（光学工程专业论文）co2工质热泵热水器水箱电控系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着人们环保意识的增强 以天然制冷剂c 0 2 为工质的热泵热水器将作为一 种新型产品进入热水器市场 该热水器具有安全 高效 节能 加热快 环保等 诸多优点 许多高校和知名企业已经对该热水器进行了理论研究和实验分析 本文首先综合调研了c 0 2 工质热泵热水器的国内外发展状况 目前 该热水 器所面临的主要任务在于继续提高效率和不断降低成本 本文从电控系统角度出 发 对如何提高c 0 2 工质热泵热水器效率进行研究 考虑到调试整个电控系统困 难程度和时间等方面因素 本文最终确定以整个电控系统中的水箱电控系统作为 本文研究的重点 其次 本文介绍了c 0 2 工质热泵热水器的组成及工作原理 并根据其工作原理 设计了水箱电控系统 该系统以数字信号处理器d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 为主控芯片 以瓜 公司的 认m s l o u p 6 0 b 为无刷直流电机驱动芯片 以a 3 9 6 8 s l b 为电动混水阀的驱动 芯片 该系统使用了以上集成芯片 因此使电路结构紧凑 体积小 抗干扰性增 强 同时本文对电机的驱动电路进行了相应的分析和研究 并在电路结构上进行 了优化 为系统的工业应用提供了有力保证 再次 本文对水箱电控系统的控制策略的方案进行了研究 内容涉及无刷直 流电机p w m 调速 电动混水阀改变冷热水混合比例控制 三线通信 c a n 总线通 信 i a r t 通信等 本文着重研究并设计了无刷直流电机的单极性驱动方法 该方 法保证了水箱电控系统更好的操作性能和响应控制特性 具有现实的工程应用价 值 在研究电动混水阀本身结构和在热泵热水器中作用的基础上 本文设计了电 动混水阀的控制策略 最后 通过对水箱电控系统的实验以及实验波形的分析 可知本电控系统设 计合理 性能可靠 通过对无刷直流电机转速的仿真 可知电机的跟随性能较好 关键词 无刷直流电机 电动混水阀 c 0 2 工质热泵热水器 p d 控制 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a s 孤i i l c 螂i n gn e e df o rp f o t e c 虹n gt h ee i i r o 砌e r 止an e w 卯eo ft h eh e a tp 啪p w a t e rh e a e r l i t l lt h en a t u r a lr c 衔g e 础to d 2w i l la 拼 e 缸i nw a t e rh e a t e rm a r k e t t l l i s 锣p eo fw 如r h e a t 盯i sh i g hi ne 街c i e n c y l o wi ne n e r g y r 印i di no p e r a t i o 玑r e 鹤o n 出l e i i l 鞠f 毫t a n dp r o t e c t i n g e n v i r o n m e n t r e a r c h 嚣o n 龇h e a tp u m pw a t e rh e a t e ra r e c a i t y i n go u ti l lm 觚y u sh i g hs c h o o l sa n dw e l l k n o w nc o r p o 枷o i l s f i r s n y t l l ep 印e rp r 0 i d e sa no v e n i e wo ft l l el a t e s tr e a r c h e so nh e a tp u m pw 栅 h e 栅 l i t hr e 伍g e r a n lc 0 2h o m e 锄da b o a r d a tp r l e s 吼h i 曲e 伍c i e n c y 粕dl o w c o s ta 托 圮m a i nt a s k sf o rt h i sk i n do f h c a 由旺e l e c 伍c a ic o n 乜i o ls y s t e mi sr e s e a r c h e d i no r d e rt oi n c r e 船e 血ee 伍c i 眦y c o n s i d e 血1 9m ed 瓶c u d d e si l ld e b u g g i n g 雅dt i i n e t h i sp a p e rf o c l l s e s0 nt h ee l e c 啊c a lc o n t n o l l e ro f w a t c rt a n k s c c 伽m y t l l i sp a p e rp r e s 伽曲t h ec o l n p o s i n ga n dp r i n c i p l eo f h e a tp 哪pw 栅h o 掀 w i t h 衔g e r a n tc 0 2 a n da c c o r d i l l gt ot l l ep 酊n c i p i e t i l ec o n t r o n e rs y 吼e mo f w a t e r 伽 l i i sd e s i 印e d ln e d i g 蹦s i 驴a l c o i l 仃o l l e rd s p i c 3 0 f 6 0 1 0i st h em a i l lc o n 咖u e rc b i p m e c l i i p 乙 m s lo u p 6 0 bp m d u c e db ymc o m p a n yi s t l l ed r i v ec b j po fb m s l l l e s sd c m 砷d 体 强da 3 9 6 8 s l bi st h ed r i v ec o n n 矗l e fc b j po f t h ee l e c 仃i cm i x e d v a t e rv a l v e a s m ec b i p sl l s e di nt h i ss y s t e m t l l ec i r c l l i ti sc o m p a c ti nc o m 瞳m c t i o n s m a l li i lv o l 岫e g o o da la n t i i n t e r f b 嗍c e d i s c l l s s i o 璐o nd r i v ec i r c i l i t so fm o t o ra f ea l s om e n t i e d 锄das e r i e so fm e a g l l r e sa r et a k e ni no p t i i i l i z i n gt h ec i r c l l i ti no r d 盯t 0s u p l o r t l e a p p l i c a t i i i lt l l ei i l d u g h y t h 砌y t l l ep a p c rf e s e a r c h e so nt h ec o m r o ls t m t e g yo fw a t c rt a n ks y s i e m w l l i c h i n o l v 髂t b ep w mm o d u l a t i o no fb m s l l l e s sd cm o t o lt h ec t r o lo fc l e c t r i c m i c d w a t 盯v a l v e 砌c hc h a n g et h ep r o p o r t i o no fc o l dw 栅雒dh o tw a t t l l r l i i l e c o 删u l l i c a t i o n s c a nc 0 舢u n i c a t i o 璐锄du a r tc o 咖u n i c a t i o t h es i g n a lp o l a r 鲥 i n gm e t h o d 矗 rb n j s l l l e s sd cm o t o ri s 锄p b a s i z e d t 1 l i sp f o p o s e di i m n l o dc o l l l d m a k et l l em 锄e u v e r a b i l 时卸dr e s p o n o ft h ee l e c t r i cc o i l 仃o l l e ro fw a t c rt a l l l b e t t 盱 t h f o u 班a 1 1 a l y s i n gt h ec o i l s m l d i o na i l d 劬c t i o n so ft l l ee l e c t r i c a ln l j l x e d 一聃r a t 盯v a l v e t l l en o v e lc o m r o ls t i 疵g yf o re l e 咖c a lm i x e d w a t e rv a l v ei sp r o p o s e d a tl a s t u n d 柚a y 肌de x p e r i m e n to nt l l ee l e c 仃i c a lc o m m l l 盱o fw 嬲t a 出 p r o v et 1 1 cr e 够o n 曲i l i t yi nd e s i 弘a n dl i a b i l 时i l lp e r f o n n a i l c e w h 订et h eg o o d f o l l o w m gp e r f o m 卸c eo ft l l em o t o ri sk n o w na c c o r d i n gt ot l l es i m u l a t i o nf o ft h e r o t a t e ds d e e do f b m s l l l e s sd cm o t d r n 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t k q 7w o r 诅s b m s l l l e s sd cm o t o r e l e c 研c a lm i x e d w a c 既v a l v e h c a tp u r n pw a t e rh e a t e r w i t l lm en a n 醐 r e 衔g e r a mc 0 2 p i dc i t f o l n i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北上业大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人 保证 毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 盈皿 伽叼年q 月妒日 舯挪躲镒 6 7 年 7 月 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果 对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体 均已在文中以明确方式表明 本人学位论文与资料若有不实 愿意承担一切相关的法律责任 学位论文作者签名 盘己越 弘加7 年略月趵日 西北工业大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题背景及意义 第一章引言 热水器是现代家庭一种十分重要的家用器具 它为人们提供了方便 舒适 的生活 在人们生活中占有非常重要的地位 这几年来我国许多家电制造商纷 纷投入巨资 据国务院发展研究中心市场经济研究所 国家信息中心发展研究 部 中国五金制品协会等单位公布的 2 0 0 1 年 中国热水器市场分析报告 显 示 在未来的五年时间里 我国城市热水器需求量将达到4 6 6 0 万台 l 从中可 以看出热水器市场非常巨大 热水器从能源的角度来看 主要有燃气热水器 电热水器和太阳能热水器 燃气热水器具有热水流量大 升温快 功率大 使用费用较低等诸多优点 但 是燃气热水器在使用时要排出大量的废气 废气中除了二氧化碳以外 还有没 完全燃烧的一氧化碳 会引起中毒 电热水器可以在一定时间内提供大量热水 适应任何天气 但是 电热水器有触电危险 易结水垢 使导热系数降低 影 响电热管的使用寿命 太阳能热水器有安全 节能 环保方面的优点 但是在 晴天时 水温可能很高 造成烫伤印 热泵热水器是近几年发展起来的一种新型热水器 该热水器主要由蒸发器 压缩机 膨胀阀和冷凝器四部分组成 其工作原理是压缩机推动制冷工质在各 器件中循环流动 4 制冷工质在蒸发器中吸收低温热源的热能 并通过压缩机 由低温低压变为高温高压 最后在冷凝器中放热 孙 这种制热方式实现了水电 完全分离 既不存在漏电隐患 也避免了电加热管表面温度高 易结垢 影响 加热效率的弊端 c 0 2 在本世纪初曾经广泛应用于空调及船舶中的制冷系统 直到5 0 年代 在船舶制冷系统中c 0 2 仍然占据统治地位 c 0 2 的缺点是在工作温度下的压力 特别高 常温下达到8 m p a 使得在当时的技术条件下 设备极为笨重 进而影 响了其应用研究 随着人们环保意识的不断增强 因c 0 2 的o d p 臭氧层破坏 潜能 o z o n cd 印1 e t i o np o t e r n j a l 为o g w p 其温室效应潜能g l o b a lw 妣g p o t 即t i a l 较小 表1 1 以及自身良好的热物理性能越来越受到人们的重视 与c 0 2 工质热泵热水器不同 现有热泵热水器常采用的制冷工质有r 1 2 c f c s r 2 2 c h c l f 2 和r 1 3 4 a c h 2 f c f 等 其热水温度一般只能达到 5 5 当要求较高温度的热水时 只能借助效率较低的电加热器 另外 c f c s 和h c f c s 对大气臭氧层有破坏作用以及温室效应 表1 1 列举了几种常用工质 西北工业大学硕士学位论文 第一章引言 各种性质1 6 8 1 1 1 表1 1 几种常用工质的各种性质比较 绝对 g w p 临界温度临界压力 o o c 时容积制 参数分子量 o d p 指数k 1 0 0 年 0 c 肝a 冷量 k j m 3 r 7 4 4 4 4 0 l1 3 0o o o o1 0 03 1 1 7 3 7 22 2 6 0 0 r 7 1 7 1 7 0 3 1 3 10 o o oo 0 0 01 3 3 o 1 1 4 2 04 3 6 0 r 1 3 4 a 1 0 2 0 0 0 0 0 0 1 3 0 01 0 1 7 4 0 5 5 2 8 6 0 r 1 21 2 0 9 31 1 4 1 0 0 01 0 6 0 01 1 2 o4 1 1 32 7 4 0 r 2 2 8 6 4 81 2 0 o 0 5 51 7 0 09 6 04 9 7 44 3 4 4 注 r 1 2 c f c s r 7 c 0 2 r 7 1 7 氨 r 2 2 c h c l f 2 r 1 3 4 a c h 2 f c f 通过分析可知 表1 1 与其它工质相比 c 0 2 具有以下优点 1 环保 c 0 2 是自然界天然存在的物质 它的o d p 为零 其g w p 1 而 现在作为推荐替代工质h f c s 氯氟烃类化合物 及其混合物 其o d p 虽 为零 但g w p 却比c 0 2 高1 0 0 0 2 0 0 0 倍 2 单位容积制冷量大 因此设备可以更加紧凑 3 1 临界温度低 因此循环一般在跨临界状态下运行 4 c 0 2 不可燃 价格低廉 且粘度低 在较低流速状态下里现紊流状态 传 热性能得到提高 5 安全无毒 不可燃 即使在高温下也不分解产生有害气体 因为c 0 2 是碳 的最高氧化状态 具有非常稳定的化学性质 综上论述可得 将来的热水器市场将十分巨大 c 0 2 工质热泵热水器作为 一种新型的热水器与其它热水器相比 无论是在节能方面还是在环保方面都有 很大的优势 随着能源危机和人们环保意识的增强 该热水器一定会在将来的 热水器市场中备受重视 因此 c 0 2 热泵热水器中的电控系统研究 有利于积 极抢占新一代c 0 2 工质热泵热水器关键技术的制高点 提升我国热水器工业的 国际竞争力 1 2 国内外发展状态 1 9 世纪初 人们对能否将热量从温度较低的介质 泵 送到温度较高的介 质中这一问题发生了浓厚的兴趣 英国物理学家j p d o u l e 提出了 通过改 变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化 的原理 1 8 5 4 年 w n l o m s o n 教授 即大家熟知的l o r dk e l v i n 勋爵 发表论文 提出了热量倍增器 h e a t 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 v l l n i p l i e r 的概念 首次描述了热泵的设想 德国k 硒辩l 大学的jk o h l e r 等人 日本电研院 c r i e p i 与东京电力公司 t e p c 0 及d e n s o 公司的m s a i k a w a k h a s h i m o t o 等人 都开展了c 0 2 跨临 界热泵应用的理论研究与分析 后者在1 9 9 9 年 建起了c 0 2 工质热泵热水器原 型机实验台 德国d r e s d c n 大学ph e y l 等人又对c 0 2 跨临界循环热泵的热力 学性能进行分析 对各种循环方式的计算方法 系统部件的设计 选取和组装 原则等方面展开研究与讨论 并在d r e s d e n 大学建立c 0 2 跨临界循环热泵试验 台 对于不同装置中的计算和评价方法等进行分析及研究 得到了一些有意义 的结论 此外 德国f k w 制冷热泵研究中心的hk m s c 和荷兰t n 0 环境科学 研究所的p a o o s t e n d o i p 等人针对德国 荷兰等国大量使用化石燃料供热造成 c 0 2 排放日益严重的现状 对c 0 2 跨临界循环热泵在供热系统中的应用前景进 行了分析与讨论 认为c 0 2 热泵在该领域的使用不仅能有效地减少c 0 2 排放 而且热泵性能也提高 具有广阔的应用与开发前景 在热泵理论的基础上 日 本三洋 大金等公司也相继研制开发推出了各有特色的c 0 2 工质热泵热水器 且能效比值也随之提高 s a i l y o 公司研发出了高效多功能天然工质c 0 2 热泵式 加热器 其制热功率为7 k w 可广泛应用于地板 浴室加热系统和除湿系统 通过环境测试 储水罐加热能效比值可达4 o 此外 s a n y o 还研制了寒带气候 用天然工质c 0 2 热泵式热水器 图1 l 是d e n s o 公司制造的热泵热水器1 9 相对其他发达国家 我国对c 0 2 热泵的研究稍晚一些 天津大学 上海交 通大学 西安交通大学 长沙铁道学院等单位对此进行了多方面深入的研究 天津大学的马一太等人对c 0 2 跨临界制冷热泵系统做了可靠性分析1 1 6 并通过 所建的c 0 2 水 水热泵实验台 先后对运行控制策略和方法做了探讨 对单级加 热与双级加热两种形式的a 晚跨临界循环热泵热水系统进行试验分析 对c 0 2 跨临界膨胀机做了试验研究 上海交通大学的丁国良 黄冬平 张春路等人建 立了c 0 2 跨临界循环系统稳态仿真模型 对几种不同的跨临界c 0 2 循环进行了 性能比较 对c 0 2 循环时的换热特性做了研究 提供了多种管内流动换热的关 联式 对系统进行了优化和仿真 l 童出 最 的空 往 礤 一矗姆羹 d v 一 磨一 m v 一鼍t 皇础 节棚 图1 一l 带有c 0 2 热泵的热水供给系统 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章引言 从国内外的发展现状可知 目前对c 0 2 工质热泵热水器的研究主要集中在 理论研究和实验分析阶段 在电控制系统方面的研究很少 尤其是在国内 理 论研究和实验还处于初级阶段 还没有成熟的技术 因此 c 0 2 工质热泵热水 器的电控系统的研究有很大的发展空间 1 3 研究内容 c 0 2 工质热泵热水器所面临的主要任务是继续提高效率和不断降低成本 技术进步与工业化批量生产是降低成本的主要动力 而效率的提高则只能依赖 于技术的进步 c 0 2 工质热泵热水器先进控制方式的研究是提高其效率主要途 径之一 c o 工质热泵热水器分为水箱机组和热泵机组两部分 其每部分又分为机械 和电控两方面 本课题选择从c 0 工质热泵热水器的水箱电控系统方面为主要研 究对象 该电控系统融合了电力 电子和通讯等方面的技术 主要工作过程是 首先采集遥控器 厨房遥控器和浴室遥控器 设置的水温 储水箱中现存水量 和温度 浴室和厨房的用水量等信息 并根据收集的信息控制流过水泵1 的流 量 改变进入热交换器水量 再通过调整电动混水阀的开启程度 进而控制流 入混水阀的冷热水比例 最终使厨房或浴室的水温达到遥控器设定温度 图卜2 为水箱电控系统控制框图 图卜2 水箱电控系统的主要功能 水箱电控系统的研制过程中主要的工作内容集中在以下几点 1 根据热泵热水器的功能要求 设计水箱电控系统的硬件电路 2 调试硬件电路 保证其能够按设计要求完成各项功能 3 研究设计c 0 2 工质热泵热水器控制方案 初步设计控制算法 4 对c 0 2 工质热泵热水器系统进行实验研究 分析系统的运行规律 完善其 控制策略 提高系统运行质量 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章引言 1 4 本论文的章节安排 第一章为文献综述 阐述了c 0 2 工质热泵热水器背景及发展状况 提出了 本文的研究目的 研究意义和研究内容 第二章介绍了热泵热水器的工作原理 同时阐述c 0 2 工质热泵热水器整机 的主要结构和工作过程 并阐述了电机的调速原理和电动混水阀的结构 第三 四章论述了系统的硬件实现和软件控制策略 第五章主要介绍系统电源部分 第六章是水箱电控系统实验及仿真波形 第七章主要阐述需要迸一步深入研究的技术及关于热泵热水器发展的总结 和展望 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统工作原理及构成 第二章系统工作原理及构成 2 1c 0 2 制冷工质的循环理论 利用c 0 2 作为制冷剂的制冷循环最初的主要研究方向是在汽车空调和热水供 暖上的应用 后来在其它的制冷系统中以c 0 2 作为制冷剂的研究也逐渐展开 c 0 2 工质的系统循环如图2 l a 所示 图 b 是c 0 2 工质循环的t s 变化关系图 a 系统循环原理图 图2 1c 0 2 工质制冷循环 b c 0 2 循环的t i s 此系统主要部件有压缩机 气体冷却器 内部换热器 节流阀 蒸发器以及 储液器 在气体冷却器中c 0 2 与水进行热量交换 提升水温 作为热水器的供热 源 蒸发器的主要作用是从环境中吸收热量 7 1 如图2 1 a c 0 2 工质循环过程是2 3 4 5 6 一l 图 b 显示了该循环 过程的t 和s 的变化过程 循环工质经压缩机后进入气体冷却器被冷却介质 水 冷却 过程2 3 进入内部换热器进一步被压缩机的回气冷却 过程3 4 节流 阀节流 过程4 5 湿蒸汽进入蒸发器吸收环境热量而汽化 过程5 6 经过储 液器的分离 气态制冷剂进入内部换热器 过程6 1 然后进人压缩机压缩 完 成一个制冷循环 2 2c 0 2 工质热泵热水器的组成 由第一章中知 c 0 2 工质热泵热水器包含热泵机械 热泵电控系统 水箱机 械和水箱电控系统四部分 热泵机械部分包含储液瓶 蒸发器 热交换器 热泵 电控系统主要任务是控制压缩机转速 电子膨胀阀的开启程度和除霜电磁阀的开 关 采集温度传感器数据 与水箱电控系统进行数据通信 水箱机械部分包含储水箱和水循环导管 水箱电控系统主要负责整个系统的 6 西北 l 业人学硕士学位论文第二章系统工作原理及构成 管理 在第一章中已经讲述了该电控系统的主要任务 图2 2 是c 0 2 工质热泵热水器构成框图 水箱机组与热泵机组之间存在电气 连接和机械连接 电气连接包含数据传送和交流电源 其作用和实现过程将在水 箱电控系统的软硬件设计中讲述 水箱和热泵两机组的机械通过循环水管连接 水箱机组的冷水经过热泵机组加热后返回水箱机组 完成冷水加热过程 数据传送 i r i 水箱电控系统l交流电源 1 热泵电控系统 水箱机组热泵机组 丫 水管 冷水 水箱机构 水管 热水 7 热泵机构 图2 2 熟泵热水器构成方框图 2 3c 0 2 工质热泵热水器的工作原理 2 3 1 热泵机组的工作原理 热泵机械结构如图2 3 所示 热泵机组制热时 控制阀2 关闭 c 0 经过压 缩机两级压缩后进入热交换器 在热交换器中释放热量 c 0 2 出热交换器后进入 回热器 换热后分两路进入毛细管节流 然后进入蒸发器 在蒸发器中c o 气体 吸收空气中的热量 最后回到储液瓶完成一个制热循环 控制闶2 图2 3 热泵机纽结构图 热泵机组除霜时 控制控制阀2 打开 c 晚经一级压缩后流过控制阀2 一路 7 西北工业大学硕士学位论文第一二章系统t 作原理及构成 经回热器流入蒸发器下部回到储液器 完成蒸发器下部的除霜 另 路经毛细管 进入蒸发器上部回到储液器 完成蒸发器上部除霜 2 3 2 水箱机组的工作原理 水箱机组主要包括三个循环 如图2 4 所示 储水器中水加热的循环管路 厨房和淋浴用水循环管路 浴盆水加热循环管路 此外还有二根排水管 加热储水箱中水时 c p u 采集温度传感器5 6 7 8 9 1 0 1 1 和1 2 数据 接收遥控器设定的水温 控制流过水泵l 的水量 即改变流入热交换器的水量 当水量大时 冷水经过热交换器后温度升高幅度小 当水量小时 冷水经过热交 换器后温度升高幅度大 冷水在热交换器中吸收热量后 流入储水箱顶层 完成 加热过程 储水箱中水加热的循环管路是 储水箱底部 低温水 一水泵l 一热 交换器入口一热交换器出口 高温水 一储水箱顶部 供厨房 淋浴 用水时 c p u 根据遥控器设定的水温 温度传感器3 和储水 箱中各层温度传感器的数据调整电动混水阀2 电动混水阀1 改变流过的冷热水 的混合比例 使混合后的水温达到遥控器设定的温度 厨房供水循环为 储水箱 顶部热水和水箱中部温水一自动混水阀和水箱底层冷水一电动混水阀2 一流量记 2 一厨房 淋浴用水循环为 储水箱顶部热水和箱中部温水一自动混水阀和水箱底 层冷水一电动混水阀1 一电磁阀1 一流量计1 一淋浴 i i 一 流最计 国电动泥水阚 自动棍术目 9 传感嚣 水泵 逆止期 h 闷n q 电磁皤 图2 4 水箱机组结构图 捧水管 浴盆水加热循环 当c p u 通过温度传感器2 得出浴盆内的水温较低时 丌始 西北l 业大学硕十学位论文第二章系统r 幸f 原理及构成 加热浴瓮内的水 交流水泵2 和3 开始工作 水泵2 将浴盆内的水流入储水箱机 组的换热器中进行加热 水泵3 使储水箱顶层的热水流入水箱机组的换热器中为 浴盆水加热 向浴盆注水时 电磁阀l 和2 开 根据设定的水温 温度传感器2 和储水箱中各层温度传感器采集的数据调整电动混水阀l 的开启程度 使浴盆内 的水温达到设定的温度 向浴盆注水的循环为 储水箱顶部热水和水箱中部温水 一自动混水阀和水箱底层冷水一电动混水阀1 一电磁阀1 一电磁阀2 一浴盆 2 4 水箱机组执行部件 本文主要研究对象是水箱电控系统 因此要对该机组的执行器件的结构及工 作原理作简要的论述 水箱机组中主要执行部件有水泵l 电动混水阀 交流水 泵 本节主要讲述水泵1 和电动混水阀结构 2 4 1 水泵1 结构分析 水泵1 的动力部分是无刷直流电机 b l d c m 电机转速的变化 可以改变 流过水泵的水量 因此 对水泵l 的控制 主要是对无刷直流电机转速的控制 1 1 无刷直流电机控制系统 无刷直流电机的控制系统原理如图2 5 所示 它主要由电机本体 转子位置 传感器和控制器三部分组成 其中控制器包含控制电路 驱动电路和功率变换电 路等 电机本体的定子绕组一般制成多相 转子由永磁钢按一定极对数构成 图2 5 无刷直流电动机的结构原理 2 无刷直流电机的工作原理 一般的直流电动机的定子由永磁钢励磁 其主要作用是在电动机气隙中产生 磁场 电枢绕组通电后产生电枢磁场 这两个磁场的方向在直流电动机运行的过 9 西北 业人学硕士学位论文第二章系统 t 作原理及构成 程中始终保持互相垂直 从而产生最大转矩而驱动电机不停的运转 相对有刷电机 无刷直流电机为了实现无刷换向 除了由定子和转子组成电 动机本体以外 还要由转子位置传感器 控制器共同构成的换向装置 当定子绕 组的某一相通电时 该电流与转子永磁体的磁极所产生的磁场相互作用而产生转 矩 驱动转子旋转 再由位置传感器将转子磁体位置转换成电信号送给控制器 从而使定子各相绕组按一定顺序导通 定子绕组电流随转子位置的变化而按一定 的次序导通 由于功率变换电路的导通次序是与转子转角同步的 因而起到了机 械换向器的换向作用 控制器中的控制电路对转子位置传感器的信号进行逻辑分 析后产生脉宽调制p w m 信号 经过驱动电路放大送至各功率开关管 从而使电 机各项绕组按一定顺序工作 4 5 图2 6 无刷直流电机工作原理示意图 以二相导通三相六状态无刷直流电机为例说明工作原理 当转子位于图2 6 a 所示位置时 转子位置传感器输出磁极位置信号 经过控制电路逻辑变换后 发出p w m 控制信号控制逆变器 使图2 5 中的功率开关管t 1 t 6 导通 即绕组 a b 通电 由a 进b 出 电枢绕组在空间的合成磁势f a 如图2 6 a 所示 此时定子和转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动 电流流通路径为 电源 正极一t 1 管一a 相绕组一b 相绕组一t 6 管一电源负极 当转子转过6 0 电角度 达到图2 6 b 所示位置时 位置传感器输出磁极位置信号 经逻辑变换后使开 关管t 6 截止 t 4 导通 此时t l 仍导通 则绕组a c 通电 a 进c 出 电枢 绕组在空间合成磁场如图2 6 b 中f a 此时定子和转子磁场相互作用使转子继 续沿顺时针方向转动 电流流通路径为 电源正极t 1 管一a 相绕组一c 相绕组一 t 4 管一电源负极 依此类推 当转子继续沿顺时针每转过6 0 电角度 功率开 关管的导通逻辑为t 1 t 6 一t l t 4 一t 5 t 4 一t 5 t 2 一t 3 t 2 等 则转子磁 场始终受到定子合成磁场的作用沿顺时针方向连续转动1 2 2 l 3 p w m 电机调速原理1 2 2 j 本文中采用p w m 方法控制电机的转速 式2 1 是直流电机的转速表达式为 o 两北工业大学硕十学位论文第一二章 系统r 作原理及构成 珂 生里2 1 k 中 式中 严一电枢端电压 v 卜一电枢电流 a 骨一电枢电路总电阻 q m 一磁通量 w b j 一电动机结构参数 由于有刷直流电机和无刷直流电机转速厅的表达式一致 因此由式 2 1 可以看出 在不改变磁通量的情况下 调节电枢两端的电压u 可实现电机调速 本文采用改变p w m 的占空比来控制电机电枢电压u 从而达到调速目的 p w m p u l s ew d t l lm o d u l a t i o n 调速系统 即脉冲宽度调制方式 是指通过改 变输入脉冲的有效工作时间 即改变输入电压调节电机转速方式 p w m 系统在 很多方面有较大的优越性 例如 1 主电路线路简单 需要功率器件少 2 开关频率高 电流容易连续 谐波少 电机损耗及发热都较小 3 低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 可大l 1 0 0 0 0 左右 4 功率开关器件工作在开关状态 导通损耗小 当开关频率适当时 开关 损耗也不大 因而装置效率高 a 原理图 b 输入输出电压波形 图2 7p w m 调速控制原理和电压波形图 如图2 7 所示 当开关管的栅极输入高电平时 开关管导通 b l d c m 电枢 绕组两端有电压u s 经过时间t o i 后 栅极输入变为低电平 开关管截止 电机 两端电压为o 经过时间t t 0 后 栅极输入重新变为高电平 开关管的动作重复 前面的过程 这样 对应着输入的高低电平 b l d c m 电枢绕组两端的电压波形 如图2 7 b 所示 电动机的绕组两端的平均电压 为 半刈 2 2 盛器 西北1 二业人学硕十学位论文第二章系统 r 作原理及构成 式中 a p w m 信号的有效工作时间和周期的比值 称为p w m 信号的占空比 t p w m 周期 t 0 i i p w m 一个周期内高低电平中有效电平时间 p w m 控制方式分为单极性和双极性控制两种方式 单极性控制是指在一个 p w m 周期里 作用在电机绕组两端的电压极性没有变化 所谓双极性控制 是 指在一个p w m 周期里 作用在电机绕组两端的电压极性正负交替 由于控制方 法的不同 两者之间存在很多区别 下面从死区设置 功率和控制方法这3 个方 面进行分析和对比 1 死区设置 死区时间 是指在上下功率器件开通和关断时必须设置 个两者同时关断的 时间 由于功率开关都存在开通 关断时间和一定的延时 因此在上管开通 关断 和下管关断 开通 瞬间必定存在着同时导通的时刻 为了防止上下管同时开通 必须有死区时间 单极性控制不存在同时开通 关断时刻 因此不用设置死区时间 采用双极 性控制方法工作时 虽然同一桥臂的上下管逻辑互反 但是 在上下管逻辑变化 时 同一桥臂的上下功率器件会同时导通 引起电机供电电源的短路 因此 双 极性控制必须设置死区时间 2 功率损耗 双极性控制存在着电流波动大 功率损耗较大的缺点 尤其需增加死区来避 免开关管直通的危险 限制了开关频率的提高 因此只用于中小功率直流电动机 的控制 3 控制方法 在双极性驱动时 电机的完全停止状态处于占空比为5 0 时 因此电机的正 向转动和反向转动只需调整占空比的值就可达到 而单极性控制时 电机的正反 转需要通过改变相同位置信号时绕组的导通顺序来实现 相对双极性控制方法 单极性增加了电机正反转切换时的复杂度 综合以上所叙述的双极性控制和单极性控制的优缺点 且考虑到水泵1 只须 控制流入热交换器水的流量 没有双向控制要求 因此 变频水泵的无刷直流电 机控制采用单极性p w m 控制 2 4 2 电动混水阀结构分析 电动混水阀包含可调三通阀 三通阀丌启位詈检测装置 简称位置检测装置 直流有刷电机和减速装置四部分 可调三通阀调整流入混水阀的冷水和热水的比 例 位置检测装置输出模拟信号的电压值表示可调三通阀的丌启程度 即冷热水 西北二r 业大学硕士学位论文第二章 系统工作原理及构成 的混合比例 位置信号与可调三通阀的开启程度的关系如图2 8 所示 图2 8 电动混水阀位置信号 电机转角和冷热水混合比例三者之间关系图 电动混水阀中的直流有刷电机用来调整三通阀的开启程度 通过控制该电机 的转动角度来调整冷热水的比例 电机通过减速装置与可调三通阀连接 电机的 高速转动经过减速装置后变为低速转动 但提高了扭矩 更适合驱动可调三通阀 图2 9 电动混水阀的工作原理框图 电动混水阀的工作原理 c p u 首先根据流入电动混水阀中冷水和热水的温度 传感器和遥控器指令计算出冷热水的混合比例 然后发出信号控制驱动器开关管 的开通顺序和占空比 控制电机的正反转 通过减速装置调整三通阀的开启程度 同时c p u 采集位置检测装置的位置信号得到冷热水的混合比例 并将该位置信号 与计算的冷热水的混合比例相比较 如果采集的位置信号较小 则电机继续按原 方向旋转 如果采集的位置信号较大 则令电机按与原相反方向旋转 图2 9 为 电动混水阀的工作原理图 2 5 本章小结 本章分析了c 0 2 工质热泵热水器的结构和工作过程 并就与本文相关的部分 进行了详细的讨论和研究 1 分析了以c 0 2 作制冷剂的循环过程和c 0 2 工质热泵热水器的结构与工作过程 2 对无刷直流电动机工作原理和p w m 转速控制方法进行了较详细的分析 并根 西北一1 业大学硕士学位论文第二章系统t 作原理及构成 据单极性和双极性p w m 控制特点 最终确定单极性p w m 控制为本无刷直流 电机的控制方式 3 对电动混水阀的组成及工作原理进行了分析 1 4 动北工业大学硕士学位论文第三章水箱电控系统硬什设计 第三章水箱电控系统硬件设计 根据水箱机组的工作原理 本章对水箱电控系统功能进行细化 并设计了 相应的电路 图3 1 为水箱电控系统结构方框图 该系统主要由以下几部分组 成 系统电源 电动混水阀 无刷直流电机 传感器 温度传感器 水位传感 器 流量传感器 通讯 控制阀和交流水泵的控制 系统电源部分内容较多 其内容将在第五章详细讲述 根据图3 1 所示 水箱电控系统涉及的功能模块 多 处理的数据量大 因此 本系统应用选择速度快 计算能力强的d s p 作为 核心处理芯片 查堕 r 1 竺皇列 塑 慕藏 盘离 嘲肉i 图3 1 水箱电控系统的结构方框图 3 1d s p 控制系统设计流程 d s p 系统设计的一般过程如图3 2 所示 由该流程图知 设计d s p 系统时 首先根据应用系统的目标确定系统性能指标 再根据系统运算量大小 对运算 精度要求和系统成本等要求选择合适的d s p 芯片 然后进行d s p 芯片的外围 电路及其它电路的设计 软件设计是根据系统要求和所选d s p 芯片类型编写相 应程序 嘲3 2d s p 系统的设计流程 浠 两北 业大学硕 学位论文第二章水箱电控系统硬f 1 设计 d s p 系统的开发 特别是软件开发过程是一个需要反复进行的过程 虽然 模拟基本上可预测实时系统的性能 但模拟环境不能做到与实时系统环境完全 一致 并且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行 如 果算法运算量太大不能在硬件上实时运行 则必须重新修改或简化算法 3 2d s p 最小系统 3 2 1d s p 芯片 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 分析 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 是微芯公司的d s p i c 3 0 f 系列中一款d s p 芯片 该芯片有8 0 个引脚 具有向量异常 e x c e p t i o n 机制 带有多达8 个不可屏蔽陷阱源和5 4 个中断源 可以为每个中断源分配7 个不同优先级 其程序计数器 p c 为2 4 位宽 可以寻址高达4 m 2 4 位的用户程序存储器空间 则该芯片适于在处 理事件较多的系统中应用 另外 该芯片集成大量模块 5 个定时器模块 8 个 输入捕捉模块 8 个输出比较模块 1 6 个1 0 位a d 转换通道 1 个电机控制模 块 2 个u a r t 模块和2 个c a n 模块 这有利于降低系统成本 提高系统可靠 性 提高设计的灵活性 本系统设计中需1 5 个模拟通道 3 个通讯模块 4 个 定时器模块 一个电机控制模块和若干其它i o 引脚 参照以上芯片 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 的特点 本系统选用了该芯片作为核心处理芯片 图3 3 是 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 管脚分布 3 2 2 时钟电路设计 图3 3d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 引脚分布 计算机在有序的取指令 分析指令 执行指令的过程中 其一系列的操作 顺序都需要精确的定时 所以都需要时钟电路 以保证按一定节拍 时序工作 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 微控器有自己的时钟电路和基本时序规律 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 微控器 6 西北 业大学硕士学位论文第三章水箱电控系统硬什设计 包括主振荡器 辅助振荡器 内部快速r c f r c 振荡器和低功耗i k l p r c 振荡器四个时钟源震荡器 微控制器可以选择其中 个振荡器作为系统时钟 此次d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 采用主振荡器作为时钟工作模式 表3 1 列出了主振荡器的 几种工作模式 表3 1 主振荡器的工作模式 o s c 2 弓l 脚 振荡器模式 描述 备朋功能 外部时钟输入 o 一4 0 m i i z f 4 外部时钟输入 o 一4 0 i z x c 2 弓i 脚为i 0 弓l 脚 i 带肯4 倍 额的e c 外部时钟输入 4 1 0 腑忆 o s c 2 弓i 脚为i o 弓i 脚4 倍频p i l 使能i o 带有8 倍 翱的e c 外部时钟输入 4 1 0 m h z o s c 2 引脚为i 0 引脑崛倍频p l l 使能l o 带nj b 借 顿的e c 外部时钟辎l 入 4 7 5 m i i z o s c 2 引脚为i o 引脚 6 倍频p l l 使能 l o 4 m l i z 1 0 洲h z 晶振 带7 r 4 倍频 p 1 1 的x t 4 m h z 一1 0 m i l z 晶振 4 倍频p l l 使能 带 8 信频 4 m h z 1 0 m h z 晶振 8 倍频p l l 使能 r i 的x t 带有1 6 倍 频p l l 的x t 4 m n z 一7 5 m h z 晶振 1 6 倍频p l l 使能 2 0 0 k z 一4 m h z 晶振 h s j o h h z 一2 5 m h z 晶摄 d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 提供两个时钟管脚o s c l 和0 s c 2 引脚o s c l 和o s c 2 分 别是内部反相器的输入端和输出端 两者之间外接 个石英晶体振荡器及两个 频率调整电容 可与其内部反相放大器构成一个振荡器 图3 4 是d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 的时钟电路 图中0 欧姆电阻的阻值可根据时钟波形做适当的变化 晶体之间 的两个电容除了辅助晶振产生频率响应之外 增大它们的电容值还能降低环路 增益 当电容值过大 将导致储存和释放过量的电流通过晶体 此处根据生产 商和器件数据手册提供的列表选择电容值为2 0 p 0 s c 3 2 3 在线调试器接口 图3 4 时钟电路 本程序开发时使用的在线调试器是m i c m c l l i p 公司设计制造的第二代在线 调试器m a p l a b i c d 2 i c d 2 是一个简易的低成本开发工具 它可以实现目标代 码的单步运行和全速运行 设置一个断点 观察和直接修改任意的变量等最基 本的硬件调试手段 7 西北工业丈学硕十学位