基于智能功率模組芯片PS21865A和SPMC75F2413A的AC變頻空調(diào)方案實(shí)現(xiàn)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，空調(diào)器已廣泛應(yīng)用于社會的各種場合，變頻空調(diào)器因具有節(jié)能、低噪、恒溫控制、全天候運(yùn)轉(zhuǎn)、啟動低頻補(bǔ)償、快速達(dá)到設(shè)定溫度等性能，使空調(diào)的舒適性大大提高，將越來越受到人們的喜愛。單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻技術(shù)及模糊控制技術(shù)在空調(diào)器嵌入式控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用，半導(dǎo)體功率器件的迅速發(fā)展為變頻控制的推廣提供了技術(shù)保障。
本設(shè)計方案的AC變頻空調(diào)控制器由室內(nèi)機(jī)控制器、室外機(jī)控制器兩部分組成?；赟PMC75F2413A 的優(yōu)越性能，用其設(shè)計室外機(jī)AC變頻控制器，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊化、智能化特點(diǎn)，控制參數(shù)采用開放式結(jié)構(gòu)，便于與各種壓縮機(jī)聯(lián)結(jié)，從而能夠在最短的時間內(nèi)根據(jù)不
同廠家的要求進(jìn)行產(chǎn)品的升級換代。以這種方式，產(chǎn)品可以更快地推向市場，獲得時間上的競爭優(yōu)勢。本控制器含有以下關(guān)鍵技術(shù)：
1、模糊控制技術(shù)：依據(jù)室內(nèi)環(huán)溫、管溫，室外環(huán)溫、管溫、壓縮機(jī)排氣溫度、壓縮機(jī)過載保護(hù)溫度、壓縮機(jī)電流等參數(shù)建立模糊邏輯關(guān)系，控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、室外風(fēng)機(jī)及其它負(fù)載運(yùn)行；
2、高效的三次諧波注入基于DDS的SPWM發(fā)生技術(shù)，充分利用電源電壓、精確的頻率調(diào)整、實(shí)時的電壓補(bǔ)嘗功能，使壓縮機(jī)更有效工作;
3、模塊控制保護(hù)電路：當(dāng)模塊有保護(hù)信號輸出時，通過硬件電路斷開PWM 模塊輸出控制信號，以達(dá)到保護(hù)模塊的效果，并且可靠的給單片機(jī)模塊保護(hù)信號；
4、EMC 及可靠性設(shè)計技術(shù)：在掌握空調(diào)的干擾機(jī)理的前提下，硬件設(shè)計重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：電源電路設(shè)計、濾波電路參數(shù)設(shè)計、印制板地線及信號線設(shè)計，并且軟件采用容錯技術(shù)。 
2　芯片特性簡介
本系統(tǒng)是基于智能功率模組芯片PS21865A和SPMC75F2413A實(shí)現(xiàn)的AC變頻空調(diào)方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。
SPMC75F2413A 是μ’nSP™系列產(chǎn)品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與其它μ’nSP™產(chǎn)品不同的是，SPMC75F2413A主要應(yīng)用在工控或是家電的變頻驅(qū)動領(lǐng)域。由于其擁有出色性能定時器PWM信號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)驅(qū)動方案。
SPMC75F2413A在4.5V~5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0~24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數(shù)器，且每個定時器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復(fù)位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。SPMC75F2413A在變頻控制領(lǐng)域有相當(dāng)優(yōu)秀的表現(xiàn)。
特性包括：
。凌陽16位μ’nSP™處理器(ISA 1.2)
。工作電壓：
　　— 內(nèi)核：4.5V～5.5V
。最高運(yùn)行速度：24MHz
。工作溫度： -40 ℃～85 ℃
。芯片內(nèi)存儲器：
　　—  32KW (32K×16) Flash
　　—  2KW (2K×16) SRAM
。基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
。看門狗定時器
。10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
　　— 8通道輸入
　　— 10us (100kHz)轉(zhuǎn)換時間
。串行通訊接口
　　— 通用異步串行通訊接口(UART)
　　— 標(biāo)準(zhǔn)同步串行口(SPI)
。總計64個通用輸入輸出管腳
。電源管理
　　— 2種低功耗模式：Wait/Standby
　　— 每個外設(shè)都可以獨(dú)立的供電
。兩個比較匹配定時器
。5個16位通用定時器
。2個用于脈寬調(diào)制，2個用于速度捕獲，1個用于速度反饋環(huán)。
。MCP定時器3支持 TIO3A～TIO3F, MCP定時器4支持 TIO4A～TIO4F
。脈寬調(diào)制定時器支持遞增/遞減計數(shù)
。PDC定時器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C輸入捕獲
。TPM定時器2支持捕獲/脈寬調(diào)制
。12個16位脈寬調(diào)制輸出
。2通道的電機(jī)驅(qū)動脈寬調(diào)制輸出(互補(bǔ)的3相6路脈寬調(diào)制輸出)
。TIO3A～TIO3F利用 MCP 定時器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定時器4工作
。中心(center)或邊沿(edge)脈寬調(diào)制輸出
。通過外部錯誤保護(hù)管腳進(jìn)行脈寬調(diào)制輸出保護(hù)
。可編程的死區(qū)控制(Dead time control)
。脈寬調(diào)制服務(wù)和錯誤中斷發(fā)生
。具備驅(qū)動交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(jī)的能力
。內(nèi)嵌在線仿真功能
3　系統(tǒng)總體方案介紹
本AC變頻空調(diào)系統(tǒng)分室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)和室外機(jī)系統(tǒng)兩部分，其中室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)主要是系統(tǒng)一些邏輯狀態(tài)信息的處理，而室外機(jī)系統(tǒng)主要是壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動部分。在本系統(tǒng)方案中室內(nèi)機(jī)選用的是SPCE061A實(shí)現(xiàn)的，SPMC75F2413A主要是應(yīng)用在變頻驅(qū)動部分。因此室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)在此不再詳述。室外機(jī)的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1。

圖-1室外機(jī)系統(tǒng)框圖

這個系統(tǒng)的基本工作流程：
    室外機(jī)的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時接收來自室內(nèi)機(jī)的控制和狀態(tài)信息，從而去控制室外的風(fēng)機(jī)、四通閥和壓縮機(jī)，完成相應(yīng)的控制功能。同時還會將室外機(jī)的一些狀態(tài)和室外的一些溫度信息傳回室內(nèi)機(jī)。以供室內(nèi)機(jī)做控制之用。 
4　系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)電路原理圖如圖 4-1。其中PS21865A三相功率全橋電路模塊，用來實(shí)現(xiàn)PWM信號的功率合成，從而驅(qū)動壓縮機(jī)。ULN2003A是集電極開路輸出的功率反向器，主要用來驅(qū)動系統(tǒng)中的繼電器，從而控制風(fēng)機(jī)和電磁閥。SPMC75F2413A單片機(jī)的主要作用：1. 根據(jù)室內(nèi)機(jī)命令控制整個系統(tǒng)。2. 完成AC變頻壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動信號的產(chǎn)生和控制功能。
圖 4-1中的Power_Line是一種半雙工的電流環(huán)變換電路，它主要是利用電源和一條專用的通信線，使室內(nèi)外構(gòu)成一個電流環(huán)，電流環(huán)由室內(nèi)機(jī)供電。這個電路為室內(nèi)外機(jī)提供一條通信回路。SPMC75F2413A合成的注入三次諧波的SPWM信號經(jīng)IOB0~5輸出，經(jīng)緩沖和光隔后輸入PS21865A，而后輸出控制電機(jī)。SPMC75F2413A的IOB6是錯誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦PS21865A出現(xiàn)工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱），驅(qū)動硬件會立即禁止PS21865A工作，同時申請中斷，請求CPU處理。IOA0~3為模擬輸入口，主要是溫度傳感器接口和直流高壓測量接口。IOC8~10為控制四通閥和外風(fēng)機(jī)的控制。

圖 4-1系統(tǒng)電路原理圖

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個室外機(jī)系統(tǒng)軟件主要包括以下幾部分：1. 同室內(nèi)機(jī)通信、協(xié)調(diào)控制部分。2. 室外機(jī)的壓縮機(jī)驅(qū)動控制部分。
系統(tǒng)同室內(nèi)機(jī)通信、協(xié)調(diào)控制部分主要包括串口中斷服務(wù)和命令解釋執(zhí)行和主循環(huán)控制等幾部分。其中主控制流程如圖 5-1。串口中斷服務(wù)主要是接收來自室內(nèi)機(jī)的數(shù)據(jù)包，并對相應(yīng)的信息進(jìn)行處理，確保傳給控制程序的命令和數(shù)據(jù)的正確性；命令解釋執(zhí)行部分主要是解讀室內(nèi)機(jī)命令，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖 5-1 主流程
 

壓縮機(jī)驅(qū)動控制部分分為SPWM信號合成、電機(jī)加減速控制、電機(jī)的起停服務(wù)等幾部分。其中最核心的是SPWM信號的合成。本系統(tǒng)的波形合成使用DDS（直接數(shù)字頻率合成）的方式進(jìn)行。這部分主要由PWM周期表中斷服務(wù)和相應(yīng)的輔助計算程序組成。其中PWM周期中斷服務(wù)是信號合成的核心部分，整個系統(tǒng)中它占用70%左右的運(yùn)算量。它主要完成驅(qū)動波形的合成和干線電壓的動態(tài)補(bǔ)嘗功能，同時周期中斷為DDS提供時鐘基準(zhǔn)；而加減速控制部分主要跟蹤設(shè)置頻率，從而使當(dāng)前工作頻率以設(shè)定的加速度向目標(biāo)工作頻率逼近；電機(jī)的起停服務(wù)主要是對電機(jī)啟動和停止這兩個特殊過程進(jìn)行特殊處理。
因PWM周期中斷服務(wù)程序執(zhí)行頻率很高（5KHz左右），因此這部分使用匯編編寫，以保證盡量小的CPU資源占用。PWM中斷服務(wù)子程序的流程如圖 5-2。
 

圖 5-2 PWM中斷服務(wù)子程序流程圖

6　結(jié)語
通常，在開發(fā)變頻設(shè)備的過程中，需要編寫實(shí)時性、程序可讀性強(qiáng)的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的m’nSP™ IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進(jìn)行混合編程（在C程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中調(diào)用C程序）。
該系統(tǒng)用了SPMC75F2413A兩個定時器和約17個IO口資源，其實(shí)SPMC75F2413A的資源相當(dāng)豐富。因其有專業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開發(fā)變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當(dāng)出眾的表現(xiàn)。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統(tǒng)在通用變頻、變頻家電等變頻領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。