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数字多联变频空调控制与检测系统设11 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途电子科技大学 毕业设计（论文）论文题目: 数字多联变频空调控制与监测系统设计 教学中心：电子科技大学网络教育学院 指导老师:宋 伟 职 称：高级工程师 学生姓名:李东东 学 号:V08700742105专 业:电子信息工程 电子科技大学网络教育学院制 2010年10月20日摘要针对居民对住房环境的改善，空调要求的逐渐提高，设计了一套功能强大的数字电机控制与检测系统,可根据实际需要选择控制交流感应电机或直流无刷电机，其中交流电机采用矢量SVPWM技术，而直流无刷电机采用无位置传感器的反电势过零检测技术，并采用优化PWM技术,提高电机效率，抑制谐波。并可根据需要扩充检测系统，检测系统运行中的各项数据,并与Pc通信将数据传送到Pc进行处理和分析,以利于系统的改进和优化。针对制冷系统具有滞后大、非线性的特点，采用模糊逻辑PID控制技术运用不确定不精确的模糊信息来决策实现成功的控制.对系统压缩机转速的控制和电子膨胀阀开度的控制都采用FuzzyPID复合控制，当误差较大时采用模糊控制，而误差较小时采用PID控制，从而既保证动态响应效果,又能改善稳态控制精度，使模糊控制器和PID调节器共同合成控制作用.并对变频空调单片机测控系统进行了抗干扰设计关键词:变频空调。变频器。模糊控制。PID控制。单片机控制。系统仿真。空调温度检测。Abstract Housing for the residents to improve the environment， a gradual increase in airconditioning requirements， design a set of powerful digital motor control and detection system can be based on actual need to select the control AC induction motor or brushless DC motor， AC motor in which the use of vector SVPWM technique , and the use of brushless DC motor sensorless back-EMF zero crossing detection and the use of optimized PWM technology to improve the electrical efficiency of harmonic suppression。 And in accordance with the need to expand the detection system， detection system in the operation of the various data and communication with Pc to Pc data to be processed and analyzed in order to facilitate system improvement and optimization。 Refrigeration system has lagged behind for large， nonlinear characteristics, the use of fuzzy logic PID control technology using fuzzy uncertainty inaccurate information to decision-making to achieve successful control.Housing for the residents to improve the environment， a gradual increase in airconditioning requirements, design a set of powerful digital motor control and detection system can be based on actual need to select the control AC induction motor or brushless DC motor， AC motor in which the use of vector SVPWM technique , and the use of brushless DC motor sensorless back-EMF zero crossing detection and the use of optimized PWM technology to improve the electrical efficiency of harmonic suppression. And in accordance with the need to expand the detection system， detection system in the operation of the various data and communication with Pc to Pc data to be processed and analyzed in order to facilitate system improvement and optimization. Key words： inverter air conditioner data detection converter fuzzy control PID control singlechip microcomputer control system simulation air conditioner temperature detection本文为互联网收集,请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途目 录第一章 绪言4第二章 测试测量技术 4第三章 系统结构 5第一节 开关电源电路 6第二节 电源滤波器电路 6第三节 直流压缩机位置检测电路 7第四节 空调温度检测电路 7第四章 变频空调单片机测控系统的抗干扰设计13第一节 系统设计问题 13第二节 变频空调设计及应用 14 第三节 变频空调的优点17结束语 19谢辞 20参考文献 21第一章 绪言随着空调器使用的日益普遍,人们更加重视空调器性能的提高。变频式空调器以能效比高、调温快、使用舒适、节能显著的特点，一出现就受到人们的青睐，特别是应用了模糊控制技术，使其显出更加突出的优势。目前国内空调器市场的竞争日益激烈，若想在激烈的市场竞争中占有一席之地,就必须具有舒适、节能、能效比高等特点，研制具有低成本的节能变频空调也就成为了未来空调市场的发展趋势. 本课题设计了变频空调器的电气控制系统，电控系统的作用是根据房间温度的变化以及用户的要求去控制空调器的运转部件压缩机和风扇电机等,使室温合乎理想要求。电控系统分为室内机和室外机两部分设计。室内机、室外机各用一个单片机进行控制,二者通过通讯线进行通讯，以传递和交换信息。室内机主要包括遥控器信号的接收电路，室内温度的检测电路，风扇电机控制电路和风门步进电机控制电路等，室内机的作用是完成温度的检测和温度的模糊控制运算等，对各部分电路进行控制，把空调器产生的冷空气或热空气传到室内的不同区域，实现均匀调节房间温度的目的.室外机包括变频器电路、风扇控制电路、四通阀控制电路、温度检测电路和保护电路等。变频器电路采用智能功率模块，利用专用单片机对其进行控制，使变频电路结构简洁、性能可靠。室外机的作用是对室内机送来的控制信号进行分析,根据室外机的工作状态，通过变频器对压缩机转速进行控制，从而达到制冷或制热功率的调节，并对室外风扇电动机、电磁四通阀进行控制，对各种保护电路予以监测.然后在硬件电路设计的基础上，编制了室内、外机的系统控制软件。最后进行了系统的软硬件调试，从而完成整个电控系统的设计. 由于室温控制系统具有大滞后、时变性、非线性等特点，精确数学模型难以建立,传统PID控制方法效果差.所以选定模糊控制方案，设计了二维模糊温度控制器。然后针对常规模糊控制器主观性较强的缺点,提出了一种适于实时控制的模糊PID温度控制器，并通过仿真验证了这一方法的合理性。 本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途第二章 测试测量技术变频系统以其节能和舒适的特性优势已成为空调市场上的主流，且随着其技术的深入，一拖二、一拖多系统也大量出现使变频产品更加成熟和全面.在随着居民的生活水平的提高，住房环境的改善,每户对空调的需求要求越来越高，传统的单体一拖一空调由于安装不便，破坏居住环境的美化。针对这一问题，设计了一套功能强大的数字电机控制与检测系统，可根据实际需要选择控制交流感应电机或直流无刷电机，其中交流电机采用矢量SVPWM技术，而直流无刷电机采用无位置传感器的反电势过零检测技术，并采用优化PWM技术，提高电机效率，抑制谐波.在制冷系统中的节流采用电子膨胀阀，用Fuzzy PID算法对电子膨胀阀开度和压缩机转速进行控制,从而使系统控温精度高,制冷效率高，功耗低。并可根据需要扩充检测系统，检测系统运行中的各项数据，并与Pc通信将数据传送到Pc进行处理和分析，以利于系统的改进和优化。 针对制冷系统具有滞后大、非线性的特点，存在很多不确定的外界因数，难以建立准确的数学模型，不能很好地控制。采用模糊逻辑PID控制技术可以模仿人的思维方法,运用不确定不精确的模糊信息来决策实现成功的控制。对系统压缩机转速的控制和电子膨胀阀开度的控制都采用FuzzyPID复合控制，当误差较大时采用模糊控制，而误差较小时采用PID控制，从而既保证动态响应效果，又能改善稳态控制精度，使模糊控制器和PID调节器共同合成控制作用。PID基本算法的基本思想是：控制器的输出是与控制器的输入（误差）成正比，与输出的积分成正比和与输入的导数成正比的这三个分量之和。第三章 系统结构本系统为一个多联空调控制与检测系统,系统有一个室外热交换器和N个压缩机（根据需要可采用两个压缩机）,具有三台及三台以上的室内侧装置。本次开发的基于DSP56F805的数字多联变频空调控制与检测系统主要针对三台室内机（50、25A、25B)的系统。频压缩机可根据需要选择交流、直流变频压缩机,两个PWM模块中的PWMA控制压缩机电机，可为交流感应电机或直流无刷电机，而PWMB用来控制室外风机电机，也可为交流感应电机和直流无刷电机。并可根据需要在外界EEPROM中设定电机类型参数、控制参数等。室内侧流量的分配通过调节各个室内机对应的电子膨胀阀开度，即电子膨胀阀的步进电机的运行步数来控制,使其达到最佳节流效果提高整个系统的运行效率.在制冷工况下，旁通电子膨胀阀关闭，在制热工况下，由于电子膨胀阀本身的泄密性,需调节旁通电子膨胀阀来辅助各室内机对应电子膨胀阀的节流。在系统中DSP据各室内机的运行状况和检测温度，并根据室外侧的运行状况和检测温度来确定整个系统的运行，并确定故障和保护运行处理。室内机电子膨胀阀25A室内机电子膨胀阀25B室内机电子膨胀阀旁通电子膨胀阀速，同时也可以跟据室内外机的运行情况，调节电子膨胀阀的开启度、自动调节制冷剂流量，使每台室内机流量分配均匀，提高整个系统的效率并完成与各室内机的数据交换。其硬件电路如图2，主要包括：开关电源电路、电源滤波器电路、直流压缩机位置检测电路、电流电压检测电路、外部开关信号检测电路、与室内机通讯电路、温度检测电路、电子膨胀阀驱动电路等。下图1为变频空调电控系统的示意图:第一节 开关电源电路根据系统设计要求,需要33V、5V、两路12V隔离电源。因此设计了一个开关电源电路.开关电源模块设计原理如下：220 V交流市电经过D1、D2、D3、D4整流滤波得到的直流电压,提供变压器初级绕组工作电压，开关电源起振后,开关电源次级输出电压由光耦Q1齐纳二极管Z1直接取样.电压值由齐纳二极管和光耦及电阻R66的压降决定，调整变压器匝数比和齐纳二极管的值，可以调整次级输出电压，这样系统芯片电源与强电通讯电路隔离，增加了系统抗干扰能力。测试测量技术第二节 电源滤波器电路室外机控制器由交流市电220 V通过接线端连到控制板的输入端,为了防止电机过流或电路意外短路造成更大损失，在输入端加上了30A的保险丝。电源输入后接了压敏电阻，以防止电源中包含的高压毛刺.在电路连接地时,加上了一个防止雷击的器件，以吸收由于雷击产生的瞬时高压。电抗滤波器主要滤初差模及共模干扰。经过EMC处理后,交流电进行全桥整流滤波，得到约300 V直流电压,提供开关电源模块及IPM驱动压缩机用。开关电源的工作频率约为100kHz.选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果.第三节 直流压缩机位置检测电路直流压缩机驱动的关键问题是转子位置检测,在这个系统中采用硬件电路处理感应反电动势的方法，确定位置信号.位置检测电路由星形叠加电路、分压移相电路、积分电路、滤波电路、比较器和箝位电路组成。由型号为LM339组成的比较器、以及由二极管D44一D47组成的箝位电路;该位置检测电路从端口检测直流无刷电机的感应电压，利用感应反电势过零点检测电机换相的位置，通过检测电路产生三相位置信号(PHASEA0、PHASEB0、INDEX0)，提供系统正确的电机换相时序.在实际使用中,关键要确定电路参数,调整位置信号换相点的延迟时间，使切换时冲击电流尽量减少，由此改善位置检测电路的稳定性、可靠性。第四节 空调温度检测电路根据系统设计的要求，室外部分需要检测电压、电流、室外环境温度、压缩机温度、盘管出口温度、盘管进口温度、盘管除霜温度、电子膨胀阀气管、液管温度。一共需要144-AD转换口，DSP56F805只有8个AD转换口，因此为了扩充AD口，加了一个串行AD转换芯片：MAX110CCP。电压、电流、室外环境温度、压缩机温度、盘管出口温度、盘管进口温度、盘管除霜温度的检测信号经过滤波后直接连接到DSP的AD转换口。控制芯片对采样到的温度信号进行软件滤波，剔除干扰，再进行非线性整定，得到所需要的温度值.硬件电路如图 41所示.根据工作电压的不同，整个系统可以分为三部分：微控系统、继电器控制和强电控制，分别工作于DC5V、DC12V和AC220V.整个主控板上有三种电压:AC220V、DC12V和DC5V。AC220V直接给压缩机、室外风机、室内风机和负离子产生器供电；AC220V经过降压,变为DC12V和DC5V，用于继电器和微控系统供电。供电系统如图43所示，AC220V先经过变压器降压，然后从插座J1输入，经过整流桥进行全波整流，通过电容C2滤波，得到DC12V,再经过稳压片7805稳压，得到DC5V。图中的采样点ZDS用于过零点的检测，二极管D1防止滤波电容C2 对采样点ZDS的影响。4。4 过零检测电路过零检测电路如图44所示,用于检测AC220V的过零点，在整流桥路中采样全波整流信号,经过三极管及电阻电容组成整形电路，整形成脉冲波，可以触发外部中断，进行过零检测.采样点和整形后的信号如图45所示。过零检测的作用是为了控制光耦可控硅的触发角,从而控制室内风机风速的大小。 图 4-4过零检测电路图内为内风机控制电路，U1为光耦可控硅，用于控制AC220V的导通时间，从而实现内风机风速的调节。U3的3脚为触发脚，由三极管驱动。AC220V从管脚11输入，管脚13输出，具体导通时间受控于触发角的触发.室内风机风速具体控制方法：首先过零检测电路检测到AC220V的过零点,产生过零中断；然后,在中断处理子程序中,打开Timer的定时功能,比如定时4ms，4ms后由CPU产生一个触发脉冲,经三极管驱动，从U3的3脚输入，触发U3的内部电路，从而使U3的管脚11和13的导通,AC220V给室内风机供电。这样，通过定时器的定时长度的改变可以控制AC220V在每半个周期内的导通时间，从而控制室内风机的功率和转速。当室内风机工作时,速度传感器将室内风机的转速以正弦波的形式反馈回来，正弦波的频率与风机转速成特定的对应关系，见下表所示。正弦波经过三极管整形为方波,CPU采用外部中断进行频率检测，从而实现对风速的测量。风速 高中低风机频率（Hz） 705030采用电流互感器L1检测火线上电流的变化情况。图中 L1为电流互感器,输出05mA的交流电。当电流突然增大时，电流互感器输出电流也随之增大，经过全桥整流、电流电压转换、低通滤波，从COD端输出直流电压信号.CPU通过对COD端电压的AD采集来感知AC220V电流的变化，当COD端的电压过高时，CPU可以对电路采取保护措施。采用电阻分压原理，CPU利用AD采集对7805前端的12V电压进行检测。当电网掉电后，AD端会采集到7805前端的12V电压的降低，由于7805输出端电容的存在,所以即使12V电压降低到6V，7805仍能提供5V电压使CPU正常工作, 此时,CPU立即将空调当前的运行参数保存在AT24C01里面。 压缩机、室外风机、四通阀和负离子产生器均由AC220V供电，所以通过继电器控制AC220V的通断便可以控制各个部分的运行。 R1为压敏电阻,用于过压保护.SI1为保险管.插座J2为AC220V输出端，外接变压器，将AC220V降压，降压后接到电源模块，分别得到DC12V和DC5V。继电器、峰鸣器和步进电机均由12V直流电压控制，U4为驱动芯片。NeglonC控制负离子发生器的继电器；ValveC控制四通阀的继电器；ComprC控制压缩机的继电器；Buzzer控制峰鸣器；A、B、C、D为步进电机的四相.图 411驱动电路3.11 断电记忆采用U5（AT24C01)作为串行存储芯片，保存电网断电前空调的运行参数。该芯片只需两根线控制：时钟线SCL和数据线SDA/Ion，存储器大小为1288 byte.第四章 变频空调单片机测控系统的抗干扰设计第一节 系统设计问题一、水泵在系统的设计位置：一般而言，冷冻水泵应设在冷水机组前端,从末端回来的冷冻水经过冷冻水泵打回冷水机组；冷却水泵设在冷却水进机组的水路上，从冷却塔出来的冷却水经冷却水泵打回机组；热水循环泵设在回水干管上，从末端回来的热水经过热水循环泵打回板式换热器. 二、冷却塔上的阀门设计： 2。1冷却塔进水管上加电磁阀（不提倡使用手动阀） 2。2管泄水阀应该设置于室内,(若放置在室外,由于管内有部分存水,冬天易冻) 3、电子水处理仪的安装位置 放置于水泵后面，主机前面。 4、过滤器前后的阀门 过滤器前后放压力表. 5、水泵前后的阀门 5、1水泵进水管依次接：蝶阀-压力表软接 5、2水泵出水管依次接:软接-压力表-止回阀-蝶阀 6、分集水器 6、1分集水器之间加电动压差旁通阀和旁通管(管径一般取DN50） 6、2集水器的回水管上应设温度计。 7、各种仪表的位置：布置温度表，压力表及其他测量仪表应设于便于观察的地方,阀门高度一般离地1。21.5m，高于此高度时，应设置工作平台. 8、机组的位置：两台压缩机突出部分之间的距离小于1。0m,制冷机与墙壁之间的距离和非主要通道的距离不小于0。8m, 大中型制冷机组(离心，螺杆，吸收式制冷机）其间距为1.52。0m。制冷机组的制冷机房的上部最好预留起吊最大部件的吊钩或设置电动起吊设备。其内部结构如下图2所示第二节 变频空调设计及应用室内电路与普通空调基本相同，仅增加与外机通讯电路,通过信号线“S”,按一定的通讯规则与室外机实现通讯，信号线“S”通过的为+24V电信号。室外电路一般分为三部分：室外主控板、室外电源电路板、IPM变频模块组件。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流、功率因素调整，为变频模块提供稳定的直流电源。主控板执行温度、电流、电压、压机过载保护、模块保护的检测；压机、风机的控制;与室内机进行通讯；计算六相驱动信号，控制变频模块.变频模块组件输入310V直流电压,并接受主控板的控制信号驱动，为压缩机提供运转电源。变频模块如下图，P、N端接入300V高压直流电，CZ端子从主控板处接来控制信号，控制六个三极管的通断，以获得准确控制电压，U、V、W对压缩机输出控制电压,交流变频输出的为三相交流电，直流变频输出的为通电绕组不断改变的直流电。全直流风扇电机美的全直流变频空调室内、外风扇电机使用的都是直流电机，以下为它们的接线图.通过改变电压大小的方式来控制风机转速，Vc的电压范围在936V之间，电压越高,风机转速越高，电压越低，风机转速越低；+5V为风机内电路控制板的工作电压；室外直流风机工作原理与直流压缩机基本相同，只是PWM电压波形形成电路做在了电机内；Vc为高压直流供电部分提供的直流电源,供风机绕组工作使用，300V左右,由于用户电源电压有高有低，因而Vc实际在200V375V之间；+15V电压为风机内电路板的工作电源电压；Vsp为风机转速控制信号，室外主控芯片发出的外风机风速控制信号为+5V的脉冲数字信号,经过数字模拟转换电路，转换成最大电压+15V的模拟信号，即Vsp，控制电机内电路板以产生PWM电压波形；风速反馈信号为12脉冲/转，脉冲幅值+15V,因主控板芯片工作电压为+5V，因此需在电源板上将其转换成+5V的信号后,才能供给外主控芯片以检测外风机转数。第三节 变频空调的优点节能:由于变频空调通过内装变频器，随时调节空调机心脏-压缩机的运转速度,从而做到合理使用能源；由于它的压缩机不会频繁开启,会使压缩机保持稳定的工作状态，这可以使空调整体达到节能30以上的效果。同时，这对噪音的减少和延长空调使用寿命，有相当明显的作用。噪音低：由于变频空调运转平衡，震动减小，噪音也随之降低；温控精度高：它可以通过改变压缩机的转速来控制空调机的制冷（热）量.其制冷（热）量有一个变化幅度，如36GW变频的制冷量变化为360400W，制热量变化为3006800W，因此室内温度控制可精确到1，使人体感到很舒适;调温速度快:当室温和凋定温度相差较大时，变频空调一开机，即以最大的功率工作，使室温迅速上升或下降到调定温度，制冷（热）效果明显；电压要求低：变频空调对电压的适应性较强，有的变频空调甚至可在150 240V电压下启动；环境温度要求低：变频空调对环境温度的适应性准强,在的甚至可在一15t的环境温度下启动；一拖二智能控温：它可智能地辨别房间大小并分配冷（热）量,使大小不同的房间保持同样的温度。保持室温恒定:变频空调采用了变频压缩机，变频空调可根据房间冷（热）负荷的变化自动调整压缩机的运转频率.达到设定温度后变频空调以较低的频率运转，避免了室温剧烈变化所引起的不适感。当负荷小时运转频率低，此时压缩机消耗的功率小，同时避免了频繁开停，从而更加省电。 。结束语随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，家用空调变频应用技术也得到了进一步的发展，新产品及新应用层出不穷.除了人们已经熟悉的普通的变频调速控制技术外，变频技术中还分为交流和直流技术。同时许多不同用途的先进配套控制技术也不断问世，如：模糊数字控制技术、无刷直流风机调速技术、不停机化霜技术、电子膨胀阀节流技术、各种美观新型的显示技术、多种传感器测试技术、空调换新风技术、加湿技术等。它们的工作原理及结构与传统空调技术相比都发生了很大的变化。这些技术的问世和应用，大大提高了空调的综合性能.同时，随着人们生活水平的提高，越来越多的空调新技术在不断地进人寻常百姓的家庭.对于目前通用型分体变频空调控制系统,用C504作为室内机、室外机控制芯片,不但可以满足功能的需要,而且从可靠性上得到了提高。该芯片适应温度范围广，其中SABC504，:070;SAFC504,：4085；SAHC504，：40110;SAKC504，:40125。其工作频率有12MHz，24MHz和40MHz3种。因此，在IPM模块斩波频率和发热允许的情况下，可以使大于10kHz以上，适应范围较宽。如果要开发“一拖多”分体机，可以使用同类型的C508作为控制芯片.谢辞 论文得以完成，要感谢的人实在太多了,首先要感谢李庚高级工程师，因为论文是在李庚老师的悉心指导下完成的。 李庚老师渊博的专业知识,严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远.本论文从选题到完成，每一步都是在李老师的指导下完成的，倾注了李老师大量的心血。 老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处,使我有了思考的方向，他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风,将一直是我工作、学习中的榜样.李老师要指导很多同学的论文，加上本来就有的教学任务，工作量之大可想而知，但在一次次的回稿中，精确到每一个字的的批改给了我深刻的印象,使我在论文之外明白了做学问所应有的态度。在此谨向李庚老师表示崇高的敬意和衷心的感谢,谢谢李老师在我撰写论文的过程中给与我的极大地帮助. 参考文献（1）高大钊主编,土力学与基础工程M，北京建筑工业出版社，1998.9：4955(2)陈正汗。非饱和土的应力状态与应变状态变量。第七届土力学及基础工程学术会议文集【C】。北京：中国建筑工业出版社,1994.9：186191.- 22 -