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1 引言 隨著我國國民經濟的發展和人民物質文化生活水平的不斷提高，空調器已廣泛應用于社會的各種場合，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，將越來越受到人們的喜愛。單片機技術的廣泛應用，直流變頻技術及模糊控制技術在空調器嵌入式控制領域的成功應用，半導體功率器件的迅速發展為直流變頻控制的推廣提供了技術保障。 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。基于SPMC75F2413A 的優越性能，用其設計室外機DC變頻控制器，容易實現產品模塊化、智能化特點，控制參數采用開放式結構，便于與各種壓縮機聯結，從而能夠在最短的時間內根據不同廠家的要求進行產品的升級換代。以這種方式，產品可以更快地推向市場，獲得時間上的競爭優勢。本控制器含有以下關鍵技術： 1、模糊控制技術：依據室內環溫、管溫，室外環溫、管溫、壓縮機排氣溫度、壓縮機過載保護溫度、壓縮機電流等參數建立模糊邏輯關系，控制壓縮機的運轉速度、室外風機及其它負載運行； 2、基于反電勢位置偵測的BLDC驅動技術; 3、模塊控制保護電路：當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 及可靠性設計技術：在掌握空調的干擾機理的前提下，硬件設計重點考慮以下幾點：電源電路設計、濾波電路參數設計、印制板地線及信號線設計，并且軟件采用容錯技術。 2 芯片特性簡介 本系統是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實現DC變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。 SPMC75F2413A 是μ’nSP?系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。與其它μ’nSP?產品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動領域。由于其擁有出色性能定時器PWM信號發生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實現各種電機驅動方案。 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個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數器，且每個定時器均有PWM發生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉換。SPMC75F2413A在電機控制領域有相當優秀的表現。 特性包括： ◆ 凌陽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 ◆ 基于時鐘發生模塊的鎖相環電路 ◆ 看門狗定時器 ◆ 10位模/數轉換器 8通道輸入 10us (100kHz)轉換時間 ◆ 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個通用輸入輸出管腳 ◆ 電源管理 2種低功耗模式：Wait/Standby 每個外設都可以獨立的供電 ◆ 兩個比較匹配定時器 ◆ 5個16位通用定時器 2個用于脈寬調制 2個用于速度捕獲 1個用于速度反饋環。 ◆ 中心(center)或邊沿(edge)脈寬調制輸出 ◆ 通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調制輸出保護 ◆ 可編程的死區控制(Dead time control) ◆ 脈寬調制服務和錯誤中斷發生 ◆ 具備驅動交流感應電機和直流無刷電機的能力 ◆ 內嵌在線仿真功能 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信息的處理，而室外機系統主要是DC壓縮機的變頻驅動部分。在本系統方案中室內機選用的是SPMC701FM0A實現的，SPMC75F2413A主要是應用在BLDC變頻驅動部分。系統結構框圖如圖3-1所示。 圖 3-1 DC變頻空調系統框圖 系統的基本工作過程： 室外機的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時接收來自室內機的控制和狀態信息，從而去控制室外的風機、四通閥和壓縮機，完成相應的控制功能。同時還會將室外機的一些狀態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和溫度信息對整個空調系統進行協調控制。 4 系統硬件設計 整個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功率驅動模塊、反電勢位置偵測電路、開關電源、室外風機驅動、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 連接在線調試、仿真器ICE。MCU控制電路是整個室外機系統的控制核心，室外機的所有外設均在其協調控制下工作。 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，電源輸入端通過突波吸收器ZNR3 以避免過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構成軟起動電路，防止電路上電時的大電流沖擊。 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IC21 與IC22 產生P+15V 與P+5V，以供給IPM 功率模塊的工作電壓。而+12V 經線性穩壓器IC20 產生+5V 電源供給SPMC75F2413A 等數字電路。 圖4-4 DC/DC電源供應電路 4.4 室外風機驅動電路 室外風機使用有霍爾傳感器的BLDC，其驅動電路如圖4-5所示。電路使用SMA5118和功率驅動光藕TLP251實現。SPMC75F2413A輸出PWM信號經TLP251光電隔離后送入SMA5118功率驅動模塊進行功率合成后輸出，從而驅動風機可靠的工作。 圖 4-5 室外風機驅動電路 4.5 壓縮機功率驅動電路 壓縮機功率驅動電路如圖4-6所示。電路主要由IPM功率驅動模塊（PS21865A）電路和PWM信號光電隔離驅動電路構成。SPMC75F2413A輸出PWM信號經光電隔離后送入IPM功率驅動模塊進行功率合成后輸出，從而驅動壓縮機。 圖4-6 IPM 馬達驅動電路 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電機在旋轉時會在定子線圈上產生與轉子位置相關的反電勢的特性。電路由電壓比較器和相應的阻容網絡構成，完成無傳感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。它實質上是一種半雙工的電流環通信電路，它主要是利用一條電源線和一條專用的通信線，使室內外構成一個電流環，電流環由室內機供電。這個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 整個室外機系統軟件主要包括以下幾部分： 1. 同室內機通信、協調控制部分； 2. 室外機的壓縮機驅動控制部分； 3. 室外風機驅動控制； 4. 四通閥驅動控制。 系統同室內機通信、協調控制部分主要包括串口中斷服務和命令解釋執行和主循環控制等幾部分。其中主控制流程如圖 5-1。串口中斷服務主要是接收來自室內機的數據包，并對相應的信息進行處理，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，并進行相應的處理。 圖 5-1 主流程 壓縮機驅動控制部分分為BLDC核心驅動、電機加減速控制、電機的起停服務等幾部分。其中最核心的是BLDC核心驅動部分。 SPMC75F2413A 是屬于馬達專用IC，內部一共有兩套完全相同的變頻電機驅硬件。可以同時驅動兩路BLDC電機。這為DC變頻空調的實現提供了極大的方便。因此壓縮機的驅動的軟件部分變得比較簡單，只需要利用反電勢位置偵測電路（如圖4-7所示）為驅動電路提供的轉子位置信息便可方便的驅動壓縮機。同時，SPMC75F2413A內部還集成了專用的驅動保護電路，對壓縮機和其驅動電路提供了完善的保護功能。 DC變頻空調的室外風機同壓縮機一樣使用BLDC電機。因此其驅動軟件和壓縮機驅動部分使用相同的結構。 6 結語 通常，在開發變頻設備的過程中，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u’nSP IDE具有良好的編程環境，它可以很輕松、容易地進行混合編程（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兩個定時器和約17個IO口資源，其實SPMC75F2413A的資源相當豐富。因其有專業的變頻硬件支持，變頻系統開發變得相對簡單。同時，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、變頻家電等變頻領域有廣闊的應用前景。 |
