數(shù)字化模糊控制空調(diào)系統(tǒng)

1、數(shù)字化模糊控制空調(diào)系統(tǒng)        本文介紹了一套性能優(yōu)良，價格低廉的全直流數(shù)字化模糊控制分體空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Infineon的高性能價格比8位單片機(jī)C504/C508的資源，在優(yōu)化電流控制相位角的基礎(chǔ)上，采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)智能控制，大大降低了電機(jī)峰值電流，轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速波動。系統(tǒng)概述永磁直流無刷電機(jī)（BLDC）具有結(jié)構(gòu)簡單，高效，低噪聲，高功率密度，起動扭矩大，壽命長等十分優(yōu)越的特性，在家用電器（空調(diào)，洗衣機(jī)，冰箱等）和IT周邊產(chǎn)品（打印機(jī)，軟驅(qū)，硬盤等）中得到廣泛的應(yīng)用。典型的永磁直流無刷電機(jī)

2、系統(tǒng)如圖1所示。永磁直流無刷電機(jī)性能的發(fā)揮，除了電機(jī)本身設(shè)計合理外，還要靠微控制器在實(shí)際運(yùn)行時根據(jù)轉(zhuǎn)子具體位置輸出相應(yīng)的PWM脈沖。該微控制器應(yīng)是帶多路（6路或以上）PWM輸出的嵌入式單片機(jī)。Infineon的8位單片機(jī)C504/C508正是如此。它們以8031核為基礎(chǔ)，并遵循80C32工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，除了增加A/D轉(zhuǎn)換等外圍接口電路外，還增加了非常適合交流電機(jī)/無刷直流電機(jī)控制的全數(shù)字化PWM輸出電路：捕捉/比較單元（CCU，如圖2所示）。CCU具有7路輸出，其中CC0CC2和Cout0Cout2分別為上三路和下三路基波信號，它們的相序由三個中斷輸入信號INT0INT2編碼控制。電機(jī)各相間換流既可

3、由單片機(jī)內(nèi)部的專用硬件（塊交換邏輯）控制，也可通過軟件編程控制。Cout3是分辨率高達(dá)50ns的高頻PWM信號，既可以單獨(dú)輸出，也可疊加在輸出Cout0Cout2的有效電平上（突發(fā)模式），從而省掉相應(yīng)外部電路。CTRAP為緊急中斷輸入，如果此腳為低，前述六路基波信號立即處于事先定義的狀態(tài)。Cout3的PWM信號既可以是單邊（鋸齒波）調(diào)制，也可以是雙邊（三角波）調(diào)制。在雙邊調(diào)制時，CCx和Coutx為互補(bǔ)信號，其死區(qū)時間可通過Offset Register的值加以控制。C504/C508還具有16K/32K（可編程一次）的OTP存儲器和512/1280的內(nèi)部RAM，帶給用戶極大的靈活性。本文所介

4、紹的空調(diào)系統(tǒng)分室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)兩大部分，其系統(tǒng)框圖如圖3(a)和(b)所示。在室外機(jī)系統(tǒng)中，C508是核心，要控制壓縮機(jī)（永磁直流無刷電機(jī)，無傳感器控制），室外風(fēng)機(jī)（永磁直流無刷電機(jī)，帶霍爾傳感器），電子膨脹閥（步進(jìn)電機(jī)），四通閥（冷/熱控制）等。另外C508還有四路溫度輸入，交流電壓/電流輸入等。其中壓縮機(jī)電機(jī)由C508的CCU控制，特別設(shè)計的反電勢提取電路負(fù)責(zé)提供電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號給C508的塊交換邏輯，整個過程由硬件自動完成，大大減輕系統(tǒng)軟件負(fù)擔(dān)。室外風(fēng)機(jī)的控制則由軟件編程通過C508的普通I/O口實(shí)現(xiàn)，霍爾元件提供的轉(zhuǎn)子位置信號通過中斷INT7INT9輸入，而所需的高頻PWM信號（10KH

5、z）則來自C508定時器2（T2）的第三路輸出T2CC3。開關(guān)電源開關(guān)電源控制電路，而且還集成了Infineon的高性能MOS管COOLMOS TM。COOLSET TM系列功率可達(dá)40W（不用散熱器），如圖4所示。整個電路簡單易用，幾乎不用任何調(diào)整，大大減少電路開發(fā)，調(diào)試時間，同時還能節(jié)省寶貴的印制板空間。    室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)與室外機(jī)系統(tǒng)大致相似。其核心是C504。室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)有一個室內(nèi)風(fēng)機(jī)（永磁直流無刷電機(jī)），兩個步進(jìn)電機(jī)（用于二維送風(fēng)）等需要控制。C504的CCU負(fù)責(zé)室內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制，與室外系統(tǒng)的壓縮機(jī)電機(jī)相似，它是由C504的專門硬件（塊交換邏輯），通過反電

6、勢提取電路實(shí)現(xiàn)無傳感器控制，程序只要設(shè)定幾個寄存器即可，負(fù)擔(dān)不大。兩個步進(jìn)電機(jī)的控制則由程序通過C504的普通I/O口實(shí)現(xiàn)微步運(yùn)轉(zhuǎn)。C504另一個重要任務(wù)是接收遙控器命令，檢測室內(nèi)溫度，通過串行通信發(fā)送相應(yīng)運(yùn)行指令至室外機(jī)。模糊智能控制與普通空調(diào)的運(yùn)行方式不同，變頻空調(diào)的壓縮機(jī)需要連續(xù)運(yùn)行。其速度調(diào)節(jié)變得更加重要，要確保室內(nèi)溫度波動限制在較小范圍內(nèi)。事實(shí)上永磁直流無刷電機(jī)是一個多變量，非線性，強(qiáng)耦合的對象，需要智能控制才能取得比較滿意的效果?？紤]到8位單片機(jī)的資源有限，本系統(tǒng)采用模糊控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。因?yàn)镃504/C508的CCU單元的通道0在塊交換模式下降了參與電機(jī)換相外，還可用來完

7、成捕獲動作，故這個通道可以同時用于電機(jī)速度檢測。系統(tǒng)所用的模糊控制規(guī)則如下式：U=E+（1-）E    式中，E為位速度誤差，Ec為速度誤差變化率，為加權(quán)系數(shù)，在0和1之間取值，U為控制器輸出。通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)，本系統(tǒng)可以對控制規(guī)則進(jìn)行在線修正。例如，在誤差較大時，應(yīng)選用較大的值，以利于盡快消除誤差；在誤差較小時，則應(yīng)較小，以利于系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在允許誤差范圍之內(nèi)。一般可按黃金分割法選取的初值。實(shí)際運(yùn)行表明，這種帶修正因子的模糊控制規(guī)則具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)整時間較短等特點(diǎn)，比較適合變頻空調(diào)的壓縮機(jī)速度控制。功率變換電路眾所周知，功率變換電路及其驅(qū)動和保護(hù)是直

8、流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最核心的部分。功率變換電路主要是整流橋和逆變橋。目前在國內(nèi)變頻空調(diào)產(chǎn)品中這部分電路的角色主要是由智能功率模塊（IPM）來充當(dāng)。所謂IPM，就是將功率變換電路，驅(qū)動，保護(hù)，檢測，輔助電源都集成在一個模塊內(nèi)。在實(shí)際使用中經(jīng)常會遇到一些問題。首先，強(qiáng)弱電在一起，干擾問題很頭痛；其次，功率變換電路的發(fā)熱會引起對高溫敏感的弱電部分參數(shù)變化，工作點(diǎn)不穩(wěn)；再次，靈活性差，用戶調(diào)整困難，往往造成誤保護(hù)，甚至頻敏動作，影響整機(jī)穩(wěn)定性和可靠性。 最后，IPM模塊內(nèi)部任一成分損壞，整個模塊必須更換，無形中增加了成本，影響整機(jī)的競爭力。    由于這些問題的存在，在本系統(tǒng)中我們采用Infineon/Eupec的最新集成功率模塊EasyPIM作系統(tǒng)的功率變換電路。驅(qū)動和保護(hù)電路采用外接方式，可采用分立電路也可采用專用集成芯片。EasyPIM內(nèi)部集成了一個整流橋，一個逆變橋一個NTC溫度傳感器（如圖5(b)所示），外形精巧，（如圖5(a)所示），有些型號還有泵升（braking）電路。由于構(gòu)成逆變橋的IGBT采用Infineon的NPT技術(shù)生產(chǎn)，幾乎沒有拖尾電流，又有很強(qiáng)的抗電流