数字多联变频空调控制与检测系统设11.doc

电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 1 电电 子子 科科 技技 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 论文题目论文题目 数字多联变频空调控制与监测系统设计 教学中心 教学中心 电子科技大学网络教育学院 指导老师 指导老师 宋 伟 职职 称 称 高级工程师 学生姓名 学生姓名 李东东 学学 号 号 V08700742105 专专 业 业 电子信息工程 电子科技大学网络教育学院制电子科技大学网络教育学院制 2010 年 10 月 20 日 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 2 摘要 针对居民对住房环境的改善 空调要求的逐渐提高 设计了一套功能强大 的数字电机控制与检测系统 可根据实际需要选择控制交流感应电机或直流无 刷电机 其中交流电机采用矢量SVPWM技术 而直流无刷电机采用无位置传感器 的反电势过零检测技术 并采用优化PWM技术 提高电机效率 抑制谐波 并可 根据需要扩充检测系统 检测系统运行中的各项数据 并与Pc通信将数据传送 到Pc进行处理和分析 以利于系统的改进和优化 针对制冷系统具有滞后大 非线性的特点 采用模糊逻辑PID控制技术运用不确 定不精确的模糊信息来决策实现成功的控制 对系统压缩机转速的控制和电子 膨胀阀开度的控制都采用Fuzzy PID复合控制 当误差较大时采用模糊控制 而误差较小时采用PID控制 从而既保证动态响应效果 又能改善稳态控制精度 使模糊控制器和PID调节器共同合成控制作用 并对变频空调单片机测控系统进 行了抗干扰设计 关键词 变频空调 变频器 模糊控制 PID控制 单片机控制 系统仿真 空调 温度检测 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 3 Abstract Housing for the residents to improve the environment a gradual increase in air conditioning requirements design a set of powerful digital motor control and detection system can be based on actual need to select the control AC induction motor or brushless DC motor AC motor in which the use of vector SVPWM technique and the use of brushless DC motor sensorless back EMF zero crossing detection and the use of optimized PWM technology to improve the electrical efficiency of harmonic suppression And in accordance with the need to expand the detection system detection system in the operation of the various data and communication with Pc to Pc data to be processed and analyzed in order to facilitate system improvement and optimization Refrigeration system has lagged behind for large non linear characteristics the use of fuzzy logic PID control technology using fuzzy uncertainty inaccurate information to decision making to achieve successful control Housing for the residents to improve the environment a gradual increase in air conditioning requirements design a set of powerful digital motor control and detection system can be based on actual need to select the control AC induction motor or brushless DC motor AC motor in which the use of vector SVPWM technique and the use of brushless DC motor sensorless back EMF zero crossing detection and the use of optimized PWM technology to improve the electrical efficiency of harmonic suppression And in accordance with the need to expand the detection system detection system in the operation of the various data and communication with Pc to Pc data to be processed and analyzed in order to facilitate system improvement and optimization Key words inverter air conditioner data detection converter fuzzy control PID control single chip microcomputer control system simulation air conditioner temperature detection 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 4 目 录 第一章 绪言 4 第二章 测试测量技术 4 第三章 系统结构 5 第一节 开关电源电路 6 第二节 电源滤波器电路 6 第三节 直流压缩机位置检测电路 7 第四节 空调温度检测电路 7 第四章 变频空调单片机测控系统的抗干扰设计 13 第一节 系统设计问题 13 第二节 变频空调设计及应用 14 第三节 变频空调的优点 17 结束语 19 谢辞 20 参考文献 21 第一章 绪言 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 5 随着空调器使用的日益普遍 人们更加重视空调器性能的提高 变频式空 调器以能效比高 调温快 使用舒适 节能显著的特点 一出现就受到人们的 青睐 特别是应用了模糊控制技术 使其显出更加突出的优势 目前国内空调 器市场的竞争日益激烈 若想在激烈的市场竞争中占有一席之地 就必须具有 舒适 节能 能效比高等特点 研制具有低成本的节能变频空调也就成为了未 来空调市场的发展趋势 本课题设计了变频空调器的电气控制系统 电控系统 的作用是根据房间温度的变化以及用户的要求去控制空调器的运转部件 压 缩机和风扇电机等 使室温合乎理想要求 电控系统分为室内机和室外机两部 分设计 室内机 室外机各用一个单片机进行控制 二者通过通讯线进行通讯 以传递和交换信息 室内机主要包括遥控器信号的接收电路 室内温度的检测 电路 风扇电机控制电路和风门步进电机控制电路等 室内机的作用是完成温 度的检测和温度的模糊控制运算等 对各部分电路进行控制 把空调器产生的 冷空气或热空气传到室内的不同区域 实现均匀调节房间温度的目的 室外机 包括变频器电路 风扇控制电路 四通阀控制电路 温度检测电路和保护电路 等 变频器电路采用智能功率模块 利用专用单片机对其进行控制 使变频电 路结构简洁 性能可靠 室外机的作用是对室内机送来的控制信号进行分析 根据室外机的工作状态 通过变频器对压缩机转速进行控制 从而达到制冷或 制热功率的调节 并对室外风扇电动机 电磁四通阀进行控制 对各种保护电 路予以监测 然后在硬件电路设计的基础上 编制了室内 外机的系统控制软 件 最后进行了系统的软硬件调试 从而完成整个电控系统的设计 由于室温 控制系统具有大滞后 时变性 非线性等特点 精确数学模型难以建立 传统 PID控制方法效果差 所以选定模糊控制方案 设计了二维模糊温度控制器 然 后针对常规模糊控制器主观性较强的缺点 提出了一种适于实时控制的模糊PID 温度控制器 并通过仿真验证了这一方法的合理性 第二章 测试测量技术 变频系统以其节能和舒适的特性优势已成为空调市场上的主流 且随着其 技术的深入 一拖二 一拖多系统也大量出现使变频产品更加成熟和全面 在 随着居民的生活水平的提高 住房环境的改善 每户对空调的需求要求越来越 高 传统的单体一拖一空调由于安装不便 破坏居住环境的美化 针对这一问 题 设计了一套功能强大的数字电机控制与检测系统 可根据实际需要选择控 制交流感应电机或直流无刷电机 其中交流电机采用矢量SVPWM技术 而直流无 刷电机采用无位置传感器的反电势过零检测技术 并采用优化PWM技术 提高电 机效率 抑制谐波 在制冷系统中的节流采用电子膨胀阀 用Fuzzy PID算法 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 6 对电子膨胀阀开度和压缩机转速进行控制 从而使系统控温精度高 制冷效率 高 功耗低 并可根据需要扩充检测系统 检测系统运行中的各项数据 并与 Pc通信将数据传送到Pc进行处理和分析 以利于系统的改进和优化 针对制冷系统具有滞后大 非线性的特点 存在很多不确定的外界因数 难以建立准确的数学模型 不能很好地控制 采用模糊逻辑PID控制技术可以模 仿人的思维方法 运用不确定不精确的模糊信息来决策实现成功的控制 对系 统压缩机转速的控制和电子膨胀阀开度的控制都采用Fuzzy PID复合控制 当 误差较大时采用模糊控制 而误差较小时采用PID控制 从而既保证动态响应效 果 又能改善稳态控制精度 使模糊控制器和PID调节器共同合成控制作用 PID基本算法的基本思想是 控制器的输出是与控制器的输入 误差 成正比 与输出的积分成正比和与输入的导数成正比的这三个分量之和 第三章 系统结构 本系统为一个多联空调控制与检测系统 系统有一个室外热交换器和N个压 缩机 根据需要可采用两个压缩机 具有三台及三台以上的室内侧装置 本次 开发的基于DSP56F805的数字多联变频空调控制与检测系统主要针对三台室内机 50 25A 25B 的系统 频压缩机可根据需要选择交流 直流变频压缩机 两个PWM模块中的PWMA控 制压缩机电机 可为交流感应电机或直流无刷电机 而PWMB用来控制室外风机 电机 也可为交流感应电机和直流无刷电机 并可根据需要在外界EEPROM中设 定电机类型参数 控制参数等 室内侧流量的分配通过调节各个室内机对应的 电子膨胀阀开度 即电子膨胀阀的步进电机的运行步数来控制 使其达到最佳 节流效果提高整个系统的运行效率 在制冷工况下 旁通电子膨胀阀关闭 在 制热工况下 由于电子膨胀阀本身的泄密性 需调节旁通电子膨胀阀来辅助各 室内机对应电子膨胀阀的节流 在系统中DSP 据各室内机的运行状况和检测 温度 并根据室外侧的运行状况和检测温度来确定整个系统的运行 并确定故 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 7 障和保护运行处理 室内机电子膨胀阀25A室内机电子膨胀阀25B室内机电子膨胀阀旁通电子膨 胀阀速 同时也可以跟据室内外机的运行情况 调节电子膨胀阀的开启度 自 动调节制冷剂流量 使每台室内机流量分配均匀 提高整个系统的效率 并完 成与各室内机的数据交换 其硬件电路如图2 主要包括 开关电源电路 电源 滤波器电路 直流压缩机位置检测电路 电流电压检测电路 外部开关信号检 测电路 与室内机通讯电路 温度检测电路 电子膨胀阀驱动电路等 下图1为 变频空调电控系统的示意图 第一节 开关电源电路 根据系统设计要求 需要3 3V 5V 两路12V隔离电源 因此设计了一个 开关电源电路 开关电源模块设计原理如下 220 V交流市电经过 D1 D2 D3 D4整流滤波得到的直流电压 提供变压器初级绕组工作电压 开 关电源起振后 开关电源次级输出电压由光耦Q1齐纳二极管Z1直接取样 电压 值由齐纳二极管和光耦及电阻R66的压降决定 调整变压器匝数比和齐纳二极管 的值 可以调整次级输出电压 这样系统芯片电源与强电通讯电路隔离 增加 了系统抗干扰能力 测试测量技术 第二节 电源滤波器电路 室外机控制器由交流市电220 V通过接线端连到控制板的输入端 为了防止 电机过流或电路意外短路造成更大损失 在输入端加上了30A的保险丝 电源输 入后接了压敏电阻 以防止电源中包含的高压毛刺 在电路连接地时 加上了 一个防止雷击的器件 以吸收由于雷击产生的瞬时高压 电抗滤波器主要滤初 差模及共模干扰 经过EMC处理后 交流电进行全桥整流滤波 得到约300 V直 流电压 提供开关电源模块及IPM驱动压缩机用 开关电源的工作频率约为 100kHz 选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器 就不难满足符 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 8 合EMC标准的滤波效果 第三节 直流压缩机位置检测电路 直流压缩机驱动的关键问题是转子位置检测 在这个系统中采用硬件电路 处理感应反电动势的方法 确定位置信号 位置检测电路由星形叠加电路 分 压移相电路 积分电路 滤波电路 比较器和箝位电路组成 由型号为LM339组 成的比较器 以及由二极管D44一D47组成的箝位电路 该位置检测电路从端口 检测直流无刷电机的感应电压 利用感应反电势过零点检测电机换相的位置 通过检测电路产生三相位置信号 PHASEA0 PHASEB0 INDEX0 提供系统 正确的电机换相时序 在实际使用中 关键要确定电路参数 调整位置信号换 相点的延迟时间 使切换时冲击电流尽量减少 由此改善位置检测电路的稳定 性 可靠性 第四节 空调温度检测电路 根据系统设计的要求 室外部分需要检测电压 电流 室外环境温度 压 缩机温度 盘管出口温度 盘管进口温度 盘管除霜温度 电子膨胀阀气管 液管温度 一共需要144 A D转换口 DSP56F805只有8个A D转换口 因此为 了扩充A D口 加了一个串行A D转换芯片 MAX110CCP 电压 电流 室外环 境温度 压缩机温度 盘管出口温度 盘管进口温度 盘管除霜温度的检测信 号经过滤波后直接连接到DSP的A D转换口 控制芯片对采样到的温度信号进行 软件滤波 剔除干扰 再进行非线性整定 得到所需要的温度值 硬件电路如图 4 1 所示 根据工作电压的不同 整个系统可以分为三部分 微 控系统 继电器控制和强电控制 分别工作于 DC5V DC12V 和 AC220V 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 9 整个主控板上有三种电压 AC220V DC12V 和 DC5V AC220V 直接给压缩机 室 外风机 室内风机和负离子产生器供电 AC220V 经过降压 变为 DC12V 和 DC5V 用于继电器和微控系统供电 供电系统如图 4 3 所示 AC220V 先经过变 压器降压 然后从插座 J1 输入 经过整流桥进行全波整流 通过电容 C2 滤波 得到 DC12V 再经过稳压片 7805 稳压 得到 DC5V 图中的采样点 ZDS 用于过零 点的检测 二极管 D1 防止滤波电容 C2 对采样点 ZDS 的影响 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 10 4 4 过零检测电路 过零检测电路如图 4 4 所示 用于检测 AC220V 的过零点 在整流桥路中采样全 波整流信号 经过三极管及电阻电容组成整形电路 整形成脉冲波 可以触发 外部中断 进行过零检测 采样点和整形后的信号如图 4 5 所示 过零检测的作用是为了控制光耦可控硅的触发角 从而控制室内风机风速的大 小 图 4 4 过零检测电路 图内为内风机控制电路 U1 为光耦可控硅 用于控制 AC220V 的导通时间 从 而实现内风机风速的调节 U3 的 3 脚为触发脚 由三极管驱动 AC220V 从管脚 11 输入 管脚 13 输出 具体导通时间受控于触发角的触发 室内风机风速具体控制方法 首先过零检测电路检测到 AC220V 的过零点 产生 过零中断 然后 在中断处理子程序中 打开 Timer 的定时功能 比如定时 4ms 4ms 后由 CPU 产生一个触发脉冲 经三极管驱动 从 U3 的 3 脚输入 触 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 11 发 U3 的内部电路 从而使 U3 的管脚 11 和 13 的导通 AC220V 给室内风机供电 这样 通过定时器的定时长度的改变可以控制 AC220V 在每半个周期内的导通时 间 从而控制室内风机的功率和转速 当室内风机工作时 速度传感器将室内风机的转速以正弦波的形式反馈回来 正弦波的频率与风机转速成特定的对应关系 见下表所示 正弦波经过三极管 整形为方波 CPU 采用外部中断进行频率检测 从而实现对风速的测量 采用电流互感器 L1 检测火线上电流的变化情况 图中 L1 为电流互感器 输 出 0 5mA 的交流电 当电流突然增大时 电流互感器输出电流也随之增大 经 过全桥整流 电流 电压转换 低通滤波 从 COD 端输出直流电压信号 CPU 风速风速 高高中中低低 风机频率 风机频率 HzHz 705030 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 12 通过对 COD 端电压的 AD 采集来感知 AC220V 电流的变化 当 COD 端的电压过高 时 CPU 可以对电路采取保护措施 采用电阻分压原理 CPU 利用 AD 采集对 7805 前端的 12V 电压进行检测 当电 网掉电后 AD 端会采集到 7805 前端的 12V 电压的降低 由于 7805 输出端电容 的存在 所以即使 12V 电压降低到 6V 7805 仍能提供 5V 电压使 CPU 正常工作 此时 CPU 立即将空调当前的运行参数保存在 AT24C01 里面 压缩机 室外风机 四通阀和负离子产生器均由 AC220V 供电 所以通过继电器 控制 AC220V 的通断便可以控制各个部分的运行 R1 为压敏电阻 用于过压保护 SI1 为保险管 插座 J2 为 AC220V 输出端 外接变压器 将 AC220V 降压 降压后接到电源模块 分别得到 DC12V 和 DC5V 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 13 继电器 峰鸣器和步进电机均由 12V 直流电压控制 U4 为驱动芯片 Neg lonC 控制负离子发生器的继电器 ValveC 控制四通阀的继电器 ComprC 控制压缩机的继电器 Buzzer 控制峰鸣器 A B C D 为步进电机的四相 图 4 11 驱动电路 3 11 断电记忆 采用 U5 AT24C01 作为串行存储芯片 保存电网断电前空调的运行参数 该 芯片只需两根线控制 时钟线 SCL 和数据线 SDA Ion 存储器大小为 128 8 byte 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 14 第四章 变频空调单片机测控系统的抗干扰设计 第一节 系统设计问题 一 水泵在系统的设计位置 一般而言 冷冻水泵应设在冷水机组前端 从末端回来的冷冻水经过冷冻水 泵打回冷水机组 冷却水泵设在冷却水进机组的水路上 从冷却塔出来的冷却 水经冷却水泵打回机组 热水循环泵设在回水干管上 从末端回来的热水经过 热水循环泵打回板式换热器 二 冷却塔上的阀门设计 2 1冷却塔进水管上加电磁阀 不提倡使用手动阀 2 2管泄水阀应该设置于室内 若放置在室外 由于管内有部分存水 冬天易 冻 3 电子水处理仪的安装位置 放置于水泵后面 主机前面 4 过滤器前后的阀门 过滤器前后放压力表 5 水泵前后的阀门 5 1水泵进水管依次接 蝶阀 压力表 软接 5 2水泵出水管依次接 软接 压力表 止回阀 蝶阀 6 分集水器 6 1分集水器之间加电动压差旁通阀和旁通管 管径一般取DN50 6 2集水器的回水管上应设温度计 7 各种仪表的位置 布置温度表 压力表及其他测量仪表应设于便于观察 的地方 阀门高度一般离地1 2 1 5m 高于此高度时 应设置工作平台 8 机组的位置 两台压缩机突出部分之间的距离小于1 0m 制冷机与墙壁 之间的距离和非主要通道的距离不小于0 8m 大中型制冷机组 离心 螺杆 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 15 吸收式制冷机 其间距为1 5 2 0m 制冷机组的制冷机房的上部最好预留起吊 最大部件的吊钩或设置电动起吊设备 其内部结构如下图2所示 第二节第二节 变频空调设计及应用变频空调设计及应用 室内电路与普通空调基本相同 仅增加与外机通讯电路 通过信号线 S 按一定的通讯规则与室外机实现通讯 信号线 S 通过的为 24V电信号 室外电路一般分为三部分 室外主控板 室外电源电路板 IPM变频模块组 件 电源电路板完成交流电的滤波 保护 整流 功率因素调整 为变频模块 提供稳定的直流电源 主控板执行温度 电流 电压 压机过载保护 模块保 护的检测 压机 风机的控制 与室内机进行通讯 计算六相驱动信号 控制 变频模块 变频模块组件输入310V直流电压 并接受主控板的控制信号驱动 为压缩机提供运转电源 变频模块 如下图 P N端接入300V高压直流电 CZ端子从主控板处接来控制信号 控制六个三极管的通断 以获得准确控制电压 U V W对压缩机输出控制电压 交流变频输出的为三相交流电 直流变频输出的为通电绕组不断改变的直流电 全直流风扇电机 美的全直流变频空调室内 外风扇电机使用的都是直流电机 以下为它们 的接线图 通过改变电压大小的方式来控制风机转速 Vc的电压范围在9 36V之间 电压越高 风机转速越高 电压越低 风机转速越低 5V为风机内电路控制板 的工作电压 室外直流风机工作原理与直流压缩机基本相同 只是PWM电压波 形形成电路做在了电机内 Vc为高压直流供电部分提供的直流电源 供风机绕 组工作使用 300V左右 由于用户电源电压有高有低 因而Vc实际在200V 375V之间 15V电压为风机内电路板的工作电源电压 Vsp为风机转速控制信 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 16 号 室外主控芯片发出的外风机风速控制信号为 5V的脉冲数字信号 经过数 字 模拟转换电路 转换成最大电压 15V的模拟信号 即Vsp 控制电机内电 路板以产生PWM电压波形 风速反馈信号为12脉冲 转 脉冲幅值 15V 因主 控板芯片工作电压为 5V 因此需在电源板上将其转换成 5V的信号后 才能供 给外主控芯片以检测外风机转数 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 17 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 18 第第三三节节 变变频频空空调调的的优优点点 节能 由于变频空调通过内装变频器 随时调节空调机心脏 压缩机 的运转速度 从而做到合理使用能源 由于它的压缩机不会频繁开启 会使 压缩机保持稳定的工作状态 这可以使空调整体达到节能30 以上的效果 同时 这对噪音的减少和延长空调使用寿命 有相当明显的作用 噪音低 由于变频空调运转平衡 震动减小 噪音也随之降低 温控精度高 它可以通过改变压缩机的转速来控制空调机的制冷 热 量 其制冷 热 量有一个变化幅度 如36GW 变频的制冷量变化为 3 60 400W 制热量变化为 300 6800W 因此室内温度控制可精确到 1 使人体感到很舒适 调温速度快 当室温和凋定温度相差较大时 变频空调一开机 即以 最大的功率工作 使室温迅速上升或下降到调定温度 制冷 热 效果明显 电压要求低 变频空调对电压的适应性较强 有的变频空调甚至可在 150 240V 电压下启动 电子科技大学毕业论文 设计 变频空调控制与检测系统设计 19 环境温度要求低 变频空调对环境温度的适应性准强 在的甚至可在 一 15t 的环境温度下启动 一拖二智能控温 它可智能地辨别房间大小并分配冷 热 量 使大 小不同的房间保持同样的温度 保持室温恒定 变频空调采用了变频压缩机 变频空调可根据房间冷 热 负荷的变化自动调整压缩机的运转频率 达到设定温度后变频空调以 较低的频率运转 避免了室温剧烈变化所引起的不适感 当负荷小时运转频 率低 此时压缩机消耗的功率小 同时避免了频繁开停 从而更加省电 电子科技大学毕业论文 设计 变