变频控制技术在模糊控制空调器中的应用.docx

1、变频控制技术在模糊控制空调器中的应用智能控制研究第14卷第2期郑州轻工业学院学报V ol .14N o .21999年6月JOU RNAL O F ZH EN GZHOU I N ST ITU TE O F L IGH T I NDU STRY Jun .1999变频控制技术在模糊控制空调器中的应用郑安平(郑州轻工业学院控制工程系郑州450002摘要在传统空调器的基础上,研制出了基于变频技术的模糊控制空调器.该控制器选用东芝公司的高性能8位单片机TM P 88CK 48 C M 48和IP M 模块共同构成控制电路,软件设计的核心部分压缩机变频控制模块采用面积等效法生成正弦脉宽调制波,通过模糊

2、逻辑控制使系统具有了自调整的智能特性,压缩机能根据室内对冷(热量需求的不同,连续地、动态地、实时地进行调节,克服了传统空调器在室温波动时压缩机工作状态频繁切换的弊端.关键词变频调速;空气调节器;模糊控制;压缩机;正弦脉宽调制中图分类号T P 271.50引言传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室内温度变化来控制压缩机的运行和停止的,风扇则在设定的速度下工作,这会造成受控环境温度变化较大,使人们在使用空调时仍不断感受到冷热的变化.此外,压缩机的ON O FF 控制方式及空调器自身的结构特点使室内机的输出与压缩机的输出相比有一定的滞后性,而且压缩机处于全开或全关状态,其制冷(热量也对室内温度有

3、较大影响,这些势必影响空调的温度控制精度和舒适性.变频模糊控制空调器将传感器测定的实际环境状态和空调系统状态与人们所期望达到的设定状态进行比较,通过模糊逻辑控制技术使空调器控制系统具有自调整的智能特性,从而得出最佳的动态控制参数,并对空调器的变频电源及各执行单元实施控制,使空调器的工作状态随着人们的要求和环境状态的变化而自动变化,始终保持在较合理的状态下.变频模糊控制空调器对室外机的要求是,压缩机能根据室内需要的冷(热量不同,连续地、动态地、实时地调整其制冷(热量.1空调器室外机控制系统设计要求普通压缩机通常不适于高速运转,而变频空调器要求压缩机能在很大范围内调速,以便宽范围调节压缩机的制冷(

4、热量.因而变频式空调器压缩机应选用具有极高的频率、极低的噪音、频率范围达15H z 150H z 的双转子变频压缩机或涡旋式变频压缩机.变频空调器要求压缩机控制系统在空调器开始运行时,能够缓慢提高压缩机转速,避免大电流对电网的冲击;室温与设置温度相差过大时,压缩机在较高转速下工作,此时制冷量最大;室温与设置温度相差较小时,压缩机在较低的频率下工作,使制冷量减小.空调器对压缩机频本文收到日期:1998212221河南省自然科学基金项目(984061600号率的要求是20H z 120H z .2室外机控制系统硬件设计室外机主要完成以下功能:1综合室内制冷数据,从串行通信口接收数据,对压缩机进行变

5、频调速;2根据室内机传送的数据控制电子膨胀阀;3检测室外环境温度、冷凝器温度、压缩机温度和压缩机工作是否正常,并将数据回送给室内机;4控制室外机双速风扇电机.室外机控制系统主要由主电路、控制电路构成,其电路原理如图1所示.+电子膨胀阀图1控制系统电路原理图N P W V U K A 3K A 2K A 1Vcc 继电器220V 压缩机P M 20CT M 060C 1F 0T LP550MC1413T M P88CK48/C M 48+5VTH 1TH 2TH 3R 1R 2R 316MHz C 3C 2C 4R 4+5V 去室内机REST RXD TXD XOUT X I N A I N 1

6、2A I N 11A I N 10P 36P 35P 34P 33P 32P 31P 30E M G W 1V 1U 1W 1V 1U 12.1主电路方案设计为使用户使用方便,整流部分采用不可控整流电路,整流元件选用二极管,简单可靠.逆变器件选用绝缘晶体IGBT .它是VDM O S 与双极晶体管的组合器件,集M O SFET 与GTR 的优点于一身,既具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好和驱动电路简单的长处,又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点,适合于电机控制.在整流电路和逆变电路中间接有滤波电路和过流保护电路.在电源进线处串接电抗器,减少了室外机上电时对直流侧滤波电容的冲击.逆变电

7、路采用以IGBT 为功率器件的新型智能模块,即IP M 模块.这种功率模块将输出功率元件IGBT 和驱动回路、保护回路集成在一起,具有防止过电流和过热的功率回路保护、负载侧故障保护、误操作保护、短路保护、驱动电压下降保护等功能.2.2控制电路方案设计变频调速的关键是如何产生SP WM 控制信号,以驱动逆变电路的功率开关器件IGBT .硬件组成通常采用微处理器(单片控制机、全数字式P WM 调制器、微处理器和集成电路相结合3种方法.控制电路只有配以适当的软件才能良好地实现对逆变电路的控制,通过对各种方案的分析比较后,笔者确定智能变频空调的控制电路为单片机+IP M 控制电路.单片机为东芝TL C

8、S -870 X 系列高速高性能的8位单片机TM P 88CK 48 C M 48.它是一种非常适合空调器压缩机等电机的控制芯片,内部设有无传感器 带传感器的直流电机控制器,交流电机变频控制器以及10位A D 变换器,高速P WM ,串行接口等.其最小指令时间为0.25s (晶振16M H z .81郑州轻工业学院学报1999年图1中A I N 10A I N 12是10位的A D 转换接口,用于采集室外温度、冷凝器温度和压缩机温度信号.传感元件使用热敏电阻.TXD ,RXD 为标准异步接口,用于与室内机通信.P 36P 34的信号经继电器放大后,控制四通阀和双速风扇电机,P 30P 33则用

9、于步进电机控制电子膨胀阀.P 0口的U 1,V 1,W 1和U1,V 1,W 1为三相驱动脉冲波形输出,输出信号通过光耦TL P 550隔离后进入IP M 模块P M 20CTM 060.IP M 模块有一个故障信号引出端,经光耦隔离后送单片机E M G 紧急停车输入端.此端子为低电平有效,当IP M 发生故障时,E M G 输入电平为低,则单片机的三相脉冲输出端立即禁止输出,并产生相应的中断;即使外部故障信号消失,三相输出脉冲仍被禁止,并由软件来解除.3室外机控制系统软件设计室外机控制系统的软件可分为压缩机变频控制模块、与室内机的通信模块、信号采集控制输出三大模块.其中变频控制模块是室外机控

10、制系统的核心.3.1SP WM 信号的生成方法典型的SP WM 信号的生成方法有自然采样和规则采样两种.其基本原理是:三角波和正弦波的交点时刻可转化为一个采样周期内对输出脉冲宽度时间及间隙时间的计算,由计算机完成,时间的改变则可通过定时器来完成.自然采样P WM 法能真实地反映上述控制思想,但算法是一个超越方程,需用计算机迭代求解,运算时间较长,而单片微机处理速度较慢,无法实现实时控制.若事先计算好大量的P WM 脉冲间隔数据,然后存入EPROM 中,用查表的方法进行简单的运算就可输出相应的脉冲.但这样需存贮的数据量大,不灵活,特别是频率变化范围宽时将占用大量内存,不太现实.考虑到真正的自然采

11、样法难以实现,笔者采用了等面积法.该法具有与自然采样法相同的精度,但计算比较简单.图2面积等效SP WM 法U max t 1+tt 1t t i U S 3.2面积等效生成SP WM 法变频空调器工作频率范围为20H z 120H z ,采用软启动,频率从3H z 开始逐渐上升.从0.25开始逐渐调高调制度M ,频率为120H z 时,M =1.P WM 波产生的原理是,在每小段内P WM 波的幅值同脉宽的乘积与正弦波在这个区间内的面积相等.任何一个开关点的计算都遵循这一原则,如图2所示.在图2中任取正弦波中的一个小区间t ,t +t ,要求产生的P WM 脉冲面积S 2与相应的正弦波面积S

12、 1相等,设脉冲高度为U S ,则正弦波面积为S 1=M U St +t t sin t d t =M U S co s t -co s (t +t 矩形波面积为S 2=i U S ,根据S 1=S 2,可得i =M co s K N -cos (K +1N =M 2f cos K N -co s (K +1N式中U S 为直流电源电压;M =U m ax U S ;U m ax 为正弦波峰值电压;K 为N 次采样中的第K 次采样;N 为半周期内对正弦波的采样次数.因此,逆变功率元件IGBT 的开关时间为91第2期郑安平:变频控制技术在模糊控制空调器中的应用t on =12(t -i t of

13、f =12(t +i 为使IGBT 正常工作,必须保证高低电平时间均大于10s ,三相的SP WM 只需改变计算的起始值,A ,B ,C 三相的相位差各差120.逆变器输出正弦波电压基波幅值U 1m 与脉宽i 成正比,改变i 就可改变正弦波基波幅值.采用分段同步调制方式,不同频率段采用不同的N 值,频率越低,N 值越大.3.3软件编程TM P 88CK 48 C M 48的内置可编程电机驱动(P M D 功能,使得单片机输出根据等面积法生成的P WM 来控制逆变电路更加容易.单片机内置的变频控制也是基于脉宽调制技术通过硬件实现的.三相波输出模块可产生频率相同的3个独立的P WM 波形.通过软件

14、设置P M D 控制寄存器M DCR ,可选择三角波调制模式或锯齿波调制模式.输出的P WM 的频率由P M D 周期寄存器M D PRD 决定.在三角波调制模式下P WM 输出频率为P WM 频率=外部振荡频率f C (4M D PRD 寄存器设置值只要改变M D PRD 寄存器设置值,就能方便地改变调制波的频率.调制波的产生依赖于内部的P M D 计数器,它是16位的加 减计数器.在三角波P WM 调制模式下,波形产生过程如下:当P M D 计数器停止时,P M D 周期寄存器M D PRD 值装载到P M D 计数器和计数比较寄存器中;当由软件修改P M D 控制寄存器M D 2CR ,

15、使三相P WM 输出允许时,P M D 计数器开始起动,进行减1操作;当P M D 计数器值减到0001H ,计数器结束减1计数,然后P M D 计数器开始从0001H 加1计数;当P M D 计数器值与计数比较寄存器值相等时,停止加1计数,同时产生重装载信号,P M D 周期寄存器M D PRD 值重装入P M D 计数器,P M D 计数器开始减1计数,重复上述过程即可产生三角波.在输出P WM 波形时可产生中断,而且P WM 中断频率是可设置的,所以,通过设置P M D 控制寄存器M DCR ,可选择每半个、每1个、每2个或每4个P WM 周期中断一次.如果P WM 中断设置为每半个P

16、WM 周期中断一次,则每半个P WM 周期就会产生一次将P M D 周期寄存器M D PRD 值送入计数比较寄存器和P M D 计数器的重装信号,否则重装信号每P WM 周期产生一次.由于M D PRD 和计数比较寄存器是双缓冲结构,因而P M D 周期寄存器M D PRD 每个P WM 周期内都可进行修改.由此可得出结论:要改变P WM 的调制频率,只要修改P M D 周期寄存器M D PRD 即可.输出P WM 波形有DC 模式和A C 模式两种,在变频调速场合,仅使用A C 模式.选择A C 模式时,通过设置互相独立的三相P M D 比较寄存器C M PU ,C M PV 和C M P

17、W ,可改变输出P WM 的脉冲宽度.C M PU ,C M PV ,C M P W 各相对应一个缓冲区C M PU -BU F ,C M PV -BU F 和C M P W -BU F ,为双缓冲寄存器,其中三个缓冲区中的内容不能读出也不能写入,只在每个P WM 周期中自动地由C M PU ,C M PV 和C M P W 装载到相对应的缓冲区.相对应的缓冲区的值与P M D 计数器值经比较器比较,使输出P WM 波形的频率与P M D 周期寄存器值相对应,其脉冲宽度与C M PU ,C M PV 和C M P W 相对应.因此,若改变P M D 比较寄存器中的值,也就改变了输出P WM 的

18、脉冲宽度.综上所述,室外机控制软件设计如下:1与室内机的通信和数据采集采取周期循环方式;2由于采用分段的同步调制方式,为了提高调制频率,脉冲宽度的计数采取查表与计算机处理相结合的方式,因而在每个分段中设置了余弦表格和与频率相对应的常数表格.设余弦表02郑州轻工业学院学报1999年图3P WM 中断服务程序流程图调用计算脉宽子程序查表指针指向C 相调用计算脉宽子程序查表指针指向B 相中断返回调用计算脉宽子程序查表指针指向A 相计算C M /f 送A,B,C 三相脉冲前沿值给C M PU,C M PV,C M P W 开始格中第n 个数为D n ,则P WM 波形中第n 个脉冲宽度为i =(CM

19、f D x n -D x (n +1其中C 为系数,而与频率相对应的常数表格的表达式为CM f .3由于SP WM 算法采用等面积法,在每个调制波周期中的脉冲是对称的,因此脉冲前沿和后沿的宽度在一个周期内仅计算一次即可,故每一个P WM 周期中断一次.室外机控制软件的主程序流程图略.P WM 中断服务程序流程如图图4脉冲宽度计算子程序流程图返回计算t on 计算i 根据指针取余弦表开始3所示,脉冲宽度计算子程序流程如图4所示.4结论利用高速、高性能的8位单片机和IP M 智能模块,构成了结构简单的空调器变频控制器,同时通过软件实现了对空调器室外机的综合控制.空调器室外机控制板具有尺寸小、可靠性

20、高、价格低等特点,有广泛的推广应用价值,很适合于家用电器应用领域.参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.第2版.北京:机械工业出版社,1992.203212A PPL I CA T I ON O F VA R I ABL E FR EQU EN CY CON TROLT ECHNOLO GY I N FU ZZY CON TROL A I R COND IT I ON ERZ heng A np ing ABSTRACTT he fuzzy control air conditi oner based on variable frequency techno l ogy is devel o

21、pped .T he m icrocomputer TM P 88CK 48 C M 48and IP M constitute the contro l circuit of th is controller the SP WM w ave p roduced th rough the m ethod of equivalent area in s oftw are design ing .T he fuzzy con trol air conditi oner syste m has intellengen t characteristic that comp ress or can adjust the cool 2ing o r heat con tinuously .Keywords variable frequency pow er s ources air conditi oners fuzzy con tro l comp ress o rs sine pulse w idth modulati on12第2期郑安平:变频控制技术在模糊控制空调器中的应用