基于西門子專用單片機(jī)C504的變頻空調(diào)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹空調(diào)變頻器的SPWM原理，并以西門子專用單片機(jī)C504構(gòu)成的電控系統(tǒng)為例，說(shuō)明變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法及關(guān)鍵技術(shù)。

Abstract: This paper introduces the principle of air- conditioner transducer′ s SPWM and explains its electronic- controlled system′ s basic structure, implementing method and pivotal technique by a electronic- controlled system being made of single- chip C504, produced by SIEMENS .

關(guān)鍵詞：專用單片機(jī)SPWM變頻

Keywords: Special single- chip， SPWM， Frequency conversion

1引言

空調(diào)系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中。隨著能源的日趨減少，大氣污染愈加嚴(yán)重，節(jié)能已是1個(gè)不容忽視的問(wèn)題。眾所周知，變頻空調(diào)是1種集節(jié)能、舒適、靜噪于一體的新型產(chǎn)品，它剛一問(wèn)世，就顯示出強(qiáng)大的生命力，可以預(yù)料，下世紀(jì)的空調(diào)將會(huì)以更快的步伐實(shí)現(xiàn)變頻化。變頻空調(diào)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1變頻空調(diào)電控系統(tǒng)示意

圖2C504內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中室內(nèi)部分接收遙控器送來(lái)的控制信息，并根據(jù)室內(nèi)空氣溫度、熱交換器溫度以及室外機(jī)送來(lái)的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)模糊推理，向室外機(jī)送出控制信息，包括：變頻壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、四通閥狀態(tài)等。室外機(jī)根據(jù)室內(nèi)機(jī)送來(lái)的控制信息，產(chǎn)生SPWM波形，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在相應(yīng)的頻率上運(yùn)轉(zhuǎn)。在運(yùn)轉(zhuǎn)控制過(guò)程中，隨著室外溫度的不同、壓縮機(jī)排氣溫度的變化以及發(fā)熱器件溫度的變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行頻率，使壓縮機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)室外機(jī)還不斷檢測(cè)電流、電壓的變化，檢測(cè)短路、過(guò)電壓、欠壓等故障的發(fā)生，及時(shí)采取保護(hù)措施，以保障控制系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

研制的新型變頻空調(diào)電控系統(tǒng)中，室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)的各種控制功能都是由SIEMENS公司生產(chǎn)的專用單片機(jī)C504完成的。該類單片機(jī)除了一般單片機(jī)的通用功能外，還有1個(gè)專門用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相交流變頻壓縮機(jī)和無(wú)刷無(wú)傳感器的直流壓縮機(jī)的CCU單元，功能強(qiáng)大，性能好，編程方便。

2C504中CCU工作原理

一般變頻空調(diào)壓縮機(jī)分三相交流變頻和直流變頻兩種。C504單片機(jī)對(duì)這兩種類型的壓縮機(jī)都可以驅(qū)動(dòng)，僅僅是編程方法不同而已。

圖2為C504內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖中可看出C504由CPU,CCU及異步通信等3部分組成，其中CPU部分和8051完全兼容。CCU部分是其最有特色的獨(dú)立單元，它包括有獨(dú)立的定時(shí)器、比較器、分頻器和寄存器等，可脫離CPU獨(dú)立工作，其目的是產(chǎn)生頻率可變的三相正弦交流電。

2.1周期和偏置量的計(jì)算

假設(shè)脈寬調(diào)制頻率為20kHz，即fPWM=20kHz，這就意味著fPWM的比較定時(shí)器1每隔50μs產(chǎn)生一次中斷，在其中斷服務(wù)程序中形成新的脈沖寬度值，存入比較寄存器之中。由于依時(shí)間而變的脈沖序列的脈寬要符合正弦波形的要求，因此實(shí)時(shí)計(jì)算脈寬是不可能的。最通用的方法是在內(nèi)存建立一個(gè)正弦表，在中斷服務(wù)程序執(zhí)行過(guò)程中周期地讀出，送到比較寄存器中，以便形成SPWM波形。在設(shè)計(jì)中，我們把確定PWM周期的比較定時(shí)器1設(shè)置成模式1狀態(tài)，即所

圖3一組PWM波形(帶死區(qū))形成原理

謂雙邊調(diào)制狀態(tài)。這時(shí)定時(shí)器1正向計(jì)數(shù)滿后，立即反向計(jì)數(shù)，下溢出后提出中斷請(qǐng)求。因之置入定時(shí)器1的值N可按下式計(jì)算(假設(shè)fOSC=40MHz，fPWM=20kHz);

N=fOSC/(預(yù)分頻數(shù)×fPWM×2)

=40MHz/(4×20kHz×2)=250

式中預(yù)分頻數(shù)是為滿足不同頻率而設(shè)置的。計(jì)算得到的N值送入周期寄存器，就可以達(dá)到fPWM=20kHz的目的。

死區(qū)時(shí)間計(jì)算的方法如下：由于fOSC/預(yù)分頻數(shù)=0.1μs，假設(shè)需要1μs死區(qū)時(shí)間時(shí)，則需偏移量為：

偏移量=(死區(qū)時(shí)間×fOSC)/預(yù)分頻數(shù)

=(1μs×40MHz)/4=10

2.2正弦波形成原理

CCU的PWM有單邊調(diào)制和雙邊調(diào)制兩種，通過(guò)初始化設(shè)置，可以任意選擇。本文只討論諧波量比較小的雙邊調(diào)制。三相SPWM波形的產(chǎn)生，是由軟件配合CCU內(nèi)部復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)確定的。脈沖寬度取決于SPWM比較寄存器所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值的大小，這6個(gè)寄存器(均為16位)共分3組，分別定義為CCL0,CCH0,CCL1,CCH1,CCL2,CCH2，而且3組相互獨(dú)立。在每個(gè)SPWM周期之前，都由CPU經(jīng)過(guò)正弦表查得，并存入這些寄存器中。若內(nèi)部定時(shí)器1的計(jì)數(shù)值超過(guò)寄存器的值，則對(duì)應(yīng)的輸出端口被觸發(fā)，從而輸出1組極性相反的PWM矩形波(其占空比取決于比較器中的值)，見(jiàn)圖3。每次內(nèi)部定時(shí)器反向計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生下溢中斷請(qǐng)求，開(kāi)始新1個(gè)PWM周期，并在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生相應(yīng)參數(shù)。上下橋臂之間的死區(qū)的大小，由信號(hào)的偏移量決定，該值存于偏置量寄存器中，定義為CT10FX，1個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)波形形成過(guò)程如圖3所示，一旦周期值(輸入到比較定時(shí)器1中)、偏移量、3個(gè)比較器的值已經(jīng)輸入，當(dāng)專門用于對(duì)比較器定時(shí)的內(nèi)部定時(shí)器1被激活后，CCU在沒(méi)有CPU干預(yù)的情況下，獨(dú)立運(yùn)行，產(chǎn)生3組獨(dú)立的PWM脈沖，脈沖寬度值依據(jù)置入比較器的值而定。

圖4正弦波電流的形成
對(duì)于三相變頻壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，必須供給三相正弦波電流。C504的CPU必須向CCU比較寄存器周期地送入三組不同的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來(lái)自內(nèi)部設(shè)置的正弦表。每次送數(shù)的周期就是PWM周期，由定時(shí)器1溢出時(shí)間決定，若干個(gè)不同脈寬的脈沖組成的脈沖鏈就可以形成1個(gè)正弦波周期，如圖4所示。顯然，輸出交流電周期是由PWM周期和脈沖的變化規(guī)律決定的。

3電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的基本硬件結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于空調(diào)電控系統(tǒng)，不論室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)，都必須具備電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功能。特別是新型變頻空調(diào)，為了達(dá)到靜噪效果，室內(nèi)風(fēng)機(jī)往往采用直流無(wú)刷電機(jī)型。因此，室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)仍是不同類型變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。圖5給出了基本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖。

圖5電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖

　　圖5（a）給出了一般三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖，全橋的三組橋臂分別由CCO,COUTO;CC1,COUT1;CC2、COUT2驅(qū)動(dòng)，電流值由傳感器檢測(cè)，送至C504的A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行測(cè)試。圖5（b）,（c）為直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，其中圖5（b）為內(nèi)置傳感器型的，而圖5（c）為無(wú)內(nèi)置傳感器，而采用增量位置解碼方式工作的。

圖6BPK－II型變頻空調(diào)電控系統(tǒng)室外機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

4變頻空調(diào)室外機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

　　圖6所示為我們研究的BPK－II型變頻空調(diào)電控系統(tǒng)室外機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的電原理圖。

　　從圖中，可看出驅(qū)動(dòng)部分共分3大部分：整流部分、逆變部分和控制部分。其中整流部分包括交流濾波、尖峰吸收、電流檢測(cè)、整流、濾波等電路。逆變部分包括IPM模塊（PM20CTM060）、工作電源部分、光電隔離部分、驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠种饕蒀504構(gòu)成。C504根據(jù)室內(nèi)機(jī)送來(lái)的控制信息，以及壓縮機(jī)溫度、室外溫度和熱交換器的溫度，選擇恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行頻率和有關(guān)控制信息，通過(guò)CPU送入CCU相應(yīng)的寄存器和定時(shí)器1，并起動(dòng)定時(shí)器1，使SPWM脈沖串通過(guò)CCO，COUTO；CC1，COUT1；CC2、COUT2輸出，經(jīng)74AC04驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)光耦PS2501，最后送入IPM模塊，產(chǎn)生三相正弦波，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　在驅(qū)動(dòng)部分中，能對(duì)交流電電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行過(guò)、欠壓、過(guò)流保護(hù)，同時(shí)能根據(jù)壓縮機(jī)溫度、熱交換器溫度和室外溫度的變化，調(diào)整運(yùn)行頻率，使壓縮機(jī)脫離危險(xiǎn)運(yùn)行區(qū)，避免故障關(guān)機(jī)的發(fā)生。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，如嚴(yán)重過(guò)流、壓縮機(jī)過(guò)熱（超過(guò)120℃）時(shí)，能迅速關(guān)機(jī)，保護(hù)系統(tǒng)的安全。PM20CTM060是IPM模塊，具有完備的內(nèi)部保護(hù)措施，一旦進(jìn)入故障狀態(tài)，F(xiàn)0輸出低電平，除關(guān)閉外部5V電源外，還通過(guò)C504⑨腳通知CPU進(jìn)入故障狀態(tài)。

5結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)于目前通用型分體變頻空調(diào)控制系統(tǒng)，用C504作為室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)控制芯片，不但可以滿足功能的需要，而且從可靠性上得到了提高。該芯片適應(yīng)溫度范圍廣，其中SAB－C504，TA：0℃～70℃；SAF－C504，TA：－40℃～85℃；SAH－C504，TA：－40℃～110℃；SAK－C504，TA：－40℃～125℃。其工作頻率有12MHz，24MHz和40MHz3種。因此，在IPM模塊斬波頻率和發(fā)熱允許的情況下，可以使fPWM大于10kHz以上，適應(yīng)范圍較寬。如果要開(kāi)發(fā)“一拖多”分體機(jī)，可以使用同類型的C508作為控制芯片。