变频空调电气控制设计说明

1、变频空调电气控制设计目 录绪 论41.1 实训背景来源及其探究意义41.2 空调器控制技术发展概况51.2.1 在空调器控制技术发展概况51.2.2 变频空调器的产生与发展71.2.3 模糊控制技术的发展及研究动态81.3 用主要设计容9第 2 章 方案论证102.1 空调器电控系统总设计方案102.2 空调器压缩机控制方案102.2.1 变频调速的基本方式122.2.2 宽脉调控控制策略132.2.3 实现手段142.3 温度控制方案选择152.4 本章小结16第 3 章 变频空调器电控系统设计173.1 电控系统总体结构173.2 室机组设计183.2.1 红外遥控器信号的接受183.2.

2、2 风门步进电机的控制193.2.3 室风扇电机的调速控制193.3 室外机组设计213.3.1 室外风扇电机控制电路213.3.2 电流检测电路223.3.3 辅助电源设计233.3.4 变频电路的设计与控制243.3.5 室外机软件的编制253.4 温度检测电路253.5 变频电路设计273.6 本章小结28第 4 章 模糊控制器的设计294.1 模糊控制的基本原理294.2 变量模糊化304.3 模糊控制规则的确定324.3.1 模糊温度控制器的反模糊化324.3.2 模糊控制器的软件框图334.4 基于模糊推理的自调器PID控制器344.5 PID控制器参数自整定原则344.6 模糊控

3、制器的仿真364.7 本章小结36结 论37致 38参考资料39绪 论1.1 实训背景来源及其探究意义 空调是空气调节器的简称，它的作用是通过空调器对室空气进行处理，使它的温度、湿度、气流速度和洁净度达到所需的要求，为人们提供舒适生活条件和为生产工艺提供一定的环境条件服务。 空调器一般有冷风型空调器、电热冷风型空调器、热泵型空调器几种。冷风型空调器只能用于降温调节；电热冷风型空调器一般是在原冷风型空调器上进行局部改进，增加电热部分而成；热泵型冷热两用空调是目前普遍采用的空调器。制冷循环中，低温低压的液态制冷剂在蒸发器处吸收热量而汽化，经压缩机压缩成为高压、高温气体，在冷凝器散热冷凝成液态制冷剂

4、，然后又经毛细管(或膨胀阀)降压节流成为低压、低温状态，如此反复循环，就可将室的热量排到室外，并通过室的风扇将冷却后的空气均匀地分布到室。制热时，制冷剂的循环与此相反。 温度控制技术是热泵型冷热两用空调中最主要的控制技术，一个完整的温度控制系统主要包括三部分：温度传感器、温度控制器和温度调节器。 传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室温度变化来控制压缩机的运行和停止的，风扇则在设定的速度下工作，这会造成受控环境温度变化较大，使人们在使用空调时仍不断感受到冷热的变化。此外，压缩机的ON/OFF控制方式及空调器自身的结构特点使室机的输出与压缩机的输出相比有一定的滞后性，而且压缩机处于全开或全关

5、状态，其制冷(热)量也对室温度有较大影响，这些势必影响空调的温度控制精度和舒适性。变频模糊控制空调器将传感器测定的实际环境状态和空调系统状态与人们所期望达到的设定状态进行比较，通过模糊逻辑控制技术使空调器控制系统具有自调整的智能特性，从而得出最佳的动态控制参数，并对空调器的变频电源及各执行单元实施控制，使空调器的工作状态随着人们的要求和环境状态的变化而自动变化，始终保持在较合理的状态下变频模糊控制空调器对室外机的要，压缩机能根据室需要的冷(热)量不同，连续地、动态地、实时地调整其制冷(热)量。 正由于变频空调器具有这些优点，世界各国厂商都竞相开发研制，但目前技术比较成熟的国外厂商的产品普遍存在

6、价格比较高的问题，而国的变频空调技术尚不够成熟。由于国外厂商交频空调器的技术封锁，而近年来工用、商用、民用空调需求不断增加，特别是需求成高档化，所以需要国自行研制性能可靠、运行更加平稳、功能更强、节能显著、噪音小、污染少的变频空调器，并使其能够进入普通消费者的家庭，这就是本课题的背景。本实训题目自拟。意义在于：1)传统的空调器是当温度达到所要求的围时就停转，超出围时就重新启动。工作过程中反复启停，产生峰值电流，造成污染。采用先进可靠的变频技术后，可随时调整压缩机转速，避免了频繁的起停，消除压缩机启动时的尖峰电流，减少对电网的污染。(2)传统的空调器不管外界温度如何，始终保持同一转速。而变频空调

7、则采用先进的模糊控制技术，根据需要改变转速，温度波动小，感觉舒服，运转更加平稳，降低噪音。(3)由于近年来能源供应形势相当严峻，使人们普遍关注节约能源，有效利用能源。变频式空调真正符合节能要求，今后必将取代传统空调。(4)温度控制器应用领域广泛，可以被广泛用到工农业生产、科学研究和生活等各种领域。(5)利用模糊控制技术解决由于控制对象尺寸变化大、温度特性差别大出现的不稳定状况。(6)通过改良控制算法，使系统具有很强的鲁棒性和控制稳定性。1.2 空调器控制技术发展概况1.2.1 在空调器控制技术发展概况 空调器的电气控制技术是涉及很多学科在的一项综合性技术。从传统的开关控制发展到现在的变频控制，

8、以及模糊智能技术的应用，空调器的性能有了很大的提高。 从空调器的电控系统的发展上看，可分为继电器一接触器控制、分立元件的微电子元件控制和专用微电脑芯片控制三个阶段。 最初，空调器的控制电路大都采用选择开关、继电器和接触器组成。风扇电机的转速由手动的转换开关直接选择进行控制，转换开关接通不同的触点，风机上相应的转速绕组就得电；压缩机也是由一个简单的转换开关控制电路控制启停，只是增加了手动的调温开关和冷热切换开关。当转换开关在制冷位置时，由调温开关控制压缩机的得电与失电，进行制冷；当转换开关在制热位置时，由调温开关控制电加热器的得电与失电，进行制热。所以，这种控制方式功能简单，而且使用起来不太方便

9、。 20世纪90年代初，在继电器-接触器控制线路的基础上利用电子技术，发展了采用集成电路和分立元件相结合的电控线路，这种电控系统中，压缩机、风机等负载仍采用继电器接触器供电方式。而其控制部分则采用集成电路和分立元件相结合的方式组成控制电路，用弱电控制。增加了电子温度控制、自动除霜、3分钟延时、过欠压保护及制冷系统压力开关保护等功能，使空调器的自动控制功能大大提高，工作更为可靠。并且增强了电气保护功能，如压力控制器，当排气压力过高或吸气压力过低时，压力控制器断开接点，迫使交流接触器线圈断电，使压缩机停止工作：热继电器起过负荷保护作用，确保压缩机不会因过流而损坏。电子温控板通过热敏电阻对温度进行采

10、样，转换成电压值，并通过电压比较器与温度设定值进行比较，电压比较器通过放大电路驱动相应的继电器，从而控制压缩机的运转。 目前先进的空调器己普遍采用微电脑控制技术，微电脑在空调器上的应用，使空调器不但实现了自动化控制，而且还实现了智能化控制，使空调器的功能有了更大的增加，操作更为简单，舒适程度进步提高。微电脑部有微处理器)，微处理器中的中央处理器具有数据处理能力(如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等)，可以实现复杂的软件功能。MPU部还含有其它一些功能电路，如A/D转换(模数转换)电路、定时器/计数器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口电路)、显示器(LED或LCD)驱动电路、脉宽调

11、制输出电路(PWM)等。空调器微电脑控制框图如图1-1所示。电源及复位电遥控器接收电路按钮开关温度控制定时控制温度检测风扇控制压缩机控制指示灯蜂鸣器压缩机风扇电机图1-1空调器微电脑控制框图 从最初的继电器一接触器控制、分立的电子元件控制到现在的微电脑控制，对空调器的控制趋向操作简易、功能多样化。同时由于红外遥控器的使用，使操作更简单，以及模糊控制理论的应用，使空调性能越来越可靠，感觉越来越舒适。 1.2.2 变频空调器的产生与发展 传统空调器采用开关控制方式，利用异步交流电机控制压缩机进行制冷或制热，这种控制方式有很多缺点和不足：空调器保持恒温所采用的措施是利用简单的感温装置来控制温度。当温

12、度达到设定温度时，使压缩机停止转动，经过一段时间之后，由于外部影响使室温再度升高时，再接通压缩机电路肩动压缩机制冷。这样，压缩机工作于开关状态，频繁的起停造成了空调器的制冷(制热)的不连续，室温有较大的变动差，因此普通空调使用起来缺乏舒适感：空调器工作过程中反复启停，对压缩机损害较大，产生冲击电流，造成对电网的污染，会影响到其它用电设备的正常运转；而且处于开关工作状态压缩机耗电量较大。所以近年来出现了变频空调，采用了变频驱动的空调器具有温控精度高、环境舒适、节约电能、减小对电网和压缩机的冲击等优点。变频式空调器的工作原理是通过改变压缩机电动机的电源频率来达到调节压缩机电机的转速，从而控制空调器

13、制冷(制热)功率的目的。当室需要急速降温或急速升温，或室空调负荷加大时，压缩机转速可加快，制冷功率(制热功率)按比例增加；相反，在一般情况下，当室空调负荷减少时，压缩机转速可正常运转或减速；在空调器开机时，室温度与设定的温度偏离较大时，变频以高于工频的频率供电，保证空调器快速启动，可以使室温快速达到设定值。而当室温度与预设温度接近时，变频器自动保持压缩机低速运行以保持恒温。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转即可以节能又可保证房间舒适。因压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，且压缩机长时间不问断运行，避免了频繁启动造成的损耗，所以变频式空调具有节能效果。因压缩机从20Hz电源频率软

14、起动，起动电流小对电网无冲击，对其它电器也无干扰，对电源电压及频率的敏感度也低。 变频式空调改善了传统空调器的不足，变频式空调集微电子技术与新制冷技术为一体，能效比高、调温快、节能显著，特别是应用了模糊控制技术，显出更加突出的优势。为了满足广大用户的需要和激烈的市场竞争，国外各厂商的空调器在花色品种、多种功能、微电子控制和高效节能上也有了很大的进步。空调器目前的发展趋势主要有：自动控制性能的改善，利用模糊控制理论，自动按照室外环境和用户的需要，调节房间的温湿度；冷热两用，提高制冷(热)能力，加快房间的制冷(热)速度；改善气流和净化空气：使运转更加平稳，降低噪音。除变频功能外，目前还出现了更高一

15、档的附加功能，如卫星传感红外线探测器功能，反映人体表面温度参数；采用遥控开停运行控制；模仿自然风三维供风方式；有的空调带有人体感知器，可跟据室人员的多少及活动量的大小，然后通过风向控制阀调节合适的风向及风速，同时可根据人体的活动量来调节室温。1.2.3 模糊控制技术的发展及研究动态 空调器室温控制这种对象尺寸变化大、温度特性差别大的情况，使用传统的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技术对空调器进行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一种语言控制器，有很强的鲁棒性和控制稳定性。同采用PID控制的变频空调相比，模糊控制空调器具有省电、噪音低和舒适度高等优点，具有很好的市场前景

16、。 模糊控制的概念是美国加利福尼亚大学著名教授扎德在70年代初提出的，20多年来已取得了重大的发展，应用围发展到从工业控制到家用电器等各领域。模糊逻辑控制思想适用于理论和经验性推理，通常用于与人类判断和感觉有关的控制问题、非线性问题、以及难于建立数学模型的控制系统。模糊逻辑是一种近似推理逻辑，它使机器具有人类思维若干特点。能够根据一系列模糊知识和语句做出决定、判断和决议。模糊逻辑系统对控制器的描述采用的是模糊语言，而不是数学方程式。模糊控制可以采用控制专家的复杂而独到的经验性知识，推导出适当的控制输出。模糊逻辑控制不像纯粹的数学模型那样精确，但它更容易制作、理解和修改。 近年来，日本兴起了模糊

17、控制热，目前模糊控制已广泛地应用到模糊电饭煲、 模糊洗衣机、模糊微波炉、模糊空调机、模糊吸尘器等家用电器。并且受到了欢迎。这些产品的明显优势是功能提高、操作简便、节能效果显著。随着科学技术的进步，模糊逻辑和模糊控制技术的应用会越来越多，越来越广泛。 模糊控制作为智能控制家族中的一员，其发展前景是广阔的。近年来研究的三要容是模糊系统、神经网络以及两者结合的模糊神经网络技术方面。模糊控制发展至今，每年世界上都要发表相关论文约1000篇，其部分研究多是在中国和日本完成的，小部分在欧洲。模糊逻辑商业化最成功的是日本，日本的国际贸易和工业部已经建立了两个主要研究机构，一个是国际模糊工程研究实验室；另一个

18、是模糊逻辑系统研究所。美国工业界在近几年不少公司像Eaton、GE、HP、Rockwell等，有的已经推出，有的正在推出模糊逻辑产品。从大量热心用户对Motorola模糊逻辑处理软件的反映情况来看，越来越多的人和公司认识到这项技术的商业价值。1.3 主要设计容 本实训的任务就是设计一种冷热两用的热泵型分体式房间变频空调的模糊温度控制器，包括控制电路的设计，模糊PID设计控制器，变频控制器的设计及仿真。 根据本课题任务，将完成以下研究容：1、压缩机变频控制主电路设计2、MB89P857实现整个温度控制器硬件电路3、模糊PID设计控制器4、系统的MATLAB仿真试验第 2 章 方案论证2.1 空调

19、器电控系统总设计方案 变频空调由压缩机、室蒸发器、室外冷凝器、电磁四通阀、风扇和变频器及电气控制系统等组成。分成室机组和室外机组两部分，室、外机组各用一个单片机进行控制，通过信号线进行通信，以传递和交换信号。本章主要对压缩机电机的变频控制和室温的模糊控制方案进行分析。 室的遥控器发出的信号(红外信号)由室机组的单片机接收，室温度传感器、室蒸发器温度传感器的信号也发送到室单片机，单片机通过相应的算术和逻辑运算发出控制指令，通过室外单片机对压缩机转速、室外风机转速和四通阀的开关进行控制。这样，室机组和室外机组相配合，发出连续的控制信号使空调器的所有运转功能实现自动控制。 室外机组的单片机把室机组的

20、单片机送来的控制信号进行分析，室外温度传感器、室外冷凝器温度传感器、压缩机排气温度传感器的信号也发送到室外单片机，单片机通过运算对压缩机转速进行控制，从而达到制冷或制热能力的调节，并且对室外风扇电动机、电磁四通阀进行切换控制，对各种安全电路予以监测。2.2 空调器压缩机控制方案 电气控制系统是通过对压缩机的控制来实现空气调节的。压缩机是空调器的心脏，是推动制冷剂在系统中不断循环的动力。空调器用的压缩机一般为活塞式压缩机，活塞式压缩机主要有往复式、旋转式和涡旋式等。20世纪80年代中期市场上往复式压缩机居多，近年来旋转式压缩机发展迅速，已占主要地位。相对于往复式压缩机，旋转式压缩机具有效率高、可

21、靠性好、体积小、重量轻、结构简单等优点，而且运转平稳、噪声小。涡旋式，压缩机是一种新型压缩机，独特的涡旋结构使它具有效率高、扭矩变化小、振动小、噪音低、零件少、体积重量小的优点，显示出较大的优越性。 目前绝大多数中、小型空调器采用蒸发一压缩循环制冷系统，从对压缩机的控制上有CCTXV、CCOT和VDOT三类系统。采用热力膨胀阀来控制制冷剂流量的制冷系统称为CCTXV系统，这种系统对压缩机实行通断控制。CCOT(Cycling Clutch Orifice Tube)系统：与CCTXV系统相同，也采用“通断控制”，只是阻尼节流元件采用节流孔管，与CCTXT系统相比，它能充分发挥蒸发器的热效率，有

22、效防止液击，简化系统，降低成本，但采用气液分离罐，使体积变大。 以上两种系统都采用了压缩机的通断调节，通断调节的压缩机转速不能调节，时停时起，对压缩机的运行很不利，易损伤机件，降低寿命，温度波动较大。VDOT(Variable Displacement Orifice Tube)系统：这种系统采用可变排量的压缩机，配以减压固定阻尼元件节流孔管，称为可变排量膨胀管节流系统。它是能够实现对压缩机连续调节的系统。变排量压缩机的特点是能根据吸气压力的变化自动调节，改变制冷剂流量以适应蒸发器热负荷的变化，使蒸发温度保持不变。它超越了热力膨胀阀的调节作用，调节围更广。 VDOT系统的控制方式正是变频控制的

23、思路。其特点如下： (1)降低能耗。VDOT控制的是制冷剂的排出量，属主动调节。冷凝压力随排量变化，压缩机不会因克服多余的压力而白做功，对压缩机的连续供电也比断续供电要省电。(2)送风温度波动小，提高舒适性。(3)保护传动机构，延长机械寿命。消除运动部件起、停时产生的惯性力冲击。 本空调采用排气量可变的双转子旋转式压缩机，广泛应用于空调器中。空调器的制冷或制热能力一般用压缩机的排气量来衡量，旋转式压缩机的理论排气量为。 （2-1）式中：H一气缸长度或高度(m)；A一气缸工作面积(m2)：n一压缩机转速(rmin)。 旋转式压缩机由于考虑气缸结构和效率等因素的影响，其实际排气量是理论排气量和排气

24、系数的乘积。 （2-2）式中，一压缩机排气系数。 由此可见，旋转式压缩机的排气量和压缩机的转速成正比的关系。这就是变频空调能够通过调节压缩机转速来调节空调器的制冷或制热能力的原理。 旋转式压缩机的核心是交流异步电动机，变频空调器控制的核心就是采用变频技术对压缩机进行调速，从而调节压缩机的制冷(热)功率。80年代以来，随着交流电机调速控制理论、电力半导体器件、脉冲宽度调制、以微处理机为核心的全数字化变频控制等关键技术的发展，使交流电机调速系统成为一种典型的机电一体化设备。在过去十几年中用得较多的变频调速系统是转速开环恒压频比控制和转速闭环转差频率控制，在一定程度上满足了工业应用中的要求，如风机、

25、水泵等。变频技术的性能的提高及体积的减小为其在空调器中的应用提供了可能。 本系统的负载是空调器的压缩机，压缩机可看作是恒转矩负载。由于空调器压缩机的转速调节是为了进行功率调节，并不要求太高的调速精度，为了结构上的简便，本变频调速系统决定采用转速开环的控制方式。本节针对这些特性从逆变器主回路、变频调速时的机械特性、变频调速的控制方式及脉宽调制的控制策略的角度选择压缩机控制方案。2.2.1 变频调速的基本方式 异步电动机在变频调速时，应尽可能使气隙磁通保持为额定磁通。要保持磁通恒定，在调节定子频率时就必需同时改变定子的端电压。即当增大定子频率时必需同时使定子电压成比例地增加，否则气隙磁通降低；当降

26、低定子频率时，必需同时使定子电压成比例地降低，否则将超过饱和磁通密度而导致励磁电流过大，使损耗增加甚至损坏电机。也就是说，对电机供电的变频电源一般要求兼有调压和调频两种功能，根据定子电压V和定子频率f的不同比例关系，将有不同的变频调速控制方式，因为压缩机为恒转矩负载，选择具有低频电压补偿的恒压频比控制方式比较适合于压缩机电机控制。它不需要转速闭环，结构简单，也没有大量的复杂计算，其调速性能可满足要求。恒压频比控制方式是保持等于常数的比例控制方式。在异步电机中外加电源若为V，定子产生的反电势则为 （2-3)如果略去S定子阻抗压降，则有 （2-4)式中F(s)一定子频率(Hz)；N(s)一定子每相

27、绕组的匝数K(0)一比例系数；(m)一气隙磁通(WB)。由公式可知，为保持气隙磁通近似不变,在调节定子频率的同时必需正比例地调节定子外加电压Vs,使 （2-5)按照上述=常数的恒压频比控制方式下，在低频时由于定子电阻届的压降占的比重增加，即使在转差频率正，很小的情况下，也无法使电机的最大转矩保持恒定。L要随频率的下降而减小，在低频时启动转矩也很小，甚至不能带动负载。因此，嘣=常数的恒压频比控制方式只适用于调速围不宽或负载转矩随转速下降而减小的场合，如风机、泵类等负载，对调速围宽的恒转矩性质的负载，则希望在整个调速围中维持定。为了保证T不变，随着的降低必需适当提高定子电压K，以便补偿定子电阻毋上

28、的压降。也就是说，提高定予电压的目的仍是为保持气隙磁通恒定，进而保证最大转矩不变。频率越低，需外加补偿电压越高。 在电机的工作频率超过同步频率时，也即转速超过额定转速时，如果采用以常数的恒压频比控制方式进行调速时，势必增加外加电压，并使其过额定值，这在一般情况下是不允许的。所以同步转速以上的调速往往不再使定予电压升高，而是保持为额定电压。2.2.2 宽脉调控控制策略 PWM控制技术有许多种，并且还在不断的发展中。但从控制思想上分，可以把它们分为四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM(SPWM)、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法。 等脉宽PWM法是每一脉冲的宽度相等，改变脉冲序列的周期可以调

29、频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当的控制方法即可使电压与频率协调变化，其缺点是输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。 SPWM法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展来的，是在1964年提出的，它采用通讯系统中的调制技术，用基波信号去调制三角载波，控制开关器件的动作顺序和时间分配，从而在逆变器上同时进行电压和频率的控制。是目前最普遍的一种调制方式。它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生可调频调压的三相对称正弦波电源，其特点是，在半个周期中等距、等幅(等高)、不等宽(可调)，总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲所围面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样，输出电压中低次的谐波

30、分量可以大大减少。 磁链追踪型PWM法与SPWM法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼于如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成PWM波。当然这样所形成的PWM波也未必是三相对称的正弦波。SPWM法和磁链追踪型PWM法，由于着眼点不同，所建立的数学模型也完全不同。磁链追踪型PWM法的数学模型是建立在电机统一理论、电机轴系坐标变换理论基础上的。它把电动机看成是一个整体加以处理，所得数学模型简单，便于微机实现实时处理，从而可使控制系统结构简单，实时性强，能

31、获得更好的性能。 上述三种PWM法都是控制输出电压的电压源逆变器，而电流跟踪型PWM法虽然也采用电压源逆变器，却是控制输出电流的。其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦波电流给定信号用比较器进行比较，如果实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作使之减小，反则使之增大。这样，实际电流波形围绕给定的正弦波作锯齿状变化，而且开关器件的开关频率越高，电流波动就越小。使用这种方法，电动机的电压数学模型改成流模型，可使控制简单，动态响应加快，还可防止逆变器过电流。 电压型SPM调制是工业上应用得最为广泛的一种调制技术，这里不作过多的介绍。它的主要优点是：1)结构简单；2)逆变器同时调频调压，与中间

32、环节元件参数无关，动响加快；3)波形好，能抑制和消除低次谐波。本系统根据上述比较，选择电压SPM调制，因为它简单可靠、具有很好的波形，且数字化实现比较方便。2.2.3 实现手段 微型计算机技术的发展使得可以对变频器进行直接数字控制，直接数字控制的优点有很多，如集成度高，大部分功能都能用软件实现，需要改变功能时，只需调整软件即可。这是模拟控制不可比拟的。确定微机控制后，要选择合适的微控制器。选取的原则是：满足控制性能要求；尽量使系统简单。 目前用的较多的是单片机系列，也可使用一些专用的SPWM波专用控制芯片，如HEF4752、SLE4520、MA818等。在变频空调中，变频器的设计需考虑到应小型

33、化和可靠性，所以采用了富士通公司的MB89P857单片机，这种单片机具有一个置的三相SPWM波形发生器，可方便地产生所需的三相SPWM波形触发脉冲。MB89P857还具有8路10位的A/D转换电路，2路PWM输出电路，6个并行接口，部带有1K的RAM和32K的ROM，可将程序固化在芯片，简化外围接口电路，可大大简化电路设计，提高整个电路的性能。所以选用以MB89P857为核心的数字控制方案。 由于空调器的特殊性，所以要求变频器具有小型、高可靠性、低噪声等特点。若功率器件采用分立元件，必将增大变频器的体积，增大系统复杂性。为了减低在设计、开发及制造上的成本，减少研制周期，提高系统的可靠性，智能功

34、率模块(Intelligent Power Module)引起了人们的注意。智能功率模块能提供数字控制逻辑和功率负载之间的接口。最简单的型式可由单一电平移动和驱动电路组成，把来自微处理器的逻辑信号转变成足以激励负载的电压和电流：复杂的则要求智能功率模块执行负载监控、诊断、自保护，向微处理器反馈信息。本论文设计中采用日本三菱电气公司的智能功率模块PM20CTM060，其特点是：部集成了功率芯片、驱动电路及检测保护电路，使主电路的结构最为简单；功率部分采用开关速度高、驱动电流小的IGBT，功率损耗极低、需用散热片减小：在部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪

35、声影响误动作等问题；具有过热保护、过流保护、短路保护及控制电源欠电压锁定保护，当故障发生时，及时关断功率器件并发出模块错误信号使功率芯片能够安全工作。2.3 温度控制方案选择在空调的温度控制过程中，由于空调器功率传输的滞后和温度变化和调节中的大惯性特性，使空调器的温度控制非常困难。由于空调器使用的房间的大小、结构各不相同，另外由于季节、天气、室人员多少及电器的用量等的变化，房间对象的不确定性又是非常严重的。而普通的PID控制方法不适合具有大惯性、滞后特性的对象的控制，并且PID控制器一般针对固定的控制对象才能确定控制参数，取得好的控制效果，而空调应用的房间一经变化，PID参数就不能适应新的控制

36、对象。所以PID不能适应房间温度调节系统的时变、滞后、大惯性等复杂特性，并且在空调控制中，房间对象的数学模型很难确定，很难对PID参数进行整定。对于房间温度控制这种对象尺寸变化大、温度特性差别大的情况，特别适合使用模糊控制。模糊控制能更为近似地反映人的控制行为，有很强的鲁棒性和控制稳定性，能够运用于各种不用对象的控制。采用模糊控制比传统控制温控精度高，过渡过程优良，舒适性大为提高。2.4 本章小结 经过论证，硬件电路以MB89P857单片机为核心，此单片机功能强，并可大大简化电路设计。压缩机逆变器的主电路采用电压源逆变器的结构，控制方式是具有低频电压补偿的恒压频比控制，它实现简单，工作 可靠，

37、并能够满足要求；逆变器控制方式采用SPWM方式，输出波形好，谐波小。温度控制选择模糊控制技术。第 3 章 变频空调器电控系统设计3.1 电控系统总体结构 变频式空调器电气控制系统结构如图3-1所示，整个控制系统大致由室机组控制板和室外机组控制板组成。在空调器中，电控系统的作用是根据电机，使室温合乎理想要求。在分体式空调中，运部件包括室风机和室外风扇，它们的作用是把空调器产生的冷空气或热空气带到室的不同区域，实现均匀调节房间温度的目的。温度设定等空调运转指令由红外线遥控器和室机控制板上的红外线接收器传递到室机控制板上的单片机，此单片机根据指令和温度传感器的状态对风扇电机和风门电机进行控制，并与室

38、外机控制板上的单片机进行通讯。温度传感器步进电机驱动电路风扇步进电机室内控制 步进电机开关压缩机变频器风扇四通阀门室外控制温度传感器压缩机图3-1变频式空调电气控制系统框图 室外风扇电机为变绕组电机，它的转速用继电器控制，有高、中、低速三档，单片机输出端口通过反向驱动器ULN2003驱动儿、J2、J3三个继电器，分别对应三个风速档位。单片机经分析判断，确定风扇转速，然后通过开通对应的继电器使风扇按设定的风速运转。 室风扇电机采用调压调速，由单片机的PWM发生器控制，由软件算出相应的相位控制角，由PWM端口输出，经MOC3021光耦驱动双向可控硅，实现调压调速。 四通阀是控制制冷、制热切换的，使

39、四通阀得电，空调器制热；使四通阀掉电，制冷剂向相反方向流动，空调器制冷。 模拟量检测使用的是单片机A/D转换端口，其中P50P57口是A/D转换采样通道，由热敏电阻将温度变化转换成电阻上的电压信号输入单片机，然后由CPU进行采样和转换。3.2 室机组设计3.2.1 红外遥控器信号的接受红外遥控器由红外遥控发射器和红外遥控接收器两部分组成。(1)遥控发射器遥控发射器的电路结构框图见图3-2。它是以红外遥控发射专用集成电路IC1为核心组成的。发射器键盘矩阵电路由矩阵开关组成，它与IC1的扫描脉冲发生器和键盘信号编码器构成键命令输入电路。当操作者按下某个功能键时，相应的扫描脉冲通过按键开输入到IC1

40、。振荡器键盘矩阵开关电路显示器IC1 红外线发射器图3-2红外遥控发射器结构框图指令编码器转换成二进制数字编码指令。在IC1，指令编码器输出的编码指令送到编码调制器。在编码调制器中，38kHz载频信号被编码指令脉冲调制，形成调制信号，调制信号经缓冲级至激励管，由VTI和VT2组成的红外信号激励级放大到足够的功率，去驱动红外发光管，发出被38kHz调制信号调制的红外线，通过发射器前端的辐射窗向前方空间发射。 (2)遥控接收器 ，遥控接收器见图所示，它是由一块装有光敏二极管的接收专用集成电路IC2组成，当遥控发射器发出的红外光被接收器的光敏管接收到时，光敏管将光信号转换成电信号。该电信号通过IC2

41、中的自动增益控制电路和限幅器稳定幅度，随后用38kHz低通滤波器滤出38kHz调制信号，再经检波器解调出编码指令脉冲，然后由整形放大器放大整形，IC2将编码指令脉冲进行解码，最后输出相应信号，使空调中有关电路按遥控发射器的指令进行工作，执行相应功能的操作。 输入控制限幅滤波检波整形解码输出图3-3 红外线接收器结构图3.2.2 风门步进电机的控制 风门步进电机的功能是使风门叶片上下摆动，起到控制风向的作用，从而使室风扇吹出的风能均匀分布到室的各个部分，风门叶片的控制有自动控制和手动控制两种，手动控制时可使风门叶片处于固定的位置，使风向朝一个方向步进电机的驱动采用单相驱动方式，驱动步进电机的输出

42、端口电位为1时，通过反向驱动放大器ULN2003A则变为低电平，这时相应绕组则得电，步进电机就转动一个角度，按照一定的规律使步连电机各绕组分别得电，步进电机就能连续转动。正转时步进电机各相通电顺序如表3-1所示。自动控制时，风门叶片将在其摆动围上下摆动。表3-1相步进电机各相绕组导通顺序表各项绕组A相B相C相D相110002010030010400013.2.3 室风扇电机的调速控制 室风扇电机的转速分为手动控制和自动控制两种情况，手动控制时通过遥控器选择风速，设置为高速、中速、低速三档。自动控制时，风扇转速由单片机控制。空调器开始运行以后，单片机根据设定温度和室实际温度的温差自动控制风扇速度

43、，使运行状态处于最佳水平。温差与风扇速度关系如表3-2所示。 室风扇电机的转速还要由其它因素决定。启动时虽然室温与设定温度较大，室风扇的转速也不能很快，因为制冷剂刚开始运行，转速过快会使升温或降温过程减慢。当制热时，蒸发器温度低于28则该风机停止运转，在温度为45时风机达到最高转速；当制冷时，蒸发器温度高于20风机停止运转。正常情况下，根据随时调整。表3-2 室温度与设定温度之差与风扇速度的关系工作状况室温度与设定温度差e风扇转速制冷工况21e<2<1 高速中速低速制热工况2<2高速中速软件定时器遥控器指令处理温度A/D转换程序温度模糊控制运算室内机与室外机通讯处理室内风扇的

44、PWM调速风栅步进电机控制返回 室风扇电机为单相交流电机，采用移相调压调速方法。蒸发器的温度及室温度由热敏电阻检测，并送到MB89P857的A/D转换通道，由软件处理。根据其结果控制片的PWM口，然后经光耦合驱动器MOC3021驱动双向可控硅。控制双向可控硅的导通角来改变输出脉冲的宽度，从而使主电路的电压随之变化。驱动电路原理图见图3-4。返回图3-4 驱动电路原理图 单片机左侧为相位同步电路，首先从同步变压器得到同步电压，同步电压经全桥整流电路进行整流，整流后的电压加在三极管的基极，这样在交流正弦电压的过零点就可产生同步信号，该信号送入单片机作为相位角为零的点。过零脉冲的周期为10ms，根据

45、风扇所需转速，求出相应电压值及对应的相位控制角，电压及导通角关系为 （3-1）式中U输出电压(V)：U（0）输入电压(V)；一导通角(rad)。 根据电控系统设计功能要求，室机程序主要包括红外遥控器接收程序、温度的模糊控制程序、温度A/D转换程序、EEPROM(电擦除只读程序存储器)的读写程序和风扇电机的调速及风门步进电机控制等功能。遥控器接收程序、室机及室外机通讯程序用中断来完成。温度的模糊控制程序、温度A/D转换程序、EEPROM的读写程序和风扇电机的调速及风门步进电机控制则放在软件定时器中断程序中。3.3 室外机组设计3.3.1 室外风扇电机控制电路 室外风扇电机采用变绕组调速方式，电机

46、的转速是通过继电器控制。其转速分为三档，分别对应着高速、中速、低速。速度档位的控制由室外机的冷凝器温度与室外环境温度之差决定。 当室外机配管温度与室外环境温度一致时，室外机风扇停止运转，以减轻冷媒循环的压力。 转速控制原理图如图3-5所示。热敏电阻Rt1、Rt2将室外机配管温度和室外环境温度采样，送到单片机的A/D转换通道一P51、P52引脚处理，由温差IAI控制转速。单片机的P21、P22、P23根据转速指令进行置位或复位，经过反向驱动器ULN2003A分别驱动继电器J1、J2、J3。继电器J1、J2、J3分别对应高速、中速、低速。ll为大于7时，继电器J3得电，J2、n失电，风扇电机的高速

47、线圈接通，风扇高速运转；ll为3"C7时，继电器J2得电，儿、J3失电，风扇电机的中速线圈接通，风扇中速运转；lI为小于3时，继电器J1得电，J2、J3失电，风扇电机的低速线圈接通，风扇低速运转：当lI=O时，继电器全部失电，没有线圈通电，风扇停止。（a）继电器控制原理图(b)风扇电机主电路原理图图3-5室外风扇电机转速控制原理图3.3.2 电流检测电路 为了防止电流过大造成电源的负担过重和对空调器的损坏，需对电流值进行检测，检测电路如图3-6所示，电流互感器的原边串入室外机交流主电路，感应后的交流电流经全桥整流电路整流并滤波后，送到单片机的A/D转换端口进行转换，如果电流过流则通过

48、主电路电源控制继电器K1切断交流电源，对空调器进行保护。在电路中为了防止电流互感器输出电压过高而损坏电路，加入一个电压钳位二极管D1，使互感器整流后加到单片机的电压限制在5V以下。图3-6电流检测及保护电路3.3.3 辅助电源设计 室外机组包括驱动电路和控制电路需要多个相互隔离的工作电源，三相逆变电路的六个功率开关需要4个相互隔离的直流电源；控制系统采用的MB89P857芯片的+5V工作电源；各继电器的驱动需要+12V直流电源。这样就需要输出多路稳定的直流电源。图3-7室外机辅助电源结构图 本系统的辅助电源采用单端正激式脉宽调制DC/DC稳压电源，如图3-7所示。控制器选用UC3842，它是一

49、种单端隔离式电流型脉宽调制集成电路，利用置的误差放大器和比较器组成双闭环控制：从检测绕组来的反映输出电压的反馈信号从2脚输入，与误差放大器中的基准电压比较产生误差电压，作为电流比较器输入；另一个是一次绕组电流(通过最检测)反馈信号从3脚进入，在电流比较器与误差进行比较，控制尼触发器，产生PWM信号，从6脚输出，经功率开关驱动高频变压器的一次绕组，双闭环控制，使输出电压在负载等因素变动情况下仍可稳定输出。振荡频率为45kHz，采用高频铁氧体磁心制作高频变压器，使体积大为缩小。3.3.4 变频电路的设计与控制 变频电路驱动的对象是空调器压缩机，压缩机转速是通过软件编制的温度模糊控制器来确定的，由室

50、温、设定温度和采样时间计算出温差和温差变化率，作为温度模糊控制器的输入变量，经过模糊化、模糊逻辑推理、反模的过程，得到精确的控制量一变频器输出频率，按此频率控制波形发生器，通过驱动变频器控制压缩机电机的转速。P41P46是6路SPWM波形输出口3.3.5 室外机软件的编制 室外机程序由SPWM波形输出程序、温度A/D转换程序、除霜控制程序、压缩机过热保护程序、功率模块IPM故障中断处理程序、电路过流过压保护程序以及三分钟延时程序等部分组成，温度A/D转换程序每1s启动，采用查寻方式对室外环境温度、压缩机温度、热交换器温度进行采集。数据放在RAM中进行处理。 压缩机过热保护程序、功率模块IPM故

51、障中断处理程序采用中断方式，在故障情况下中断压缩机运行，并设置故障标志位，在室室外机通信时通知室机，故障恢复后重新运行，程序中利用单片机置看门狗，在单片机异常死机时自动复位，重新执行程序，保证单片机的可靠运行。 三分钟延时保护程序空调器压缩机停止运转以后，系统高低压力的平衡需要23分钟，如果在这段时间压缩机再启动的话，就会由于压力的不平衡造成负载加重，使电机启动电流过大，或电机无法启动甚至烧毁，所以空调器都必需具有三分钟延时的功能，应用单片机以前的分立元件电路中，三分钟延时的功能通过三分钟延时硬件电路来完成，这就使电路结构复杂，在应用了单片机之后，三分钟延时的功能就可以通过软件程序来完成，既简

52、化了电路又使控制灵活。3.4 温度检测电路 变频式空调器由于自动化控制程度较高，所以室机组和室外机组所需温度传感器较多，需要检测的温度信号模拟量包括以下几个温度检测，室机组装有空气温度传感器和蒸发器温度传感器。前者装在蒸发器前面，用来测定室温度。后者装在蒸发器的右侧，外面用金属管包装，用来测定室机蒸发器的温度。室外机组则装有3个温度传感器：(1)室外空气温度传感器，装在室外机散热器上，用来测定室外环境的温度：(2)高压管路温度传感器，它用金属管包装，装在压缩机高压出口管路上，用来测定冷凝剂的温度，主要用于防止压缩机过负荷。因为冷凝剂工作时的正常温度为70-90，如果其温度超过100。C，将造成

53、压缩机负载过重而损坏。(3)室外热交换器温度传感器，装在室外热交换器上，检测热交换器的温度，用来控制室外风扇电机的转速，和进行除霜控制。温度的检测电路检测元件采用负温度系数热敏电阻Rt，它与串联电阻R1对5V电压进行分压，并通过电容C滤波后接到单片机的模拟/数字转换端口进行A/D转换。如图3-8所示，其电阻一温度特性曲线可知，当温度升高时，RT的阻值下降，则VRT下降，VR1，上升，所以检测电压与温度是成正比的关系。 热敏电阻是非常好的测温元件，它灵敏度高、价格低廉、适用围广、应用简便。但是这种测温元件的最大缺点是它的线性度较差。应用中一般采用串接电阻的方法对它进行校正，具体过程如下。一般情况

54、下，热敏电阻的温度/电阻特性可表示为 （3-2）式中R1和R0。分别是当温度为和时的热敏电阻阻值，B是热敏电阻常数。为了使整个温度传感器为线性，可采用合适的电阻R1和热敏电阻串接，使匹配电阻上所分电压即与温度成正比的关系，如所加电压为5伏，则 （3-3）从以上各式可得 （3-4）所以有 （3-5）以室温度检测热敏电阻为例，热敏电阻的常数B为3450K得需串接的匹配电阻R1为75kQ。图3-8(a)表明了热敏电阻的阻值一温度特性曲线，图(b)表明了校正后的电压-温度特性曲线。(a)阻值一温度特性曲线 (b)电压一温度特性曲线图3-8温度检测电路特性曲线3.5 变频电路设计 变频电路采用三菱公司的智能功率模块PM20CTM060，利用富士通公司的单片机MB89P857对其进行逆变控制。本章讨论硬件电路的设计，并从软件实现逆变功能的角度出发，建立SPWM平均值采样算法的数学模型，以此为基础进行控制软件设计。 为了降低在设计、开发及制造上的成本，减