變頻空調電控系統的設計

Electronic－ controlled System′ s Design of Frequency Conversion Air－ conditioner

摘要：介紹空調變頻器的SPWM原理，并以西門子專用單片機C504構成的電控系統為例，說明變頻空調器電控系統的基本結構、實現方法及關鍵技術。

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 .

關鍵詞：專用單片機SPWM變頻

Keywords: Special single－ chip， SPWM， Frequency conversion

1引言

　　空調系統目前已經廣泛地應用于生產、生活中。隨著能源的日趨減少，大氣污染愈加嚴重，節能已是1個不容忽視的問題。眾所周知，變頻空調是1種集節能、舒適、靜噪于一體的新型產品，它剛一問世，就顯示出強大的生命力，可以預料，下世紀的空調將會以更快的步伐實現變頻化。變頻空調結構如圖1所示。

圖1變頻空調電控系統示意

圖2C504內部結構圖

　　其中室內部分接收遙控器送來的控制信息，并根據室內空氣溫度、熱交換器溫度以及室外機送來的狀態信息，經過模糊推理，向室外機送出控制信息，包括：變頻壓縮機運行頻率、四通閥狀態等。室外機根據室內機送來的控制信息，產生SPWM波形，驅動壓縮機在相應的頻率上運轉。在運轉控制過程中，隨著室外溫度的不同、壓縮機排氣溫度的變化以及發熱器件溫度的變化自動調整運行頻率，使壓縮機始終處于最佳運行狀態。同時室外機還不斷檢測電流、電壓的變化，檢測短路、過電壓、欠壓等故障的發生，及時采取保護措施，以保障控制系統的良好運行。

　　研制的新型變頻空調電控系統中，室內機、室外機的各種控制功能都是由SIEMENS公司生產的專用單片機C504完成的。該類單片機除了一般單片機的通用功能外，還有1個專門用來驅動三相交流變頻壓縮機和無刷無傳感器的直流壓縮機的CCU單元，功能強大，性能好，編程方便。

2C504中CCU工作原理

　　一般變頻空調壓縮機分三相交流變頻和直流變頻兩種。C504單片機對這兩種類型的壓縮機都可以驅動，僅僅是編程方法不同而已。

　　圖2為C504內部結構框圖。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立單元，它包括有獨立的定時器、比較器、分頻器和寄存器等，可脫離CPU獨立工作，其目的是產生頻率可變的三相正弦交流電。

2.1周期和偏置量的計算

假設脈寬調制頻率為20kHz，即fPWM=20kHz，這就意味著fPWM的比較定時器1每隔50μs產生一次中斷，在其中斷服務程序中形成新的脈沖寬度值，存入比較寄存器之中。由于依時間而變的脈沖序列的脈寬要符合正弦波形的要求，因此實時計算脈寬是不可能的。最通用的方法是在內存建立一個正弦表，在中斷服務程序執行過程中周期地讀出，送到比較寄存器中，以便形成SPWM波形。在設計中，我們把確定PWM周期的比較定時器1設置成模式1狀態，即所

圖3一組PWM波形（帶死區）形成原理

謂雙邊調制狀態。這時定時器1正向計數滿后，立即反向計數，下溢出后提出中斷請求。因之置入定時器1的值N可按下式計算（假設fOSC=40MHz，fPWM=20kHz）；

N=fOSC/(預分頻數×fPWM×2)

=40MHz/(4×20kHz×2)=250

式中預分頻數是為滿足不同頻率而設置的。計算得到的N值送入周期寄存器，就可以達到fPWM=20kHz的目的。

　　死區時間計算的方法如下：由于fOSC/預分頻數=0.1μs，假設需要1μs死區時間時，則需偏移量為：

偏移量=(死區時間×fOSC)/預分頻數

=(1μs×40MHz)/4=10

2.2正弦波形成原理

CCU的PWM有單邊調制和雙邊調制兩種，通過初始化設置，可以任意選擇。本文只討論諧波量比較小的雙邊調制。三相SPWM波形的產生，是由軟件配合CCU內部復雜的硬件結構確定的。脈沖寬度取決于SPWM比較寄存器所存儲數據值的大小，這6個寄存器（均為16位）共分3組，分別定義為CCL0,CCH0,CCL1,CCH1,CCL2,CCH2，而且3組相互獨立。在每個SPWM周期之前，都由CPU經過正弦表查得，并存入這些寄存器中。若內部定時器1的計數值超過寄存器的值，則對應的輸出端口被觸發，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。每次內部定時器反向計數結束時，產生下溢中斷請求，開始新1個PWM周期，并在中斷服務程序中產生相應參數。上下橋臂之間的死區的大小，由信號的偏移量決定，該值存于偏置量寄存器中，定義為CT10FX，1個橋臂的驅動波形形成過程如圖3所示，一旦周期值（輸入到比較定時器1中）、偏移量、3個比較器的值已經輸入，當專門用于對比較器定時的內部定時器1被激活后，CCU在沒有CPU干預的情況下，獨立運行，產生3組獨立的PWM脈沖，脈沖寬度值依據置入比較器的值而定。

圖4正弦波電流的形成

　　對于三相變頻壓縮機來說，必須供給三相正弦波電流。C504的CPU必須向CCU比較寄存器周期地送入三組不同的數據。這些數據來自內部設置的正弦表。每次送數的周期就是PWM周期，由定時器1溢出時間決定，若干個不同脈寬的脈沖組成的脈沖鏈就可以形成1個正弦波周期，如圖4所示。顯然，輸出交流電周期是由PWM周期和脈沖的變化規律決定的。

3電機驅動部分的基本硬件結構

　　對于空調電控系統，不論室內機、室外機，都必須具備電機驅動的功能。特別是新型變頻空調，為了達到靜噪效果，室內風機往往采用直流無刷電機型。因此，室內機、室外機設計的重點仍是不同類型變頻調速電機驅動的設計。圖5給出了基本的電機驅動原理框圖。

圖5電機驅動原理框圖

　　圖5（a）給出了一般三相異步電機驅動框圖，全橋的三組橋臂分別由CCO,COUTO;CC1,COUT1;CC2、COUT2驅動，電流值由傳感器檢測，送至C504的A/D轉換單元進行測試。圖5（b）,（c）為直流無刷電機的驅動方式，其中圖5（b）為內置傳感器型的，而圖5（c）為無內置傳感器，而采用增量位置解碼方式工作的。

圖6BPK－II型變頻空調電控系統室外機驅動部分

4變頻空調室外機驅動部分的設計

　　圖6所示為我們研究的BPK－II型變頻空調電控系統室外機驅動部分的電原理圖。

　　從圖中，可看出驅動部分共分3大部分：整流部分、逆變部分和控制部分。其中整流部分包括交流濾波、尖峰吸收、電流檢測、整流、濾波等電路。逆變部分包括IPM模塊（PM20CTM060）、工作電源部分、光電隔離部分、驅動部分。控制部分主要由C504構成。C504根據室內機送來的控制信息，以及壓縮機溫度、室外溫度和熱交換器的溫度，選擇恰當的運行頻率和有關控制信息，通過CPU送入CCU相應的寄存器和定時器1，并起動定時器1，使SPWM脈沖串通過CCO，COUTO；CC1，COUT1；CC2、COUT2輸出，經74AC04驅動電路，驅動光耦PS2501，最后送入IPM模塊，產生三相正弦波，驅動壓縮機電機運轉。

　　在驅動部分中，能對交流電電壓、電流進行檢測，并進行過、欠壓、過流保護，同時能根據壓縮機溫度、熱交換器溫度和室外溫度的變化，調整運行頻率，使壓縮機脫離危險運行區，避免故障關機的發生。當壓縮機運行在危險狀態時，如嚴重過流、壓縮機過熱（超過120℃）時，能迅速關機，保護系統的安全。PM20CTM060是IPM模塊，具有完備的內部保護措施，一旦進入故障狀態，F0輸出低電平，除關閉外部5V電源外，還通過C504⑨腳通知CPU進入故障狀態。

5結語

　　對于目前通用型分體變頻空調控制系統，用C504作為室內機、室外機控制芯片，不但可以滿足功能的需要，而且從可靠性上得到了提高。該芯片適應溫度范圍廣，其中SAB－C504，TA：0℃～70℃；SAF－C504，TA：－40℃～85℃；SAH－C504，TA：－40℃～110℃；SAK－C504，TA：－40℃～125℃。其工作頻率有12MHz，24MHz和40MHz3種。因此，在IPM模塊斬波頻率和發熱允許的情況下，可以使fPWM大于10kHz以上，適應范圍較寬。如果要開發“一拖多”分體機，可以使用同類型的C508作為控制芯片。

參考文獻

1SIEMENSed.SIEMENS8BitMicrocontrollersUser'sManual.Germany:Siemens,1997

2胡崇岳．現代交流調速技術．北京：機械工業出版社，1998

3朱瑞棋．制冷裝置自動化.西安交通大學出版社，1993