控制流程如圖 5-1。串口中斷服務(wù)主要是接收來(lái)自室內機的數據包，并對相應的信息進(jìn)行處理，確保傳給控制程序的命令和數據的正確性；命令解釋執行部分主要是解讀室內機命令，并進(jìn)行相應的處理。 圖 5-1 主流程 壓縮機驅動(dòng)控制部分分為BLDC核心驅動(dòng)、電機加減速控制、電機的起停服務(wù)等幾部分。其中最核心的是BLDC核心驅動(dòng)部分。 SPMC75F2413A 是屬于馬達專(zhuān)用IC，內部一共有兩套完全相同的變頻電機驅硬件�？梢酝瑫r(shí)驅動(dòng)兩路BLDC電機。這為DC變頻空調的實(shí)現提供了極大的方便。因此壓縮機的驅動(dòng)的軟件部分變得比較簡(jiǎn)單，只需要利用反電勢位置偵測電路（如圖4-7所示）為驅動(dòng)電路提供的轉子位置信息便可方便的驅動(dòng)壓縮機。同時(shí)，SPMC75F2413A內部還集成了專(zhuān)用的驅動(dòng)保護電路，對壓縮機和其驅動(dòng)電路提供了完善的保護功能。 DC變頻空調的室外風(fēng)機同壓縮機一樣使用BLDC電機。因此其驅動(dòng)軟件和壓縮機驅動(dòng)部分使用相同的結構。 6 結語(yǔ) 通常，在開(kāi)發(fā)變頻設備的過(guò)程中，需要編寫(xiě)實(shí)時(shí)性、程序可讀性強的代碼，這時(shí)就需要采用混合編程。而凌陽(yáng)的u’nSP IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進(jìn)行混合編程（在C程序中調用匯編程序，在匯編程序中調用C程序）。 該系統用了SPMC75F2413A兩個(gè)定時(shí)器和約17個(gè)IO口資源，其實(shí)SPMC75F2413A的資源相當豐富。因其有專(zhuān)業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統開(kāi)發(fā)變得相對簡(jiǎn)單。同時(shí)，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當出眾的表現。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統在通用變頻、變頻家電等變頻領(lǐng)域有廣闊的應用前景。 |
