單片機(jī)在AC變頻空調(diào)的應(yīng)用

1  引言

　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(huì)的各種場(chǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)、啟動(dòng)低頻補(bǔ)償、快速達(dá)到設(shè)定溫度等性能，使空調(diào)的舒適性大大提高，將越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)。單片機(jī)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(jì)方案的AC變頻空調(diào)控制器由室內(nèi)機(jī)控制器、室外機(jī)控制器兩部分組成?；赟PMC75F2413A 的優(yōu)越性能，用其設(shè)計(jì)室外機(jī)AC變頻控制器，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊化、智能化特點(diǎn)，控制參數(shù)采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，便于與各種壓縮機(jī)聯(lián)結(jié)，從而能夠在最短的時(shí)間內(nèi)根據(jù)不 同廠家的要求進(jìn)行產(chǎn)品的升級(jí)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(jī)排氣溫度、壓縮機(jī)過(guò)載保護(hù)溫度、壓縮機(jī)電流等參數(shù)建立模糊邏輯關(guān)系，控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、室外風(fēng)機(jī)及其它負(fù)載運(yùn)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(shí)時(shí)的電壓補(bǔ)嘗功能，使壓縮機(jī)更有效工作;

　　3、模塊控制保護(hù)電路：當(dāng)模塊有保護(hù)信號(hào)輸出時(shí)，通過(guò)硬件電路斷開(kāi)PWM 模塊輸出控制信號(hào)，以達(dá)到保護(hù)模塊的效果，并且可靠的給單片機(jī)模塊保護(hù)信號(hào)；

　　4、EMC 及可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)：在掌握空調(diào)的干擾機(jī)理的前提下，硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：電源電路設(shè)計(jì)、濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)、印制板地線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)設(shè)計(jì)，并且軟件采用容錯(cuò)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(jī)系統(tǒng)和室外機(jī)系統(tǒng)兩部分，其中室內(nèi)機(jī)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(jī)系統(tǒng)主要是壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)部分。在本系統(tǒng)方案中室內(nèi)機(jī)選用的是SPCE061A實(shí)現(xiàn)的，SPMC75F2413A主要是應(yīng)用在變頻驅(qū)動(dòng)部分。因此室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)在此不再詳述。室外機(jī)的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1。

　　圖 2.1室外機(jī)系統(tǒng)框圖

　　這個(gè)系統(tǒng)的基本工作流程：

　　室外機(jī)的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時(shí)接收來(lái)自室內(nèi)機(jī)的控制和狀態(tài)信息，從而去控制室外的風(fēng)機(jī)、四通閥和壓縮機(jī)，完成相應(yīng)的控制功能。同時(shí)還會(huì)將室外機(jī)的一些狀態(tài)和室外的一些溫度信息傳回室內(nèi)機(jī)。以供室內(nèi)機(jī)做控制之用。

3  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的功率合成，從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。ULN2003A是集電極開(kāi)路輸出的功率反向器，主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的繼電器，從而控制風(fēng)機(jī)和電磁閥。SPMC75F2413A單片機(jī)的主要作用：1. 根據(jù)室內(nèi)機(jī)命令控制整個(gè)系統(tǒng)。2. 完成AC變頻壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(zhuān)用的通信線(xiàn)，使室內(nèi)外構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)，電流環(huán)由室內(nèi)機(jī)供電。這個(gè)電路為室內(nèi)外機(jī)提供一條通信回路。SPMC75F2413A合成的注入三次諧波的SPWM信號(hào)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(jī)。SPMC75F2413A的IOB6是錯(cuò)誤偵測(cè)輸入端，通過(guò)對(duì)其傳回信號(hào)的檢測(cè)，一旦PS21865A出現(xiàn)工作異常（如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱），驅(qū)動(dòng)硬件會(huì)立即禁止PS21865A工作，同時(shí)申請(qǐng)中斷，請(qǐng)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(cè)量接口。IOC8~10為控制四通閥和外風(fēng)機(jī)的控制。

　　圖 3.1系統(tǒng)電路原理圖

4   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)室外機(jī)系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：1. 同室內(nèi)機(jī)通信、協(xié)調(diào)控制部分。2. 室外機(jī)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分。 

　　系統(tǒng)同室內(nèi)機(jī)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(lái)自室內(nèi)機(jī)的數(shù)據(jù)包，并對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)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(jī)命令，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　圖 4.1 主流程

　　壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分分為SPWM信號(hào)合成、電機(jī)加減速控制、電機(jī)的起停服務(wù)等幾部分。其中最核心的是SPWM信號(hào)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(jìn)行。這部分主要由PWM周期表中斷服務(wù)和相應(yīng)的輔助計(jì)算程序組成。其中PWM周期中斷服務(wù)是信號(hào)合成的核心部分，整個(gè)系統(tǒng)中它占用70%左右的運(yùn)算量。它主要完成驅(qū)動(dòng)波形的合成和干線(xiàn)電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)嘗功能，同時(shí)周期中斷為DDS提供時(shí)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(jī)的起停服務(wù)主要是對(duì)電機(jī)啟動(dòng)和停止這兩個(gè)特殊過(guò)和進(jìn)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(xiě)，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(yǔ)

　　通常，在開(kāi)發(fā)變頻設(shè)備的過(guò)程中，需要編寫(xiě)實(shí)時(shí)性、程序可讀性強(qiáng)的代碼，這時(shí)就需要采用混合編程。而凌陽(yáng)的m’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(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(gè)定時(shí)器和約17個(gè)IO口資源，其實(shí)SPMC75F2413A的資源相當(dāng)豐富。因其有專(zhuān)業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，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。