王文東，李世武

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710072)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，空調(diào)在我國的普及率正在迅速提高，其用電量在以驚人的速度增長，空調(diào)用電直接影響國家能源安全戰(zhàn)略和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)能耗占全國總能耗的比例達(dá)15%，成為我國能源及電力供需矛盾的主要原因之一，許多大中城市甚至出現(xiàn)“拉閘限電”的局面?？照{(diào)器作為一種耗電多的機(jī)器，節(jié)能意義非常重大，對空調(diào)的要求已經(jīng)不能局限于冷熱舒適，研制高效、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)器已成為當(dāng)務(wù)之急，各國政府都在制訂提高空調(diào)能耗限制標(biāo)準(zhǔn)。

永磁同步電動機(jī)以其效率高、調(diào)速性能好、可靠性高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱等家電產(chǎn)品。在空調(diào)行業(yè)中，將壓縮機(jī)電動機(jī)由異步電機(jī)結(jié)構(gòu)改為永磁同步電動機(jī)，并采用先進(jìn)的變頻技術(shù)，大大提高了空調(diào)的節(jié)能性能，數(shù)字式直流變頻空調(diào)已經(jīng)成為空調(diào)器未來幾年內(nèi)的發(fā)展方向，因此開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)對我國空調(diào)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 室外機(jī)硬件電路設(shè)計

1.1 室外機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計方案

室外機(jī)電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對直流變頻壓縮機(jī)的調(diào)速控制，同時還要完成一系列外圍電氣控制，如與室內(nèi)機(jī)通訊、溫度檢測、風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥的控制。根據(jù)變頻空調(diào)室外機(jī)的實際需求，設(shè)計了如圖1所示的控制系統(tǒng)。

圖1 電控系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由以下幾部分組成:濾波器、功率驅(qū)動電路、通訊電路、傳感器、壓縮機(jī)、除霜電磁閥、風(fēng)扇電機(jī)的控制以及數(shù)字量輸入電路。電控系統(tǒng)的控制單元采用微芯公司的dsPIC30F6010A。

1.2 CPU 系統(tǒng)選型

由圖1可看出，中央控制單元是整個系統(tǒng)的核心。因此，所選用的微控制器類型決定了控制算法的運算執(zhí)行效果。系統(tǒng)的控制性能取決于微控制器運算速度。美國微芯公司(Microchip)推出的dsPIC30F6010A屬集成了各種專為電機(jī)控制而設(shè)計的外設(shè)，有以下特點:

該芯片集成了運算單元，支持多種尋址方式。DSP指令可以無縫地與所有其它指令一起操作，其設(shè)計可實現(xiàn)最佳性能。

采用了RISC CPU內(nèi)核;優(yōu)化了C語言編譯。指令集采用了增強(qiáng)型指令集方式，包含對DSP的有力支持。此外，dsPIC30F6010A允許多種外設(shè)和內(nèi)部中斷。

內(nèi)部集成了大容量存儲器，包含144 kB的ROM/FLASH，8 kB的SRAM和4 kB的數(shù)據(jù)EEPROM。

16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，并帶有4通道的采樣/保持單元。

集成了電機(jī)控制PWM模塊，具有4對PWM輸出引腳，可分別設(shè)置多種工作模式;集成了光電編碼器接口，方便了電機(jī)控制應(yīng)用。

1.3 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計

由電源時鐘電路、復(fù)位電路以及在線調(diào)試接口即可構(gòu)成CPU最小系統(tǒng)。CPU電源采用DC/DC模塊，輸入24 V產(chǎn)生5 V給CPU。

1.3.1 晶體振蕩電路

圖2是晶體振蕩電路，分別接dsPIC30F6010A提供的兩個時鐘管腳OSC1和OSC2。

圖2 晶體振蕩電路

1.3.2 在線調(diào)試器接口

在線調(diào)試器選擇的是微芯公司的Maplab－ICD2。ICD2可以實現(xiàn)很多基本的硬件調(diào)試。

1.3.3 上電復(fù)位電路

上電復(fù)位電路是任何單片機(jī)系統(tǒng)都必需的。通過復(fù)位可以讓單片機(jī)以一種特定的狀態(tài)開始運行。圖3所示的電路是本電控系統(tǒng)中dsPIC30F6010A芯片設(shè)計上電復(fù)位電路。

圖3 CPU調(diào)試接口及復(fù)位電路

1.4 電源的濾波和整流電路

圖4是室外機(jī)電控系統(tǒng)的電源電路圖，220 V交流電源經(jīng)火線L和零線N接入電路，通過濾波器和整流橋變成直流電，給功率模塊提供足夠的母線電壓。電路通過保險絲與單相交流電連接，當(dāng)電流超過最大工作電流時，保險絲就會發(fā)生熔斷，斷開連接，以保證系統(tǒng)的安全。

圖4 交流電源濾波與整流電路

交流電源在接入整流橋前先經(jīng)過交流濾波器，電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，能夠抑制外部電網(wǎng)干擾對設(shè)備本身運行產(chǎn)生的影響，同時也防止系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的高頻信號進(jìn)入電網(wǎng)造成污染。濾波器由C44、C46、C47和L1構(gòu)成。

1.5 壓縮機(jī)驅(qū)動與功率電路設(shè)計

1.5.1 功率模塊的選用

專用的IPM集功率器件(IGBT)、驅(qū)動電路和保護(hù)功能于一體，較好地解決了寄生電感和電容的影響，內(nèi)部含有門極驅(qū)動控制、故障檢測和多種保護(hù)電路，其核心器件是IGBT。智能功率模塊以開關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無須采取防靜電措施、體積小、可靠性高等優(yōu)點在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用專用的IPM模塊。

控制系統(tǒng)輸入電壓為220 V(AC)，整流以后的直流電壓最大值為311 V，選擇了型號為三菱PM50CLA060的IPM模塊。該產(chǎn)品采用損耗低的第五代平面型IGBT，具有熱阻低、易于散熱、絕緣電壓高、管壓降小(Vce約為1.5 V)等優(yōu)點，主要用于逆變電源，電機(jī)控制等。

1.5.2 IPM 驅(qū)動電路設(shè)計

本系統(tǒng)的PWM驅(qū)動信號工作頻率在10 kHz左右，為了滿足驅(qū)動信號變化迅速的要求，必須選擇高速光電耦合器，本系統(tǒng)選用安捷倫公司的高速光耦HCPL4506，其相應(yīng)電路如圖5所示，其中R9為上拉電阻，R4為保護(hù)光耦輸入端的防靜電電阻。

圖5 IPM光耦驅(qū)動電路

1.5.3 IPM 故障電路設(shè)計

故障輸出則可以采用通用光電耦合器如TLP521以降低成本，故障信號傳輸電路如圖6所示。R26為光偶輸出端的上拉電阻，當(dāng)IPM出現(xiàn)故障保護(hù)時其相應(yīng)的故障信號引腳將輸出低電平，此時在光耦的輸出端將與電源地導(dǎo)通而出現(xiàn)低電平FAULT信號，該信號連接到DSC的PWM故障管理輸入引腳，一旦FAULT為低電平時，DSC關(guān)閉所有PWM輸出。這種方式可將IPM的所有故障信號連到一起，即只要有一個功率單元出現(xiàn)故障，F(xiàn)AULT信號立即有效。

圖6 電流采樣電路

1.6 電機(jī)繞組電流檢測電路設(shè)計

本系統(tǒng)針對變頻壓縮機(jī)所采用的控制算法為基于滑模變結(jié)構(gòu)的空間矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算主要通過繞組電流結(jié)合電機(jī)模型建立觀測器來實現(xiàn)，因此電流檢測是實現(xiàn)壓縮機(jī)無位置矢量控制算法的主要依據(jù)，電流采樣電路如圖7所示。本系統(tǒng)采用的是電流互感器來檢測繞組電流。電流互感器同變壓器的工作原理相似，是根據(jù)電磁感應(yīng)原理而制造的，它不僅可以將繞組上的電流按照一定比例轉(zhuǎn)換成小電流信號，還能起到強(qiáng)弱電隔離的作用。

圖7 電流采樣電路

電流采樣電路如圖7所示，互感器采用TA1420系列立式穿芯小型精密交流電流互感器，其工作頻率為20 Hz～20 kHz，額定輸入電流為20 A，額定輸出電流為5 mA，相移小于12，非線性度小于0.2。由于電流互感器的輸出為電流信號，因此采用運算放大器設(shè)計了電流到電壓的轉(zhuǎn)換電路，圖中V11為運放輸入端的鉗位保護(hù)二極管。為了濾除噪聲信號的干擾，在電流信號后端又設(shè)計了二階有源濾波器以獲得較干凈的信號，濾波器的引入會造成相位延時，因此在設(shè)計時要根據(jù)實際情況確定截止頻率。

壓縮機(jī)在工作時電機(jī)繞組電流為具有正負(fù)周期的正弦波，而DSC的AD采樣電壓范圍為0～5 V，為了能完全采樣到繞組電流，必須在繞組電流為零時，將AD輸入引腳電壓抬升到2.5 V，所以運放U20A的同相輸入端連接到2.5 V的參考電壓。

1.7 直流母線電壓檢測電路設(shè)計

直流母線電壓檢測不僅作為控制策略的依據(jù)之一，同時也對系統(tǒng)欠壓或過壓時起到保護(hù)作用。為了實現(xiàn)強(qiáng)弱電的隔離，該電路由圖8和圖9兩部分組成差分電路和線性光耦隔離電路。在圖8中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為BUSP的一端連接至逆變器正母線，BUSN連接至母線負(fù)端。由R115、R49和R48構(gòu)成分壓電阻，電阻R48上的壓差經(jīng)過差分運算放大器后U36輸出至圖9的線性光耦隔離電路。

圖8 母線電壓采樣前端電路

圖9 母線電壓采樣隔離放大電路

線性光耦隔離電路主要由運算放大器U36和光耦U38、U39組成，將兩個光耦的輸入二極管串聯(lián)以確保輸入電流相同，同時將U39的輸出端連接到放大器的反相端形成負(fù)反饋，而光耦U38的輸出端通過電阻R122接到電源地，由于兩個光耦串聯(lián)，所以流過發(fā)光二極管的電流相等，輸出電流也相等，此時有U2/R120=VBUS_AN/R122，而運算放大器在深度負(fù)反饋時“虛短”，因此有U2=U3，即為圖9的輸出。母線電壓檢測的輸出接到DSC的模擬采樣引腳，由DSC軟件采樣判斷，當(dāng)高于某電壓值或低于某電壓值時停機(jī)報警。

1.8 通訊電路設(shè)計

由于DSC的UART通訊模塊屬于弱電系統(tǒng)，而室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)通訊距離長，容易受到干擾，因此，為了提高通訊的可靠性，本系統(tǒng)采用了共零線電流環(huán)的通訊電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性能強(qiáng)的特點。

室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)電控系統(tǒng)通訊電路同時工作才能實現(xiàn)通訊，電路原理分別如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 室外機(jī)電控系統(tǒng)串行通訊電路

圖11 室內(nèi)機(jī)電控系統(tǒng)串行通訊電路

圖12 DSC與PC的串口通訊電路

2 室外機(jī)控制軟件

2.1 系統(tǒng)程序主循環(huán)設(shè)計

由于空調(diào)室外機(jī)電控系統(tǒng)的外設(shè)多，對算法的編寫提出較高的要求，同時為了提高程序的可讀性和可延展性，電控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，將各個子程序模塊設(shè)置為子函數(shù)，在程序的主循環(huán)內(nèi)根據(jù)實際任務(wù)調(diào)用各個功能子模塊。程序的流程如圖13所示。

圖13 主程序模塊流程圖

2.2 壓縮機(jī)保護(hù)軟件設(shè)計

(1)過流保護(hù)。當(dāng)壓縮機(jī)工作之后需要實時監(jiān)視母線電流，以防止過流沖擊而對硬件系統(tǒng)造成損壞，在電流過大時系統(tǒng)將自動降低頻率，若出現(xiàn)過流保護(hù)則立即停止壓縮機(jī)運行。

(2)過溫保護(hù)。壓縮機(jī)在工作之后排氣口溫度會很快上升，因此必須進(jìn)行過溫保護(hù)。當(dāng)排氣溫度在105℃和115℃之間持續(xù)超過5 s以上時，降低壓縮機(jī)的頻率，直到壓縮機(jī)的溫度小于90℃;當(dāng)排氣溫度小于95℃的時間超過10 min，則解除此頻率限制。

(3)起停延時保護(hù)。壓縮機(jī)停機(jī)后，由于制冷劑恢復(fù)正常狀態(tài)需要一段時間，因此需要延時保護(hù)。壓縮機(jī)起動后，至少需要運行5min后才可停機(jī)，除非掉電或者關(guān)機(jī);壓縮機(jī)任何兩次起動之間的間隔不少于3min。

2.3 串行通訊軟件設(shè)計

變頻空調(diào)是由室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)和室外機(jī)系統(tǒng)兩部分組成的，其實現(xiàn)串行通訊的方式是共零線電流環(huán)。室外機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令以及室外機(jī)的溫度狀況及母線電壓等參數(shù)控制壓縮機(jī)運行頻率，并且將室外機(jī)的狀態(tài)傳給室內(nèi)機(jī)。

室內(nèi)外機(jī)的通訊采用波特率為3600 b/s半雙工的串行通訊方式傳送數(shù)據(jù)，因此通訊過程可以參考USB體系，定義室內(nèi)機(jī)為主機(jī)，而室外機(jī)為設(shè)備，通訊的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 通訊數(shù)據(jù)包格式

室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)的通訊過程如圖14所示。

圖14 空調(diào)室內(nèi)機(jī)室外機(jī)通訊流程

3 測試平臺設(shè)計

系統(tǒng)用LabWindows/CVI 7.0開發(fā)的基于串口通訊的實時測控平臺框架，如圖15所示。通過計算機(jī)的串口與下位機(jī)進(jìn)行全雙工通訊，實現(xiàn)各種控制參數(shù)的傳送、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時顯示、各種動態(tài)曲線的繪制以及實驗數(shù)據(jù)后處理。

圖15 上位機(jī)軟件框架

用戶界面如圖16、圖17和圖18所示，分別是端口設(shè)置界面、參數(shù)設(shè)置界面和曲線實時繪制窗口。本系統(tǒng)開發(fā)的上位機(jī)與控制器的通訊速率為115200 b/s，數(shù)據(jù)包的格式同室內(nèi)外機(jī)一樣，主要區(qū)別在于上位機(jī)與控制器能夠進(jìn)行全雙工通訊。根據(jù)調(diào)試需要，在參數(shù)設(shè)置窗口內(nèi)設(shè)計了16個參數(shù)輸入控件，分別對控制器的多個參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整。在曲線實時繪制窗口，為了節(jié)省空間，界面采用標(biāo)簽頁的形式，對控制器實時上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時繪制，包括:指令、反饋、母線電壓、三相電流、Clarke變換后的電流、Park變換后的電流、估算電流、估算電壓、估算的轉(zhuǎn)子位置等。上位機(jī)測控軟件的最大特點在于能夠在電機(jī)運行時，動態(tài)修改參數(shù)并觀察分析波形的變化。

圖16 串口通訊設(shè)置面板

圖17 參數(shù)設(shè)置面板

圖18 實時曲線繪制面板

4 系統(tǒng)試驗及結(jié)果分析

由于壓縮機(jī)無法調(diào)節(jié)負(fù)載，因此在電機(jī)性能測試臺上進(jìn)行電機(jī)對拖實驗。

試驗條件:控制器輸入220 V交流電，起動電機(jī)并切換到自同步運行狀態(tài)，分別在1800r/min、2700 r/min、3600 r/min、4500 r/min 和5400 r/min下逐步加載，待系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，記錄下相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。圖19是在不同轉(zhuǎn)速下的繞組電流波形，可以看出，電流波形較接近正弦波。而圖19(f)為交流電源輸入端的電流波形，由于沒有進(jìn)行功率因數(shù)校正，因此波形畸變率較大，這也是造成功率因數(shù)較低的主要原因。試驗數(shù)據(jù)如表2～表4所示。測試表明，該電控系統(tǒng)具有較高的效率，其電機(jī)效率最高為92%，控制器效率最高為93%。

圖19 不同轉(zhuǎn)速下的繞組電流波形

表2 電機(jī)、控制器性能試驗數(shù)據(jù)

表3 電機(jī)、控制器性能試驗數(shù)據(jù)

表4 電機(jī)、控制器性能試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文以dsPIC30F6010A作為系統(tǒng)的核心芯片，開發(fā)出了空調(diào)的室外機(jī)控制系統(tǒng)。硬件的設(shè)計部分重點在于電流采樣電路、功率模塊的選型及隔離驅(qū)動電路設(shè)計，而軟件部分主要進(jìn)行了壓縮機(jī)保護(hù)設(shè)計。在電機(jī)對拖試驗臺和空調(diào)系統(tǒng)上進(jìn)行了大量的實驗并取得了較好的實驗結(jié)果。結(jié)果表明，本設(shè)計大大提高了空調(diào)電控系統(tǒng)的效率。

［1］柳成文.應(yīng)對電力緊缺的空調(diào)節(jié)能技術(shù)分析［J］.電力學(xué)報，2006，21(2):129 －131.

［2］陳振華.分體式直流變頻空調(diào)室外機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng):運動控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］Tae－ Hyung K，Ehsani M.Sensorless control of the BLDC motors from near－ zero to high speeds［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(6):1635－1645.