周圣平，王煉紅，曾志強(qiáng)，黃小鳳

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.長(zhǎng)沙三一重工股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

隨著地源熱泵空調(diào)的普及，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能方面的要求越來越重要，進(jìn)一步優(yōu)化地源熱泵中央空調(diào)控制器的電路設(shè)計(jì)的可靠性和節(jié)能效果成為人們研究的新方向。目前，大多數(shù)地源熱泵空調(diào)控制器的主控芯片采用單片機(jī)，不但電路設(shè)計(jì)可靠性差、數(shù)據(jù)計(jì)算能力差，而且輸出采用查表結(jié)果，使機(jī)組只能運(yùn)行在預(yù)訂的控制量上，節(jié)能效果不理想。本文控制系統(tǒng)的開發(fā)是通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)控制量實(shí)時(shí)計(jì)算、微調(diào)功能，對(duì)提高地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果、空調(diào)控制電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性等具有重要意義和作用[1]。

1 控制器總體設(shè)計(jì)

基于TMS320LF2407的地源熱泵空調(diào)控制器的硬件部分主要由主控電路、RS485通信接口電路、RS232接口電路、風(fēng)機(jī)控制接口電路、顯示模塊、溫度采集電路、JATG電路、Flash模塊、鍵盤電路模塊以及電源電路模塊等組成。軟件部分結(jié)合模糊PID算法[2]與積分分離算法，引入模糊控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)KP、KI、KD參數(shù)，可以有效地改進(jìn)單純PID算法無法精確控制傳遞函數(shù)、控制不精確以及有干擾的控制系統(tǒng)；引入PD控制分支可以有效地改善模糊PID控制在誤差e較大時(shí)，由于積分項(xiàng)的作用容易產(chǎn)生過大超調(diào)的缺點(diǎn)。

本控制器通過溫度采集電路供回水溫度、室內(nèi)實(shí)際溫度、設(shè)定溫度等信息，通過組合模糊PID算法計(jì)算，輸出頻率值，并通過RS232通信接口送到各個(gè)變頻器；同時(shí)主控器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過RS485總線送到后臺(tái)控制中心，后臺(tái)控制中心可以根據(jù)需求控制和改變機(jī)組的運(yùn)行頻率、供回水溫度等參數(shù)[3]；主控芯片通過顯示電路實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度等。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件部分包括主控電路、電源電路、溫度采集電路和通信電路等。

2.1 主控電路

為了降低開發(fā)成本、提高穩(wěn)定性及便于硬件升級(jí)，地源熱泵空調(diào)控制器采用自行研發(fā)設(shè)計(jì)的微型系統(tǒng)。為滿足系統(tǒng)的處理速度、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)及控制接口數(shù)量等方面的需求，本系統(tǒng)選用TI公司的TMS320LF2407芯片作為主控芯片。TMS320LF2407芯片提供的兩個(gè)事件管理器中有12路PWM波形輸出管腳，方便地進(jìn)行PWM控制設(shè)計(jì)[4]；16 bit地址線和數(shù)據(jù)線可以外部擴(kuò)展Flash，方便程序在線調(diào)試及必要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

2.2 電源電路

主控制器單板需要5 V和3.3 V供電，因此，單板電源電路采用變壓器實(shí)現(xiàn)220 V轉(zhuǎn)7.5 V交流，進(jìn)而采用78L05模塊實(shí)現(xiàn)7.5 V轉(zhuǎn)5 V、采用SPX1585AT模塊實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換。

由于電磁感應(yīng)，電路上、下電時(shí)存在沖擊電流，沖擊電流易損壞板上芯片，因此設(shè)計(jì)時(shí)加入了緩啟動(dòng)電路。緩啟動(dòng)電路通過調(diào)節(jié)RC參數(shù)，改變RC充放電時(shí)間，控制MOS管柵極電壓上下電時(shí)間，以抑制沖擊電流；MOS管柵極串聯(lián)10 Ω電阻來消除MOS管柵極端易產(chǎn)生的震蕩問題。

為了防止上電先后順序的差異和供電電壓不穩(wěn)定損壞主控芯片、提高控制電路的可靠性，單板采用電源邏輯芯片ADM1060來控制和監(jiān)測(cè)主控芯片內(nèi)核電壓和外圍設(shè)備電壓的上電時(shí)序和工作狀態(tài)[5]。

電源電路模塊中的緩啟動(dòng)模塊、上電時(shí)序控制模塊設(shè)計(jì)分別如圖2、圖3所示。

2.3 溫度采集電路

鑒于室內(nèi)與室外溫度采集方式的差異性，溫度采集電路分為室內(nèi)部分與室外部分。室內(nèi)部分主要采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成溫度采集電路，單總線結(jié)構(gòu)只需主控芯片的一個(gè)I/O口讀取溫度信號(hào)；室外部分采用熱電阻Cu50，信號(hào)經(jīng)處理電路送至主控芯片的ADC接口，采集室外部分溫度信號(hào)。

2.4 通信電路

2.4.1 RS485通信電路

RS485通信電路主要負(fù)責(zé)與后臺(tái)控制中心的通信，接收后臺(tái)控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控芯片的SCI接口；上報(bào)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)況、各參數(shù)發(fā)出到后臺(tái)控制中心等功能。

本系統(tǒng)的接口芯片采用MAXIM公司的MAX3491CSD模塊，通過SCI接口(最大速率可達(dá)10 Mb/s)與主控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。RS485通信電路采用差分線傳輸信號(hào)，可以有效地抵抗共模干擾，同時(shí)為了防止過大的共模干擾，電路設(shè)計(jì)時(shí)采取了必要的上下拉設(shè)計(jì)。

2.4.2 RS232通信電路

由于TMS320LF2407芯片沒有多余的UART接口，所以采用SPI接口轉(zhuǎn)UART接口方案。接口采用Philips公司的SC16C554B芯片，擴(kuò)展4路UART，連接RS232通信模塊，RS232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片。主控制器通過SPI接口向SC16C554B發(fā)送控制命令和文本，SC16C554B將接收到的文本合并再分組發(fā)送到各個(gè)UART接口，輸出的信號(hào)經(jīng)MAX232模塊轉(zhuǎn)換成RS232電平信號(hào)送往變頻器。

3 軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序容量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使整個(gè)系統(tǒng)軟件層次分明，邏輯清楚，便于軟件的調(diào)試和修改，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、組合模糊PID控制程序、RS485通信程序、RS232通信程序、顯示程序和鍵盤程序等。

3.1 主程序

主程序是系統(tǒng)軟件的指揮中心，能夠?qū)⑵渌K有機(jī)地結(jié)合在一起，完成系統(tǒng)初始化、導(dǎo)入實(shí)時(shí)溫度、機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制量輸出及將實(shí)時(shí)參數(shù)傳輸?shù)斤@示屏等功能[1，6]。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 組合模糊PID算法控制程序

組合模糊PID算法融合模糊控制算法與積分分離算法的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了單一PID算法與模糊PID算法存在的控制不精確、易產(chǎn)生過大超調(diào)等問題，使控制量在穩(wěn)定的范圍內(nèi)快速地收斂，滿足了機(jī)組實(shí)時(shí)變頻與穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

算法公式如下：

其中，ε為預(yù)定門限值，在設(shè)計(jì)中取其值為5；Kp、Ki、Kd為初始值與模糊算法輸出值ΔKp、ΔKi、ΔKd相加后的實(shí)時(shí)控制參數(shù)；u為輸出的實(shí)時(shí)頻率。算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 運(yùn)算流程圖

3.3 溫度采集程序

控制器監(jiān)測(cè)的各數(shù)據(jù)信號(hào)是4路供回水溫度信號(hào)。模擬量主要涉及到A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字量主要涉及到單總線數(shù)據(jù)讀取，因此該模塊包括溫度數(shù)據(jù)輸入模塊和數(shù)字量輸入模塊。

模擬量實(shí)現(xiàn)途徑為：由熱敏電阻輸出的電信號(hào)經(jīng)由變送電路轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，通過放大電路進(jìn)行放大得到一個(gè)0 V～3.3 V的模擬信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成10 bit十六進(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸入DSP，其中A/D轉(zhuǎn)換器采用掃描方式進(jìn)行采樣。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求確定采樣周期T為0.5 s。同時(shí)由于受外界環(huán)境干擾較大，為了減少對(duì)采樣值的干擾，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前先對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，在本系統(tǒng)中采用了去極值平均濾波法。數(shù)字量實(shí)現(xiàn)途徑為：通過編寫單總線驅(qū)動(dòng)程序，由主控芯片I/O口讀取數(shù)字溫度傳感器DS18B20內(nèi)的數(shù)字溫度量。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試內(nèi)容主要包括控制器電源電路的信號(hào)完整性與軟件算法的仿真。

4.1 電源電路信號(hào)完整性測(cè)試

電源電路信號(hào)完整性是控制電路主要性能參數(shù)測(cè)試的主要部分，需要測(cè)試主要芯片供電電壓的紋波是否滿足要求。圖6為TMS320LF2407芯片在3.3 V處20 MHz帶寬下的紋波波形，紋波pk-pk值只有15.6 mV，完全滿足要求。圖7為TMS320LF2407芯片在3.3 V處全帶寬下的紋波波形，紋波pk-pk值只有22.6 mV，非常理想。

圖6 TMS320LF2407端3.3 V紋波20 MHz帶寬測(cè)試結(jié)果

圖7 TMS320LF2407端3.3 V紋波全帶寬測(cè)試結(jié)果

4.2 算法仿真結(jié)果分析

算法仿真結(jié)果表明，通過組合后的模糊PID算法，控制器反應(yīng)快速、超調(diào)小、輸出值穩(wěn)定，有效地滿足了系統(tǒng)對(duì)于輸出頻率的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。算法仿真結(jié)果如圖8所示。

本系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后運(yùn)行可靠、控制頻率可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。硬件電路信號(hào)完整性測(cè)試與算法軟件仿真結(jié)果表明，該控制器可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變頻性能，變頻策略合理、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。對(duì)地源熱泵空調(diào)控制器設(shè)計(jì)具有參考意義和應(yīng)用價(jià)值。

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