硕士论文变频空调智能控制系统的研究与设计.pdf

华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 数字变频空调智能控制系统的研究与设计 摘要 随着科技的高度发展 各种智能型 高科技家用电器产品越来越多地走向市 场 本文所研究的智能控制数字变频空调正是其中之一 变频空调由于其节能 高效 工作噪音底 能够营造一种更为舒适的房间温 控环境 因而正逐渐成为家用空调行业的发展方向 而较之普通空调而言 变频 空调的控制系统更为复杂 本文的研究目 标就是变频空调的智能化控制系统 本文首先分析了变频空调的优点及其开发的关键问题 概述了数字家用变频 空调控制系统的基本原理和结构 较为详细地分析了家用变频空调室内 室外机 控制系统的功能要求 并以此为基础 对室内 室外机控制系统的主要硬件电路 进行了设计 并选用性能优良的P I C 1 6 F 8 7 7 8 位MC U作为室内机主控芯片 选 用内 嵌D S P引 擎的d s P I C 3 0 F 2 0 1 0 1 6 位M C U作为室外机主 控芯片 以 实现系 统的控制要求和对压缩机的变频调节 选用P I C系列MC U是由 于其片上资源丰 富 这样在硬件设计时可减少许多外围电路 使系统硬件部分更为简洁 本文提出了用目 前先进的 S V P WM 控制算法实现对本系统压缩机的变频控 制 并对该算法进行了 理论分析和研究 同时给出了 用d s P I C 3 0 F 2 0 1 0 M C U实现 该算法的简单 有效的方案 另外 模糊控制是目 前智能家电 较为流行的控制方 法 本文研究了 模糊控制的基本原理 提出了 本系统的 模糊控制方案 设计了 温 控系统的模糊控制器 以实现系统的智能化调节过程 本文从数字变频空调控制系统的整体考虑和分析 根据软件模块化设计的要 求 设计了室内 室外机的软件控制流程和室内 室外机的 通迅协议 并对系统 的抗干扰性设计作了简要说明 关键词 变频空调 MC U l S V P WM 模糊控制 通讯协议 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 数字变频空调智能控制系统的研究与设计 Ab s t r a c t A l o n g w i t h t h e h i g h d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y v a r i o u s i n t e l l i g e n t a n d t h e h i g h t e c h p r o d u c t s o f e l e c tr i c h o m e a p p l i a n c e s m o v e t o w a r d s m a r k e t m o re a n d m o r e T h e i n t e l l i g e n t c o n tr o l d i g it a l a i r c o n d i t i o n o f f re q u e n c y c o n v e r s i o n s t u d i e d b y t h i s p a p e r i s j u s t i n w h i c h o n e T h e a i r c o n d i t i o n o f f re q u e n c y c o n v e r s i o n b e c a u s e o f it s e n e r g y s a v i n g a n d h i g h e ff i c i e n c y l o w n o i s e c a n c o n s t r u c t a k i n d o f m o r e c o m f o r t a b l e r o o m e n v i r o n m e n t b e in g s o b e c o m i n g d e v e l o p m e n t d ir e c t i o n o f f a m i l y a i r c o n d i t i o n i n d u s t ry g r a d u a l l y C e rt a i n l y t h e c o n t ro l s y s t e m o f t h e 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 i s m o r e c o m p l e x t h a n o r d i n a ry a i r c o n d i t i o n t h e re s e a r c h o f t h i s p a p e r g o a l i s j u s t t h e i n t e l l i g e n t c o n tr o l s y s t e m o f t h e v a r i a b l e fr e q u e n c y a i r c o n d i t i o n T h i s p a p e r h a s f i r s t a n a l y s e d t h e k e y i s s u e o f re s e a r c h f o r t h e v a r i a b l e fr e q u e n c y a i r c o n d it i o n a n d it s a d v a n t a g e s u m m a r i z e t h e b a s i c p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r e o f t h e f a m i l y d i g i t a l 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 c o n tr o l s y s t e m H a s a n a l y s e d t h e f u n c t i o n r e q u ir e m e n t r e l a t i v e l y i n d e t a i l o f i n d o o r a n d o u t d o o r u n i t c o n tr o l s y s t e m s o f v a r i a b l e fr e q u e n c y a i r c o n d i t i o n t h e m a j o r h a r d w a r e c i r c u i t f o r in d o o r o u t d o o r u n i t c o n tr o l s y s t e m s a re d e s i g n e d b y t h e s e C h o o s e 8 b i t s f in e MC U P I C 1 6 F 8 7 7 a s c o n tr o l c h i p o f i n d o o r u n i t a n d c h o o s e 1 6 b i t s MC U d s P I C 3 0 F 2 0 1 0 w i t h D S P e n g i n e a s c o n tr o l c h i p o f o u t d o o r u n i t i n o r d e r t o r e a l i z e t h e s y s t e m a t i c c o n tr o l a n d t h e r e g u l a t i o n o f fr e q u e n c y c o n v e r s i o n f o r c o m p r e s s o r C h o o s i n g P I C s e r i e s M C U i s s i n c e it h a s r i c h r e s o u r c e o n c h i p m a y s o r e d u c e a l o t o f p e r i p h e r a l c i r c u i t s w h e n h a r d w a r e a r e d e s i g n e d a l s o m a k e s y s t e m a t i c h a r d w a re p a r t m o r e s u c c i n c t T h i s p a p e r h as p u t f o r w a r d p re s e n t a d v a n c e d S V P WM c o n tr o l a l g o r it h m f o r t h e c o n tr o l o f t h e c o m p re s s o r a n d h a s m a d e t h e o re t i c a l a n a l y s i s a n d re s e a r c h f o r t h i s a l g o r it h m A n d g i v e t h e s i m p l e e ff e c t i v e s c h e m e o f t h i s a l g o r i t h m r e a l i z e d w i t h d s P I C 3 0 F 2 0 1 0 MC U A d d i t i o n a l l y f u z z y c o n tr o l m e t h o d i s p r e s e n t l y p o p u l a r c o n tr o l s tr a t e g y f o r i n t e l l i g e n t h o m e a p p l i a n c e T h i s p a p e r h as s t u d i e d t h e b as i c p r i n c i p l e o f f u z z y c o n tr o l a n d p u t f o r w a r d t h e f u z z y c o n tr o l s c h e m e o f t h i s s y s t e m d e s i g n f u z z y c o n t r o l e r f o r t e m p e r a t u r e c o n tr o l s y s t e m s o as t o r e a l i z e s y s t e m a t i c i n t e l l i g e n t re g u l a t i o n p r o c e s s F r o m t h e v a r i a b l e fr e q u e n c y a ir c o n d i t i o n c o n tr o l s y s t e m o v e r a l l c o n s i d e r a t i o n a n d a n a l y s i s a n d t h e re q u i re m e n t a c c o r d i n g t o s o ft w a r e m o d u l a r d e s i g n t h i s p a p e r d e s i g n t h e s o ft w a r e o f c o n tr o l p ro c e s s f o r i n d o o r a n d o u t d o o r u n i t a n d t h e c o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t b e t w e e n i n d o o r a n d o u t d o o r u n i t A n d m a k e b r i e f e x p l a n a t i o n f o r i n t e r f e re n c e re j e c t i o n o f t h e s y s t e m a t i c d e s i g n K e y w o r d s a ir c o n d i t i o n o f fr e q u e n c y c o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t MC U f u z z y c o n t rol 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究 成果 据我所知 除文中己 经注明引用的内 容外 本论文不包含其他个人已 经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己 在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名 日期 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留 使用学位论文的规定 学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版 有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅 有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版 保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名 导师签名 八矛口矛 日期 日 期 1 0 0 石 s 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第一章 绪论 第一章绪论 1 选题意义 随着科技的不断发展 社会在不断进步 人民生活水平在不断提高 空调器 已 经逐渐成为 家庭生活的 必需品 1 人们对空调器的 要 求己 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 种功能 12 1 从 而使得 一种 高效节能 高舒适度的空调 模糊控制数字变频空调成为空调器发展的方向 模糊控制与数字变频技术结合 可使空调器的调节过程更为智能化 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 数字智能 控制技术的 发展而发 展 起来的 一种新型空 调器 3 1 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 数字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 数字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 数字变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变频空调器的优点 数字变频空调器将变频控制策略与空调系统有机地结合起来 可以通过改变 压缩机的转速来连续的调节压缩机的负荷 以适应动态变化的空调房间负荷需 要 较常规定速空调具有更优越的运行经济性和舒适性 其运行经济性和舒适性 主 要 表 现 如 下 4 5 1 1 制冷 制热 迅速 变频空调器可根据房间内 温度情况及人体需求 开机后高频率运转 制温速 度快 运用独特的 高效 功能 达到设定温度的时间约为同功率定速空调的 1 3 a 2 控温精确 温度恒定 变频空调运行的频率连续可调 可精确地控制房间内的温度 房间内温度 可控制在1 0 5 以内 温度波动小 使人体舒适 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文第一章 绪论 3 适应范围宽 变频空调的压缩机在高转速和低转速下都能正常工作 所以压缩机性能优 异 适应范围宽 4 强力除湿 变频空调由于能自动调节 可以自 动在合适的功率和风速下工作 正好符合 除湿的工作要求 除湿能力极强 约为同功率定速机的1 5 倍 5 可靠性高 寿命长 定速空调靠开 停机来控制房间温度 频繁的开 停会对系统 设备造成冲 击 工作不稳定 压缩机寿命短 普通空调的使用寿命一般为8 1 2年 而变频 空调利用低频运行来控温 开 停不频繁 压缩机和空调系统运行稳定 使用寿 命长 一般为1 2 1 5 年 6 节能 普通空调器每一次压缩机的开关就造成很大的能量损耗 而变频空调不存在 频繁的开关 所以大大节省了开关的损耗 1 3国内外相关技术发展现状 数字变频空调器作为节能产品以 其高技术 高性能得到空调行业及用户的关 注 日 本于1 9 8 3年首先在世界上推出 得到了 迅速的发展 并使变频技术日 益 完善 到9 0 年代末变频空调器己占日 本市场 家用机 的9 0 以上 日 本各著 名公司的家用空调器中 变频空调的生产量也已占9 0 以 上 6 1 我国空调业研究变频技术始于1 9 9 4 年 首先在春兰和海尔 后来有美的 海信 科龙和格力等 各大公司都十分重视变频技术的研究和开发 它们引进日 本的变频技术的同时 积极开发和研制国产变频空调器 我国的变频空调器首先 是由合资公司引入 当然传入的都是早期的初级产品 真正自 行研制 其中也有 引 进技术 始于1 9 9 7 年 到现在已初具规模 也有了一定的水平 但变频空调 器的市场占 有量总在1 0 左右 而且真正水平高的机种不多 对于实现环境的舒 适性调节和空调系统的智能控制方面的 研究才刚刚起步 有待于进一步深入和发 展 随着电力电子技术和单片机技术的发展 空调器的控制方法发生了很大的变 化 模糊控制F L C F u z z y L o g i c C o n t r o l 是人工 智能 领域中 形 成最早 应用最 广 泛的一个重要分支 适合于结构复杂且难以 用传统理论建模的问题 在空调系统 的过程控制中 由于控制对象的时滞 时变和非线性的特征比较明显 导致控制 参数不易在线调节 而F L C却能较好的适应这些特征 因此引起了空调领域的 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第一章 绪论 普遍关注 目 前己 经成功地应用到家用空调器上 在控制策略方面从基于查询表 方法的简单模糊控制发展到与其它人工智能领域相结合的智能模糊控制 日 本 西欧等发达国家在这一领域处于领先水平 为了提高控制器的控制效果 适应过 程参数的变化对控制系统的要求 出现了在线调整模糊控制参数的自 适应 自 组 织模糊控制器等 如在日 本己经出现了基于遗传算法的模糊空调器 模糊神经元 控 制 的 空 调 系 统 等 f7 1 国内在模糊控制方面的研究虽然起步较晚 但是发展很快 取得了一些令人 鼓舞的成就 尽管如此 其应用成果的数量和质量均有待进一步提高 和国外先 进技术相比 还存在一定差距 表现在智能化程度不高 控制效果不太理想等 对 于这些问 题 不少科研人员先后对所开发的模糊控制器进行改进 达到了一定效 果 但是对严格影响控制效果的一些重要参数还缺乏系统的 选择原则1 8 1 这些方 面还需要作深入的 研究和实践 模糊概念用于空调器 应用模糊逻辑可根据温度差 温度变化率 湿度 活 动量等 按照人类思维模式进行预测与控制 以 达到最舒适的目 的 19 1 变频空调的关键技术主要集中 在四 个方面 14 u 1 1 变频压缩机 变频压缩机电 机主要分为交流异步电 动机和直流无刷电动机两种 交流电动 机成本低 制造工艺简单 但其节能效果稍差 直流无刷电机拖动由无刷电机本 身 转子位置传感器和电子换向开关组成 具有寿命长 可靠性高和噪声低 控 制方便等优点 但这种压缩机电 机的价格较高 随着变频技术的 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 变频空调的核心是它的变频器 逆变器 其主电路采用交一 直一 交电 压型方 式 变频器通过对电流的转换来实现电 动机运转频率的自 动调节 把5 0 H z 的固 定电网频率改为3 0 1 2 0 H z 的 变化频率 由 于变频压缩机转速的变化与频率成正 比 因此通过变频控制器变化频率后 电机转速随之变化 从而制冷 热 能力 也发生变化 早期的变频器采用分立元件构成 整流器采用单相倍压整流电 路 逆变器由 6 只分立的功率晶体管 G T R 构成 这种主电路复杂 可靠性差 目 前大部分厂 家采用的逆变桥由 6 个绝缘栅极晶体管 I G B T 组成 其综合了 MO S F E T 和G T R 的 优点 开关频率高 驱动功率小 随着智能功率模块 I P M 技术的发展应用 I P M 正在逐步取代普通I G B T 模块 由于I P M内部既有I G B 的栅极驱动和保护逻辑 又 有过流 过 欠 压 短路和过热探测以 及保护电 路 提高了变频器的可靠性和可 维护性 比较成功的产品如 日 本三菱电 机公司所生产的P M 2 0 C S J O 6 0 型以 及日 本 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第一章 绪论 新电 元公司生产的T M系列I P M模块等 3 微控制器 微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化 从早期的模拟 控制技术发展到数字控制技术 目 前国外一些跨国公司的微控制器产品占 据着主 要的市场 如 Mo t o r o l a 公司的MC 6 8 H C 0 8 MP 1 6 I n t e l 公司的8 0 C 1 9 6 MC 三菱 公司的 M 3 7 7 0 5 M i c r o c h i p 公司的 P I C 系列等 这些公司的 产品 性能 价格比 较高 功能强大 如带有A D 转换器 P WM波形发生器 L E D L C D 驱动等 且一般都 有O T P 产品以及功耗低可长期稳定的工作 微控制器目 前主要由单片机向D S P 信 号处理器 过渡 采用D S P 可使控制电 路简单 而且控制功能强大 4 P WM波的生成 在家用空调器中 目 前国内 大部分厂家采用常规的 S P W M 即正弦波P WM 方法 目 前 有部分厂家以 采用磁通跟踪型S P WM S V P WM 生成方法 该方 法以 不同的开关模式在电 机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹一理 想磁通圆 即用空间电压矢量的方法决定逆变器的开关状态 以形成P WM波形 该方法电压利用率高 低频谐波转矩小 频率变化范围宽 运行稳定 具有比 较 好的控制性能 1 4课题分析 本课题的 研究目 标是 开发数字变频空调室内 室外机智能控制系统 实现 硬件电路的改进设计和控制系统的软件设计 用先进的控制算法 S V P W M 实 现对空调压缩机的 变频控制 研究模糊控制技术的可行性和有效性 本文主要研究内容 1 实现对变频空调室内 室外机各控制对象的设计与控制 包括硬件和软件 设计 2 实现室内 机 室外机通讯协议的制定与研究 3 研究基于S V P WM 空间电压矢量 P WM技术 V F的控制算法 用D S P 实现该算法对空调压缩机的变频控制 4 研究模糊控制技术的原理及应用 实现空调对环境温度的智能化调节过程 本文关 键问 题研究 1 对空调压缩机的变频控制算法的研究和实现 2 模糊控制策略的制定与实现 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第二章 数字变频空调智能控制系统方案介绍 第二章 数字变频空调智能控制系统方案介绍 2 1数字变频空调基本结构及工作原理 2 1 1控制系统基本结构 本文研究的变频空调器为分体壁挂式空调器 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 两者之间用制冷剂管道和电 缆连接起来 室内机部分以室内专用控制芯片为中心 由遥控器 信号接收器 传感器 风扇电动机驱动回路等组成 室外机部分以系统控制专用芯片为中心 由电 源板 整流单元 逆变单元 传感器 室外风机及阀门控制部件等组成 室内 室外机 之间通过异步串行方式进行通信 室内 控制板接收遥控器发送的指令 按照指令 进行模式设置 并且通过电力线通信接口 与室外机控制板交换信息 图2 1 是数 字变频空调控制系统的整体框图 本方案主要包括数字变频空调室内 控制单元和 室外控制单元的设计 遥控器设计不包括在本方案中 过流 过压保护 遥控接收 E D显示 温度检测 室外风机 室外机控制 板 d s P I C3 0 F 2 0 1 0 室内机控制 板 P I C1 6 F 8 7 7 温度采集 室内风机 四通阀 步进电机 整流器 变频压 缩机 图2 1数字变频空调控制系统框图 2 1 2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 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第二章 数字变频空调智能控制系统方案介绍 器的作用 来提高室内 空气的洁净度 它的本质是利用热介质 通过使介质发生 物理上的 温度和压力变化的方法来实现室内 侧和室外侧热量的转移 1 1 1 2 由 于它 是一种 热 转移原理 因此空调器的能耗比远远大于 I n 而变频空调器是一 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 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的转速下 如3 0 H z 或更低些 所以即使室内温度己经达到 设定温度 压缩机也不会频繁启动 而是自 动调节到相应的低速连续工作 这样 就避免了由于频繁启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 根据统计 一般的变频空调都比 普通空 调 节 能 近1 3 13 2 2 变频空调智能控制系统总体方案框图介绍 本文设计的数字变频空调智能控制系统主要由 室内 控制板和室外控制板组 成 室内 控制板主要负责接收遥控器发出的指令 采集室内温度 室内 风机运行 控制以 及风向 控制 根据遥控器设置的命令向室外机发送相应的运行模式命令并 读取室外机返回的状态信息 在L C D 或L E D 面板上显示相应运行状态 本系统室 内 控制 板M C U 采用 P I C 1 6 F 8 7 7 芯片 P I C 1 6 F 8 7 7 是 M i c r o c h i p 8 位单片 机 有丰富 的片上外设 A D P WM输出等 在家用电 器产品中有着广泛的应用 其详 细性能可参考3 1 2 节室内机MC U P I C 1 6 F 8 7 7 简介 室外控制板的电源可以由 室内 控制板控制开通或关断 室外控制板根据室内 控制板的命令控制空调器室外部分的运行 并将室外机状态信息返回给室内 控制 板 并能够进行多种保护状态监测和运行 包括室外入线电流 母线电压 系统 过负荷 压缩机过温 温度传感器故障 通讯故障等 室外机控制板M C U 采用 d s P I C 3 0 F 2 0 1 0 d s P I C 3 0 F 2 0 1 0 是 M i c r o c h i p 最新的 d s P I C 系 列高 端单片 机产品 该 器件是一个1 6 位的MC U 内嵌有D S P 引擎 该D S P 核由一个1 7 x l 7 的乘法器 两 个4 0 b i t s 的累加器以 及其他D S P 支持电路构成 是一种将高性能1 6 位单片机的 控 制特点和D S P 高速运算的优点相结合 为嵌入式系统设计提供了适合单芯片 单 指令流的 解决 方案 1 4 1 可支持需 要复 杂计 算的 实时 应用 该 器件还提供有专用 于马达驱动的P WM 接口 使得电 机的变频驱动变得简单可靠 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第二章 数字变频空调智能控制系统方案介绍 数字变频空调核心技术是对压缩机的控制 该课题采用较先进的控制算法 S V P W M 空间电 压矢量 P W m 方法 1 5 利用D S P 的 快 速运算和数据处理能力 实 现对压缩机转速的控制调节 并结合目 前家用电器中应用较为广泛的模糊控制技 术 对室内温度变化实现智能化调节 其中模糊控制技术近年来在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学模型 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 热 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 2 3室内 室外机通讯电路说明 室内 机和室外机之间的信息传递和交流都通过通讯单元完成 通讯的准确 率和实时性对于整个空调系统的工作性能起着很重要的作用 由 于室内 室外机 通讯距离较长 如果室内 室外机的通讯口 直接用导线相连通信 会从导线上引 入电磁干扰信号 为了保证通讯单元的信号接收 发送的高准确率 在比 较目 前 较为常用的各种通讯电路后 设计为内 外机通讯是基于U A R T 的异步半双工通 信 实际使用时 通过增加一根通讯线和零线构成电流环 使用电 流驱动方式进 行数据传送 在两端由光电祸合器与控制板进行信号祸合 形成内外机通讯电路 从而增加抗干扰能力和延长通信距离 最长可达3 0 米 为了实现可靠的通讯 还需要软件上的故障处理和重复发送等操作 具体通 讯方式可参考第六章软件设计相关章节 2 4本章小结 本章主要对数字变频空调的智能控制系统基本结构作了介绍 并简要说明其 工作原理 同时介绍了变频空调智能控制系统设计的总体方案 包括室内 室外 控制板部分和模糊控制策略的介绍 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 3 1室内机控制单元说明 本系统设计的数字变频空调控制系统分为室内 和室外两大部分 室内 控制板 的功能因厂家的需求不同 而不同 本方案提供控制系统部分基本的一些设计 室 内控制板包括MC U 控制板 L E D 指示灯和红外遥控接收板两部分 室内MC U 控 制 板是基于 M i c r o c h i p 8 位 M C U P I C 1 6 F 8 7 7 而设计的 采用4 0 p i n 封装 P I C 1 6 F 8 7 7 内有8 K x 1 4 b i t 闪存空间 内嵌一个2 5 6 X 8 位的E E P R O M数据存储器模块 有5 1 2 b y t e s R A M数据空间以 及丰富的片上外设 非常适合本数字空调室内 机控制系 统的设计 3 1 1室内 控制单元主要功能 室内 机M C U P I C 1 6 F 8 7 7 通过工 0 口 接收遥控器操作 并对温度传感器输入 信号进行测量 同时与当前设置的工作模式 温度等参数进行比 较和处理 并把 室内 温度等有关参数送给室外机 根据结果对室外机发出相应的控制命令 同时 驱动室内 风机 摆页电 机 继电 器等外围设备 图3 1 是室内 控制板的示意图 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 图3 1室内 机控制板示意图 室内机控制单元主要完成如下功能 接收并处理遥控器发出的信号 结合系统状态控制系统运行 与室外控制板通讯 控制室外机的运行模式并接收室外控制板返回的系统状 态信息 控制室外机主电源 令室内 温度与盘管温度采集 令控制室内 P G 风机的运行和转速 控制室内摆页电 机的摆动和位置 利用L E D 显示工作状态及故障指示等 测试相关按键处理 遥控器设置及系统设置信息的 存储 3 1 2室内 机MC U P I C 1 6 F 8 7 7简介 P I C 系列单片机是美国微芯公司生产 其硬件系统采用哈佛体系结构和哈佛 总线结构 即在芯片内 部将数据总线和指令总线分离 并且采用不同的位宽度 这样便于实现指令提取的流水作业 也就是在执行一条指令的同时对下一条指令 进行取指操作 便于实现全部指令的单字节化 单周期化 从而有利于提高C P U 执 行 指 令 速 度 16 MCR I R 八口 a叫 刃 目 八I I ANI 只 八 2 满 材刁VR E F R A3 俩N3 八 乍 R A4 1 R1 CK I 只 八 5 r A NY 5 5 只 E D h i D i AN S R 八 N只 朋4 Y 5 R曰 I C 习 袱 八 利7 V 们口 Vs s OS CI I C K I N OS CZ I C L K OUT R C O I T I O S O I T I C K I RCI T 1 O S H C C P 2 RC 2 1 C CP1 RM SC K I S CL RDO V P S P O R口 了 P S p亩 RB 7 闷 一 门 卜 R日 日 喇 卜 目 月 卜 RB S RB 4 闷 十 一 知RB 3 卜 川 卜 R日 4 川 睁 卜 RB I a ti RB Q A N T 一M沈I 口 一 一 V S S 卜 闷 卜 R D T FS P7 t R D 8 4 i S P6 RD6 d P S PS RD 4 1 P S P 4 RC F 乐以兀汀 州 睁 一 州 卜 Re a r 以心K 月 卜 R C 5 J S DO 嘴 卜 R ar e 幻U S D A 门 卜 RQ 3 护S P3 f yRO 二 护3 p 叨39拍打韶肠洲韶双扒的湘28盯加舫对朋欢到 三认 一 234567 协 粗翎钊朽16仃记怕每 口已已日纽日日日目口已已日过目时口目口已已曰日门 一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一 图3 2 P I C 1 6 F 8 7 7 引脚图 P I C 1 6 F 8 7 7是M ic r o c h i p 8位单片机 图 3 2 在家用电 器产品中 有着广泛 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 的 应用 该器件内 部有8 K X 1 4 程序空间 和5 1 2 X 8 字节数据空间 2 个8 位定时 器和 1 个1 6 位定时器 1 0 位精度的 A D 转换器可支持8 个通道输入 两个通道的1 0 6 i t s P WM 输出或者l 6 b i t s 精度的脉宽捕捉 硬件U A R T S P I 接口 以及片上的看门 狗及掉电检测电路 封装为D 工 P 4 0 Q F P 4 4 或者P L C C 4 4 具有充足的I 0口资源 最多可支持5个工 0 口中断输入 P I C 1 6 F 8 7 7 主要性能 具有高性能的R I S C 精简指令集 C P U 令仅有3 5 条单字节指令 数据总线 8 为宽 作为数据传输的专用通道 令程序总线 1 4 位宽 作为提取程序指令的高速通道 今代码压缩率高 令除程序分支指令为双周期指令外 其余均为单周期指令 令运行速度 D C 2 0 MH Z时钟输入 D C 2 0 0 n s 指令周期 中断能力达到1 4 个中断源 令8 级深度的硬件堆栈 令直接 间接和相对寻址方式 可编程的代码保护 低功耗的睡眠方式 可选择的振荡器 2室内控制单元主要电路设计 令令令3 在本设计中 内 机部分的 温度测量是通过A D 口 P I C 的 R A 口 完成 过零检 测以 及遥控器接收是通过外部1 0 中断 R B O 口 引 入的 风机的 速度反馈由 C C P I R C 2 口 完成 而室内 室外机的通讯通过U A R T R C 6 R C 7 口 完成 其余外 围器件控制都是通过U O口操作完成 3 2 1 温 度 测 量电 路 u 7 1 室内 机有两个温度传感器 分别检钡 9 室内 温度及内 机盘管温度 内 机控制单 元每1 0 秒钟测量一次温度 每次测量都需要多次 传感器信号采集后求平均值 并 将温度值传送给室外机 室外机根据室内 温度进行相应的模式切换 并采用模糊 控制算法对压缩机输出频率进行调整等操作 在普通家用空调器中 温度测量多数采用N T C热敏电阻 测量范围在一 4 0 C 1 2 0 C左右 在本设计中 温度的测量范围包括 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 令 室内温度 5 0 C一 3 5 0 C 令 环境温度 一 5 0 C 4 5 0 C 盘管温度 一 5 0 C一 7 0 0 C 令 压缩机温度 一 1 5 0 C 1 2 0 0 C vcc RA口 图3 一3温度测量电路 一般温度值的测量都采用图3 3 所示电路 通过测得取样电阻的分压值 并建立 该分压和温度的关系来获得温度值 图中电容主要用于抑制N T C 电阻的突变或其 他干扰 由于传感器和主板之间的距离较长 所以 在传感器接入主板处串 接一电 感以减少干扰 热敏电阻的阻值在0 7 K 到5 5 K 的范围内 取样电阻的选取会影响 到测量结果的分辨率 设计中低温度和高温度区域的 测量主要是用于对盘管和压 缩机的保护 对分辨率要求不是很高 而对室温和环境温度的测量就需要较高的 分辨率 因此 取样电阻选取热敏电阻在2 0 0 C附近对应的电阻值 3 2 2遥控器接收电 路 遥控器在空调系统中是与用户最为密切的部分 在用户和系统之间起着通讯 传输作用 正确接收遥控器信号才能使系统按照用户需求运行 所以也必须保证 遥控器信号接收的高准确率和实时性 室内 机通过与遥控器配套的接收头来接收 红外信号 而后输入MC U 根据遥控器通讯协议解读用户要求后 根据用户需 求来调节整机系统的运行 本设计中 遥控器红外接收管工作在3 8 K 频率 接收管的输出接到P T C 1 6 F R 7 7 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 的R B O 管脚上 图3 4 是一个典型的遥控器接收信号脉冲序列 通过测量R B O 口 的脉冲宽度可以检出相应的数据流 每5 5 0 u s 低电平和6 0 0 u s 高电平代表数据0 每5 5 0 u s 低电平和1 0 0 0 u s 高电 平代表数据1 可以利用R B O 的中断功能和T i m e r l 定时器结合来测量脉冲宽度 另外 采用R B O 口中断功能可以使内机处于遥控器 关机状态时 P I C 1 6 F 8 7 7 处于休眠状态 仍然能够正确接收遥控器输入 图3 一4遥控输入数据脉冲 3 2 3摆页电 机驱动电 路 导风板和百叶窗是空调室内机的重要组成部分 它们主要是控制室内机送风 的具体方向 可按用户需要调节到最为舒适的送风风向 它们主要是用两台四相 八拍的步进电 机来驱动 M C U 的四路工 0 口 输出 特定顺序的脉冲信号 经过驱动 芯片U L N 2 0 0 3 送到步进电 机的四 个绕组来进行驱动 用于对导向 板的控制 一 般空调有上下方向的导向板 有些空调还有左右方向的导向板 图3 5摆页电机驱动电路 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 本设计中摆页电 机采用单极4 相8 拍的步进电 机驱动 步进电 机的供电电 压为 1 2 V 接口电 路如图 3 5 所示 该电路只显示一个步进电 机的 驱动 其他两个通 道都采用同样电路 由于U O 口 数量的限制 该电路使用锁存器MM7 4 H C 1 7 5 进行 U O 扩展 而后控制大电流反向驱动器U L N 2 0 0 3 以驱动电机 U L N 2 0 0 3 由7 组N P N 达林顿驱动器组成 可以驱动7 个继电器 U L N 2 0 0 3 的输出端允许通过I C 电流 2 0 0 m A 饱和压降 V C E约1 V 左右 耐压B V C E O 约为 3 6 V 采用集电 极开路输出 输出电 流大 故可以 直接驱动继电 器或固 体继电 器 S S R 等外接控制器件 3 2 4室内 风机调速电 路 通过遥控器可设置室内 风机的运转速度 共有高速 中速 低速和微风四种 模式 风机的运转速度还受到设定温度与室内温度之差 盘管温度及运行模式的 影响 另外 室内风机还有防冷风和吹余热功能 本设计中室内 风机采用P G电 机 脉冲发生器电机 交流P G电机是单相电 机 由电 容引向 起动 电 机内带转速测定脉冲发生器 输出 作为转速闭环控制的 反馈信号 风机由固态继电 器或者双向 可控硅驱动 通过调整导通角可以 调整输 出电 压 从而达到调速的目 的 P G电机内 部含有检测电机转速信号的霍尔元件 利用霍尔传感器的磁敏特性 检测出电机的转速 反馈到P I C 单片机 根据检测 到的实际转速与设定转速比 较 控制晶闸管的导通角 改变电机电压 调压调速 来达到调节风速的目的 图3 6风机调速电路 为能够准确调速 一般还需要有市电过零检测电路 以过零点开始导通角的 计时 由于P G 电机带有速度反馈的输出 可以通过测量反馈信号的脉冲间隔而 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第三章 室内 室外机控制系统硬件设计 测量出 风机转速 过零检测需要相应的外部中断输入I O 支持 本设计中使用R B 口的中 断功能 风机的转速反馈脉冲间隔的测量采用P I C 1 6 F 8 7 7 的C C P 输入捕 捉 接口功能 转速的脉冲间隔长度一般从十几个毫秒到几十个毫秒 3 2 5室内机E E P R O M 室内 机的 E E P R O M 可用于存储系统的设置或者当前遥控器设置的 数据 在机 器掉电时仍然可恢复以 前设置 P I C 1 6 F 8 7 7 内嵌2 5 6 X 8 位的 E E P R O M数据空间 这样可节省该部分的外围电路设计 3 3室外机控制单元说明 变频空调室外机控制系统由 三相空调交流压缩机 以 微控制器为核心的系统 板 保护电 路和智能功率模块等构成 室外控制单元的核心部分是控制变频器的 动作以对三相交流压缩机的控制 室外控制单元包括两个P C B 板 其中包括用于 实现逆变的I P M模块以 及室外单元的 直流电 源提供板 或称功率板 另外的一 个P C B 板是外机系统的主控板 由d s P I C 3 0 F 2 0 1 0以及相应的外围电路构成 3 3