變頻控制技術(shù)在模糊控制空調(diào)器中的應(yīng)用

1、?智能控制研究？第14卷第2期鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)V 01 .14 N 0 .21999年 6 月 J0U RNAL O FZH EN GZH0U I N ST ITU TE O F L IGH T I NDU STRY Jun .1999 變頻控制技術(shù)在 模糊控制空調(diào)器中的應(yīng)用鄭安平HE鄭州輕工業(yè)學(xué)院控制工程系鄭州 450002摘要在傳統(tǒng)空調(diào)器的基礎(chǔ)上，研制出了基于變頻技術(shù)的模糊控制空調(diào)器.該 控制器選用東芝公司的高性能8位單片機(jī)TM P 88CK 48 C M 48和IP M模塊共同構(gòu)成控制 電路,軟件設(shè)計(jì)的核心部分壓縮機(jī)變頻控制模塊采用面積等效法生成正弦脈寬調(diào)制 波，通過模糊邏輯控制使系統(tǒng)

2、具有了自調(diào)整的智能特性 ，壓縮機(jī)能根據(jù)室內(nèi)對(duì)冷（熱量 需求的不同，連續(xù)地、動(dòng)態(tài)地、實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)空調(diào)器在室溫波動(dòng)時(shí)壓 縮機(jī)工作狀態(tài)頻繁切換的弊端.關(guān)鍵詞 變頻調(diào)速;空氣調(diào)節(jié)器;模糊控制；壓縮機(jī);正弦脈寬調(diào)制中圖分類號(hào) T P 271.50引言傳統(tǒng)空調(diào)器的溫度控制是通過溫度傳感器感受室內(nèi)溫度變化來控制壓縮機(jī)的運(yùn) 行和停止的，風(fēng)扇則在設(shè)定的速度下工作，這會(huì)造成受控環(huán)境溫度變化較大，使人們?cè)?使用空調(diào)時(shí)仍不斷感受到冷熱的變化.此外,壓縮機(jī)的ON O FF控制方式及空調(diào)器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使室內(nèi)機(jī)的輸出與壓縮機(jī)的輸出相比有一定的滯后性，而且壓縮機(jī)處 于全開或全關(guān)狀態(tài)，其制冷（熱量也對(duì)室內(nèi)溫度有

3、較大影響，這些勢(shì)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(cè)定的實(shí)際環(huán)境狀態(tài)和空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)與人們所期望達(dá)到的設(shè)定狀態(tài)進(jìn)行比較，通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(dòng)態(tài)控制參數(shù)，并對(duì)空調(diào)器的變頻電源 及各執(zhí)行單元實(shí)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(dòng)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(duì)室外機(jī)的要求是，壓縮 機(jī)能根據(jù)室內(nèi)需要的冷（熱量不同，連續(xù)地、動(dòng)態(tài)地、實(shí)時(shí)地調(diào)整其制冷（熱量.1空 調(diào)器室外機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求普通壓縮機(jī)通常不適于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而變頻空調(diào)器要求壓縮機(jī)能在很大范圍內(nèi)調(diào) 速，以便寬范圍調(diào)節(jié)壓

4、縮機(jī)的制冷（熱量.因而變頻式空調(diào)器壓縮機(jī)應(yīng)選用具有極高的 頻率、極低的噪音、頻率范圍達(dá)15H z 150H z的雙轉(zhuǎn)子變頻壓縮機(jī)或渦旋式變頻 壓縮機(jī).變頻空調(diào)器要求壓縮機(jī)控制系統(tǒng)在空調(diào)器開始運(yùn)行時(shí)，能夠緩慢提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 速，避免大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊；室溫與設(shè)置溫度相差過大時(shí)，壓縮機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下工作， 此時(shí)制冷量最大；室溫與設(shè)置溫度相差較小時(shí)，壓縮機(jī)在較低的頻率下工作，使制冷量 減小.空調(diào)器對(duì)壓縮機(jī)頻sSS本文收到日期：1998212221河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（984061600號(hào)率的要求是20H z 120H z .2室外機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)室外機(jī)主要完成以下功能：1綜合室內(nèi)制冷數(shù)據(jù)，從串行通信

5、口接收數(shù)據(jù)，對(duì)壓縮 機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速；2根據(jù)室內(nèi)機(jī)傳送的數(shù)據(jù)控制電子膨脹閥;3檢測(cè)室外環(huán)境溫度、冷 凝器溫度、壓縮機(jī)溫度和壓縮機(jī)工作是否正常，并將數(shù)據(jù)回送給室內(nèi)機(jī)；4控制室外 機(jī)雙速風(fēng)扇電機(jī).室外機(jī)控制系統(tǒng)主要由主電路、控制電路構(gòu)成，其電路原理如圖1所示.+電子膨脹閥圖1控制系統(tǒng)電路原理圖N P W V U K A 3K A 2K A 1Vcc 繼電器220V 壓縮機(jī) P M 20CT M 060C 1F OT LP550MC1413T M P88CK48/C M 48+5VTH 1TH 2TH 3R 2R 316MHz C 3C 4R 4+5V去室內(nèi)機(jī)REST RXD TXD XOUT X I

6、 N A I N 12A I N 11A I N 10P 36P 35P 34P 33P 32P 31P 30E M G W 1V 1U 1W 1V 1U 12.1 主電路方案設(shè) 計(jì)為使用戶使用方便，整流部分采用不可控整流電路，整流元件選用二極管，簡(jiǎn)單可靠.逆變器件選用絕緣晶體IGBT .它是VDM O S與雙極晶體管的組合器件，集M OSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng) 電路簡(jiǎn)單的長(zhǎng)處，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)，適合于電機(jī)控制.在整流電路和逆變電路中間接有濾波電路和過流保護(hù)電路.在電源進(jìn)線處串接電抗 器，減少了室外機(jī)上電時(shí)對(duì)直流側(cè)濾

7、波電容的沖擊.逆變電路采用以IGBT為功率器 件的新型智能模塊，即IP M模塊.這種功率模塊將輸出功率元件IGBT和驅(qū)動(dòng)回路、 保護(hù)回路集成在一起，具有防止過電流和過熱的功率回路保護(hù)、負(fù)載側(cè)故障保護(hù)、 誤操作保護(hù)、短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電壓下降保護(hù)等功能2.2控制電路方案設(shè)計(jì)變頻調(diào)速的關(guān)鍵是如何產(chǎn)生 SP WM控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開關(guān)器件IGBT .硬件組成通常采用微處理器（單片控制機(jī)、全數(shù)字式 P WM調(diào)制器、微處理 器和集成電路相結(jié)合3種方法.控制電路只有配以適當(dāng)?shù)能浖拍芰己玫貙?shí)現(xiàn)對(duì)逆 變電路的控制，通過對(duì)各種方案的分析比較后，筆者確定智能變頻空調(diào)的控制電路為 單片機(jī)+IP M控制電路

8、.單片機(jī)為東芝TL CS -870 X系列高速高性能的8位單片機(jī)TM P 88CK 48 C M48.它是一種非常適合空調(diào)器壓縮機(jī)等電機(jī)的控制芯片，內(nèi)部設(shè)有無傳感器 帶傳感器 的直流電機(jī)控制器，交流電機(jī)變頻控制器以及10位A D變換器，高速P WM，串行接 口等.其最小指令時(shí)間為0.25 A s|晶振16M H z .? 81?鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)1999年圖1中A I N 10A I N 12是10位的A D轉(zhuǎn)換接口 ,用于采集室外溫度、冷凝器溫度和壓縮機(jī)溫度信號(hào).傳感元件使用熱敏電阻.TXD ,RXD為標(biāo)準(zhǔn)異步 接口，用于與室內(nèi)機(jī)通信.P 36P 34的信號(hào)經(jīng)繼電器放大后，控制四通閥和雙速風(fēng)

9、扇 電機(jī),P 30P 33則用于步進(jìn)電機(jī)控制電子膨脹閥.P 0 口的U 1,V 1,W 1和U?1,V ?1,W 1為三相驅(qū)動(dòng)脈沖波形輸出,輸出信號(hào)通過光耦TL P 550隔離后進(jìn) 入IP M模塊P M 20CTM 060.IP M模塊有一個(gè)故障信號(hào)引出端，經(jīng)光耦隔離后送單 片機(jī)E M G緊急停車輸入端.此端子為低電平有效，當(dāng)IP M發(fā)生故障時(shí),E M G輸入電平為低，則單片機(jī)的三 相脈沖輸出端立即禁止輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷；即使外部故障信號(hào)消失，三相輸出脈 沖仍被禁止，并由軟件來解除.3室外機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)室外機(jī)控制系統(tǒng)的軟件可分為壓縮機(jī)變頻控制模塊、與室內(nèi)機(jī)的通信模塊、信 號(hào)采集控制輸出

10、三大模塊.其中變頻控制模塊是室外機(jī)控制系統(tǒng)的核心3.1 SP WM信號(hào)的生成方法典型的SP WM信號(hào)的生成方法有自然采樣和規(guī)則采樣兩種.其基本原理是：三 角波和正弦波的交點(diǎn)時(shí)刻可轉(zhuǎn)化為一個(gè)采樣周期內(nèi)對(duì)輸出脈沖寬度時(shí)間及間隙時(shí)間 的計(jì)算，由計(jì)算機(jī)完成,時(shí)間的改變則可通過定時(shí)器來完成.自然采樣P WM法能真實(shí) 地反映上述控制思想，但算法是一個(gè)超越方程，需用計(jì)算機(jī)迭代求解，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，而 單片微機(jī)處理速度較慢，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制.若事先計(jì)算好大量的PWM脈沖間隔數(shù) 據(jù)，然后存入EPROM中，用查表的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算就可輸出相應(yīng)的脈沖.但這樣 需存貯的數(shù)據(jù)量大，不靈活,特別是頻率變化范圍寬時(shí)將占用大

11、量?jī)?nèi)存，不太現(xiàn)實(shí).考慮 到真正的自然采樣法難以實(shí)現(xiàn)，筆者采用了等面積法.該法具有與自然采樣法相同的 精度，但計(jì)算比較簡(jiǎn)單.圖2面積等效SP WM法U max t 1+?tt 1t t ?i U S 3.2 面積等效生成SP WM法變頻空調(diào)器工作頻率范圍為 20H z 120H z ,采用軟啟動(dòng)瀕率從3H z開始逐漸上升.從 0.25開始逐漸調(diào)高調(diào)制度M ,頻率為120H z時(shí),M =1.P WM波產(chǎn)生的原理是，在每小 段內(nèi)P WM波的幅值同脈寬的乘積與正弦波在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的面積相等.任何一個(gè)開關(guān)點(diǎn)的計(jì) 算都遵循這一原則，如圖2所示.在圖2中任取正弦波中的一個(gè)小區(qū)間t ,t +? t ,要求產(chǎn)生的

12、P WM脈沖面積S 2與相應(yīng)的正弦波面積S 1相等,設(shè)脈沖 高度為U S，則正弦波面積為 S 1=M U S/ t?4 t sin S t d t =MS U S- co sS tco s S (?+矩形波面積為S 2=?i U S ,根據(jù)S 1=S 2可得?i =M s co s K ncos (K +1 nN =M 2 nf cos K -nos (K +1 nN式中U S為直流電源電壓;M =U m ax U S ;U m ax為正弦波峰值電壓;K為N 次采樣中的第K次采樣;N為半周期內(nèi)對(duì)正弦波的采樣次數(shù).因此,逆變功率元件IGBT的開關(guān)時(shí)間為91? 第2期鄭安平：變頻控制技術(shù)在模糊控制

13、空調(diào)器中的應(yīng)用ton =12(? t -?it off =12(? t +?i為使IGBT正常工作必須保證高低電平時(shí)間均大于 10A s三相的SPWM只需改變計(jì)算的起始值,A ,B ,C三相的相位差各差120°.逆變器輸出正弦波電 壓基波幅值U 1m與脈寬?i成正比，改變?i就可改變正弦波基波幅值.采用分段同步 調(diào)制方式，不同頻率段采用不同的N值，頻率越低,N值越大.3.3軟件編程TM P 88CK 48 C M 48的內(nèi)置可編程電機(jī)驅(qū)動(dòng)(P M D功能，使得單片機(jī)輸出根 據(jù)等面積法生成的P WM來控制逆變電路更加容易.單片機(jī)內(nèi)置的變頻控制也是基 于脈寬調(diào)制技術(shù)通過硬件實(shí)現(xiàn)的.三相波

14、輸出模塊可產(chǎn)生頻率相同的 3個(gè)獨(dú)立的P WM波形.通過軟件設(shè)置P MD控制寄存器M DCR ,可選擇三角波調(diào)制模式或鋸齒波調(diào)制模式.輸出的P WM的 頻率由P M D周期寄存器M D PRD決定.在三角波調(diào)制模式下P WM輸出頻率為P WM頻率二外部振蕩頻率f C (4 MD PRD寄存器設(shè)置值只要改變M D PRD寄存器設(shè)置值，就能方便地改變調(diào)制波的頻率.調(diào)制波的產(chǎn) 生依賴于內(nèi)部的P M D計(jì)數(shù)器，它是16位的加 減計(jì)數(shù)器.在三角波P WM調(diào)制模式下，波形產(chǎn)生過程如下：當(dāng)P M D計(jì)數(shù)器停止時(shí),P M D 周期寄存器M D PRD值裝載到P M D計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)比較寄存器中；當(dāng)由軟件修改PM

15、D控制寄存器M D 2CR ,使三相P WM輸出允許時(shí),P M D計(jì)數(shù)器開始起動(dòng)，進(jìn)行 減1操作;當(dāng)P M D計(jì)數(shù)器值減到0001H，計(jì)數(shù)器結(jié)束減1計(jì)數(shù)，然后P M D計(jì)數(shù)器 開始從0001H加1計(jì)數(shù);當(dāng)P M D計(jì)數(shù)器值與計(jì)數(shù)比較寄存器值相等時(shí)，停止加1計(jì) 數(shù),同時(shí)產(chǎn)生重裝載信號(hào),P M D周期寄存器M D PRD值重裝入P M D計(jì)數(shù)器,P MD計(jì)數(shù)器開始減1計(jì)數(shù),重復(fù)上述過程即可產(chǎn)生三角波.在輸出P WM波形時(shí)可產(chǎn)生中斷,而且P WM中斷頻率是可設(shè)置的,所以，通過 設(shè)置P M D控制寄存器M DCR ,可選擇每半個(gè)、每1個(gè)、每2個(gè)或每4個(gè)P WM 周期中斷一次.如果P WM中斷設(shè)置為每半

16、個(gè)P WM周期中斷一次，則每半個(gè)P WM 周期就會(huì)產(chǎn)生一次將P M D周期寄存器M D PRD值送入計(jì)數(shù)比較寄存器和P M D 計(jì)數(shù)器的重裝信號(hào)，否則重裝信號(hào)每P WM周期產(chǎn)生一次.由于M D PRD和計(jì)數(shù)比 較寄存器是雙緩沖結(jié)構(gòu)，因而P M D周期寄存器M D PRD每個(gè)P WM周期內(nèi)都可 進(jìn)行修改.由此可得出結(jié)論：要改變P WM的調(diào)制頻率，只要修改P M D周期寄存器M DPRD即可.輸出P WM波形有DC模式和A C模式兩種，在變頻調(diào)速場(chǎng)合，僅使用AC模式.選擇A C模式時(shí)，通過設(shè)置互相獨(dú)立的三相 P M D比較寄存器C M PU ,C MPV和C M P W ,可改變輸出P WM的脈沖

17、寬度.C M PU ,C M PV ,C M P W 各相對(duì)應(yīng)一個(gè)緩沖區(qū) C M PU -BU F ,C M PV -BU F和C M P W -BU F ,為雙緩沖寄存器，其中三個(gè)緩沖區(qū)中的內(nèi)容不能讀出也不能寫入 只在每個(gè)P WM周期中自動(dòng)地由C M PU ,C M PV和C M P W裝載到相對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū).相對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)的值與P M D計(jì)數(shù)器值經(jīng)比較器比較，使輸出P WM波形的頻 率與P M D周期寄存器值相對(duì)應(yīng)，其脈沖寬度與C M PU ,C M PV和C M P W相對(duì) 應(yīng)因此，若改變P M D比較寄存器中的值，也就改變了輸出P WM的脈沖寬度.綜上所述，室外機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)如下：1與室

18、內(nèi)機(jī)的通信和數(shù)據(jù)采集采取周期循環(huán)方式2由于采用分段的同步調(diào)制方式，為了提高調(diào)制頻率，脈沖寬度的計(jì)數(shù)采取查表 與計(jì)算機(jī)處理相結(jié)合的方式，因而在每個(gè)分段中設(shè)置了余弦表格和與頻率相對(duì)應(yīng)的常數(shù)表格.設(shè)余弦表? 02?鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)1999年圖3P WM中斷服務(wù)程序流程圖調(diào)用計(jì)算脈寬子程序查表指針指向C相調(diào)用計(jì) 算脈寬子程序查表指針指向B相中斷返回調(diào)用計(jì)算脈寬子程序查表指針指向A相計(jì)算C M / nf送 A,B,C三相脈沖前沿給C M PU,C M PV,C M P W開始格中第n個(gè)數(shù)為D n，則P WM波形中第n個(gè) 脈沖寬度為 ?i =(CM nf X D x-D x (n +1其中C為系數(shù)，而與

19、頻率相對(duì)應(yīng)的常數(shù) 表格的表達(dá)式為CMnf .3由于SP WM算法采用等面積法，在每個(gè)調(diào)制波周期中的脈沖是對(duì)稱的，因此脈沖前沿和后沿的寬度在一個(gè)周期內(nèi)僅計(jì)算一次即可，故每一個(gè)P WM周期中斷一次.室外機(jī)控制軟件的主程序流程圖略.P WM中斷服務(wù)程序流程如圖圖4脈沖寬度計(jì)算子程序流程圖返回計(jì)算t on計(jì)算?i根據(jù)指針取余弦表開始3所示，脈沖寬度計(jì)算子程序流程如圖4所示.4結(jié)論利用高速、高性能的8位單片機(jī)和IP M智能模塊,構(gòu)成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的空調(diào)器變頻控制器，同時(shí)通過軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)器室外機(jī)的綜合控制.空調(diào)器室外機(jī)控制板具有尺寸小、可靠性高、價(jià)格低等特點(diǎn)，有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，很適合于家用電器應(yīng)用領(lǐng)域.參考文 獻(xiàn)1陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,1992.203-212A 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