（电机与电器专业论文）一拖二直流变频空调的智能控制.pdf

塑婆盔堂堡主兰笪整塞一j 曼曼 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o l 。i m e r i to fp e o p l e sl i v i n gl e v e l ，t h er e q u i r e dq u a n t i t y o fa i r c o n d i t i o n si si n c r e a s i n g b e c a u s eo f t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dt h ee n e r g ys a v i n g ， t h ef u z z y - c o n t r o li n v e r t e ra i r c o n d i t i o nb e c o m e s t h em a i n l e a d i n gp r o d u c t o fm o s ta i r 。 c o n d i t i o nm a n u f a c t u r e r t h ef u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g yi sm o r e a n dm o r ev a l u a b l ef o r e a c hf a c t o r y t h ea d v a n t a g eo ff u z z y - c o n t r o li n v e r t e ra i r - c o n d i t i o nl i e so nt h eh i g he f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o no f t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，l o ws t a r t u p c u r r e n ta n dl o wn o i s e f u r t h e r m o r e ， u s i n gb r u s h l e s sd c m o t o ra st h ec o m p r e s s o rc a ng e th i g he f f i c i e n c ya n dl o n gl i f e s p a n t h ep a p e rt a k e sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i 阻i n t oa c c o u n tt om a k et h e c o n t r o ls y s t e mo ft h eo u t d o o ru n i ta n di n d o o ru n i to f t h ef u z z y - c o n t r o li n v e r t e ra i r - c o n d i t i o n a c c o r d i n g t ot h ed ci n v e r t e ra i r - c o n d i t i o ni nt h em a r k e t ，t h i sp a p e rw o r k s o u ti t so w nf e a t u r ei n d e xa n de f f i e i e n c yi n d e x ，a n da l s od e s i g nt h ew h o l es c h e m eo f t h ea i r c o n d i t i o ns y s t e m i no r d e rt om a k et h eo u t d o o rc o n t r o ls y s t e mo ft h ea i r - c o n d i t i o n , w h i c ha l w a y s w o r k so u t d o o r s ，m o r ec o m p a c lh i 曲e f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t y , t h ec o n t r o l l e ri s m a d eu po fi p ma n dm i c r o c o m p u t e r i nt h es y s t e m ，口mw o r k s 粥t h ei n v e r t e r c p u o ft h eo u t d o o ru n i t i n d e p e n d e n t l y c o n t r o l st h ew o r ko ft h e c o m p r e s s o r ，t h e t e m p e r a t u r es a m p l i n gc i r c u i t , t h e d r i v e ro faa n db t h r o t t l e ，t h et i m i n go fo u t d o o rf a n , t h ed r i v e r o f 4 - w a yv a l v e ，t h ev o l t a g e a n dc u r r e n t s a m p l i n gc k c m t ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n d o o ru n i ta n dt h eo u t d o o ru n i t , a n ds oo n a c c o r d i n gt o t h eb r u s h l e s sd c c o m p r e s s o r , t h ep a p e r c h o o s e st h em o t o r o l a c p u ， m 6 8 h c 9 0 8 m r 2 4 ，w h i c h h a sp w mm o d u l e ，c a r la l s oi n s e r tt h ed e a d - t i m e a u t o m a f i c a l l y ，a n dh a sf o u rc a p t u r ei n t e r r u p t sw h i c h c a l lb eu s e dt oc a p t u r et h es i g n a l o f p o s i t i o no f t h er o t o ld u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ，t h ec o m p r e s s o rw o r k ss m o o t h l y , a n d h a saw i d e s p e e ds p a n t h ef l a m eo ft h ei n d o o ru n i ti s s i m p l e rt h a nt h eo u t d o o ru n i t ，i tm a i n l yc o n t r o l s t h ei n d o o rf a n t h ec o m m u n i c a t i o nw i mt h eo u t d o o ru n i t , a n dt h em o v e m e n to ft h e l o u v e ra n dt h ef l a p t h i sp a p e ru s e sm o t o r o l ac p um 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2a n dt o s h i b a c p ut m p 8 7 c 8 4 6t od e s i g nt w oc o n t r o ls y s t e m so ft h ei n d o o ru n i t ，a n ds e p a r a t e l yt o c o n t r o lt h ed ci n d o o rf a na n da ci n d o o rf a n t h e w o r k i n gc o n d i t i o n o ft h e c o m m u n i c a t i n gc i r c u i th a sag r e a te f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ea i r c o n d i t i o n t h e r ea r em a n y s i g n a l st h a tn e e dt ob et r a n s l a t e db e t w e e n t h eo u t d o o ru n i ta n di n d o o r u n i t t h ec o n t r o l s y s t e mr e q u i r e s t h a tt h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i tw o r k s s t a b l y t k r o u g hc o m p a r i n g ，t h ep a p e rf i n a l l yc h o o s e st h ec i r c u i tt h a tt h ec h o p p e ri sb a s e do n l l 塑婆盔堂堡主堂垒整塞 苎曼 t h ea c $ o l l l c el i n e 1 1 1 ec o n t r o ls o f t w a r ea l s oc a l lf i l t r a t et h ei n t e r f e r e n c ea n dg e ta h i g ha n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e t h r o u g h b o t hh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ， 也ep r e c i s er a t i oo f t h ec o m m u n i c a t i o ni sm o s ts a t i s t i e d a c c o r d i n gt ot h ec u s t o m e r sr e q u i r e m e n ta n do t h e rk i n d so fa i r - c o n d i t i o n s ，t h e p a p e rc h o o s e st h eh e a t i n g ，c o o l i n ga n do t h e rw o r k i n g m o d e l sf o rt h i sa i r - c o n d i t i o n ， a n da l s oas e r i e sp r o t e c t i n gs t e p st om a k eh i 窖l ls e c u r i t yo f t h ea i r - c o n d i t i o n 而ef u z z y c o n t r o ls t r a t e g yi sa ni m p o r t a n tk e yt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ea i r - c o n d i t i o n t h e f u z z y - c o n t r o lo f t h i ss y s t e mn e e d sc o n s i d e rb o t ht h et w oi n d o o ru n i t sa n dt h eo u t d o o r u n i t t h ew o r k i n gf r e q u e n c yo ft h ec o m p r e s s o ra n dt h eq u a l i t yo ft h er e f r i g e r a n ta r e b o t hd e p e n d e do nt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e so ft w oi n d o o ru n i t sa n dt h ev a r y i n g s p e e do ft e m p e r a t u r e w h e t h e rt h ef u z z y - c o n t r o ls t r a t e g yw o r k sw e l li n f l u e n c e st h e e f f i c i e n c ya n dt h ec t l s t o m e r sc o m f o r tg r e a t l y t h ep a p e rm o d i f i e si ta c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t s t om a k et h eb e s tw o r k i n g p e r f o r m a n c eo f t h ea i r - c o n d i t i o i l k e yw o r d ：v a r i a b l e f r e q u e n c y a i r - c o n d i t i o n f u z z y - c o n t r o lb l d cm o t o r c o m m u n i c a t i o n i i i 第一章绪论 摘要变频空调是近年来家电行业的新兴产品本章简要介绍了变频 空调的基本结构、工作原理和特点优势，分析了模糊控制技术的优越 性：最后介绍本文完成的主要工作和全文的章节内容安排 1 1 课题的背景及选题意义 随着生活水平的不断提高，空调器已经逐渐成为家庭生活的必需品。人们对 空调器的要求已经从初期的仅仅满足于制冷、制热的简单功能，发展到追求舒 适、享受的多种功f l l l “，从而使得一种高效节能、高舒适度的空调模糊控 制变频空调成为空调器发展的方向，模糊控制与变频技术结合，可使空调器较 为节电。 目前日本市场的空调年销售量保持在每年7 0 0 万台到8 0 0 万台的水平，而 其中变频空调所占的百分比正逐年上升【4 1 】；我国家用空调器行业的起步比较 晚，但进入9 0 年代以来发展很快，特别是最近几年，家用空调器的生产更是得 到了飞速发展。1 9 9 6 年之后日本的几家公司在中国市场推出了变频空调器，引 发了中国的变频技术革命。近两三年以来，国内对变频空调器的研究也取得了 丰硕成果。 变频空调是随着制冷技术、电机控制技术、电力电子技术、微电子技术和 现代智能控制技术的发展而发展起来的一种新型空调器。它的压缩机能根据室 内需要冷( 热) 量的不同，连续地、动态地调节制冷( 热) 功率并以大功率迅 速制冷( 热) ，小功率维持房间温度恒定，而改变压缩机功率是靠调节压缩机工 作频率来实现的。变频器或逆变器将输入单相交流电整流成直流电，在单片机 控制下，将直流电源逆变成电压幅值、频率可调的三相交流电源，用此电源配 接交流异步机或无刷直流电机压缩机，即可连续调节空调器制冷、制热功率。 在传统的计算机控制中，使用的是冷、热的概念，中间过程被忽略，而将 模糊概念用于空调器，可将按温度划分的冷热变为按人体感觉划分的太冷、冷、 稍冷、稍热、热、太热等概念进行控制。应用模糊逻辑可根据温度差、温度变 化率、湿度、着衣量、人体位置、活动量等，按照人类思维模式进行预测与控 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 制，以达到最舒适的目的。 变频空调器的发展具有巨大的社会经济效益，可以节约空调用电量，减轻 电力供应的压力。同时可以带动一大批相关产业的发展。正是由于这些原因， 变频空调器得到国内外学术界，产业界极大的关注。伴随着全球对能源危机和 环境保护问题的呼声越来越高，同时电力电子技术、微电子技术的进一步发展 为变频技术走向民用提供了硬件基础，交频空调器作为家用电器产品中变频技 术应用的代表走向了广阔的民品市场。 1 2 变频空调的基本结构和工作原理 1 2 1 一拖二交频空调的基本结构 变频空调器系统包括制冷系统和控制系统。本文研究的变频空调器为分体壁 挂式拖二空调器，是在整体式空调器的基础上发展起来的，由室内机和室外 机机组组成，两者之间通过制冷剂管道和电缆连接起来。它的优点是： ( 1 ) 压缩机和冷凝器在室外机组中，安装时可离房间较远，改普了环境， 其噪音比窗式空调器小1 0 d b 左右。 ( 2 ) 安装和检修方便，小修容易，大修可分别拆卸室内外机组。 ( 3 ) 室内机组一般为超薄型，美观大方，布置方便，可与室内装饰协调配 套。 ( 4 ) 室外机组中增加了冷凝器面积和风量，散热条件比窗式好，制冷效果 好。 本文调试所用的典型一拖二变频空调的制冷系统由变频压缩机、室内换热 器、室外换热器、电磁阀、四通阀、电子膨胀阀等组成。控制系统包括室内机 控制电路、遥控器、室内机显示面板、室外机控制板电路和电源控制板电路。 图1 1 是本文研究的无刷直流变频空调系统的结构图，包括两台室内热交 换器、两个电子膨胀阀、一个四通阀、一台室夕 热交换器，其中压缩机为直流 无刷压缩机，并具有有化霜回路。 拖二变频空调相对于两台一拖一变频空调而言，其结构上少了一台室外 机，而空调室外机是占整个空调器的绝大部分，从成本上来说减少了许多，适 应消费者的需要。 2 制冷循环 制热循环 除霜循环 图1 1 一拖二直流变转速空调循环系统 1 2 2 一拖二变频空调的工作原理 空调的原理是在夏季利用空调器对室内空气进行冷却和减湿处理，使房间 里保持适宜的温度和湿度，并通过空调器向室外排出热量和冷凝水。而在冬季 是利用空调器对室内空气进行加热和加湿处理，使室内保持一定的温度和湿度。 另外，通过空调器风机的作用造成室内空气循环，并有一定的送风速度；通过 空调过滤器的作用，来提高室内空气的洁净度。 变频空调器是一种高效节能的冷暖热泵型空调器。其工作原理是基于压缩 机电机电源工作频率和电压的变化，达到电机转速的调节和压缩机容量的连续 控制。而压缩机电机的转速是根据室内负荷成比例变化的。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 空调系统中的冷凝器是一个制冷剂向系统外放热的热交换器。放出的热量 包括两部分：通过蒸发器向被冷却物体吸取的热量；在压缩机中被压缩时，由 机械功转化的热量。 空调系统中的蒸发器是制冷剂从系统外吸热的热交换器。在蒸发器中，制 冷剂的液体在较低的温度下沸腾转变为蒸气，并吸收被冷却物体或介质的热量。 空调系统中的节流机构是将冷凝器或贮液器中冷凝压力下的饱和液体( 或 过冷液体) ，节流降压至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入 蒸发器制冷剂的流量。若节流机构向蒸发器的供液量与蒸发器负荷相比过大， 部分液态制冷剂就会随同气态制冷剂一起进入压缩机，引起湿压缩或冲缸事故； 相反若供液量与蒸发器负荷相比太少，则蒸发器部分传热面积未能充分发挥其 效能，甚至会造成蒸发压力降低，而且使制冷剂系统的制冷量降低，制冷系数 减少，压缩机的排气温度升高，影响压缩机的正常润滑。 空调系统中压缩机把制冷剂蒸汽从低压状态压缩至高压状态，创造了制冷 剂液体在蒸发器中低温下蒸发制冷，在冷凝器中常温液化的条件。压缩机不断 地吸入和排出气体，才使制冷循环得以周而复始地进行。空调制冷循环中，室 外热交换器为冷凝器，室内热交换器为蒸发器。此时四通阀线圈内的电流被切 断时，阀芯因为重力作用而下落，使压缩机排气口与室外冷凝器接通，而吸气 口与室内蒸发器接通。空调制热循环中，四通阀切换，线圈通电产生磁场，阀 芯被吸到上方位置，压缩机排气口与室内热交换器接通，吸气口与室外热交换 器接通，此时制冷剂蒸汽流动方向改变，室内热交换器向室内散热而成为冷凝 器，而室外热交换器成为蒸发器，制冷剂蒸发吸收室外热量。 变频空调制冷剂运转系统：当空调器电源接通时，压缩机开始运转。压缩机 从蒸发器吸收低温低压制冷剂。然后，低温低压制冷剂被压缩成高温高压制冷 剂气体并进入冷凝器( 压缩) 。此高温高压制冷剂气体被冷凝成液体制冷剂。在 冷凝过程，热通过冷凝器被释放到室外。高温高压液体制冷剂进入节流机构中 被降低压力和温度( 压力降低) 。通过节流机构的低压液体制冷剂被送到蒸发器 蒸发。在此蒸发过程中，室内的热被吸收。反复此循环直至室温被降低到设定 温度。在制热循环期间，制冷剂的流动方向被四通阀逆转。结果，冷凝器从室 外空气吸热，而蒸发器向室内供应热空气。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 变频空调运转时，当室内实际温度和设定温度差距太大时，空调强制冷或 强制热，压缩机电机高速运转，如运行在1 2 0 h z ；而当两者温度接近时，则电 机转速下降，制冷量或制热量降低。由于变频空调的压缩机可以运行在极低转 速下，如3 0 h z 或更低些，所以即使室内温度已经达到设定温度，压缩机也不会 频繁起动，而是自动调节到相应的低速连续工作，这样就避免了由于频繁起动 而给电网带来的冲击和较正常运行要大得多的噪音以及频繁起、停造成的温度 波动。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变频工作能力既可以节能又可 以提高人的舒适感。 1 3 模糊控制变频空调的特点和优势 1 3 1 模糊控制变频空调器的节电原理 模糊控制变频空调器的节电原理：开机时，空调以大功率迅速制冷( 熟) ， 达到设定温度后以极小功率维持房间温度；若此功率仍使房间温度降到设定温 度以下，也可停止运行。这种方式的优点是： ( 1 ) 减少了开关损失，避免空调频繁起动。 ( 2 ) 提高了压缩机容积效率，低速时压缩机单位输入功率下的流量比高速 时增加1 0 以上。 ( 3 ) 单位制冷流量的换热面积增加1 5 倍，系统换热效率大大提高。 ( 4 ) 三相电机效率远远高于单相电机，三相电机调频时在很宽的频率范围 内效率基本保持不变。 ( 5 ) 配用了连续可调的电子膨胀阀，取代固定的毛细节流管，这对于工作 在季节、天气、温度都在变化的环境中，效率可以大为提高。 1 3 2 模糊控制变频空调器的特点及优越性 ( 1 ) 功率连续调节，温度波动小，变化平滑。 ( 2 ) 可大功率迅速制冷、制熟，达到设定温度快，舒适性好。 ( 3 ) 长期小功率运行，噪音极小，达到真正的超静音运行。 ( 4 ) 具有除湿、化霜功能，温度恒定且节能。 ( 5 ) 采用人脑思维方式模糊控制，舒适性好。 塑婆盔兰堡主堂垡篓壅一苎= 主堕鱼 ( 6 ) 采用软起动，起动电流极小，对电网与其他电源无干扰。 ( 7 ) 系统寿命提高一倍，可靠性高。 ( 8 ) 对电源电压频率敏感度低，特别适用于低电压地区。 ( 9 ) 容量变化大，适合于多种气候区。 1 4 变频空调国内外现状以及控制方法发展趋势 1 4 1 变频空调国内外发展现状 变频空调集变频压缩机制造技术、变频技术、热力学优化技术、模糊逻辑 控制技术、传感技术、模式识别技术于一体，是典型的高新技术机电一体化产 品。目前日本的几家大公司( 如三菱、松下、富士) 的变频空调市场正处于上 升阶段，在我国占有很大的份额1 4 l 】，而国内交频空调研究虽然已经取得了较大 的成果，但还有待完善，尤其是一拖= 空调技术还处在起步阶段，在变频压缩 机、电子膨胀阀的控制和模糊智能技术方面还有很多问题有待解决。 变频空调的关键技术主要集中在四个方面： ( 1 ) 变频压缩机 变频压缩机需要解决压缩机藉、低速润滑、转动平衡、高速散热和高强度 材料以及采用p w m 脉宽电源驱动电机的电磁噪音问题。随着变频空调技术的 发展，直流变频压缩机正逐步取代交流变频压缩机。 ( 2 ) 高性价比变频器 我国原有变频器生产厂家，点多品杂，主要停留在进口散件组装和代销国 外产品的水平上。而最近我国已开发出自己的低价高可靠性的变频器，实际运 行效果很好，小批量实验产品成品率极高，很快可实现工业化生产。 ( 3 ) 膨胀元件 变频空调工作时，功率变化范围可达1 0 一1 0 0o ，从而导致制冷剂流量 变化也很大。在这种情况下普通空调上使用的毛细管节流膨胀元件已不能适用， 普通热力膨胀阀效果欠佳。变频状态下膨胀阀元件需在全新观念下重新设计以 实现最佳的热力学匹配，最好的办法是采用电子膨胀元件。这种步进电机驱动 的膨胀阀门，目前已投入批量生产2 ”。 ( 4 ) 相关软件技术 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 软件技术包括模糊逻辑控制、热力学优化、可靠性控制、模式识别、故障 诊断、系统自检技术和压缩机等部件的控制技术，在我国还处于完善阶段。 变频空调器虽然比普通空调成本高，但因其优越的性能而具有较高的性能 价格比。目前日本变频空调市场占有率已经达到9 0 ，而根据我国家电市场调 查，位居空调销售量榜首的产品也正是变频空调。 1 4 2 交频空调控制方法的发展趋势 综观空调器的发展过程，有两个主要的发展阶段： ( 1 )从异步电机的定频控制发展到变频控制 传统空调器压缩机的转速是一定的，为定频空调器，限定了空调器制冷、 制热的能力。同时，压缩机长期处于开停工作方式，电机启动电流冲击大，正 常运行时输出功率固定，导致系统效率低下，温度波动频繁，达到设定温度时 间长等缺点。为了解决上述问题，提高空调器的调节能力，变频空调器就应运 而生了。变频空调通过改变压缩机的转速来改变空调能力，并运用一定的控制 方式使压缩机转速随房间热负荷的变化而变化。 国内对变频空调器的研究和开发始于9 0 年代初，其中控制系统是变频空调 系统中关键的技术之一。限于当时的技术条件和市场情况，最近两三年来才得 到了较大的发展m 】。从国内对变频空调控制系统的研究和开发的发展过程来 看，主要有两种技术方案： 在传统热泵式空调器产品的基础上，进行结构和电气线路的适当改进， 加装变频控制电源，实现对压缩机的变频调速控制，避免普通空调器的开停运 行方式。但由于采用普通压缩机，变频范围较小，一般不超过6 0 h z ，变频范围 为2 0 - 5 0 h z 。此方案的提出，是出于前几年适合于变频控制的变频式旋转压缩 机的进口受到限制，货源难以解决，而我国又不能自行生产的考虑。但这种方 案不能充分发挥变频控制的优势，性能价格比比较低，只能是我国空调变频技 术发展过程中的中间过渡技术。 开发高性能的变频空调控制系统。国外( 主要指日本) 变频式智能空调器 发展的系统模式是大量经验积累和科技发展的产物，代表了九十年代国际空调 器技术的先进水平和发展方向。我们应当完全自主开发高技术含量的高性能变 塑坚盔堂堡主兰壁堕塞 j 兰l 堡垒 频空调控制系统，而不应在低水平上发展国内的变频空调器产品。 近几年来，国内对变频空调控制系统的研究和开发取得了较大进展。 我们的空调系统就是基于变频控制的考虑，针对三洋一拖二变频空调系统 设计了自己的全套控制系统，驱动变频压缩机运行来达到整个系统的良好运行。 ( 2 ) 从异步电机交频控制发展到无刷直流电机的变频控制 目前国内大多数变频空调中，压缩机电机和风机电机都采用异步电动机， 与无刷直流电动机相比，其效率和功率因数都比较低。而无刷直流电动机转子 是永磁体，比交流异步电动机效率高，且结构简单，体积小，重量轻，维护方 便。随着无刷直流电机在空调领域的推广和应用，变频空调进入了第二个发展 阶段l 。直流变频空调器有以下优点： 启动功率大，能迅速制热或制冷，达到设定的温度： 电机效率高，对逆变器容量要求较低： 接近设定温度后低功率运行，维持室温不变且温度控制均匀舒适； 节能运行； 传统的异步电机的转速受电源频率的限制，而永磁无刷直流电机不存在 这种限制，因此压缩机的额定转速可以设计得很高，既可优化压缩机的运行效 i 率，又可减小压缩机的体积； 高能效比。采用异步机变频控制的家用分体式空调器的能效比在2 6 2 8 之间；采用无刷直流电机变频控制的空调器的能效比在3 0 3 1 5 之间【2 5 】； 抗电压波动能力强，低电压时也能保持连续运行。 目前，国外一些厂家如日立公司已经在我国市场推出了全直流变转速空调 器，国内一些空调生产厂家如海尔、美的公司也推出了采用这一技术的产品， 但是，他们的控制技术分别是日本常孚公司和松下公司的无位置传感器无刷直 流电机的控制技术，因此，目前市场上的全直流变转速空调价格比较昂贵，市 场占有率并不大。所以，开发无刷直流电机的无位置传感器控制技术，推出自 己的产品，已是当务之急。 随着对变频空调器研究的日渐深入，控制目标逐渐从单一的室温控制向温 湿度控制、舒适度控制转移；控制方法从简皂肋开关控制向p i d 控制、神经网 络控制、模糊控制等智能控制方向发展；控制对象由简单的电源开关转变为电 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 源开关、压缩机转速、风扇转速、风栅步进电机和节流机构等多元对象。研究 的重点仍旧集中在制冷量、能效比上。 传统的p i d 控制方法比较成熟，工业控制中的应用最多，用于空调系统的 变频或电子膨胀阀开度控制的也比较多。但是p i d 调节参数选择不当，容易产 生振荡，而且在启动过程中不能很好地完成控制功能。最优控制及自适应控制 理论也大量应用于制冷系统。控制理论中的模糊逻辑控制理论，在对于制冷空 调系统这样一个多干扰、参数强耦合、工况多变化、惯性大的非线性系统的应 用日趋受到重视4 3 】。 其中模糊控制技术在近年来的家电领域内的应用表现较强的生命力。模糊 控制技术不需要确切地了解对象的数字模型，而是用语言来描述受控制系统的 模型，这就可以充分利用有经验的优秀操作者对控制过程细微的、独特的认识， 在复杂条件下提供适当的输出。模糊控制的本质是一种非线性系统，比传统控 制更为有效。在空调器温控过程中，有大量的不确定的因素，制冷量与压缩机 转速也是非线性关系。采用模糊控制比传统控温精度高，过渡过程优良，舒适 性提高。 实现模糊控制，也即开发模糊控制装置、模糊控制器，核心技术是用计算 机来实现模糊规则的存贮和模糊推理的运算。由于单片机的发展，功能越来越 强大，且价格也越来越低。目前，以通用单片机加模糊控制软件的方法开发模 糊控制装置，是最普遍的做法，家用电器的模糊控制尤为如此。一个完整的模 糊控制器，当然还有其它相应的器件满足相应的功能，如a d 、d a 变换。此 外，传感装置是检测被控对象状态，用作模糊控制的输入，更是必不可少的部 分。 变频模糊控制空调器是将传感器测定的实际环境状态和空调器系统状态与 人们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要求的变化和环境状 态的变化而自动变化，迅速、准确地达到人们的要求，并使空调器的工作状态 保持在最合理的状态下。 模糊控制技术应用在变频空调控制系统中，其优势体现在： 9 浙江大学硕士学位论文 第一章鳍论 ( 1 ) 不需要知道被控对象或过程的数学模型，也就是说不要建立精确的 数学模型； ( 2 ) 对于不确定性系统，如随时间变化的和非线性系统能有效地控制： ( 3 ) 对被控对象和过程有较强的鲁棒性，鲁棒性是指参数变化和受干扰 而能保持控制效果的性能。 1 5一拖二变频空调系统研究的主要工作 从目前空调市场的现状可以看出，一拖二直流变频空调在国内还处于新产 品开发阶段。要开发出具有竞争力、实用优质的产品，研究重点应着重于以下 几个方面： ( 1 ) 设计针对国内电网状况的宽电压空调，应用开关电源并进行压缩机优 化，使工作电压变化范围为1 5 0 v 2 5 5 v ，启动电压为1 5 5 v ； ( 2 ) 挖掘压缩机潜力，拓宽变频范围，实现超强制冷( 热) ，并通过保护 电路确保压缩机不过压、不过流、不过热； ( 3 ) 实现压缩机无级调速，频率变化范围为1 0 h z - 1 5 0 h z ，保证压缩机运 行过程中不停机，提高能效比和温度平稳度； ( 4 ) 通过离线模糊控制器的设计提高温度控制精度，使之小于i 。c ，同时 固化模糊控制表格，减少c p u 占用率； ( 5 ) 从主回路和控制线路两方面降低电磁干扰e 眦，减少其对空调自身、 其他家电和电网的影响； ( 6 ) 采用高集成度器件，如三菱的i p m 模块p m 3 0 c t m 0 6 0 、m o t o r o l a 的m 6 8 h c 9 0 8 系列芯片，以提高逆变系统和整机的可靠性： ( 7 ) 合理设计电路，降低产品成本。 ( 8 ) 提出一套适合一拖二空调高效工作的控制策略，合理调配两个室内机 的工作情况，达到最佳的能效比。 尤其重要的是，在空调器中展开对无刷直流电机压缩机控制系统以及模糊 控制策略的研究，将取得良好的应用价值及前景。 针对以上要求，我们在硬件设计的过程中力求通过元器件的选择、电路结 构的优化、元器件位置的安排，在软件设计过程中通过选用模糊控制技术、吸 l o 1 6本文的主要工作和章节安排 本文对一拖二变频空调器做了系统分析，着重研究了变频空调控制系统的 硬件技术、软件编制技术和模糊控制策略，设计了一套基于m o t o r o l a 的单片机 m 6 8 h c 9 0 8 m r 2 4 和m i t s u b i s h i 的智能功率模块p m 3 0 c t m 0 6 0 的拖二变频空 调室外机控制系统，并同时研制开发了两套配套的室内机系统，分别选用 m o t o r o l a 的m 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯片和t o s h i b a 的n 口8 7 c 8 4 6 芯片。在完成对室 内机和室外机系统的独立调试后，将整个系统连通起来调试整机运行效果，并 通过实验验证制定的控制策略是否合理。 第一章为文献综述，阐述了变频空调目前的发展状况以及它的基本知识， 对一拖二变频空调的结构、工作原理以及优点等进行综合分析，提出了本文的 研究对象及研究意义和价值。 第二章首先阐述变频空调室外机系统的主要结构和功能基础，并综合探讨 了专为变频控制而设计的微处理器和智能功率模块的特点和性能。在此基础上 设计了一拖二直流变频室外机系统的电源部分和控制部分的硬件电路和软件流 程，着重探讨了无位置传感器无刷直流压缩机的特有控制方法。本章在分析反 电势法原理和技术要点基础上，完成相应控制电路设计和仿真，通过实验深入 分析了该方法的可行性，并得到与仿真结果基本一致的波形。 第三章首先说明变频空调室内机系统的结构功能，并分析了实际选用的控 制芯片的特点，再次基础上研制了两套室内控制电路，并完成相应的软件编制 工作。通讯部分是室内机中极为重要的部分，本章深入分析了实际采用的通讯 电路，详细讨论软件滤波功能的实现方法，并通过大量实验确认了该套通讯方 法的高准确率和可靠性。 第四章主要讨论空调系统的整机控制，首先简略分析空调系统的工作模式 控制和保护功能的控制。在此基础上提出模糊控制方法，首先介绍相关的模糊 控制知识，而后提出应如何将模糊控制技术运用于变频空调系统，在完成模糊 控制规则设计和模糊推理后，确定变频空调模糊控制策略。而后根据理论规则 一 一 磊 一 耥 声 塑翌查兰塑主兰垡丝塞j 兰l ! 咝 进行调整测试实验，根据实验结果改进完善空调系统的软、硬件设计，以期使 一拖二样机空调具有良好的工作性能。 1 7 本章小结 本章说明了交频空调的基本工作原理、主要结构和它的优势，并分析了变 频控制技术的发展现状和趋势，对本文研究对象做了简明阐述，而后说明了本 文所完成的工作和章节结构安排。 1 2 塑姿盔堂塑主堂垡堡塞 苎三主= 塑三壅塑窒塑皇丛垫墼苎! ! 丝 第二章一拖二变频空调室外机控制系统 摘要本章主要介绍一拖二变频空调室外机的主要功能结构，分析各控制 单元的软件结构和硬件方案，包括：电子膨胀阀、通讯、采样检测等 压缩机控制是整个室外机系统的核心，查章详细阐述了无位置传感器无 刷直流电机反电势法控制的原理和累统设计思想，分析了三段式起动和 切换关键，并用实验结果加以验证 2 1 空调室外机系统简介 变频空调控制器包括遥控发射器、室内控制单元及室外控制单元三个相对 独立的部分。对于一拖二变频空调而言，有两台室内机，则有两个室内控制单 元。遥控发射器与室内控制单元之间采用一定频率调制的红外信号进行通信， 室内控制单元与室外控制单元之间进行双向通信以交换信息。室内控制单元根 据遥控发射器发出的命令和系统的状态控制空调器的运行，并为室外机提供足 够的信息，同时控制室外部分电源的开通与关断。室外控制单元根据室内控制 单元的指令，控制空调器室外部分的运行，并能够独立进行特殊状态运行，包 括化霜运行欠压保护运行过负荷保护运行压缩机过热保护运行。本章主要介 绍变频空调控制器之室外控制单元。 室外控制单元的主要功能如下： ( 1 ) 检测室外机热交换器温度、室外环境温度、压缩机排气温度、室外 机的a 盘管温度、室外机的b 盘管温度、室外机的回气温度； ( 2 ) 检测母线电流及电网电压； ( 3 ) 与a 、b 两室内机控制单元进行通讯，接收并分析室内控制单元的 命令； ( 4 ) 根据室内控制单元的命令和各个检测参数，控制空调器室外各部分的 运行状态； ( 5 ) 控制室外风机的运行，即调节风速； ( 6 ) 控制四通换向阀的动作，即控制制冷或制热； ( 7 ) 根据室外机回气温度的大小及变化，确定a 、b 两电子膨胀阀开启度； ( 8 ) 控制压缩机的转速以及启动、停止； 浙江大学硕士学位论文 第二章一拖二变频空调室外机控制系统 ( 9 ) 进行除霜运行； ( 1 0 ) 进行保护运行。 根据以上介绍的一拖二空调室外机的控制功能，我们可以看出室外机在整 个空调系统中所处的地位，不仅要处理室外机自身的功能，如检测室外机各点 的温度和调节室外风机、四通阀、电子膨胀阀、压缩机的动作，还要与室内机 进行通讯，获取两个室内机的信息，并对两个室内机的不同情况进行协调，再 进行复杂的计算来确定电子膨胀阀和压缩机的具体动作。室外机控制处理的好 坏情况对整个空调系统的制冷、制热起着决定性的作用。另外一拖二空调室机 控制系统的硬件结构较一拖一系统结构要复杂，所包含的功能要强，对于控制 板的硬件设计要求也相对来说比较高，因此我们选择一拖二空调的室外机控制 系统作为我们的研究目标能够更好地对与空调系统有较深刻的认识。 2 2 变频控制专用微处理器及功率模块 2 2 1m o t o r o l a 产品m 6 8 h c 9 0 8 m r 2 4 2 2 1 1 芯片基本结构特性 由上面所述的变频空调室外机的控制功能，我们可以知道要实现上述功 能，对于控制芯片有以下的基本要求：至少8 路a d 转换通道，至少1 6 个i o 口，至少2 个外部中断口，变频控制所需要p w m 模块和压缩机保护信号输入 口。无刷直流压缩机对应的室外机控制芯片对于p w m 模块的要求不高，但是 必须要保证三相反电势信号有捕获中断口来检测。因此我们选用m o t o r o l a 的 m c 6 8 h c 9 0 8 砌r 2 4 来实现无刷直流压缩机空调室外机系统的控制。 m o t o r o l a 公司的新一代八位单片机m 6 8 h c 0 8 采用了0 3 5h 工艺，具有价 格低、速度快( 8 m h z 总线速度) 、功能强和功耗低等优点。特别是带有闪速 f l a s h 存储器的单片机具有更高的性能价格比，成为m o t o r o l a 最主要的八位 单片机。m 6 8 h c 0 8 单片机正不断推出新品，有通用性的g p 、几和x l 型，汽 车控制的a z 型，模糊控制的k x 、k j 型，电机控制的m r 型，电话用的w 型 等各种单片机。我们的基于直流变速压缩机的室外机控制单元就是选用 m 6 8 h c 9 0 8 m r 2 4 作为m c u 控制板的主控芯片，下面对该芯片的特点加以说明。 m 6 8 h c 9 0 8 m r 2 4 的主要特性： 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章一拖二变频空调室外机控制系统 f 1 ) 8 m h z 总线速度、1 2 5 r t s 指令周期 ( 2 ) 片内f l a s h ：2 4 k 字节 ( 3 ) 片内r a m t7 6 8 字节 ( 4 ) 1 6 位变址器( 原m 6 8 h c 0 5 单片机为8 位变址器) ( 5 ) 新增8 种寻址方式和7 8 条指令 ( 6 ) 3 通道d m a ( 7 ) 4 通道1 6 位定时器接口模块t i m a 及2 通道1 6 位定时器接口模块t i m b 定时器模块中内含输入捕获功能 定时器模块中内含输出比较功能 定时器模块中内含6 路1 2 位p w m 输出 ( 8 ) 1 0 路1 0 位a d 转换通道 ( 9 ) 串行通讯接口s c i ( 1 0 ) 串行外设接口s p i ( 11 ) 时钟发生器模块c g m ( 具有p l l 功能) ( 1 2 ) 系统集成模块s i m f 1 3 ) 低电压禁止模块l v i ( 1 4 ) 系统操作正常监视模块c o p ( 1 5 ) 外中断模块i r q ( 1 6 ) 断点模块b r e a k f 1 7 ) 2 4 0 字节监控r o m ( m o n ) ( 1 8 ) 2 9 个多路复用的i o ，7 个输入口 ( 1 9 ) 外总线接口e b ，寻址可达1 m 字节，寻址扩展可达1 6 m 字节( 通过d m a 及变址器) ( 2 0 ) 省电工作方式：s t o p 和w a i t - i - 作方式 8 位单片机应用于变频控制，由于需要进行复杂运算，其性能的高低显得 更为突出。m r 2 4 的内核c p u 采用改进的h c 0 5 编程模块，同时又与m 6 8 h c 0 5 单片机向上兼容；1 6 位变址寄存器g - i ：) ( ) ，具有x 寄存器操作指令，使8 位单 片机的寻址范围可达到6 4 k ；存储器之间进行直接数据传送：快速8 * 8 位乘法 指令及快速1 6 8 除法指令。另外，m r 2 4 的监控r o m 模块m o n ( m o n i t o rr