變頻空調電控系統簡介

摘要：介紹空調變頻器的SPWM原理，并以西門子專用單片機C504構成的電控系統為例，說明變頻空調器電控系統的基本結構、實現方法及關鍵技術。

Abstract: This paper introduces the principle of air- conditioner transducer′ s SPWM and explains its electronic- controlled system′ s basic structure, implementing method and pivotal technique by a electronic- controlled system being made of single- chip C504, produced by SIEMENS .

關鍵詞：專用單片機SPWM變頻

Keywords: Special single- chip， SPWM， Frequency conversion

1引言

空調系統目前已經廣泛地應用于生產、生活中。隨著能源的日趨減少，大氣污染愈加嚴重，節能已是1個不容忽視的問題。眾所周知，變頻空調是1種集節能、舒適、靜噪于一體的新型產品，它剛一問世，就顯示出強大的生命力，可以預料，下世紀的空調將會以更快的步伐實現變頻化。變頻空調結構如圖1所示。

圖1變頻空調電控系統示意

圖2C504內部結構圖

其中室內部分接收遙控器送來的控制信息，并根據室內空氣溫度、熱交換器溫度以及室外機送來的狀態信息，經過模糊推理，向室外機送出控制信息，包括：變頻壓縮機運行頻率、四通閥狀態等。室外機根據室內機送來的控制信息，產生SPWM波形，驅動壓縮機在相應的頻率上運轉。在運轉控制過程中，隨著室外溫度的不同、壓縮機排氣溫度的變化以及發熱器件溫度的變化自動調整運行頻率，使壓縮機始終處于最佳運行狀態。同時室外機還不斷檢測電流、電壓的變化，檢測短路、過電壓、欠壓等故障的發生，及時采取保護措施，以保障控制系統的良好運行。

研制的新型變頻空調電控系統中，室內機、室外機的各種控制功能都是由SIEMENS公司生產的專用單片機C504完成的。該類單片機除了一般單片機的通用功能外，還有1個專門用來驅動三相交流變頻壓縮機和無刷無傳感器的直流壓縮機的CCU單元，功能強大，性能好，編程方便。

2C504中CCU工作原理

一般變頻空調壓縮機分三相交流變頻和直流變頻兩種。C504單片機對這兩種類型的壓縮機都可以驅動，僅僅是編程方法不同而已。

圖2為C504內部結構框圖。圖中可看出C504由CPU,CCU及異步通信等3部分組成，其中CPU部分和8051完全兼容。CCU部分是其最有特色的獨立單元，它包括有獨立的定時器、比較器、分頻器和寄存器等，可脫離CPU獨立工作，其目的是產生頻率可變的三相正弦交流電。

2.1周期和偏置量的計算

假設脈寬調制頻率為20kHz，即fPWM=20kHz，這就意味著fPWM的比較定時器1每隔50μs產生一次中斷，在其中斷服務程序中形成新的脈沖寬度值，存入比較寄存器之中。由于依時間而變的脈沖序列的脈寬要符合正弦波形的要求，因此實時計算脈寬是不可能的。最通用的方法是在內存建立一個正弦表，在中斷服務程序執行過程中周期地讀出，送到比較寄存器中，以便形成SPWM波形。在設計中，我們把確定PWM周期的比較定時器1設置成模式1狀態，即所

圖3一組PWM波形(帶死區)形成原理

謂雙邊調制狀態。這時定時器1正向計數滿后，立即反向計數，下溢出后提出中斷請求。因之置入定時器1的值N可按下式計算(假設fOSC=40MHz，fPWM=20kHz);

N=fOSC/(預分頻數×fPWM×2)

=40MHz/(4×20kHz×2)=250

式中預分頻數是為滿足不同頻率而設置的。計算得到的N值送入周期寄存器，就可以達到fPWM=20kHz的目的。

死區時間計算的方法如下：由于fOSC/預分頻數=0.1μs，假設需要1μs死區時間時，則需偏移量為：

偏移量=(死區時間×fOSC)/預分頻數

=(1μs×40MHz)/4=10

2.2正弦波形成原理

CCU的PWM有單邊調制和雙邊調制兩種，通過初始化設置，可以任意選擇。本文只討論諧波量比較小的雙邊調制。三相SPWM波形的產生，是由軟件配合CCU內部復雜的硬件結構確定的。脈沖寬度取決于SPWM比較寄存器所存儲數據值的大小，這6個寄存器(均為16位)共分3組，分別定義為CCL0,CCH0,CCL1,CCH1,CCL2,CCH2，而且3組相互獨立。在每個SPWM周期之前，都由CPU經過正弦表查得，并存入這些寄存器中。若內部定時器1的計數值超過寄存器的值，則對應的輸出端口被觸發，從而輸出1組極性相反的PWM矩形波(其占空比取決于比較器中的值)，見圖3。每次內部定時器反向計數結束時，產生下溢中斷請求，開始新1個PWM周期，并在中斷服務程序中產生相應參數。上下橋臂之間的死區的大小，由信號的偏移量決定，該值存于偏置量寄存器中，定義為CT10FX，1個橋臂的驅動波形形成過程如圖3所示，一旦周期值(輸入到比較定時器1中)、偏移量、3個比較器的值已經輸入，當專門用于對比較器定時的內部定時器1被激活后，CCU在沒有CPU干預的情況下，獨立運行，產生3組獨立的PWM脈沖，脈沖寬度值依據置入比較器的值而定。

圖4正弦波電流的形成