数字化模糊控制空调系统

本文介绍了一套性能优良，价格低廉的全直流数字化模糊控制分体空调系统。该系统使用Infineon的高性能价格比8位单片机C504/C508的资源，在优化电流控制相位角的基础上，采用模糊控制技术实现压缩机运转智能控制，大大降低了电机峰值电流，转矩脉动和转速波动。

系统概述

永磁直流无刷电机（BLDC）具有结构简单，高效，低噪声，高功率密度，起动扭矩大，寿命长等十分优越的特性，在家用电器（空调，洗衣机，冰箱等）和IT周边产品（打印机，软驱，硬盘等）中得到广泛的应用。典型的永磁直流无刷电机系统如图1所示。永磁直流无刷电机性能的发挥，除了电机本身设计合理外，还要靠微控制器在实际运行时根据转子具体位置输出相应的PWM脉冲。该微控制器应是带多路（6路或以上）PWM输出的嵌入式单片机。

Infineon的8位单片机C504/C508正是如此。它们以8031核为基础，并遵循80C32工业标准，除了增加A/D转换等外围接口电路外，还增加了非常适合交流电机/无刷直流电机控制的全数字化PWM输出电路：捕捉/比较单元（CCU，如图2所示）。

CCU具有7路输出，其中CC0～CC2和Cout0～Cout2分别为上三路和下三路基波信号，它们的相序由三个中断输入信号INT0～INT2编码控制。电机各相间换流既可由单片机内部的专用硬件（块交换逻辑）控制，也可通过软件编程控制。Cout3是分辨率高达50ns的高频PWM信号，既可以单独输出，也可叠加在输出Cout0～Cout2的有效电平上（突发模式），从而省掉相应外部电路。CTRAP为紧急中断输入，如果此脚为低，前述六路基波信号立即处于事先定义的状态。Cout3的PWM信号既可以是单边（锯齿波）调制，也可以是双边（三角波）调制。在双边调制时，CCx和Coutx为互补信号，其死区时间可通过Offset Register的值加以控制。C504/C508还具有16K/32K（可编程一次）的OTP存储器和512/1280的内部RAM，带给用户极大的灵活性。

本文所介绍的空调系统分室内机和室外机两大部分，其系统框图如图3(a)和(b)所示。在室外机系统中，C508是核心，要控制压缩机（永磁直流无刷电机，无传感器控制），室外风机（永磁直流无刷电机，带霍尔传感器），电子膨胀阀（步进电机），四通阀（冷/热控制）等。另外C508还有四路温度输入，交流电压/电流输入等。其中压缩机电机由C508的CCU控制，特别设计的反电势提取电路负责提供电机转子位置信号给C508的块交换逻辑，整个过程由硬件自动完成，大大减轻系统软件负担。

室外风机的控制则由软件编程通过C508的普通I/O口实现，霍尔元件提供的转子位置信号通过中断INT7～INT9输入，而所需的高频PWM信号（10KHz）则来自C508定时器2（T2）的第三路输出T2CC3。

该系统中的开关电源采用了Infineon普通8脚DIP封装的SMPS集成芯片COOLSET TM：TDA16832和TDA16833。它里面不仅有常见的开关电源控制电路，而且还集成了Infineon的高性能MOS管COOLMOS TM。COOLSET TM系列功率可达40W（不用散热器），如图4所示。整个电路简单易用，几乎不用任何调整，大大减少电路开发，调试时间，同时还能节省宝贵的印制板空间。

    室内机系统与室外机系统大致相似。其核心是C504。室内机系统有一个室内风机（永磁直流无刷电机），两个步进电机（用于二维送风）等需要控制。C504的CCU负责室内风机的运转控制，与室外系统的压缩机电机相似，它是由C504的专门硬件（块交换逻辑），通过反电势提取电路实现无传感器控制，程序只要设定几个寄存器即可，负担不大。两个步进电机的控制则由程序通过C504的普通I/O口实现微步运转。C504另一个重要任务是接收遥控器命令，检测室内温度，通过串行通信发送相应运行指令至室外机。

模糊智能控制

与普通空调的运行方式不同，变频空调的压缩机需要连续运行。其速度调节变得更加重要，要确保室内温度波动限制在较小范围内。事实上永磁直流无刷电机是一个多变量，非线性，强耦合的对象，需要智能控制才能取得比较满意的效果。考虑到8位单片机的资源有限，本系统采用模糊控制来实现电机转速的控制。因为C504/C508的CCU单元的通道0在块交换模式下降了参与电机换相外，还可用来完成捕获动作，故这个通道可以同时用于电机速度检测。

系统所用的模糊控制规则如下式：

U=αE+（1-α）E

    式中，E为位速度误差，Ec为速度误差变化率，α为加权系数，在0和1之间取值，U为控制器输出。

通过调整加权系数，本系统可以对控制规则进行在线修正。例如，在误差较大时，应选用较大的α值，以利于尽快消除误差；在误差较小时，α则应较小，以利于系统输出稳定在允许误差范围之内。一般可按黄金分割法选取α的初值。

实际运行表明，这种带修正因子的模糊控制规则具有结构简单，抗干扰能力强，调整时间较短等特点，比较适合变频空调的压缩机速度控制。

功率变换电路

众所周知，功率变换电路及其驱动和保护是直流无刷电机调速系统的最核心的部分。功率变换电路主要是整流桥和逆变桥。目前在国内变频空调产品中这部分电路的角色主要是由智能功率模块（IPM）来充当。

所谓IPM，就是将功率变换电路，驱动，保护，检测，辅助电源都集成在一个模块内。在实际使用中经常会遇到一些问题。首先，强弱电在一起，干扰问题很头痛；其次，功率变换电路的发热会引起对高温敏感的弱电部分参数变化，工作点不稳；再次，灵活性差，用户调整困难，往往造成误保护，甚至频敏动作，影响整机稳定性和可靠性。 最后，IPM模块内部任一成分损坏，整个模块必须更换，无形中增加了成本，影响整机的竞争力。

    由于这些问题的存在，在本系统中我们采用Infineon/Eupec的最新集成功率模块EasyPIM作系统的功率变换电路。驱动和保护电路采用外接方式，可采用分立电路也可采用专用集成芯片。

EasyPIM内部集成了一个整流桥，一个逆变桥一个NTC温度传感器（如图5(b)所示），外形精巧，（如图5(a)所示），有些型号还有泵升（braking）电路。由于构成逆变桥的IGBT采用Infineon的NPT技术生产，几乎没有拖尾电流，又有很强的抗电流冲击能力。它能耐短路电流达20μs，而且在10倍额定电流和很高电流变化率时，也不会出现闩锁现象，性能十分优良。EasyPIM的基层采用独特材料制成，导热性能良好。特别值得一提的是，它的安装技术也很独特，只需两个小钢片把它夹钳在散热器上即可（图5(c)），十分有利于大批量生产。