變頻空調(diào)電氣控制設(shè)計

年4月19日變頻空調(diào)電氣控制設(shè)計文檔僅供參考變頻空調(diào)電氣控制設(shè)計目錄TOC\h\z\t"中文摘要標(biāo)題,1,英文摘要標(biāo)題,1,章標(biāo)題,1,節(jié)標(biāo)題,2,條標(biāo)題,3,結(jié)論標(biāo)題,1,致謝標(biāo)題,1,參考文獻標(biāo)題,1,附錄標(biāo)題,1"27906緒論 4242251.1實訓(xùn)背景來源及其探究意義 4154071.2空調(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況 561.2.1在空調(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況 65134851.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展 7202101.2.3模糊控制技術(shù)的發(fā)展及研究動態(tài) 8232191.3用主要設(shè)計內(nèi)容 95169第2章方案論證 10194992.1空調(diào)器電控系統(tǒng)總設(shè)計方案 10181302.2空調(diào)器壓縮機控制方案 10162012.2.1變頻調(diào)速的基本方式 12276632.2.2寬脈調(diào)控控制策略 13306132.2.3實現(xiàn)手段 14304522.3溫度控制方案選擇 1513952.4本章小結(jié) 163276第3章變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)設(shè)計 1751733.1電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 17173643.2室內(nèi)機組設(shè)計 18186463.2.1紅外遙控器信號的接受 1835513.2.2風(fēng)門步進電機的控制 19213833.2.3室內(nèi)風(fēng)扇電機的調(diào)速控制 19208573.3室外機組設(shè)計 218503.3.1室外風(fēng)扇電機控制電路 21249393.3.2電流檢測電路 22184623.3.3輔助電源設(shè)計 23156773.3.4變頻電路的設(shè)計與控制 24191313.3.5室外機軟件的編制 25285263.4溫度檢測電路 25309343.5變頻電路設(shè)計 27175463.6本章小結(jié) 2832341第4章模糊控制器的設(shè)計 29154054.1模糊控制的基本原理 29151474.2變量模糊化 30261284.3模糊控制規(guī)則的確定 32147094.3.1模糊溫度控制器的反模糊化 3281914.3.2模糊控制器的軟件框圖 33295434.4基于模糊推理的自調(diào)器PID控制器 34103784.5PID控制器參數(shù)自整定原則 34280894.6模糊控制器的仿真 36226094.7本章小結(jié) 3629260結(jié)論 3716002致謝 3821790參考資料 39緒論實訓(xùn)背景來源及其探究意義空調(diào)是空氣調(diào)節(jié)器的簡稱，它的作用是經(jīng)過空調(diào)器對室內(nèi)空氣進行處理，使它的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度達到所需的要求，為人們提供舒適生活條件和為生產(chǎn)工藝提供一定的環(huán)境條件服務(wù)?？照{(diào)器一般有冷風(fēng)型空調(diào)器、電熱冷風(fēng)型空調(diào)器、熱泵型空調(diào)器幾種。冷風(fēng)型空調(diào)器只能用于降溫調(diào)節(jié)；電熱冷風(fēng)型空調(diào)器一般是在原冷風(fēng)型空調(diào)器上進行局部改進，增加電熱部分而成；熱泵型冷熱兩用空調(diào)是當(dāng)前普遍采用的空調(diào)器。制冷循環(huán)中，低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器處吸收熱量而汽化，經(jīng)壓縮機壓縮成為高壓、高溫氣體，在冷凝器內(nèi)散熱冷凝成液態(tài)制冷劑，然后又經(jīng)毛細管(或膨脹閥)降壓節(jié)流成為低壓、低溫狀態(tài)，如此重復(fù)循環(huán)，就可將室內(nèi)的熱量排到室外，并經(jīng)過室內(nèi)的風(fēng)扇將冷卻后的空氣均勻地分布到室內(nèi)。制熱時，制冷劑的循環(huán)與此相反。溫度控制技術(shù)是熱泵型冷熱兩用空調(diào)中最主要的控制技術(shù)，一個完整的溫度控制系統(tǒng)主要包括三部分：溫度傳感器、溫度控制器和溫度調(diào)節(jié)器。傳統(tǒng)空調(diào)器的溫度控制是經(jīng)過溫度傳感器感受室內(nèi)溫度變化來控制壓縮機的運行和停止的，風(fēng)扇則在設(shè)定的速度下工作，這會造成受控環(huán)境溫度變化較大，使人們在使用空調(diào)時仍不斷感受到冷熱的變化。另外，壓縮機的ON/OFF控制方式及空調(diào)器自身的結(jié)構(gòu)特點使室內(nèi)機的輸出與壓縮機的輸出相比有一定的滯后性，而且壓縮機處于全開或全關(guān)狀態(tài)，其制冷(熱)量也對室內(nèi)溫度有較大影響，這些勢必影響空調(diào)的溫度控制精度和舒適性。變頻模糊控制空調(diào)器將傳感器測定的實際環(huán)境狀態(tài)和空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)與人們所期望達到的設(shè)定狀態(tài)進行比較，經(jīng)過模糊邏輯控制技術(shù)使空調(diào)器控制系統(tǒng)具有自調(diào)整的智能特性，從而得出最佳的動態(tài)控制參數(shù)，并對空調(diào)器的變頻電源及各執(zhí)行單元實施控制，使空調(diào)器的工作狀態(tài)隨著人們的要求和環(huán)境狀態(tài)的變化而自動變化，始終保持在較合理的狀態(tài)下變頻模糊控制空調(diào)器對室外機的要求是，壓縮機能根據(jù)室內(nèi)需要的冷(熱)量不同，連續(xù)地、動態(tài)地、實時地調(diào)整其制冷(熱)量。正由于變頻空調(diào)器具有這些優(yōu)點，世界各國廠商都競相開發(fā)研制，但當(dāng)前技術(shù)比較成熟的國外廠商的產(chǎn)品普遍存在價格比較高的問題，而國內(nèi)的變頻空調(diào)技術(shù)尚不夠成熟。由于國外廠商交頻空調(diào)器的技術(shù)封鎖，而近年來工用、商用、民用空調(diào)需求不斷增加，特別是需求成高檔化，因此需要國內(nèi)自行研制性能可靠、運行更加平穩(wěn)、功能更強、節(jié)能顯著、噪音小、污染少的變頻空調(diào)器，并使其能夠進入普通消費者的家庭，這就是本課題的背景。本實訓(xùn)題目自擬。意義在于：1)傳統(tǒng)的空調(diào)器是當(dāng)溫度達到所要求的范圍時就停轉(zhuǎn)，超出范圍時就重新啟動。工作過程中重復(fù)啟停，產(chǎn)生峰值電流，造成污染。采用先進可靠的變頻技術(shù)后，可隨時調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速，避免了頻繁的起停，消除壓縮機啟動時的尖峰電流，減少對電網(wǎng)的污染。(2)傳統(tǒng)的空調(diào)器不論外界溫度如何，始終保持同一轉(zhuǎn)速。而變頻空調(diào)則采用先進的模糊控制技術(shù)，根據(jù)需要改變轉(zhuǎn)速，溫度波動小，感覺舒服，運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，降低噪音。(3)由于近年來能源供應(yīng)形勢相當(dāng)嚴峻，使人們普遍關(guān)注節(jié)約能源，有效利用能源。變頻式空調(diào)真正符合節(jié)能要求，今后必將取代傳統(tǒng)空調(diào)。(4)溫度控制器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，能夠被廣泛用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等各種領(lǐng)域。(5)利用模糊控制技術(shù)解決由于控制對象尺寸變化大、溫度特性差別大出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。(6)經(jīng)過改良控制算法，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性?？照{(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況在空調(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況空調(diào)器的電氣控制技術(shù)是涉及很多學(xué)科在內(nèi)的一項綜合性技術(shù)。從傳統(tǒng)的開關(guān)控制發(fā)展到現(xiàn)在的變頻控制，以及模糊智能技術(shù)的應(yīng)用，空調(diào)器的性能有了很大的提高。從空調(diào)器的電控系統(tǒng)的發(fā)展上看，可分為繼電器一接觸器控制、分立元件的微電子元件控制和專用微電腦芯片控制三個階段。最初，空調(diào)器的控制電路大都采用選擇開關(guān)、繼電器和接觸器組成。風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速由手動的轉(zhuǎn)換開關(guān)直接選擇進行控制，轉(zhuǎn)換開關(guān)接通不同的觸點，風(fēng)機上相應(yīng)的轉(zhuǎn)速繞組就得電；壓縮機也是由一個簡單的轉(zhuǎn)換開關(guān)控制電路控制啟停，只是增加了手動的調(diào)溫開關(guān)和冷熱切換開關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在制冷位置時，由調(diào)溫開關(guān)控制壓縮機的得電與失電，進行制冷；當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在制熱位置時，由調(diào)溫開關(guān)控制電加熱器的得電與失電，進行制熱。因此，這種控制方式功能簡單，而且使用起來不太方便。20世紀90年代初，在繼電器--接觸器控制線路的基礎(chǔ)上利用電子技術(shù)，發(fā)展了采用集成電路和分立元件相結(jié)合的電控線路，這種電控系統(tǒng)中，壓縮機、風(fēng)機等負載仍采用繼電器—接觸器供電方式。而其控制部分則采用集成電路和分立元件相結(jié)合的方式組成控制電路，用弱電控制。增加了電子溫度控制、自動除霜、3分鐘延時、過欠壓保護及制冷系統(tǒng)壓力開關(guān)保護等功能，使空調(diào)器的自動控制功能大大提高，工作更為可靠。而且增強了電氣保護功能，如壓力控制器，當(dāng)排氣壓力過高或吸氣壓力過低時，壓力控制器斷開接點，迫使交流接觸器線圈斷電，使壓縮機停止工作：熱繼電器起過負荷保護作用，確保壓縮機不會因過流而損壞。電子溫控板經(jīng)過熱敏電阻對溫度進行采樣，轉(zhuǎn)換成電壓值，并經(jīng)過電壓比較器與溫度設(shè)定值進行比較，電壓比較器經(jīng)過放大電路驅(qū)動相應(yīng)的繼電器，從而控制壓縮機的運轉(zhuǎn)。當(dāng)前先進的空調(diào)器己普遍采用微電腦控制技術(shù)，微電腦在空調(diào)器上的應(yīng)用，使空調(diào)器不但實現(xiàn)了自動化控制，而且還實現(xiàn)了智能化控制，使空調(diào)器的功能有了更大的增加，操作更為簡單，舒適程度進～步提高。微電腦內(nèi)部有微處理器)，微處理器中的中央處理器具有數(shù)據(jù)處理能力(如算數(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的軟件功能。MPU內(nèi)部還含有其它一些功能電路，如A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)電路、定時器/計數(shù)器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口電路)、顯示器(LED或LCD)驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制輸出電路(PWM)等?？照{(diào)器微電腦控制框圖如圖1-1所示。電源及復(fù)位電電源及復(fù)位電遙控器接收電路按鈕開關(guān)溫度控制定時控制溫度檢測風(fēng)扇控制壓縮機控制指示燈蜂鳴器壓縮機風(fēng)扇電機圖1-1空調(diào)器微電腦控制框圖從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控制，對空調(diào)器的控制趨向操作簡易、功能多樣化。同時由于紅外遙控器的使用，使操作更簡單，以及模糊控制理論的應(yīng)用，使空調(diào)性能越來越可靠，感覺越來越舒適。變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式，利用異步交流電機控制壓縮機進行制冷或制熱，這種控制方式有很多缺點和不足：空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是利用簡單的感溫裝置來控制溫度。當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度時，使壓縮機停止轉(zhuǎn)動，經(jīng)過一段時間之后，由于外部影響使室溫再度升高時，再接通壓縮機電路肩動壓縮機制冷。這樣，壓縮機工作于開關(guān)狀態(tài)，頻繁的起停造成了空調(diào)器的制冷(制熱)的不連續(xù)，室溫有較大的變動差，因此普通空調(diào)使用起來缺乏舒適感：空調(diào)器工作過程中重復(fù)啟停，對壓縮機損害較大，產(chǎn)生沖擊電流，造成對電網(wǎng)的污染，會影響到其它用電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)；而且處于開關(guān)工作狀態(tài)壓縮機耗電量較大。因此近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào)，采用了變頻驅(qū)動的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對電網(wǎng)和壓縮機的沖擊等優(yōu)點。變頻式空調(diào)器的工作原理是經(jīng)過改變壓縮機電動機的電源頻率來達到調(diào)節(jié)壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的目的。當(dāng)室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫，或室內(nèi)空調(diào)負荷加大時，壓縮機轉(zhuǎn)速可加快，制冷功率(制熱功率)按比例增加；相反，在一般情況下，當(dāng)室內(nèi)空調(diào)負荷減少時，壓縮機轉(zhuǎn)速可正常運轉(zhuǎn)或減速；在空調(diào)器開機時，室內(nèi)溫度與設(shè)定的溫度偏離較大時，變頻以高于工頻的頻率供電，保證空調(diào)器快速啟動，能夠使室溫快速達到設(shè)定值。而當(dāng)室內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度接近時，變頻器自動保持壓縮機低速運行以保持恒溫。因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調(diào)器的變速運轉(zhuǎn)即能夠節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機采用了比單相電機效率更高的三相電機，且壓縮機長時間不問斷運行，避免了頻繁啟動造成的損耗，因此變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果。因壓縮機從20Hz電源頻率軟起動，起動電流小對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器也無干擾，對電源電壓及頻率的敏感度也低。變頻式空調(diào)改進了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足，變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制冷技術(shù)為一體，能效比高、調(diào)溫快、節(jié)能顯著，特別是應(yīng)用了模糊控制技術(shù)，顯出更加突出的優(yōu)勢。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場競爭，國內(nèi)外各廠商的空調(diào)器在花色品種、多種功能、微電子控制和高效節(jié)能上也有了很大的進步。空調(diào)器當(dāng)前的發(fā)展趨勢主要有：自動控制性能的改進，利用模糊控制理論，自動按照室內(nèi)外環(huán)境和用戶的需要，調(diào)節(jié)房間的溫濕度；冷熱兩用，提高制冷(熱)能力，加快房間的制冷(熱)速度；改進氣流和凈化空氣：使運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，降低噪音。除變頻功能外，當(dāng)前還出現(xiàn)了更高一檔的附加功能，如衛(wèi)星傳感紅外線探測器功能，反映人體表面溫度參數(shù)；采用電話遙控開停運行控制；模仿自然風(fēng)三維供風(fēng)方式；有的空調(diào)帶有人體感知器，可跟據(jù)室內(nèi)人員的多少及活動量的大小，然后經(jīng)過風(fēng)向控制閥調(diào)節(jié)合適的風(fēng)向及風(fēng)速，同時可根據(jù)人體的活動量來調(diào)節(jié)室溫。模糊控制技術(shù)的發(fā)展及研究動態(tài)空調(diào)器室溫控制這種對象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況，使用傳統(tǒng)的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技術(shù)對空調(diào)器進行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一種語言控制器，有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性。同采用PID控制的變頻空調(diào)相比，模糊控制空調(diào)器具有省電、噪音低和舒適度高等優(yōu)點，具有很好的市場前景。模糊控制的概念是美國加利福尼亞大學(xué)著名教授扎德在70年代初提出的，20多年來已取得了重大的發(fā)展，應(yīng)用范圍發(fā)展到從工業(yè)控制到家用電器等各領(lǐng)域。模糊邏輯控制思想適用于理論和經(jīng)驗性推理，一般見于與人類判斷和感覺有關(guān)的控制問題、非線性問題、以及難于建立數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)。模糊邏輯是一種近似推理邏輯，它使機器具有人類思維若干特點。能夠根據(jù)一系列模糊知識和語句做出決定、判斷和決議。模糊邏輯系統(tǒng)對控制器的描述采用的是模糊語言，而不是數(shù)學(xué)方程式。模糊控制能夠采用控制專家的復(fù)雜而獨到的經(jīng)驗性知識，推導(dǎo)出適當(dāng)?shù)目刂戚敵?。模糊邏輯控制不像純粹的?shù)學(xué)模型那樣精確，但它更容易制作、理解和修改。近年來，日本興起了模糊控制熱，當(dāng)前模糊控制已廣泛地應(yīng)用到模糊電飯煲、模糊洗衣機、模糊微波爐、模糊空調(diào)機、模糊吸塵器等家用電器。而且受到了歡迎。這些產(chǎn)品的明顯優(yōu)勢是功能提高、操作簡便、節(jié)能效果顯著。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，模糊邏輯和模糊控制技術(shù)的應(yīng)用會越來越多，越來越廣泛。模糊控制作為智能控制家族中的一員，其發(fā)展前景是廣闊的。近年來研究的三要內(nèi)容是模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及兩者結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面。模糊控制發(fā)展至今，每年世界上都要發(fā)表相關(guān)論文約1000篇，其中大部分研究多是在中國和日本完成的，小部分在歐洲。模糊邏輯商業(yè)化最成功的是日本，日本的國際貿(mào)易和工業(yè)部已經(jīng)建立了兩個主要研究機構(gòu)，一個是國際模糊工程研究實驗室；另一個是模糊邏輯系統(tǒng)研究所。美國工業(yè)界在近幾年不少公司像Eaton、GE、HP、Rockwell等，有的已經(jīng)推出，有的正在推出模糊邏輯產(chǎn)品。從大量熱心用戶對Motorola模糊邏輯處理軟件的反映情況來看，越來越多的人和公司認識到這項技術(shù)的商業(yè)價值。主要設(shè)計內(nèi)容本實訓(xùn)的任務(wù)就是設(shè)計一種冷熱兩用的熱泵型分體式房間變頻空調(diào)的模糊溫度控制器，包括控制電路的設(shè)計，模糊PID設(shè)計控制器，變頻控制器的設(shè)計及仿真。根據(jù)本課題任務(wù)，將完成以下研究內(nèi)容：1、壓縮機變頻控制主電路設(shè)計2、MB89P857實現(xiàn)整個溫度控制器硬件電路3、模糊PID設(shè)計控制器4、系統(tǒng)的MATLAB仿真試驗方案論證空調(diào)器電控系統(tǒng)總設(shè)計方案變頻空調(diào)由壓縮機、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)扇和變頻器及電氣控制系統(tǒng)等組成。分成室內(nèi)機組和室外機組兩部分，室內(nèi)、外機組各用一個單片機進行控制，經(jīng)過信號線進行通信，以傳遞和交換信號。本章主要對壓縮機電機的變頻控制和室溫的模糊控制方案進行分析。室內(nèi)的遙控器發(fā)出的信號(紅外信號)由室內(nèi)機組的單片機接收，室內(nèi)溫度傳感器、室內(nèi)蒸發(fā)器溫度傳感器的信號也發(fā)送到室內(nèi)單片機，單片機經(jīng)過相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運算發(fā)出控制指令，經(jīng)過室外單片機對壓縮機轉(zhuǎn)速、室外風(fēng)機轉(zhuǎn)速和四通閥的開關(guān)進行控制。這樣，室內(nèi)機組和室外機組相配合，發(fā)出連續(xù)的控制信號使空調(diào)器的所有運轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)自動控制。室外機組的單片機把室內(nèi)機組的單片機送來的控制信號進行分析，室外溫度傳感器、室外冷凝器溫度傳感器、壓縮機排氣溫度傳感器的信號也發(fā)送到室外單片機，單片機經(jīng)過運算對壓縮機轉(zhuǎn)速進行控制，從而達到制冷或制熱能力的調(diào)節(jié)，而且對室外風(fēng)扇電動機、電磁四通閥進行切換控制，對各種安全電路予以監(jiān)測。空調(diào)器壓縮機控制方案電氣控制系統(tǒng)是經(jīng)過對壓縮機的控制來實現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的。壓縮機是空調(diào)器的心臟，是推動制冷劑在系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動力?？照{(diào)器用的壓縮機一般為活塞式壓縮機，活塞式壓縮機主要有往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和渦旋式等。20世紀80年代中期市場上往復(fù)式壓縮機居多，近年來旋轉(zhuǎn)式壓縮機發(fā)展迅速，已占主要地位。相對于往復(fù)式壓縮機，旋轉(zhuǎn)式壓縮機具有效率高、可靠性好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小。渦旋式，壓縮機是一種新型壓縮機，獨特的渦旋結(jié)構(gòu)使它具有效率高、扭矩變化小、振動小、噪音低、零件少、體積重量小的優(yōu)點，顯示出較大的優(yōu)越性。當(dāng)前絕大多數(shù)中、小型空調(diào)器采用蒸發(fā)一壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)，從對壓縮機的控制上有CCTXV、CCOT和VDOT三類系統(tǒng)。采用熱力膨脹閥來控制制冷劑流量的制冷系統(tǒng)稱為CCTXV系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對壓縮機實行通斷控制。CCOT(CyclingClutchOrificeTube)系統(tǒng)：與CCTXV系統(tǒng)相同，也采用“通斷控制”，只是阻尼節(jié)流元件采用節(jié)流孔管，與CCTXT系統(tǒng)相比，它能充分發(fā)揮蒸發(fā)器的熱效率，有效防止液擊，簡化系統(tǒng)，降低成本，但采用氣液分離罐，使體積變大。以上兩種系統(tǒng)都采用了壓縮機的通斷調(diào)節(jié)，通斷調(diào)節(jié)的壓縮機轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，時停時起，對壓縮機的運行很不利，易損傷機件，降低壽命，溫度波動較大。VDOT(VariableDisplacementOrificeTube)系統(tǒng)：這種系統(tǒng)采用可變排量的壓縮機，配以減壓固定阻尼元件節(jié)流孔管，稱為可變排量膨脹管節(jié)流系統(tǒng)。它是能夠?qū)崿F(xiàn)對壓縮機連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。變排量壓縮機的特點是能根據(jù)吸氣壓力的變化自動調(diào)節(jié)，改變制冷劑流量以適應(yīng)蒸發(fā)器熱負荷的變化，使蒸發(fā)溫度保持不變。它超越了熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)范圍更廣。VDOT系統(tǒng)的控制方式正是變頻控制的思路。其特點如下：(1)降低能耗。VDOT控制的是制冷劑的排出量，屬主動調(diào)節(jié)。冷凝壓力隨排量變化，壓縮機不會因克服多余的壓力而白做功，對壓縮機的連續(xù)供電也比斷續(xù)供電要省電。(2)送風(fēng)溫度波動小，提高舒適性。(3)保護傳動機構(gòu)，延長機械壽命。消除運動部件起、停時產(chǎn)生的慣性力沖擊。本空調(diào)采用排氣量可變的雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機，廣泛應(yīng)用于空調(diào)器中。空調(diào)器的制冷或制熱能力一般用壓縮機的排氣量來衡量，旋轉(zhuǎn)式壓縮機的理論排氣量為。（2-1）式中：H一氣缸長度或高度(m)；A一氣缸工作面積(m2)：n一壓縮機轉(zhuǎn)速(r／min)。旋轉(zhuǎn)式壓縮機由于考慮氣缸結(jié)構(gòu)和效率等因素的影響，其實際排氣量是理論排氣量和排氣系數(shù)的乘積。（2-2）式中，λ一壓縮機排氣系數(shù)。由此可見，旋轉(zhuǎn)式壓縮機的排氣量和壓縮機的轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系。這就是變頻空調(diào)能夠經(jīng)過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空調(diào)器的制冷或制熱能力的原理。旋轉(zhuǎn)式壓縮機的核心是交流異步電動機，變頻空調(diào)器控制的核心就是采用變頻技術(shù)對壓縮機進行調(diào)速，從而調(diào)節(jié)壓縮機的制冷(熱)功率。80年代以來，隨著交流電機調(diào)速控制理論、電力半導(dǎo)體器件、脈沖寬度調(diào)制、以微處理機為核心的全數(shù)字化變頻控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，使交流電機調(diào)速系統(tǒng)成為一種典型的機電一體化設(shè)備。在過去十幾年中用得較多的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制，在一定程度上滿足了工業(yè)應(yīng)用中的要求，如風(fēng)機、水泵等。變頻技術(shù)的性能的提高及體積的減小為其在空調(diào)器中的應(yīng)用提供了可能。本系統(tǒng)的負載是空調(diào)器的壓縮機，壓縮機可看作是恒轉(zhuǎn)矩負載。由于空調(diào)器壓縮機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是為了進行功率調(diào)節(jié)，并不要求太高的調(diào)速精度，為了結(jié)構(gòu)上的簡便，本變頻調(diào)速系統(tǒng)決定采用轉(zhuǎn)速開環(huán)的控制方式。本節(jié)針對這些特性從逆變器主回路、變頻調(diào)速時的機械特性、變頻調(diào)速的控制方式及脈寬調(diào)制的控制策略的角度選擇壓縮機控制方案。變頻調(diào)速的基本方式異步電動機在變頻調(diào)速時，應(yīng)盡可能使氣隙磁通保持為額定磁通。要保持磁通恒定，在調(diào)節(jié)定子頻率時就必須同時改變定子的端電壓。即當(dāng)增大定子頻率時必須同時使定子電壓成比例地增加，否則氣隙磁通降低；當(dāng)降低定子頻率時，必須同時使定子電壓成比例地降低，否則將超過飽和磁通密度而導(dǎo)致勵磁電流過大，使損耗增加甚至損壞電機。也就是說，對電機供電的變頻電源一般要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻兩種功能，根據(jù)定子電壓V和定子頻率f的不同比例關(guān)系，將有不同的變頻調(diào)速控制方式，因為壓縮機為恒轉(zhuǎn)矩負載，選擇具有低頻電壓補償?shù)暮銐侯l比控制方式比較適合于壓縮機電機控制。它不需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，也沒有大量的復(fù)雜計算，其調(diào)速性能可滿足要求。恒壓頻比控制方式是保持等于常數(shù)的比例控制方式。在異步電機中外加電源若為V，定子產(chǎn)生的反電勢則為（2-3)如果略去S定子阻抗壓降，則有（2-4)式中F(s)一定子頻率(Hz)；N(s)一定子每相繞組的匝數(shù)K(0)一比例系數(shù)；Ф(m)一氣隙磁通(WB)。由公式可知，為保持氣隙磁通近似不變,在調(diào)節(jié)定子頻率的同時必須正比例地調(diào)節(jié)定子外加電壓Vs,使（2-5)按照上述=常數(shù)的恒壓頻比控制方式下，在低頻時由于定子電阻屆的壓降占的比重增加，即使在轉(zhuǎn)差頻率正，很小的情況下，也無法使電機的最大轉(zhuǎn)矩％保持恒定。L要隨頻率的下降而減小，在低頻時啟動轉(zhuǎn)矩也很小，甚至不能帶動負載。因此，嘣=常數(shù)的恒壓頻比控制方式只適用于調(diào)速范圍不寬或負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的場合，如風(fēng)機、泵類等負載，對調(diào)速范圍寬的恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，則希望在整個調(diào)速范圍中維持定。為了保證T不變，隨著‘的降低必須適當(dāng)提高定子電壓K，以便補償定子電阻毋上的壓降。也就是說，提高定予電壓的目的仍是為保持氣隙磁通恒定，進而保證最大轉(zhuǎn)矩不變。頻率越低，需外加補償電壓越高。在電機的工作頻率超過同步頻率時，也即轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，如果采用以常數(shù)的恒壓頻比控制方式進行調(diào)速時，勢必增加外加電壓，并使其過額定值，這在一般情況下是不允許的。因此同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速往往不再使定予電壓升高，而是保持為額定電壓。寬脈調(diào)控控制策略PWM控制技術(shù)有許多種，而且還在不斷的發(fā)展中。但從控制思想上分，能夠把它們分為四類，即等脈寬PWM法、正弦波PWM(SPWM)、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法。等脈寬PWM法是每一脈沖的寬度相等，改變脈沖序列的周期能夠調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比能夠調(diào)壓，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒纯墒闺妷号c頻率協(xié)調(diào)變化，其缺點是輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。SPWM法是為了克服等脈寬PWM法的缺點而發(fā)展來的，是在1964年提出的，它采用通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)，用基波信號去調(diào)制三角載波，控制開關(guān)器件的動作順序和時間分配，從而在逆變器上同時進行電壓和頻率的控制。是當(dāng)前最普遍的一種調(diào)制方式。它從電動機的供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源，其特點是，在半個周期中等距、等幅(等高)、不等寬(可調(diào))，總是中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖所圍面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例，這樣，輸出電壓中低次的諧波分量能夠大大減少。磁鏈追蹤型PWM法與SPWM法不同，它是從電動機的角度出發(fā)的，著眼于如何使電動機獲得圓磁場。它是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈圓為基準，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。當(dāng)然這樣所形成的PWM波也未必是三相對稱的正弦波。SPWM法和磁鏈追蹤型PWM法，由于著眼點不同，所建立的數(shù)學(xué)模型也完全不同。磁鏈追蹤型PWM法的數(shù)學(xué)模型是建立在電機統(tǒng)一理論、電機軸系坐標(biāo)變換理論基礎(chǔ)上的。它把電動機看成是一個整體加以處理，所得數(shù)學(xué)模型簡單，便于微機實現(xiàn)實時處理，從而可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實時性強，能獲得更好的性能。上述三種PWM法都是控制輸出電壓的電壓源逆變器，而電流跟蹤型PWM法雖然也采用電壓源逆變器，卻是控制輸出電流的。其基本思想是將電動機定子電流的檢測信號與正弦波電流給定信號用比較器進行比較，如果實際電流大于給定值，則經(jīng)過逆變器的開關(guān)動作使之減小，反則使之增大。這樣，實際電流波形圍繞給定的正弦波作鋸齒狀變化，而且開關(guān)器件的開關(guān)頻率越高，電流波動就越小。使用這種方法，電動機的電壓數(shù)學(xué)模型改成流模型，可使控制簡單，動態(tài)響應(yīng)加快，還可防止逆變器過電流。電壓型SPM調(diào)制是工業(yè)上應(yīng)用得最為廣泛的一種調(diào)制技術(shù)，這里不作過多的介紹。它的主要優(yōu)點是：1)結(jié)構(gòu)簡單；2)逆變器同時調(diào)頻調(diào)壓，與中間環(huán)節(jié)元件參數(shù)無關(guān)，動響加快；3)波形好，能抑制和消除低次諧波。本系統(tǒng)根據(jù)上述比較，選擇電壓SPM調(diào)制，因為它簡單可靠、具有很好的波形，且數(shù)字化實現(xiàn)比較方便。實現(xiàn)手段微型計算機技術(shù)的發(fā)展使得能夠?qū)ψ冾l器進行直接數(shù)字控制，直接數(shù)字控制的優(yōu)點有很多，如集成度高，大部分功能都能用軟件實現(xiàn)，需要改變功能時，只需調(diào)整軟件即可。這是模擬控制不可比擬的。確定微機控制后，要選擇合適的微控制器。選取的原則是：滿足控制性能要求；盡量使系統(tǒng)簡單。當(dāng)前用的較多的是單片機系列，也可使用一些專用的SPWM波專用控制芯片，如HEF4752、SLE4520、MA818等。在變頻空調(diào)中，變頻器的設(shè)計需考慮到應(yīng)小型化和可靠性，因此采用了富士通公司的MB89P857單片機，這種單片機具有一個內(nèi)置的三相SPWM波形發(fā)生器，可方便地產(chǎn)生所需的三相SPWM波形觸發(fā)脈沖。MB89P857還具有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換電路，2路PWM輸出電路，6個并行接口，內(nèi)部帶有1K的RAM和32K的ROM，可將程序固化在芯片內(nèi)，簡化外圍接口電路，可大大簡化電路設(shè)計，提高整個電路的性能。因此選用以MB89P857為核心的數(shù)字控制方案。由于空調(diào)器的特殊性，因此要求變頻器具有小型、高可靠性、低噪聲等特點。若功率器件采用分立元件，必將增大變頻器的體積，增大系統(tǒng)復(fù)雜性。為了減低在設(shè)計、開發(fā)及制造上的成本，減少研制周期，提高系統(tǒng)的可靠性，智能功率模塊(IntelligentPowerModule)引起了人們的注意。智能功率模塊能提供數(shù)字控制邏輯和功率負載之間的接口。最簡單的型式可由單一電平移動和驅(qū)動電路組成，把來自微處理器的邏輯信號轉(zhuǎn)變成足以激勵負載的電壓和電流：復(fù)雜的則要求智能功率模塊執(zhí)行負載監(jiān)控、診斷、自保護，向微處理器反饋信息。本論文設(shè)計中采用日本三菱電氣公司的智能功率模塊PM20CTM060，其特點是：內(nèi)部集成了功率芯片、驅(qū)動電路及檢測保護電路，使主電路的結(jié)構(gòu)最為簡單；功率部分采用開關(guān)速度高、驅(qū)動電流小的IGBT，功率損耗極低、需用散熱片減?。涸趦?nèi)部配線上將電源電路和驅(qū)動電路的配線長度控制到最短，從而很好地解決了浪涌電壓及噪聲影響誤動作等問題；具有過熱保護、過流保護、短路保護及控制電源欠電壓鎖定保護，當(dāng)故障發(fā)生時，及時關(guān)斷功率器件并發(fā)出模塊錯誤信號使功率芯片能夠安全工作。溫度控制方案選擇在空調(diào)的溫度控制過程中，由于空調(diào)器功率傳輸?shù)臏蠛蜏囟茸兓驼{(diào)節(jié)中的大慣性特性，使空調(diào)器的溫度控制非常困難。由于空調(diào)器使用的房間的大小、結(jié)構(gòu)各不相同，另外由于季節(jié)、天氣、室內(nèi)人員多少及電器的用量等的變化，房間對象的不確定性又是非常嚴重的。而普通的PID控制方法不適合具有大慣性、滯后特性的對象的控制，而且PID控制器一般針對固定的控制對象才能確定控制參數(shù)，取得好的控制效果，而空調(diào)應(yīng)用的房間一經(jīng)變化，PID參數(shù)就不能適應(yīng)新的控制對象。因此PID不能適應(yīng)房間溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時變、滯后、大慣性等復(fù)雜特性，而且在空調(diào)控制中，房間對象的數(shù)學(xué)模型很難確定，很難對PID參數(shù)進行整定。對于房間溫度控制這種對象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況，特別適合使用模糊控制。模糊控制能更為近似地反映人的控制行為，有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性，能夠運用于各種不用對象的控制。采用模糊控制比傳統(tǒng)控制溫控精度高，過渡過程優(yōu)良，舒適性大為提高。本章小結(jié)經(jīng)過論證，硬件電路以MB89P857單片機為核心，此單片機功能強，并可大大簡化電路設(shè)計。壓縮機逆變器的主電路采用電壓源逆變器的結(jié)構(gòu)，控制方式是具有低頻電壓補償?shù)暮銐侯l比控制，它實現(xiàn)簡單，工作可靠，并能夠滿足要求；逆變器控制方式采用SPWM方式，輸出波形好，諧波小。溫度控制選擇模糊控制技術(shù)。變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)設(shè)計電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)變頻式空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，整個控制系統(tǒng)大致由室內(nèi)機組控制板和室外機組控制板組成。在空調(diào)器中，電控系統(tǒng)的作用是根據(jù)電機，使室溫合乎理想要求。在分體式空調(diào)中，運部件包括室內(nèi)風(fēng)機和室外風(fēng)扇，它們的作用是把空調(diào)器產(chǎn)生的冷空氣或熱空氣帶到室內(nèi)的不同區(qū)域，實現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)房間溫度的目的。溫度設(shè)定等空調(diào)運轉(zhuǎn)指令由紅外線遙控器和室內(nèi)機控制板上的紅外線接收器傳遞到室內(nèi)機控制板上的單片機，此單片機根據(jù)指令和溫度傳感器的狀態(tài)對風(fēng)扇電機和風(fēng)門電機進行控制，并與室外機控制板上的單片機進行通訊。溫度傳感器溫度傳感器步進電機驅(qū)動電路風(fēng)扇步進電機室內(nèi)控制步進電機開關(guān)壓縮機變頻器風(fēng)扇四通閥門室外控制溫度傳感器壓縮機圖3-1變頻式空調(diào)電氣控制系統(tǒng)框圖室外風(fēng)扇電機為變繞組電機，它的轉(zhuǎn)速用繼電器控制，有高、中、低速三檔，單片機輸出端口經(jīng)過反向驅(qū)動器ULN驅(qū)動兒、J2、J3三個繼電器，分別對應(yīng)三個風(fēng)速檔位。單片機經(jīng)分析判斷，確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，然后經(jīng)過開通對應(yīng)的繼電器使風(fēng)扇按設(shè)定的風(fēng)速運轉(zhuǎn)。室內(nèi)風(fēng)扇電機采用調(diào)壓調(diào)速，由單片機內(nèi)的PWM發(fā)生器控制，由軟件算出相應(yīng)的相位控制角，由PWM端口輸出，經(jīng)MOC3021光耦驅(qū)動雙向可控硅，實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。四通閥是控制制冷、制熱切換的，使四通閥得電，空調(diào)器制熱；使四通閥掉電，制冷劑向相反方向流動，空調(diào)器制冷。模擬量檢測使用的是單片機A/D轉(zhuǎn)換端口，其中P50～P57口是A/D轉(zhuǎn)換采樣通道，由熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻上的電壓信號輸入單片機，然后由CPU進行采樣和轉(zhuǎn)換。室內(nèi)機組設(shè)計紅外遙控器信號的接受紅外遙控器由紅外遙控發(fā)射器和紅外遙控接收器兩部分組成。(1)遙控發(fā)射器遙控發(fā)射器的電路結(jié)構(gòu)框圖見圖3-2。它是以紅外遙控發(fā)射專用集成電路IC1為核心組成的。發(fā)射器鍵盤矩陣電路由矩陣開關(guān)組成，它與IC1內(nèi)的掃描脈沖發(fā)生器和鍵盤信號編碼器構(gòu)成鍵命令輸入電路。當(dāng)操作者按下某個功能鍵時，相應(yīng)的掃描脈沖經(jīng)過按鍵開輸入到IC1。振蕩器振蕩器鍵盤矩陣開關(guān)電路顯示器IC1紅外線發(fā)射器圖3-2紅外遙控發(fā)射器結(jié)構(gòu)框圖指令編碼器轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字編碼指令。在IC1內(nèi)，指令編碼器輸出的編碼指令送到編碼調(diào)制器。在編碼調(diào)制器中，38kHz載頻信號被編碼指令脈沖調(diào)制，形成調(diào)制信號，調(diào)制信號經(jīng)緩沖級至激勵管，由VTI和VT2組成的紅外信號激勵級放大到足夠的功率，去驅(qū)動紅外發(fā)光管，發(fā)出被38kHz調(diào)制信號調(diào)制的紅外線，經(jīng)過發(fā)射器前端的輻射窗向前方空間發(fā)射。(2)遙控接收器，遙控接收器見圖所示，它是由一塊裝有光敏二極管的接收專用集成電路IC2組成，當(dāng)遙控發(fā)射器發(fā)出的紅外光被接收器的光敏管接收到時，光敏管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號經(jīng)過IC2中的自動增益控制電路和限幅器穩(wěn)定幅度，隨后用38kHz低通濾波器濾出38kHz調(diào)制信號，再經(jīng)檢波器解調(diào)出編碼指令脈沖，然后由整形放大器放大整形，IC2將編碼指令脈沖進行解碼，最后輸出相應(yīng)信號，使空調(diào)中有關(guān)電路按遙控發(fā)射器的指令進行工作，執(zhí)行相應(yīng)功能的操作。輸入輸入控制限幅濾波檢波整形解碼輸出圖3-3紅外線接收器結(jié)構(gòu)圖風(fēng)門步進電機的控制風(fēng)門步進電機的功能是使風(fēng)門葉片上下擺動，起到控制風(fēng)向的作用，從而使室內(nèi)風(fēng)扇吹出的風(fēng)能均勻分布到室內(nèi)的各個部分，風(fēng)門葉片的控制有自動控制和手動控制兩種，手動控制時可使風(fēng)門葉片處于固定的位置，使風(fēng)向朝一個方向步進電機的驅(qū)動采用單相驅(qū)動方式，驅(qū)動步進電機的輸出端口電位為1時，經(jīng)過反向驅(qū)動放大器ULNA則變?yōu)榈碗娖剑@時相應(yīng)繞組則得電，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，按照一定的規(guī)律使步連電機各繞組分別得電，步進電機就能連續(xù)轉(zhuǎn)動。正轉(zhuǎn)時步進電機各相通電順序如表3-1所示。自動控制時，風(fēng)門葉片將在其擺動范圍內(nèi)上下擺動。表3-1相步進電機各相繞組導(dǎo)通順序表各項繞組A相B相C相D相11000201003001040001室內(nèi)風(fēng)扇電機的調(diào)速控制室內(nèi)風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速分為手動控制和自動控制兩種情況，手動控制時經(jīng)過遙控器選擇風(fēng)速，設(shè)置為高速、中速、低速三檔。自動控制時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由單片機控制。空調(diào)器開始運行以后，單片機根據(jù)設(shè)定溫度和室內(nèi)實際溫度的溫差自動控制風(fēng)扇速度，使運行狀態(tài)處于最佳水平。溫差與風(fēng)扇速度關(guān)系如表3-2所示。室內(nèi)風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速還要由其它因素決定。啟動時雖然室溫與設(shè)定溫度較大，室內(nèi)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也不能很快，因為制冷劑剛開始運行，轉(zhuǎn)速過快會使升溫或降溫過程減慢。當(dāng)制熱時，蒸發(fā)器溫度低于28℃則該風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)，在溫度為45℃時風(fēng)機達到最高轉(zhuǎn)速；當(dāng)制冷時，蒸發(fā)器溫度高于20℃風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)。正常情況下，根據(jù)隨時調(diào)整。表3-2室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之差與風(fēng)扇速度的關(guān)系工作狀況室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度差e風(fēng)扇轉(zhuǎn)速制冷工況≥21≤e<2<1高速中速低速制熱工況≥2<2高速中速軟件定時器遙控器指令處理軟件定時器遙控器指令處理溫度A/D轉(zhuǎn)換程序溫度模糊控制運算室內(nèi)機與室外機通訊處理室內(nèi)風(fēng)扇的PWM調(diào)速風(fēng)柵步進電機控制返回返回返回圖3-4驅(qū)動電路原理圖單片機左側(cè)為相位同步電路，首先從同步變壓器得到同步電壓，同步電壓經(jīng)全橋整流電路進行整流，整流后的電壓加在三極管的基極，這樣在交流正弦電壓的過零點就可產(chǎn)生同步信號，該信號送入單片機作為相位角為零的點。過零脈沖的周期為10ms，根據(jù)風(fēng)扇所需轉(zhuǎn)速，求出相應(yīng)電壓值及對應(yīng)的相位控制角，電壓及導(dǎo)通角關(guān)系為（3-1）式中U—輸出電壓(V)：U（0）輸入電壓(V)；α一導(dǎo)通角(rad)。根據(jù)電控系統(tǒng)設(shè)計功能要求，室內(nèi)機程序主要包括紅外遙控器接收程序、溫度的模糊控制程序、溫度A/D轉(zhuǎn)換程序、EEPROM(電擦除只讀程序存儲器)的讀寫程序和風(fēng)扇電機的調(diào)速及風(fēng)門步進電機控制等功能。遙控器接收程序、室內(nèi)機及室外機通訊程序用中斷來完成。溫度的模糊控制程序、溫度A/D轉(zhuǎn)換程序、EEPROM的讀寫程序和風(fēng)扇電機的調(diào)速及風(fēng)門步進電機控制則放在軟件定時器中斷程序中。室外機組設(shè)計室外風(fēng)扇電機控制電路室外風(fēng)扇電機采用變繞組調(diào)速方式，電機的轉(zhuǎn)速是經(jīng)過繼電器控制。其轉(zhuǎn)速分為三檔，分別對應(yīng)著高速、中速、低速。速度檔位的控制由室外機的冷凝器溫度與室外環(huán)境溫度之差決定。當(dāng)室外機配管溫度與室外環(huán)境溫度一致時，室外機風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn)，以減輕冷媒循環(huán)的壓力。轉(zhuǎn)速控制原理圖如圖3-5所示。熱敏電阻Rt1、Rt2將室外機配管溫度和室外環(huán)境溫度采樣，送到單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道一P5．1、P5．2引腳處理，由溫差I(lǐng)AI控制轉(zhuǎn)速。單片機的P2．1、P2．2、P2．3根據(jù)轉(zhuǎn)速指令進行置位或復(fù)位，經(jīng)過反向驅(qū)動器ULNA分別驅(qū)動繼電器J1、J2、J3。繼電器J1、J2、J3分別對應(yīng)高速、中速、低速。l△l為大于7℃時，繼電器J3得電，J2、n失電，風(fēng)扇電機的高速線圈接通，風(fēng)扇高速運轉(zhuǎn)；l△l為3"C～7℃時，繼電器J2得電，兒、J3失電，風(fēng)扇電機的中速線圈接通，風(fēng)扇中速運轉(zhuǎn)；l△I為小于3℃時，繼電器J1得電，J2、J3失電，風(fēng)扇電機的低速線圈接通，風(fēng)扇低速運轉(zhuǎn)：當(dāng)l△I=O時，繼電器全部失電，沒有線圈通電，風(fēng)扇停止。（a）繼電器控制原理圖(b)風(fēng)扇電機主電路原理圖圖3-5室外風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速控制原理圖電流檢測電路為了防止電流過大造成電源的負擔(dān)過重和對空調(diào)器的損壞，需對電流值進行檢測，檢測電路如圖3-6所示，電流互感器的原邊串入室外機交流主電路，感應(yīng)后的交流電流經(jīng)全橋整流電路整流并濾波后，送到單片機的A/D轉(zhuǎn)換端口進行轉(zhuǎn)換，如果電流過流則經(jīng)過主電路電源控制繼電器K1切斷交流電源，對空調(diào)器進行保護。在電路中為了防止電流互感器輸出電壓過高而損壞電路，加入一個電壓鉗位二極管D1，使互感器整流后加到單片機的電壓限制在5V以下。圖3-6電流檢測及保護電路輔助電源設(shè)計室外機組包括驅(qū)動電路和控制電路需要多個相互隔離的工作電源，三相逆變電路的六個功率開關(guān)需要4個相互隔離的直流電源；控制系統(tǒng)采用的MB89P857芯片的+5V工作電源；各繼電器的驅(qū)動需要+12V直流電源。這樣就需要輸出多路穩(wěn)定的直流電源。圖3-7室外機輔助電源結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)的輔助電源采用單端正激式脈寬調(diào)制DC/DC穩(wěn)壓電源，如圖3-7所示?？刂破鬟x用UC3842，它是一種單端隔離式電流型脈寬調(diào)制集成電路，利用內(nèi)置的誤差放大器和比較器組成雙閉環(huán)控制：從檢測繞組來的反映輸出電壓的反饋信號從2腳輸入，與誤差放大器中的基準電壓比較產(chǎn)生誤差電壓，作為電流比較器輸入；另一個是一次繞組電流(經(jīng)過最檢測)反饋信號從3腳進入，在電流比較器與誤差進行比較，控制尼觸發(fā)器，產(chǎn)生PWM信號，從6腳輸出，經(jīng)功率開關(guān)驅(qū)動高頻變壓器的一次繞組，雙閉環(huán)控制，使輸出電壓在負載等因素變動情況下仍可穩(wěn)定輸出。振蕩頻率為45kHz，采用高頻鐵氧體磁心制作高頻變壓器，使體積大為縮小。變頻電路的設(shè)計與控制變頻電路驅(qū)動的對象是空調(diào)器壓縮機，壓縮機轉(zhuǎn)速是經(jīng)過軟件編制的溫度模糊控制器來確定的，由室溫、設(shè)定溫度和采樣時間計算出溫差和溫差變化率，作為溫度模糊控制器的輸入變量，經(jīng)過模糊化、模糊邏輯推理、反模的過程，得到精確的控制量一變頻器輸出頻率，按此頻率控制波形發(fā)生器，經(jīng)過驅(qū)動變頻器控制壓縮機電機的轉(zhuǎn)速。P41～P46是6路SPWM波形輸出口室外機軟件的編制室外機程序由SPWM波形輸出程序、溫度A/D轉(zhuǎn)換程序、除霜控制程序、壓縮機過熱保護程序、功率模塊IPM故障中斷處理程序、電路過流過壓保護程序以及三分鐘延時程序等部分組成，溫度A/D轉(zhuǎn)換程序每1s啟動，采用查尋方式對室外環(huán)境溫度、壓縮機溫度、熱交換器溫度進行采集。數(shù)據(jù)放在RAM中進行處理。壓縮機過熱保護程序、功率模塊IPM故障中斷處理程序采用中斷方式，在故障情況下中斷壓縮機運行，并設(shè)置故障標(biāo)志位，在室內(nèi)室外機通信時通知室內(nèi)機，故障恢復(fù)后重新運行，程序中利用單片機內(nèi)置看門狗，在單片機異常死機時自動復(fù)位，重新執(zhí)行程序，保證單片機的可靠運行。三分鐘延時保護程序空調(diào)器壓縮機停止運轉(zhuǎn)以后，系統(tǒng)內(nèi)高低壓力的平衡需要2～3分鐘，如果在這段時間內(nèi)壓縮機再啟動的話，就會由于壓力的不平衡造成負載加重，使電機啟動電流過大，或電機無法啟動甚至燒毀，因此空調(diào)器都必須具有三分鐘延時的功能，應(yīng)用單片機以前的分立元件電路中，三分鐘延時的功能經(jīng)過三分鐘延時硬件電路來完成，這就使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在應(yīng)用了單片機之后，三分鐘延時的功能就能夠經(jīng)過軟件程序來完成，既簡化了電路又使控制靈活。溫度檢測電路變頻式空調(diào)器由于自動化控制程度較高，因此室內(nèi)機組和室外機組所需溫度傳感器較多，需要檢測的溫度信號模擬量包括以下幾個溫度檢測，室內(nèi)機組裝有空氣溫度傳感器和蒸發(fā)器溫度傳感器。前者裝在蒸發(fā)器前面，用來測定室內(nèi)溫度。后者裝在蒸發(fā)器的右側(cè)，外面用金屬管包裝，用來測定室內(nèi)機蒸發(fā)器的溫度。室外機組則裝有3個溫度傳感器：(1)室外空氣溫度傳感器，裝在室外機散熱器上，用來測定室外環(huán)境的溫度：(2)高壓管路溫度傳感器，它用金屬管包裝，裝在壓縮機高壓出口管路上，用來測定冷凝劑的溫度，主要用于防止壓縮機過負荷。因為冷凝劑工作時的正常溫度為70-90℃，如果其溫度超過100。C，將造成壓縮機負載過重而損壞。(3)室外熱交換器溫度傳感器，裝在室外熱交換器上，檢測熱交換器的溫度，用來控制室外風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速，和進行除霜控制。溫度的檢測電路檢測元件采用負溫度系數(shù)熱敏電阻Rt，它與串聯(lián)電阻R1對5V電壓進行分壓，并經(jīng)過電容C濾波后接到單片機的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換端口進行A/D轉(zhuǎn)換。如圖3-8所示，其電阻一溫度特性曲線可知，當(dāng)溫度升高時，RT的阻值下降，則VRT下降，VR1，上升，因此檢測電壓與溫度是成正比的關(guān)系。熱敏電阻是非常好的測溫元件，它靈敏度高、價格低廉、適用范圍廣、應(yīng)用簡便。可是這種測溫元件的最大缺點是它的線性度較差。應(yīng)用中一般采用串接電阻的方法對它進行校正，具體過程如下。一般情況下，熱敏電阻的溫度/電阻特性可表示為（3-2）式中R1和R0。分別是當(dāng)溫度為和時的熱敏電阻阻值，B是熱敏電阻常數(shù)。為了使整個溫度傳感器為線性，可采用合適的電阻R1和熱敏電阻串接，使匹配電阻上所分電壓即與溫度成正比的關(guān)系，如所加電壓為5伏，則（3-3）從以上各式可得（3-4）因此有（3-5）以室內(nèi)溫度檢測熱敏電阻為例，熱敏電阻的常數(shù)B為3450K得需串接的匹配電阻R1為7．5kQ。圖3-8(a)表明了熱敏電阻的阻值一溫度特性曲線，圖(b)表明了校正后的電壓-溫度特性曲線。(a)阻值一溫度特性曲線(b)電壓一溫度特性曲線圖3-8溫度檢測電路特性曲線變頻電路設(shè)計變頻電路采用三菱公司的智能功率模塊PM20CTM060，利用富士通公司的單片機MB89P857對其進行逆變控制。本章討論硬件電路的設(shè)計，并從軟件實現(xiàn)逆變功能的角度出發(fā)，建立SPWM平均值采樣算法的數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)進行控制軟件設(shè)計。為了降低在設(shè)計、開發(fā)及制造上的成本，減少研制周期，提高系統(tǒng)的可靠性，智能功率模塊IPM引起了人們的注意。智能功率模塊能提供數(shù)字控制邏輯和功率負載之間的接口。最簡單的型式可由單一電平移動和驅(qū)動電路組成，把來自微處理器的邏輯信號轉(zhuǎn)變成足以激勵負載的電壓和電流：復(fù)雜的則要求智能功率模塊執(zhí)行負載監(jiān)控、診斷、自保護，向微處理器反饋信息。論文設(shè)計中采用的日本三菱電氣公司的智能功率模塊PM20CTM060為20個引腳、平底、絕緣封裝，智能功率模塊PM20CTM060供電電壓為450V的直流電源，電流額定值為15A，它的驅(qū)動需要四路額定值為15V且相互隔離的電源。PM20CTM060的特點是：內(nèi)部集成了功率芯片、驅(qū)動電路及檢測保護電路，使主電路的結(jié)構(gòu)最為簡單；功率部分采用開關(guān)速度高、驅(qū)動電流小的IGBT，功率損耗極低、需用散熱片減少；在內(nèi)部配線上將電源電路和驅(qū)動電路的配線長度控制到最短，從而很好地解決了浪涌電壓及噪聲影響誤動作等問題；具有過熱保護、過流保護、短路保護及控制電源欠電壓鎖定保護，當(dāng)故障發(fā)生時，及時關(guān)斷功率器件并發(fā)出模塊錯誤信號，使功率芯片得以安全的保護。本章小結(jié)本章主要設(shè)計了空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)的軟硬件，其中硬件是以MB89P857單片機為核心，有豐富的I/O口可供選擇，簡化了電路設(shè)計，穩(wěn)定可靠。完成了溫度的檢測、模糊溫度控制運算、室內(nèi)外機通訊及外圍電路控制、保護等功能。并給出了室內(nèi)、外各部分程序流程圖。模糊控制器的設(shè)計模糊控制的基本原理糊控制是一種語言控制，能更為近似地反映人的控制行為，有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性，能夠運用于各種不同對象的控制。模糊控制是以模擬人腦對模糊概念的判別能力為特點的一種智能控制方式。如圖4-1所示，典型的模糊控制系統(tǒng)是以A/D、D/A、模糊控制器、對象、傳感器、執(zhí)行器等組成，其中最重要的也是區(qū)別其它計算機控制系統(tǒng)的特點是具有模糊控制器。它在系統(tǒng)中是這樣運行的：首先，系統(tǒng)給定與反饋相比較得到偏差e，量化后進入模糊控制器。在模糊控制器中，將精確量e以一定方法模糊化，得到偏差的模糊量e(e實際上是一個模糊向量)。然后由模糊推理規(guī)則將e與模糊規(guī)則丑合成，得到模糊控制量U為U=,其中運算符“o”為模糊合成算子u為模糊量，還需將其反模糊化，轉(zhuǎn)換為精確量才能經(jīng)D/A得模擬量控制執(zhí)行機構(gòu)。對象反饋后重復(fù)上述過程，如此循環(huán)往復(fù)就實現(xiàn)了對控制對象的模糊控制。A/DA/D模糊化控制規(guī)則反迷糊話A/D執(zhí)行機構(gòu)被控對象傳感器圖4-1模糊控制系統(tǒng)原理框圖模糊溫度控制器的模糊控制過程由以下部分組成：(1)模糊化將輸入變量溫差e(error)、溫差變化率e(errorchange)及控制量U的精確值變換成其對應(yīng)論域上的模糊集，以便進行模糊推理和決策；(2)模糊邏輯推理模仿人的思維特征，根據(jù)專家知識或控制經(jīng)驗取得的模糊控制規(guī)則進行模糊推理，決策出模糊輸出控制量；(3)反模糊化對經(jīng)模糊邏輯推理所得的模糊控制量進行模糊表決，把輸出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，作用于被控對象。變量模糊化溫差的模糊化是把溫度設(shè)定值與實測的溫度值相比較，就得到溫差e=R(n)-T(n)。在本系統(tǒng)中，將溫度控制范圍分為模糊控制區(qū)和穩(wěn)定控制區(qū)。在模糊控制區(qū)(e=-3℃～+3℃)以外的范圍，為確定控制區(qū)。此時空調(diào)將以最大功率進行制冷或加熱，直到達到模糊控制區(qū)。模糊控制區(qū)的范圍是溫差為士3℃。選取量化因子K=l，將其量化到整數(shù)論域．3計3，在此范圍內(nèi)將8分為5個模糊狀態(tài)：PB(正的大溫差)、PS(正的小溫差)、ZO(零溫差狀態(tài))、NS(負的小溫差)、NB(負的大溫差)。圖4-2模糊變量的隸屬度取值規(guī)則示意圖U(e)-3-2-10123PB000000.3331PS00000.3330.6670ZO000.66710.66700NS00.6670.3330000NB10.33300000表4-1溫差e的隸屬度賦值表溫差變化率e的模糊化將溫差變化率定義為前后兩次溫度采樣差與采樣時間之比。由于溫度的變化是比較慢的，因此將的模糊控制范圍定為溫度變化值的0.06C/s，設(shè)定量化因子，將其量化到整數(shù)論域-3～+3。與e相同，也分為5個模糊狀態(tài)：PH(正的大溫差變化率)、PL(正的小溫差變化率)、ZO(零溫差變化率)、NL(負的小溫差變化率)、NH(負的大溫差變化率)。溫差變化率e的隸屬度賦值表如表。U(e)-3-2-10123PH000000,33331PL00000.3330.6670ZO000.66710.66700ZL00.6670.3330000NH10.33300000表4-2溫差變化率e的隸屬度賦值表控制量輸出頻率f的模糊化根據(jù)頻率設(shè)定范圍(120～120Hz)將輸出量整數(shù)論域定為．120～120，分為9個模糊狀態(tài)：PE(最大功率制熱)、PH(大功率制熱)、PM(中功率制熱)、PL(小功率制熱)、ZO(零功率)、NL(小功率制冷)、NM(中功率制冷)、NH(大功率制冷)、NE(最大功率制冷)。據(jù)此可作出輸出頻率模糊變量的隸屬度圖表.隸屬度-120-90-60-300306090120PE000000001PH000000010PM000000100PL000001000ZO000010000NL000100000NM001000000NH010000000表4-3輸出頻率模糊變量的隸屬度賦值表模糊控制規(guī)則的確定模糊控制是一種語言控制，其控制規(guī)則可用以下語言描述：（4-1）模糊關(guān)系R為：（4-2）其中A一溫差E的模糊值：B一溫差變化率EC的模糊值；C一輸出頻率U的模糊值。將模糊控制規(guī)則制成表格如表5-4。UECPHPLZONLNHEPBPEPHPMPLZOPSPHPMPLZONLZOPMPLZONLNMNSPLZONLNMNHNBZONLNMNHNE表4-4溫度模糊控制器模糊推理規(guī)則表根據(jù)控制經(jīng)驗取得的模糊控制規(guī)則進行模糊推理，得到輸出頻率的模糊變量的隸屬度。本系統(tǒng)采用強度轉(zhuǎn)移法進行模糊推理，輸出頻率模糊變量的隸屬度取輸入模糊變量隸屬度其中的最小值。即（4-3）模糊溫度控制器的反模糊化即對模糊推理所得的模糊控制量進行模糊判決，把模糊變量及隸屬度轉(zhuǎn)化為精確的輸出頻率的過程。由e和分別經(jīng)過模糊推理后，得到輸出頻率模糊變量隸屬度，采用重心法進行反模糊化，因此輸出頻率的精確值“可由下式得出：（4-4）式中C為i個頻率模糊變量隸屬度，α為第i頻率模糊變量中心值。模糊控制器的軟件框圖根據(jù)溫度模糊控制器的框圖，其軟件編制分為室內(nèi)溫度檢測程序、溫差和溫差變化率模糊化程序、模糊推理程序和反模糊程序。室內(nèi)溫度檢測程序?qū)κ覂?nèi)溫度進行采集，求取溫差變化率。模糊化程序?qū)z測到的溫度值轉(zhuǎn)換到整數(shù)論域，根據(jù)模糊變量賦值表變成對論定時器初始化定時器初始化開定時器中斷是否中斷溫度采樣子程序模糊化程序模糊推理子程序反模糊化子程序輸出頻率控制變量開始 NY圖4-2模糊溫度控制程序流程圖域上的模糊集即求出所對應(yīng)的模糊狀態(tài)的隸屬度。模糊推理的過程也就是根據(jù)輸入按圖4-2確定的規(guī)則求輸出的過程。采用重心法把推理得到的頻率模糊變量轉(zhuǎn)化為精確的頻率?；谀：评淼淖哉{(diào)器PID控制器與傳統(tǒng)的PID控制方法比較，模糊控制具有許多優(yōu)點，特別適合與那些難以建立精確的數(shù)學(xué)模型、非線性和大滯后的過程，因而模糊控制在當(dāng)今得到人們的極大重視并有了迅速的發(fā)展。然而一些專家和學(xué)者經(jīng)深入研究比較后指出，模糊控制并不是代替，而只是擴展了傳統(tǒng)的控制。在一些實際過程中，人們也常把模糊控制(Fuzzy)與PID控制結(jié)合在一起。簡易FuzzyPID控制器以及在線自調(diào)整FuzzyPID控制器具有設(shè)計簡單．動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好。抗干擾能力強、適用于線性和非線性系統(tǒng)最優(yōu)控制的一系列特點，又由于采用線性分檔，故對偏差、偏差變化、偏差和以及控制量的量化等級數(shù)能夠取得任意大而不增加控制器算法的復(fù)雜性。所有這些都是基本FuzzyPID控制器所不具備的。另外，經(jīng)過尋優(yōu)確定控制器參數(shù)之后，其模型只用幾個簡單解析式便可完全描述，故用于在線確定控制作用的時間很短，實時性很強。對于這類Fuzzy控制器，還由于不需要在計算機內(nèi)存儲查詢表，故控制算法占用機器內(nèi)存也很少，因此具有較強的實用性。PID控制器參數(shù)自整定原則一般，PID控制器的控制算式為：（4-5）針對不同的e和人們總結(jié)出了一套，，的整定原則：1)當(dāng)IeI較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的與較小的，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，一般取KI=0；當(dāng)leI和IECI中等大小時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取得小些。在這種情況下，的取值對系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得小一些，墨的取值要適當(dāng)。當(dāng)IeI較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，如與墨均應(yīng)取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng)Il較大時楊可取得小些；II較小時腸可取大一些。根據(jù)要求，用于PID參數(shù)調(diào)整的模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。該控制器是以IeI和II作為輸入，以,,作為輸出。輸入語言變量e和的論域均為{-6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6}輸出語言變量的論域均為{0，1，2，3，4，5，6)建立模糊規(guī)則表，根據(jù)以上所述的PID參數(shù)調(diào)整原則能夠得到輸出變量，，的控制規(guī)則如下表所示。NBNMZOPMPBeNBMBBBMNMSSMSSZOSMBMSPMSSMSSPBMBBBM表4-5的模糊控制規(guī)則表NBNMZOPM PBeNBZZZZZNMSMMMSZOMMBBMPMSMMMSBZSZZZ表4-6的模糊控制規(guī)則表NBNMZOPMPBeNBSSZSSNMMMSMMZOSMBMSPMMMSMMPBSSZSS表4-7的模糊控制規(guī)則表模糊控制器的仿真控制器壓縮機控制器壓縮機空調(diào)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換低通濾波溫度+頻率功率環(huán)境室溫—圖4-3控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在建立數(shù)學(xué)模型時，考慮到房間的模型很難精確地描述，根據(jù)MATLAB仿真軟件中的模型例子，結(jié)合實際控制時對象的反應(yīng)特征，將控制對象(壓縮機+空調(diào)器+空調(diào)房間)簡化為由集中參數(shù)和純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其傳遞函數(shù)為：（4-6）式中為室內(nèi)溫度(℃)；f為運轉(zhuǎn)頻率(Hz)；T為時間常數(shù)(S)；k為放大系數(shù)(C/Hz)；溫度采樣時間間隔為10s。這部分的仿真工作中，使用MATLAB仿真軟件中的模糊仿真工具箱(FuzzyToolBox)對模糊控制器進行仿真。