变频空调控制器（下位部分）
电气工程及其自动化 09230711 --- 指导教师 --- 教授 ---- 老师
摘 要
为了满足人们对空调耗电量较小、温度波动小、控制功能强以及控制人性化的要求，本设计采用了在工频频率下，空调室外控制系统室外机控制器以智能功率模块IPM和PIC单片机组成整个系统，用智能功率模块IPM（三菱PM20CT060）替换分立元件搭成的逆变桥，由PIC16F877单片机独立控制温度采样、电室外机风机转动、四通阀驱动、电压电流采样保护电路以及RS-485通讯电路使空调室外控制系统结构简洁、高效、可靠性高。
关键词：变频空调；PIC16F877；智能功率模块；通讯
Abstract
In order to meet the people on the air conditioning power consumption is small, the temperature fluctuation is small, powerful control functions and the control requirements of humanity, this design uses the power frequency, outdoor unit air conditioner outdoor control system controller Intelligent Power Module IPM and composition of the PIC microcontroller entire system, intelligent Power Module IPM (Mitsubishi PM20CT060) replaces discrete components barricaded bridge inverter, independently controlled by a PIC16F877 microcontroller operation of the compressor, temperature sampling, electric outdoor unit fan rotating four-way valve drive voltage protection circuit and a current sampling RS-485 communication circuit of the air conditioning outdoor control system structure is simple, efficient, and high reliability.
Key words: Inverter air conditioner ; PIC16F877 ; Intelligent Power Module ; Communication
一、引言
变频空调器正日益为人们所熟知和接受，与传统的定速空调相比变频空调优点主要表现在：节电，能快速达到设定的温度，温度控制精确，更安静、舒适和自然，无启动冲击，能适应电网电压大范围的波动等。
本设计将分别对变频空调器的室外机单片机控制器硬软件分别叙述，以IPM智能功率驱动模块驱动压缩机运行，由PIC16F877单片机独立完成变频空调下位机的温度采样、电室外机风机转动、四通阀驱动、电压电流采样保护电路以及与下位机之间等功能。
二、设计的技术指标
（1）电源：220V/50Hz；
（2）电压波动范围为160V--260V；
（3）室内温度控制精度±3℃；
（4）压缩机运转频率范围为30---100Hz，启动频率为20Hz；
（5）空调使用温度条件：-15℃---45℃，压缩机的功率为2KW。
三、设计的主要内容
（一）方案介绍
本设计是基于PIC16F877单片机设计变频空调的室外智能变频控制系统，实现硬件电路的设计和控制系统的软件设计；采用先进的SPWM实现对空调压缩机的变频控制；采用RS-485总线方式实现室内、室外机之间的通讯。主要实现室外温度（包括冷凝器温度和压缩机温度）信号的采集、压缩机运行控制、换向阀（四通阀）的控制、室外风扇的控制、与上位机的通讯等功能。
图1 系统原理图
（二）硬件系统的构成
本设计硬件系统主要分为单片机电路，输入部分电路（包括温度采集电路、电压和电流检测电路），输出部分电路（室外风机驱动电路、四通阀驱动电路、智能功率模块驱动电路），通讯电路，交直流电源电路。
1．单片机电路
本设计的单片机电路也是整个变频空调下位机的核心部分。该电路采用PIC16F877单片机来实现，包括单片机的电源电路、接地电路以及复位电路来构成单片机电路。
单片机电路是用来实现与上位机交换信息，并结合温度、电压、电流等输入部分的信号，经处理后输出六路信号驱动智能功率模块来控制压缩机的运行，输出电压驱动继电器电路对室外风机和四通阀进行控制。
2．温度采集电路
温度采集电路利用热敏电阻将室外机冷凝管和压缩机上的温度变化以电压信号的形式提供给单片机。
温度采集电路的作用主要是向单片机提供冷凝管温度和压缩机的温度的信号，供单片机使用。
3．电压、电流检测电路
在空调运行过程中，如果输入电压过高，相应直流300V电压也会升高，容易引起模块及室外机主板过热，过电压损坏；如果输入电压过低，制冷量下降达不到设计的要求。因此室外机主板设置电压检测电路，单片机检测输入的交流电源电压，在过高（超过交流260V）或过低（低于交流160V）时停机进行保护。
空调运行过程中，如果由于某种原因（如冷凝器散热不良），引起室外机运行电流（主要是压缩机运行电流）过大，则容易损坏压缩机，因此变频空调器室外机主板均设有电流检测电路，在运行电流过高时进行保护。
4．室外风机、四通阀驱动电路 室外机单片机根据室外环温及室外管温的温度信号，处理后输出电压信号驱动继电器电路控制室外风机运行，为冷凝器散热。
同样的室外机单片机接收室内单片机发送的信号，处理后输出电压信号驱动继电器电路控制四通阀线圈的供电与否，从而控制空调器工作在制冷或制热模式。
5．智能功率模块驱动电路 智能功率模块（IPM）是变频空调器电控系统中最重要的器件之一，也是故障率较高的一个器件。
IPM可以简单地看做是电压转换器。室外机主板单片机输出六路信号，经IPM内部驱动电路放大后控制IGBT的导通与截止，将直流300V电压转换成与频率成正比的模拟三相交流电（交流30V～220V、频率15Hz～120Hz），驱动压缩机运行。
三相交流电压越高，压缩机转速及输出功率也越高（即制冷效果好）；反之，三相交流电压越低，压缩机转速及输出功率也就越低（即制冷效果差）。三相交流电压的高低有室外机单片机输出的六路信号决定。
6．通讯电路
本设计变频空调器采用单道RS-485方式进行通信，室内机与室外机之间通过以二进制编码形式组成的数据组，进行各种数据信号的传递。空调器通电后，由室内机向室外机发送信号或由室外机向室内机发送信号，均在收到对方信号处理完50ms后进行。通信以室内机为主，正常情况下室内机发送信号之后等待接收，如500ms仍未接收到反馈信号，则再次发送当前命令，如果2min内仍未收到室外机的应答，则出错报警，同时发送信息命令给室外机。以室外机为副机，室外机未接收到室内机的信号时，则一直等待，不发送信号。
另外，RS-485通讯电路需要单独的隔离+5V电源为通讯电路供电。
7．交直流电源电路
直流300V电压为开关电源和模块供电，而模块的输出电压为压缩机供电，因而直流300V电压间接为压缩机供电，所以只留300V电压形成电路工作在大电流状态。
开关电源电路也可称为电压转换电路，就是将输入的直流300V电压转换为直流15V、12V、5V分别为通讯电路、压缩机驱动电路、室外风机和四通阀驱动电路以及单片机等模块供电。
（三）系统软件设计
在本系统中软件中，使用了高级语言MPLAB C语言，它具有程序设计快，可读性好，转换质量高，简单易学的特点。程序一开始，先对在本次设计中用到的I/O端口进行设置，这里面包括，设置输入、输出口以及一些特殊功能口，为整个程序打下基础。先进行室内温度的采集并送显示，这主要是为用户进行设定温度提供参考点。然后检测遥控器的控制命令的信号，要是有遥控器的控制命令，就根据命令的要求，进入遥控器控制子程序，进行处理。然后根据设定温度和实际室内的温度进行比较做出，空调工作方式的选择，即制冷或制热。根据差值计算出压缩机要运行的频率，送下位机压缩机运行。同时启动故障检测，检测是否有过流、过压，要是有就进行故障处理，要是没就继续等待遥控器的控制命令和整个系统的调节。主要包括温度采集程序及其子程序、通讯程序、室外风机和四通阀驱动程序、PWM服务中断程序。
四、结论 本设计分析了变频空调的优点和当前现状及发展趋势，结合空调器控制器系统结构框图，对变频空调（下位机部分）控制系统的功能和设计做了概述，就变频空调控制系统的硬件设计、压缩机变频控制方法和软件流程做了一定的分析，主要完成了以下工作：
（1） 分析了家用变频空调器的基本结构组成和工作原理，详细叙述了室外机的主要功能要求，并以此为依据给出了室外机的控制部分主要电路的优化设计。
（2） 介绍了室外机核心元件PIC单片机（PIC16F877）相关性能及优缺点等技术要点，分析了该系列芯片用于变频空调控制系统的实用性和优越性。
（3） 概述了常用的SPWM变频调速控制方法，并简单分析了该方法的优缺点。
对先进的SVPWM控制方法进行了简要概述，分析了其用于变频领域的先进性。从而与一般的SPWM控制方法进行了对比，而最终选用成熟的SPWM变频调速控制方法。
（4） 阐述了变频空调开关电源的基本原理，结合变频空调实际控制对象和工作特点，提出了变频空调下位机开关电源的设计方案，设计出了本系统的开关电源电路，实现系统的控制过程。
（5） 详细分析了本变频空调控制系统的功能要求，对室外机控制系统制定了相关的软件流程和室内室外机的通讯协议。另外，本设计对变频空调的风机驱动、压缩机的变频驱动等问题并未进行详尽的分析，对系统的软件、硬件的分析还欠缺。
参考文献
[1] 王俊峰 理工科学生怎样做毕业设计[M]北京：电子工业出版社出版，2004、8
[2] 罗亚非 陵阳16位单片机应用基础[M]北京：北京航天航空大学出版社
[3] 徐得胜，顾久康 家用空调——原理、结构、安装与维修[M]上海：西安电子大学出版社
[4] 刘守江 空调器及其微电脑控制器的原理与维修[M]北京：北京航天航空大学出版社
[5] 余永权，曾碧 单片机模糊控制[M]西安：西安电子科技大学出版社
[6] 朱瑞琦 制冷空调设备的变频能量调节[J] 流体工程 1991，（19）：24--29
[7] 张选正 变频器模糊控制器的研究[J] 变频器世界 1998，（12）：23--24
[8] 张化光 智能控制基础理论与应用[M]北京：北京航天航空大学出版社，2005
[9] 齐勇，苏严民 空调变频控制器的研究[J] 电子技术应用，1997，（2）：27—30
[10] 黄根法 变频空调及变频器件的应用[J] 制冷与空调，2002，（4），60—62
[11] 一种新型只能化变频空调电气控制系统的研究[J] 微处理机，2005，（1）：50—53
[12] 张蓬 Protel DXP 电路设计入门与应用［M］ 机械工业出版社 2003
[13] Air Flow Control Using Fuzzy Logic (Microchip Application notes AN600 ,Microchip Technology Inc.)
[14] Freguency and Resolution Options for PWM Outputs (Microchip Application notes AN539 ,Microchip Technology Inc.)
[15] Using the PWM (Microchip Application notes AN564 ,Microchip Technology Inc.)
变频空调控制器（下位部分）
电气工程及其自动化 09230711 --- 指导教师 --- 教授 ---- 老师
摘 要
为了满足人们对空调耗电量较小、温度波动小、控制功能强以及控制人性化的要求，本设计采用了在工频频率下，空调室外控制系统室外机控制器以智能功率模块IPM和PIC单片机组成整个系统，用智能功率模块IPM（三菱PM20CT060）替换分立元件搭成的逆变桥，由PIC16F877单片机独立控制温度采样、电室外机风机转动、四通阀驱动、电压电流采样保护电路以及RS-485通讯电路使空调室外控制系统结构简洁、高效、可靠性高。
关键词：变频空调；PIC16F877；智能功率模块；通讯
Abstract
In order to meet the people on the air conditioning power consumption is small, the temperature fluctuation is small, powerful control functions and the control requirements of humanity, this design uses the power frequency, outdoor unit air conditioner outdoor control system controller Intelligent Power Module IPM and composition of the PIC microcontroller entire system, intelligent Power Module IPM (Mitsubishi PM20CT060) replaces discrete components barricaded bridge inverter, independently controlled by a PIC16F877 microcontroller operation of the compressor, temperature sampling, electric outdoor unit fan rotating four-way valve drive voltage protection circuit and a current sampling RS-485 communication circuit of the air conditioning outdoor control system structure is simple, efficient, and high reliability.
Key words: Inverter air conditioner ; PIC16F877 ; Intelligent Power Module ; Communication
一、引言
变频空调器正日益为人们所熟知和接受，与传统的定速空调相比变频空调优点主要表现在：节电，能快速达到设定的温度，温度控制精确，更安静、舒适和自然，无启动冲击，能适应电网电压大范围的波动等。
本设计将分别对变频空调器的室外机单片机控制器硬软件分别叙述，以IPM智能功率驱动模块驱动压缩机运行，由PIC16F877单片机独立完成变频空调下位机的温度采样、电室外机风机转动、四通阀驱动、电压电流采样保护电路以及与下位机之间等功能。
二、设计的技术指标
（1）电源：220V/50Hz；
（2）电压波动范围为160V--260V；
（3）室内温度控制精度±3℃；
（4）压缩机运转频率范围为30---100Hz，启动频率为20Hz；
（5）空调使用温度条件：-15℃---45℃，压缩机的功率为2KW。
三、设计的主要内容
（一）方案介绍
本设计是基于PIC16F877单片机设计变频空调的室外智能变频控制系统，实现硬件电路的设计和控制系统的软件设计；采用先进的SPWM实现对空调压缩机的变频控制；采用RS-485总线方式实现室内、室外机之间的通讯。主要实现室外温度（包括冷凝器温度和压缩机温度）信号的采集、压缩机运行控制、换向阀（四通阀）的控制、室外风扇的控制、与上位机的通讯等功能。
图1 系统原理图
（二）硬件系统的构成
本设计硬件系统主要分为单片机电路，输入部分电路（包括温度采集电路、电压和电流检测电路），输出部分电路（室外风机驱动电路、四通阀驱动电路、智能功率模块驱动电路），通讯电路，交直流电源电路。
1．单片机电路
本设计的单片机电路也是整个变频空调下位机的核心部分。该电路采用PIC16F877单片机来实现，包括单片机的电源电路、接地电路以及复位电路来构成单片机电路。
单片机电路是用来实现与上位机交换信息，并结合温度、电压、电流等输入部分的信号，经处理后输出六路信号驱动智能功率模块来控制压缩机的运行，输出电压驱动继电器电路对室外风机和四通阀进行控制。
2．温度采集电路
温度采集电路利用热敏电阻将室外机冷凝管和压缩机上的温度变化以电压信号的形式提供给单片机。
温度采集电路的作用主要是向单片机提供冷凝管温度和压缩机的温度的信号，供单片机使用。
3．电压、电流检测电路
在空调运行过程中，如果输入电压过高，相应直流300V电压也会升高，容易引起模块及室外机主板过热，过电压损坏；如果输入电压过低，制冷量下降达不到设计的要求。因此室外机主板设置电压检测电路，单片机检测输入的交流电源电压，在过高（超过交流260V）或过低（低于交流160V）时停机进行保护。
空调运行过程中，如果由于某种原因（如冷凝器散热不良），引起室外机运行电流（主要是压缩机运行电流）过大，则容易损坏压缩机，因此变频空调器室外机主板均设有电流检测电路，在运行电流过高时进行保护。
4．室外风机、四通阀驱动电路 室外机单片机根据室外环温及室外管温的温度信号，处理后输出电压信号驱动继电器电路控制室外风机运行，为冷凝器散热。
同样的室外机单片机接收室内单片机发送的信号，处理后输出电压信号驱动继电器电路控制四通阀线圈的供电与否，从而控制空调器工作在制冷或制热模式。
5．智能功率模块驱动电路 智能功率模块（IPM）是变频空调器电控系统中最重要的器件之一，也是故障率较高的一个器件。
IPM可以简单地看做是电压转换器。室外机主板单片机输出六路信号，经IPM内部驱动电路放大后控制IGBT的导通与截止，将直流300V电压转换成与频率成正比的模拟三相交流电（交流30V～220V、频率15Hz～120Hz），驱动压缩机运行。
三相交流电压越高，压缩机转速及输出功率也越高（即制冷效果好）；反之，三相交流电压越低，压缩机转速及输出功率也就越低（即制冷效果差）。三相交流电压的高低有室外机单片机输出的六路信号决定。
6．通讯电路
本设计变频空调器采用单道RS-485方式进行通信，室内机与室外机之间通过以二进制编码形式组成的数据组，进行各种数据信号的传递。空调器通电后，由室内机向室外机发送信号或由室外机向室内机发送信号，均在收到对方信号处理完50ms后进行。通信以室内机为主，正常情况下室内机发送信号之后等待接收，如500ms仍未接收到反馈信号，则再次发送当前命令，如果2min内仍未收到室外机的应答，则出错报警，同时发送信息命令给室外机。以室外机为副机，室外机未接收到室内机的信号时，则一直等待，不发送信号。
另外，RS-485通讯电路需要单独的隔离+5V电源为通讯电路供电。
7．交直流电源电路
直流300V电压为开关电源和模块供电，而模块的输出电压为压缩机供电，因而直流300V电压间接为压缩机供电，所以只留300V电压形成电路工作在大电流状态。
开关电源电路也可称为电压转换电路，就是将输入的直流300V电压转换为直流15V、12V、5V分别为通讯电路、压缩机驱动电路、室外风机和四通阀驱动电路以及单片机等模块供电。
（三）系统软件设计
在本系统中软件中，使用了高级语言MPLAB C语言，它具有程序设计快，可读性好，转换质量高，简单易学的特点。程序一开始，先对在本次设计中用到的I/O端口进行设置，这里面包括，设置输入、输出口以及一些特殊功能口，为整个程序打下基础。先进行室内温度的采集并送显示，这主要是为用户进行设定温度提供参考点。然后检测遥控器的控制命令的信号，要是有遥控器的控制命令，就根据命令的要求，进入遥控器控制子程序，进行处理。然后根据设定温度和实际室内的温度进行比较做出，空调工作方式的选择，即制冷或制热。根据差值计算出压缩机要运行的频率，送下位机压缩机运行。同时启动故障检测，检测是否有过流、过压，要是有就进行故障处理，要是没就继续等待遥控器的控制命令和整个系统的调节。主要包括温度采集程序及其子程序、通讯程序、室外风机和四通阀驱动程序、PWM服务中断程序。
四、结论 本设计分析了变频空调的优点和当前现状及发展趋势，结合空调器控制器系统结构框图，对变频空调（下位机部分）控制系统的功能和设计做了概述，就变频空调控制系统的硬件设计、压缩机变频控制方法和软件流程做了一定的分析，主要完成了以下工作：
（1） 分析了家用变频空调器的基本结构组成和工作原理，详细叙述了室外机的主要功能要求，并以此为依据给出了室外机的控制部分主要电路的优化设计。
（2） 介绍了室外机核心元件PIC单片机（PIC16F877）相关性能及优缺点等技术要点，分析了该系列芯片用于变频空调控制系统的实用性和优越性。
（3） 概述了常用的SPWM变频调速控制方法，并简单分析了该方法的优缺点。
对先进的SVPWM控制方法进行了简要概述，分析了其用于变频领域的先进性。从而与一般的SPWM控制方法进行了对比，而最终选用成熟的SPWM变频调速控制方法。
（4） 阐述了变频空调开关电源的基本原理，结合变频空调实际控制对象和工作特点，提出了变频空调下位机开关电源的设计方案，设计出了本系统的开关电源电路，实现系统的控制过程。
（5） 详细分析了本变频空调控制系统的功能要求，对室外机控制系统制定了相关的软件流程和室内室外机的通讯协议。另外，本设计对变频空调的风机驱动、压缩机的变频驱动等问题并未进行详尽的分析，对系统的软件、硬件的分析还欠缺。
参考文献
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[8] 张化光 智能控制基础理论与应用[M]北京：北京航天航空大学出版社，2005
[9] 齐勇，苏严民 空调变频控制器的研究[J] 电子技术应用，1997，（2）：27—30
[10] 黄根法 变频空调及变频器件的应用[J] 制冷与空调，2002，（4），60—62
[11] 一种新型只能化变频空调电气控制系统的研究[J] 微处理机，2005，（1）：50—53
[12] 张蓬 Protel DXP 电路设计入门与应用［M］ 机械工业出版社 2003
[13] Air Flow Control Using Fuzzy Logic (Microchip Application notes AN600 ,Microchip Technology Inc.)
[14] Freguency and Resolution Options for PWM Outputs (Microchip Application notes AN539 ,Microchip Technology Inc.)
[15] Using the PWM (Microchip Application notes AN564 ,Microchip Technology Inc.)