SPMC75F2413A單片機(jī)在DC變頻空調(diào)中的應(yīng)用

本文主要介紹利用SPMC75F2413A單片機(jī)構(gòu)成DC變頻空調(diào)控制方案。DC變頻空調(diào)控制器工作機(jī)理，重點(diǎn)介紹SPMC75F2413A 在DC變頻空調(diào)器中的使用方法。
關(guān)鍵詞：SPMC75F2413A、PS21865A、模糊控制、凌陽單片機(jī)

1 引言
    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(huì)的各種場(chǎng)合，直流變頻空調(diào)器因具有節(jié)能、低噪、恒溫控制、全天候運(yùn)轉(zhuǎn)、啟動(dòng)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，直流變頻技術(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)展為直流變頻控制的推廣提供了技術(shù)保障。
    本設(shè)計(jì)方案的DC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(jì)室外機(jī)DC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(shí)間內(nèi)根據(jù)不同廠家的要求進(jìn)行產(chǎn)品的升級(jí)換代。以這種方式，產(chǎn)品可以更快地推向市場(chǎng)，獲得時(shí)間上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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、基于反電勢(shì)位置偵測(cè)的BLDC驅(qū)動(dòng)技術(shù);
3、模塊控制保護(hù)電路：當(dāng)模塊有保護(hù)信號(hào)輸出時(shí)，通過硬件電路斷開PWM 模塊輸出控制信號(hào)，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(hào)；
4、EMC 及可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)：在掌握空調(diào)的干擾機(jī)理的前提下，硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：電源電路設(shè)計(jì)、濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)、印制板地線及信號(hào)線設(shè)計(jì)，并且軟件采用容錯(cuò)技術(shù)。

2 芯片特性簡(jiǎn)介
    本系統(tǒng)是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實(shí)現(xiàn)DC變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。
    SPMC75F2413A 是μ’nSP?系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽科技新推出的一個(gè)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(dòng)領(lǐng)域。由于其擁有出色性能定時(shí)器PWM信號(hào)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(dòng)方案。
    SPMC75F2413A在4.5V～5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為12～24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個(gè)可編程的多功能I/O端口；5個(gè)通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且每個(gè)定時(shí)器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個(gè)專用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門狗；低電壓復(fù)位/監(jiān)測(cè)功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。SPMC75F2413A在電機(jī)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(chǔ)器：
   32KW (32K×16) Flash
   2KW (2K×16) SRAM
◆ 基于時(shí)鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
◆ 看門狗定時(shí)器
◆ 10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
   8通道輸入
   10us (100kHz)轉(zhuǎn)換時(shí)間
◆ 串行通訊接口
   通用異步串行通訊接口(UART)
   標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(SPI)
◆ 總計(jì)64個(gè)通用輸入輸出管腳
◆ 電源管理
   2種低功耗模式：Wait/Standby
   每個(gè)外設(shè)都可以獨(dú)立的供電
◆ 兩個(gè)比較匹配定時(shí)器
◆ 5個(gè)16位通用定時(shí)器
   2個(gè)用于脈寬調(diào)制
   2個(gè)用于速度捕獲
   1個(gè)用于速度反饋環(huán)。
◆ 中心(center)或邊沿(edge)脈寬調(diào)制輸出
◆ 通過外部錯(cuò)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(cuò)誤中斷發(fā)生
◆ 具備驅(qū)動(dòng)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DC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DC壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)部分。在本系統(tǒng)方案中室內(nèi)機(jī)選用的是SPMC701FM0A實(shí)現(xiàn)的，SPMC75F2413A主要是應(yīng)用在BLDC變頻驅(qū)動(dòng)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。

圖 3-1  DC變頻空調(diào)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的基本工作過程：
    室外機(jī)的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時(shí)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(shí)還會(huì)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)。室內(nèi)機(jī)則根據(jù)室外機(jī)返回的參數(shù)和室內(nèi)機(jī)本身的一些工作狀態(tài)和溫度信息對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)由室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)和室外機(jī)系統(tǒng)兩部分組成。下面主要介紹室外內(nèi)系統(tǒng)。
4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    室外機(jī)系統(tǒng)主要由IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊、反電勢(shì)位置偵測(cè)電路、開關(guān)電源、室外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、由SPMC75F2413A構(gòu)成的MCU子系統(tǒng)和Power Line通信電路等模塊構(gòu)成。室外機(jī)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖 4-1所示。

圖 4-1  室外機(jī)系統(tǒng)框圖

4.2 MCU控制電路
    圖4-2 為MCU 控制電路，此部分的電路主要是以SPMC75F2413A 微控制器為主，CON5 連接在線調(diào)試、仿真器ICE。MCU控制電路是整個(gè)室外機(jī)系統(tǒng)的控制核心，室外機(jī)的所有外設(shè)均在其協(xié)調(diào)控制下工作。

圖4-2 MCU 控制電路

4.3 電源電路
    圖4-3為EMI電源濾波電路與軟啟動(dòng)電路，AC 電源輸入接頭為CON1、CON3和CON5，電壓為220VAC，電源輸入端通過突波吸收器ZNR3 以避免過大的電壓突波損壞器件，L1、C2、C1、C5和C3組成EMI濾波電路，濾除電路中的電磁干擾；RL1、RT2和D1構(gòu)成軟起動(dòng)電路，防止電路上電時(shí)的大電流沖擊。

圖4-3 EMI 電源濾波器 [!--empirenews.page--]

    圖4-4為DC/DC電源供應(yīng)電路，電路是由TOP234和其相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。電路的輸出P+18V與+12V電源供系統(tǒng)使用。P+18V電源輸出后分別透過IC21 與IC22 產(chǎn)生P+15V 與P+5V，以供給IPM 功率模塊的工作電壓。而+12V 經(jīng)線性穩(wěn)壓器IC20 產(chǎn)生+5V 電源供給SPMC75F2413A 等數(shù)字電路。

圖4-4 DC/DC電源供應(yīng)電路

4.4 室外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    室外風(fēng)機(jī)使用有霍爾傳感器的BLDC，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4-5所示。電路使用SMA5118和功率驅(qū)動(dòng)光藕TLP251實(shí)現(xiàn)。SPMC75F2413A輸出PWM信號(hào)經(jīng)TLP251光電隔離后送入SMA5118功率驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行功率合成后輸出，從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)可靠的工作。

圖 4-5 室外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4.5 壓縮機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路
    壓縮機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路如圖4-6所示。電路主要由IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊（PS21865A）電路和PWM信號(hào)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。SPMC75F2413A輸出PWM信號(hào)經(jīng)光電隔離后送入IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行功率合成后輸出，從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。

圖4-6 IPM 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路

4.6 反電勢(shì)位置偵測(cè)電路
    反電勢(shì)位置偵測(cè)電路如圖4-7所示，電路主要是利用BLDC電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在定子線圈上產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的反電勢(shì)的特性。電路由電壓比較器和相應(yīng)的阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，完成無傳感BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置偵測(cè)功能。

圖 4-7 反電勢(shì)位置偵測(cè)電路 [!--empirenews.page--]

4.7 Power Line通信電路
    Power Line通信電路如圖 4-8和圖 4-9所示。它實(shí)質(zhì)上是一種半雙工的電流環(huán)通信電路，它主要是利用一條電源線和一條專用的通信線，使室內(nèi)外構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)，電流環(huán)由室內(nèi)機(jī)供電。這個(gè)電路利用芯片內(nèi)部的UART通信模塊，為室內(nèi)外機(jī)提供一條可靠的通信回路。

圖 4-8 Power Line通信電路室內(nèi)機(jī)部分

圖 4-9 Power Line通信電路室外機(jī)部分

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)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(dòng)控制部分；
3. 室外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制；
4. 四通閥驅(qū)動(dòng)控制。
    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(duì)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(dòng)控制部分分為BLDC核心驅(qū)動(dòng)、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BLDC核心驅(qū)動(dòng)部分。
    SPMC75F2413A 是屬于馬達(dá)專用IC，內(nèi)部一共有兩套完全相同的變頻電機(jī)驅(qū)硬件?？梢酝瑫r(shí)驅(qū)動(dòng)兩路BLDC電機(jī)。這為DC變頻空調(diào)的實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。因此壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)的軟件部分變得比較簡(jiǎn)單，只需要利用反電勢(shì)位置偵測(cè)電路（如圖4-7所示）為驅(qū)動(dòng)電路提供的轉(zhuǎn)子位置信息便可方便的驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。同時(shí)，SPMC75F2413A內(nèi)部還集成了專用的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，對(duì)壓縮機(jī)和其驅(qū)動(dòng)電路提供了完善的保護(hù)功能。
    DC變頻空調(diào)的室外風(fēng)機(jī)同壓縮機(jī)一樣使用BLDC電機(jī)。因此其驅(qū)動(dòng)軟件和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用相同的結(jié)構(gòu)。

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(shí)性、程序可讀性強(qiáng)的代碼，這時(shí)就需要采用混合編程。而凌陽的u’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(gè)定時(shí)器和約17個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，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。