基于DSP的精密空調風機控制器的設計

劉帥

摘要：目前電子信息技術快速發展，而電子信息設備的可靠運行，對環境的溫度濕度等有較高的要求，因此精密空調應運而生，并得到了廣泛的應用和發展。精密空調風機控制器作為汽車的空調控制系統中風機的能源驅動設備，是普遍使用的汽車空調控制系統中的一個極為關鍵的部位，因而也逐漸成為空調制冷行業的一個備受關注的研究重點。本文所介紹的新型精密空調風機控制器的設計和組裝從客戶的實際需求出發，在兼顧普通使用的控制器電路的功能基礎之上，增加了多種系統防護和保護功能。在此行業同類產品中處于較為先進的水平。該精密空調控制器采用調壓調速方法，由主電路和控制電路兩部分組成，微電路處理器的芯片組采用DSP芯片MC56F8025，它是Freescale公司生產的最為先進精密的控制器芯片組。

關鍵詞：DSP;空調風機;控制器

前言

隨著電子信息技術的快速發展，人們也越來越重視電子設備在運行時的穩定性。電子設備運行的穩定性，不僅依賴于設備自身設計的可靠性，還在很大的程度上受到周圍環境的影響。如果環境變化很快，或者忽高忽低極不穩定，一定會影響電子設備的正常運行，縮短其使用壽命。日常生活中所見的的空調風機控制器的電子電路的設計非常簡單，功能極其單一，并且不具有可恢復性，顯然是不能滿足設計的苛刻的要求的。因此我們需要一種具有更高性能和精度的空調來滿足此要求，因此精密空調便產生了，并很快應用于現實中。目前在精密空調風機控制器中，動力設備應用較多的是三相異步電動機。眾所周知的是異步電動機具有多種調速方法，現在最常運用的是變頻調速，但是由于變頻調速具有成本較高，電磁干擾對精度影響較大，控制較為困難的缺點，在很多場合下使用受到限制。在此前提下控制器結構極其簡單，成本相對低廉的調壓調速控制器便在精密空調風機調速控制系統中得到更為廣泛的應用。

1.精密空調控制系統現狀

隨著計算機微型控制器而發展的電子技術的飛速發展及電力電子器件的設計與應用極大地推動了精密空調風機控制系統的高速發展和技術上的不斷完善。由于變頻調速實現調速的方式是改變改變定子的供電頻率來改變同步轉速，調頻的精度得以保證。因此變頻調速的調速性能具有高精度、高效率、高范圍的特點。雖然目前變頻調速是主流方向，但是仍存在很多問題，例如成本高，元器件規格要求高，電路復雜，結構和控制方法復雜，損壞后維修成本高等。最主要的是變頻調速過程中產生的高次諧波會對鄰近的用電設備產生諧波污染，危害周圍設備的健康運行。

2.空調風機調壓調速系統

空調風機采用的是三相異步電動機，三相異步電動機定子繞組采用的是三角型連接方式，每一相繞組和一個TRIAC串聯后分別連接到三相電源的三相。DSP產生觸發脈沖，觸發脈沖經過光耦合隔離后將光耦的受控側導通，TRIAC的門極經過光耦與輸入電源側聯通，當門極通過足夠的電流時，將TRIAC導通，通過改變TRIAC的觸發角來控制電壓的有效值。三相交流調壓調速電路采用的是三相三線式，定子的各相電壓和穩態時的各相電流都是對稱的。每半個周期控制一次TRIAC觸發角，以此來調節輸出電壓的有效值，達調速目的。異步電機是阻感性負載，在通過的電壓為零時電流并不為零，故晶閘管的導通情況不僅僅與觸發角有關，還與電動機的功率因數角有關。

2.1?控制電路硬件設計

控制電路使用Freescale公司研制的MC56F825，實現對主電路的控制，并對電壓過零點、電流、環境溫度等多個信息進行實時檢測。時鐘信號輸入采用的是8MHz外部晶振經過內部倍頻產生32MHz的系統時鐘。控制芯片MC56F825采集冷凝管壓力信號、電流信號、電壓過零信號、經過軟件處理后，輸出觸發脈沖：在控制電路中設有三路過零檢測電路，利用控制芯片所具有的三個中斷分別對線電壓進行過零檢測，然后通過軟件實現缺相、相序檢測和頻率異常檢測，另設有風機工作電流檢測電路，對一相線電流進行檢測，結合過零信號計算風機工作時的功率因數角。控制器采用MAXIM公司研發的MAX3232收發器進行電平轉換，以實現控制器和PC機之間的串行通信。另外，控制器設有雙向可控硅溫度檢測電路、環境溫度檢測電路等一系列異常檢測電路，以及按鍵、數碼管這些簡單方便的人機接口。控制器使用DSP芯片，它具有成本低、配置靈活等優點，被廣泛應用于許多工業控制、運動控制、電源管理和醫療檢測設備等。56F8025系列DSP擁有豐富的外設接口，每一個外設接口均可單獨關閉，這樣便可節省外力。

圖1?控制器框架圖

精密空調一般使用在電子信息設備比較多的場所，電磁干擾大，極容易對風機控制器的控制芯片造成干擾，使得系統無法正常工作。故為了提高系統的穩定性，除了在電路設計及PCB制版中添加防干擾措施，還在系統中增加了外部看門狗模塊，這樣當程序出現錯誤時，可讓控制芯片復位，即可保證系統的穩定性。

2.2?控制電路軟件的設計

實現DSP控制調壓調速的關鍵是軟件程序。控制芯片MC56F8025通過中斷獲取三相輸入電壓的過零點信號，通過AD獲取冷凝管的壓力信號，經過計算得到TRIAC觸發脈沖的角度，然后通過IO輸出的方式輸出觸發脈沖。DSP同時分析處理獲取的三個線電壓的過零信號，進行缺相相序檢測以及頻率異常檢測。另外DSP還對溫度信號進行分析，并在控制器出現異常時做出相應的保護措施，同時通過數碼管顯示異常原因。

圖2??56F8025內部結構圖

3.主電路硬件設計

主電路采用雙向可控硅觸發電路。該電路使用MOC3061系列光電雙向可控硅驅動器，此光電耦合器的輸出為正弦波，波形沒有畸變、無噪音，可以用直流低電壓小電流來控制高電壓、大電流。而且具有成本較低、結構設計簡單、可靠性高等優點。雙向可控硅觸發電路是主電路中非常關鍵的部位，該部位電路的損壞會直接導致整個系統崩潰。故必須設計保護電路以便對其進行保護。雙向可控硅的保護主要包括以下兩種：電壓保護、電流保護。電路正常工作時，我們把超過雙向可控硅能承受的最高峰值電壓的最大脈沖稱為過電壓，過電壓產生的原因有很多，包括電網電壓的激烈波動或者干擾、雷擊等。另外，當雙向可控硅關斷，正向的電流下降至零時，他的內部會殘留很多的截流子，在反向電流作用下，也會產生非常高的電流尖峰，若這個尖峰超過了雙向可控硅允許的最大峰值電流，就會損壞元器件。

4.結語

現在精密空調風機的調速系統多采用變頻調速的方式，但是變頻調速在實際應用中有種種限制，因此文章介紹了一種比較先進的基于DSP的空調風機調壓調速控制器。它在兼顧普通控制器功能的同時，還克服了普通風機控制器保護后不能回復的弱點。過零檢測快速準確，可保證調壓調速的動靜態性能。

參考文獻：

[1]蔣峰等.?基于DSP的智能數字三相交流調壓調功器的研制[J].電力電子技術.?2007（11）.