变频空调电控系统的设计

李武锋

广东威灵电机有限公司

摘要：介绍空调变频器的SPWM原理，并以西门子专用单片机C504构成的电控系统为例，说明变频空调器电控系统的基本结构、实现方法及关键技术。

关键词：专用单片机SPWM变频

引言：空调系统目前已经广泛地应用于生产、生活中。随着能源的日趋减少，大气污染愈加严重，节能已是1个不容忽视的问题。众所周知，变频空调是1种集节能、舒适、静噪于一体的新型产品，它刚一问世，就显示出强大的生命力，可以预料，下世纪的空调将会以更快的步伐实现变频化。

研制的新型变频空调电控系统中，室内机、室外机的各种控制功能都是由SIEMENS公司生产的专用单片机C504完成的。该类单片机除了一般单片机的通用功能外，还有1个专门用来驱动三相交流变频压缩机和无刷无传感器的直流压缩机的CCU单元，功能强大，性能好，编程方便。

一、变频器供电的电机运行条件

常规电源直接供电的感应电动在运行过程中，由于磁通不可控制，功率因数一般较低;在低速下效率也达不到要求。同时，为了满足起动特性，鼠笼式转子的槽形往往被设计成深或双鼠笼礼I,利用起动时电流的集肤效应增大起动电阻，以满足其起动转矩并限制起动电流。这样设计的电机具有很大的不足，首先是转子漏抗大，直接影响到最大转矩;其次,转子深槽占用了转子大的空间，不利于电机的体积优化;第三，各种深或双鼠笼槽结构使得电机在生产加工时面临很大的工艺问题，增加了生产成本。

变频器供电下感应电机运行条件发生了根本的变化，电机运行时，随着逆变器的调频调压控制，机械特性曲线可以任意平移，这使得电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，使起动转矩等于最大转矩，同时降低了起动电流;通过调节电压和频率，可以找到一个最佳的滑差频率，使电机的某项性能(如效率、功率因数等)达到最优。

与此同时，由于变频电源的非正弦性，输出电压中含有高次谐波，电机运行时会在定、转子导体中产生集肤效应，使导体有效截面积减少，电阻增大，造成定、转子铜损耗增大，同时产生电磁噪声。

从变频器供电的特点可知，变频电机的设计可以不再考虑起动问题，转子槽不需设计为深槽，从而可以对电机整体尺寸进行优化:效率和功率因数可以在不同速度下都维持较高的水平，从而提高功率密度.与此同时,电机必须考虑变频器谐波的影响，设计方案应该能尽抑制谐波，此外还应该提高绝缘等级。

因此，变频电机的设计应和变频器供电条件结合起来，把电机和变频器作为系统进行综合考虑，使整体性能达到最优。

二、空调压缩机对变频电机的要求

压缩机的驱动系统决定了空调的性能，与之配套的变频调速电机应满足以下几点要求:

(1)调速范圈要求不是很宽。一般空调压缩机要求能在30~90Hz的频率范围内平稳调速，一般不会运行在更低的频率下。

(2)运行时要求低噪声，高效率。

(3)为了防止堵转，电机在任何频率段运行时有较高的过载能力，为了达到这一点要求，电机在整个调速范围内采用恒转矩调速，最大转矩应该大于3倍额定转矩。

(4)考虑到压缩机安装空间较小，电机体积不能过大。

三、C504中CCU工作原理

一般变频空调压缩机分三相交流变频和直流变频两种。C504单片机对这两种类型的压缩机都可以驱动，仅仅是编程方法不同而已。

图2为C504内部结构框图。图中可看出C504由CPU,CCU及异步通信等3部分组成，其中CPU部分和8051完全兼容。CCU部分是其最有特色的独立单元，它包括有独立的定时器、比较器、分频器和寄存器等，可脱离CPU独立工作，其目的是产生频率可变的三相正弦交流电。

3.1周期和偏置量的计算

假设脉宽调制频率为20kHz，即fPWM=20kHz，这就意味着fPWM的比较定时器1每隔50μs产生一次中断，在其中断服务程序中形成新的脉冲宽度值，存入比较寄存器之中。由于依时间而变的脉冲序列的脉宽要符合正弦波形的要求，因此实时计算脉宽是不可能的。最通用的方法是在内存建立一个正弦表，在中断服务程序执行过程中周期地读出，送到比较寄存器中，以便形成SPWM波形。在设计中，我们把确定PWM周期的比较定时器1设置成模式1状态，即所谓双边调制状态。这时定时器1正向计数满后，立即反向计数，下溢出后提出中断请求。因之置入定时器1的值N可按下式计算

（假设fOSC=40MHz，fPWM=20kHz）；

N=fOSC/(预分频数×fPWM×2)

=40MHz/(4×20kHz×2)=250

式中预分频数是为满足不同频率而设置的。计算得到的N值送入周期寄存器，就可以达到fPWM=20kHz的目的。

死区时间计算的方法如下：由于fOSC/预分频数=0.1μs，假设需要1μs死区时间时，则需偏移量为：偏移量=(死区时间×fOSC)/预分频数=(1μs×40MHz)/4=10

3.2正弦波形成原理

CCU的PWM有单边调制和双边调制两种，通过初始化设置，可以任意选择。本文只讨论谐波量比较小的双边调制。三相SPWM波形的产生，是由软件配合CCU内部复杂的硬件结构确定的。脉冲宽度取决于SPWM比较寄存器所存储数据值的大小，这6个寄存器（均为16位）共分3组，分别定义为CCL0,CCH0,CCL1,CCH1,CCL2,CCH2，而且3组相互独立。在每个SPWM周期之前，都由CPU经过正弦表查得，并存入这些寄存器中。若内部定时器1的计数值超过寄存器的值，则对应的输出端口被触发，从而输出1组极性相反的PWM矩形波（其占空比取决于比较器中的值），见图3。每次内部定时器反向计数结束时，产生下溢中断请求，开始新1个PWM周期，并在中断服务程序中产生相应参数。上下桥臂之间的死区的大小，由信号的偏移量决定，该值存于偏置量寄存器中，定义为CT10FX，1个桥臂的驱动波形形成过程如图3所示，一旦周期值（输入到比较定时器1中）、偏移量、3个比较器的值已经输入，当专门用于对比较器定时的内部定时器1被激活后，CCU在没有CPU干预的情况下，独立运行，产生3组独立的PWM脉冲，脉冲宽度值依据置入比较器的值而定。

对于三相变频压缩机来说，必须供给三相正弦波电流。C504的CPU必须向CCU比较寄存器周期地送入三组不同的数据。这些数据来自内部设置的正弦表。每次送数的周期就是PWM周期，由定时器1溢出时间决定，若干个不同脉宽的脉冲组成的脉冲链就可以形成1个正弦波周期，如图4所示。显然，输出交流电周期是由PWM周期和脉冲的变化规律决定的。

四、电机驱动部分的基本硬件结构

对于空调电控系统，不论室内机、室外机，都必须具备电机驱动的功能。特别是新型变频空调，为了达到静噪效果，室内风机往往采用直流无刷电机型。因此，室内机、室外机设计的重点仍是不同类型变频调速电机驱动的设计。

图5（a）给出了一般三相异步电机驱动框图，全桥的三组桥臂分别由CCO,COUTO;CC1,COUT1;CC2、COUT2驱动，电流值由传感器检测，送至C504的A/D转换单元进行测试。图5（b）,（c）为直流无刷电机的驱动方式，其中图5（b）为内置传感器型的，而图5（c）为无内置传感器，而采用增量位置解码方式工作的。

五、变频空调室外机驱动部分的设计

从图中，可看出驱动部分共分3大部分：整流部分、逆变部分和控制部分。其中整流部分包括交流滤波、尖峰吸收、电流检测、整流、滤波等电路。逆变部分包括IPM模块（PM20CTM060）、工作电源部分、光电隔离部分、驱动部分。控制部分主要由C504构成。C504根据室内机送来的控制信息，以及压缩机温度、室外温度和热交换器的温度，选择恰当的运行频率和有关控制信息，通过CPU送入CCU相应的寄存器和定时器1，并起动定时器1，使SPWM脉冲串通过CCO，COUTO；CC1，COUT1；CC2、COUT2输出，经74AC04驱动电路，驱动光耦PS2501，最后送入IPM模块，产生三相正弦波，驱动压缩机电机运转。

在驱动部分中，能对交流电电压、电流进行检测，并进行过、欠压、过流保护，同时能根据压缩机温度、热交换器温度和室外温度的变化，调整运行频率，使压缩机脱离危险运行区，避免故障关机的发生。当压缩机运行在危险状态时，如严重过流、压缩机过热（超过120℃）时，能迅速关机，保护系统的安全。PM20CTM060是IPM模块，具有完备的内部保护措施，一旦进入故障状态，F0输出低电平，除关闭外部5V电源外，还通过C504⑨脚通知CPU进入故障状态。

结束语：

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SAB－C504，TA：0℃～70℃；SAF－C504，TA：－40℃～85℃；SAH－C504，TA：－40℃～110℃；SAK－C504，TA：－40℃～125℃。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fPWM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。

参考文献：

[1]王刚.空调系统的特点及设计注意事项2017

[2]聪达.空调系统的驱动处理及其节能方式2016