基于西門子專用單片機(jī)C504的變頻空調(diào)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹空調(diào)變頻器的SPWM原理，并以西門子專用單片機(jī)C504構(gòu)成的電控系統(tǒng)為例，說明變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)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：專用單片機(jī)SPWM變頻

Keywords: Special single- chip， SPWM， Frequency conversion

1引言

空調(diào)系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中。隨著能源的日趨減少，大氣污染愈加嚴(yán)重，節(jié)能已是1個(gè)不容忽視的問題。眾所周知，變頻空調(diào)是1種集節(jié)能、舒適、靜噪于一體的新型產(chǎn)品，它剛一問世，就顯示出強(qiáng)大的生命力，可以預(yù)料，下世紀(jì)的空調(diào)將會(huì)以更快的步伐實(shí)現(xiàn)變頻化。變頻空調(diào)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1變頻空調(diào)電控系統(tǒng)示意

圖2C504內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中室內(nèi)部分接收遙控器送來的控制信息，并根據(jù)室內(nèi)空氣溫度、熱交換器溫度以及室外機(jī)送來的狀態(tài)信息，經(jīng)過模糊推理，向室外機(jī)送出控制信息，包括：變頻壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、四通閥狀態(tài)等。室外機(jī)根據(jù)室內(nèi)機(jī)送來的控制信息，產(chǎn)生SPWM波形，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在相應(yīng)的頻率上運(yùn)轉(zhuǎn)。在運(yùn)轉(zhuǎn)控制過程中，隨著室外溫度的不同、壓縮機(jī)排氣溫度的變化以及發(fā)熱器件溫度的變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行頻率，使壓縮機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)室外機(jī)還不斷檢測(cè)電流、電壓的變化，檢測(cè)短路、過電壓、欠壓等故障的發(fā)生，及時(shí)采取保護(hù)措施，以保障控制系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

研制的新型變頻空調(diào)電控系統(tǒng)中，室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)的各種控制功能都是由SIEMENS公司生產(chǎn)的專用單片機(jī)C504完成的。該類單片機(jī)除了一般單片機(jī)的通用功能外，還有1個(gè)專門用來驅(qū)動(dòng)三相交流變頻壓縮機(jī)和無刷無傳感器的直流壓縮機(jī)的CCU單元，功能強(qiáng)大，性能好，編程方便。

2C504中CCU工作原理

一般變頻空調(diào)壓縮機(jī)分三相交流變頻和直流變頻兩種。C504單片機(jī)對(duì)這兩種類型的壓縮機(jī)都可以驅(qū)動(dòng)，僅僅是編程方法不同而已。

圖2為C504內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dú)立單元，它包括有獨(dú)立的定時(shí)器、比較器、分頻器和寄存器等，可脫離CPU獨(dú)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(jì)算

假設(shè)脈寬調(diào)制頻率為20kHz，即fPWM=20kHz，這就意味著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(jì)算脈寬是不可能的。最通用的方法是在內(nèi)存建立一個(gè)正弦表，在中斷服務(wù)程序執(zhí)行過程中周期地讀出，送到比較寄存器中，以便形成SPWM波形。在設(shè)計(jì)中，我們把確定PWM周期的比較定時(shí)器1設(shè)置成模式1狀態(tài)，即所

圖3一組PWM波形(帶死區(qū))形成原理

謂雙邊調(diào)制狀態(tài)。這時(shí)定時(shí)器1正向計(jì)數(shù)滿后，立即反向計(jì)數(shù)，下溢出后提出中斷請(qǐng)求。因之置入定時(shí)器1的值N可按下式計(jì)算(假設(shè)fOSC=40MHz，fPWM=20kHz);

N=fOSC/(預(yù)分頻數(shù)×fPWM×2)

=40MHz/(4×20kHz×2)=250

式中預(yù)分頻數(shù)是為滿足不同頻率而設(shè)置的。計(jì)算得到的N值送入周期寄存器，就可以達(dá)到fPWM=20kHz的目的。

死區(qū)時(shí)間計(jì)算的方法如下：由于fOSC/預(yù)分頻數(shù)=0.1μs，假設(shè)需要1μs死區(qū)時(shí)間時(shí)，則需偏移量為：

偏移量=(死區(qū)時(shí)間×fOSC)/預(yù)分頻數(shù)

=(1μs×40MHz)/4=10

2.2正弦波形成原理

CCU的PWM有單邊調(diào)制和雙邊調(diào)制兩種，通過初始化設(shè)置，可以任意選擇。本文只討論諧波量比較小的雙邊調(diào)制。三相SPWM波形的產(chǎn)生，是由軟件配合CCU內(nèi)部復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)確定的。脈沖寬度取決于SPWM比較寄存器所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)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(dú)立。在每個(gè)SPWM周期之前，都由CPU經(jīng)過正弦表查得，并存入這些寄存器中。若內(nèi)部定時(shí)器1的計(jì)數(shù)值超過寄存器的值，則對(duì)應(yīng)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)，見圖3。每次內(nèi)部定時(shí)器反向計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生下溢中斷請(qǐng)求，開始新1個(gè)PWM周期，并在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生相應(yīng)參數(shù)。上下橋臂之間的死區(qū)的大小，由信號(hào)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(qū)動(dòng)波形形成過程如圖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(dāng)專門用于對(duì)比較器定時(shí)的內(nèi)部定時(shí)器1被激活后，CCU在沒有CPU干預(yù)的情況下，獨(dú)立運(yùn)行，產(chǎn)生3組獨(dú)立的PWM脈沖，脈沖寬度值依據(jù)置入比較器的值而定。

圖4正弦波電流的形成