單片機在AC變頻空調(diào)的應(yīng)用

1  引言

　　隨著我國國民經(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(diào)器已廣泛應(yīng)用于社會的各種場合，直流變頻空調(diào)器因具有節(jié)能、低噪、恒溫控制、全天候運轉(zhuǎn)、啟動低頻補償、快速達到設(shè)定溫度等性能，使空調(diào)的舒適性大大提高，將越來越受到人們的喜愛。單片機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，直流變頻技術(shù)及模糊控制技術(shù)在空調(diào)器嵌入式控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用，半導(dǎo)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(shè)計方案的AC變頻空調(diào)控制器由室內(nèi)機控制器、室外機控制器兩部分組成。基于SPMC75F2413A 的優(yōu)越性能，用其設(shè)計室外機AC變頻控制器，容易實現(xiàn)產(chǎn)品模塊化、智能化特點，控制參數(shù)采用開放式結(jié)構(gòu)，便于與各種壓縮機聯(lián)結(jié)，從而能夠在最短的時間內(nèi)根據(jù)不 同廠家的要求進行產(chǎn)品的升級換代。以這種方式，產(chǎn)品可以更快地推向市場，獲得時間上的競爭優(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(jù)室內(nèi)環(huán)溫、管溫，室外環(huán)溫、管溫、壓縮機排氣溫度、壓縮機過載保護溫度、壓縮機電流等參數(shù)建立模糊邏輯關(guān)系，控制壓縮機的運轉(zhuǎn)速度、室外風(fēng)機及其它負載運行；

　　2、高效的三次諧波注入基于DDS的SPWM發(fā)生技術(shù)，充分利用電源電壓、精確的頻率調(diào)整、實時的電壓補嘗功能，使壓縮機更有效工作;

　　3、模塊控制保護電路：當(dāng)模塊有保護信號輸出時，通過硬件電路斷開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(shè)計技術(shù)：在掌握空調(diào)的干擾機理的前提下，硬件設(shè)計重點考慮以下幾點：電源電路設(shè)計、濾波電路參數(shù)設(shè)計、印制板地線及信號線設(shè)計，并且軟件采用容錯技術(shù)。

2  系統(tǒng)總體方案介紹

　　本AC變頻空調(diào)系統(tǒng)分室內(nèi)機系統(tǒng)和室外機系統(tǒng)兩部分，其中室內(nèi)機系統(tǒng)主要是系統(tǒng)一些邏輯狀態(tài)信息的處理，而室外機系統(tǒng)主要是壓縮機的變頻驅(qū)動部分。在本系統(tǒng)方案中室內(nèi)機選用的是SPCE061A實現(xiàn)的，SPMC75F2413A主要是應(yīng)用在變頻驅(qū)動部分。因此室內(nèi)機系統(tǒng)在此不再詳述。室外機的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1。

　　圖 2.1室外機系統(tǒng)框圖

　　這個系統(tǒng)的基本工作流程：

　　室外機的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時接收來自室內(nèi)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(yīng)的控制功能。同時還會將室外機的一些狀態(tài)和室外的一些溫度信息傳回室內(nèi)機。以供室內(nèi)機做控制之用。

3  系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)電路原理圖如圖 3.1。其中PS21865A三相功率全橋電路模塊，用來實現(xiàn)PWM信號的功率合成，從而驅(qū)動壓縮機。ULN2003A是集電極開路輸出的功率反向器，主要用來驅(qū)動系統(tǒng)中的繼電器，從而控制風(fēng)機和電磁閥。SPMC75F2413A單片機的主要作用：1. 根據(jù)室內(nèi)機命令控制整個系統(tǒng)。2. 完成AC變頻壓縮機的變頻驅(qū)動信號的產(chǎn)生和控制功能。

　　圖 3.1中的Power_Line是一種半雙工的電流環(huán)變換電路，它主要是利用電源和一條專用的通信線，使室內(nèi)外構(gòu)成一個電流環(huán)，電流環(huán)由室內(nèi)機供電。這個電路為室內(nèi)外機提供一條通信回路。SPMC75F2413A合成的注入三次諧波的SPWM信號經(jīng)IOB0~5輸出，經(jīng)緩沖和光隔后輸入PS21865A，而后輸出控制電機。SPMC75F2413A的IOB6是錯誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦PS21865A出現(xiàn)工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱），驅(qū)動硬件會立即禁止PS21865A工作，同時申請中斷，請求CPU處理。IOA0~3為模擬輸入口，主要是溫度傳感器接口和直流高壓測量接口。IOC8~10為控制四通閥和外風(fēng)機的控制。

　　圖 3.1系統(tǒng)電路原理圖

4   系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　整個室外機系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：1. 同室內(nèi)機通信、協(xié)調(diào)控制部分。2. 室外機的壓縮機驅(qū)動控制部分。 

　　系統(tǒng)同室內(nèi)機通信、協(xié)調(diào)控制部分主要包括串口中斷服務(wù)和命令解釋執(zhí)行和主循環(huán)控制等幾部分。其中主控制流程如圖 4.1。串口中斷服務(wù)主要是接收來自室內(nèi)機的數(shù)據(jù)包，并對相應(yīng)的信息進行處理，確保傳給控制程序的命令和數(shù)據(jù)的正確性；命令解釋執(zhí)行部分主要是解讀室內(nèi)機命令，并進行相應(yīng)的處理。

　　圖 4.1 主流程

　　壓縮機驅(qū)動控制部分分為SPWM信號合成、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SPWM信號的合成。本系統(tǒng)的波形合成使用DDS（直接數(shù)字頻率合成）的方式進行。這部分主要由PWM周期表中斷服務(wù)和相應(yīng)的輔助計算程序組成。其中PWM周期中斷服務(wù)是信號合成的核心部分，整個系統(tǒng)中它占用70%左右的運算量。它主要完成驅(qū)動波形的合成和干線電壓的動態(tài)補嘗功能，同時周期中斷為DDS提供時鐘基準(zhǔn)；而加減速控制部分主要跟蹤設(shè)置頻率，從而使當(dāng)前工作頻率以設(shè)定的加速度向目標(biāo)工作頻率逼近；電機的起停服務(wù)主要是對電機啟動和停止這兩個特殊過和進行特殊處理。

　　因PWM周期中斷服務(wù)程序執(zhí)行頻率很高（5KHz左右），因此這部分使用匯編編寫，以保證盡量小的CPU資源占用。PWM中斷服務(wù)子程序的流程如圖 4.2。

　　圖 4.2 PWM中斷服務(wù)子程序流程圖

5  結(jié)語

　　通常，在開發(fā)變頻設(shè)備的過程中，需要編寫實時性、程序可讀性強的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的m’nSP™ IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進行混合編程（在C程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中調(diào)用C程序）。

　　該系統(tǒng)用了SPMC75F2413A兩個定時器和約17個IO口資源，其實SPMC75F2413A的資源相當(dāng)豐富。因其有專業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開發(fā)變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當(dāng)出眾的表現(xiàn)。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統(tǒng)在通用變頻、變頻家電等變頻領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。