變頻空調室外機控制系統設計

徐 暉 黃華東

（1.杭州士蘭微電子股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.林德工程〈杭州〉有限公司，浙江 杭州 310007）

0 前言

隨著人們生活水平的提高，對環境舒適性要求越來越高，而節能減排卻是永恒的主題。隨著制冷技術、電機控制技術、電力電子技術、微電子技術和現代智能控制技術的發展，變頻空調作為越來越普及的一種新型家用空調器，近幾年發展特別迅猛。相比定頻空調，變頻空調通過檢測室內外冷、熱量，連續地、動態地調節制冷制熱功率，從而維持房間內溫度的穩定。壓縮機效率上至少提高7%～10%。從而大大地節約能源，有效降低對環境的損害。本文介紹變頻空調系統設計，重點介紹室外機軟、硬件設計。

1 變頻空調器控制系統構成及主要功能

變頻空調器控制系統包括室內機組和室外機組兩部分。

1.1 室內機控制系統主要完成功能

1）通過接收遙控器輸入，蜂鳴器聲響提示，并進行開關機、設定。

2）選擇制冷、制熱、除濕、自動和除霜五種運行模式。

3）室內溫度檢測及控制。

4）室內熱交換器溫度檢測及保護。

5）室內風機風速控高、中、低級自動模式選擇。

6）控制對應指示燈。

7）定時開關機。

8）擺葉電機（步進電機）控制。

9）應急按鍵控制。

10）與室外機保持通訊。

11）根據室內主板撥碼開關實現故障自檢、演示及定速等功能。

12）掉電記憶功能。

1.2 室外機控制系統主要完成功能

1）壓縮機運轉控制。

2）室外環境溫度、盤管溫度、壓縮機排氣溫度檢測。

3）室外風機控制。

4）四通閥、電子膨脹閥等閥門控制。

5）與室內機通訊，接受室內機控制指令。

6）室外機故障自診斷、保護功能。

2 矢量控制系統基本組成

常用對室外永磁同步型壓縮機電機的調速系統采用id=0轉子磁場定向矢量控制方式。對應控制系統分為以下部分：

1）定子電流檢測。

2）位置與轉速檢測

要實現對永磁同步電機變頻壓縮機正確控制，為了獲得最大輸出轉矩，保持定子電流垂直于轉子磁極，需獲取轉子的位置。變頻空調中，永磁電機處于封閉的壓縮機中，溫度超過120℃，且充滿強腐蝕性高壓制冷劑，無法利用傳感器檢測轉子位置。在變頻空調中需要進行無位置傳感器的位置估算。常見的有：基于磁鏈與反電動勢、基于狀態觀測器（卡爾曼濾波觀測器、擴展卡爾曼濾波觀測器、龍伯格觀測器、滑模觀測器）、高頻信號注入、鎖相環等方式。

3）速度環和電流環調節器

4）空間矢量（Space Vector Pulse Width Modulation：簡稱 SVPWM）模塊和逆變模塊

SVPWM技術基于電機角度如何使其獲得幅值恒定圓形旋轉磁通，可通過控制逆變器的開關狀態，使逆變器輸出的電壓矢量更接近于圓形。

5）坐標變換模塊。

3 控制系統硬件設計

變頻空調室外機硬件系統主要分4個單元，包括：主電路、控制與保護電路、通信電路和檢測電路。

3.1 主電路設計

主電路采用交——直——交變頻電路拓撲，為變頻空調壓縮機提供三相供電電壓。電網交流220V電源經過電磁兼容（EMC）濾波電路濾除電網中高頻信號，經過單相整流橋及濾波電容，為逆變器提供穩定直流電壓信號。逆變器輸出頻率、幅值可變的三相交流電源用來驅動壓縮機。

3.2 EMC 電路

電網中不可避免存在諧波，故在整流之前需增加EMC濾波電路，不但可以抑制外來電磁干擾，同時對本身產生的電磁干擾進行抑制。EMC電路可防止共模和差模干擾信號。通過差模濾波電感器和兩個X電容構成差模電路，可有效抑制脈沖電流峰值。通過兩個Y電容與大地構成共模電路，消除共模干擾。同時還引入可熔斷保險絲防止過流，增加壓敏電阻防止浪涌電壓對系統的損害。

3.3 逆變電路

逆變器作用將直流信號轉換成頻率可變、電壓可調的交流信號，是主電路的核心部分。通常采用智能功率模塊 （Intelligent Power Module：簡稱IPM）。IPM內部集成6個高速低損耗IGBT和FRD，柵極驅動電路，以及各類欠壓、過流、過熱、短路保護電路。非常適合變頻空調壓縮機、風機應用。

3.4 電源電路

變頻空調室外機通常采用多路單相反激式電路，即在變壓器原邊導通時副邊截止，變壓器儲能；原邊截止時，副邊導通，能量釋放到負載，給板級芯片、IPM進行供電。通常采用離線高壓轉換器，內部集成高壓功率部分及PWM驅動器、各類過流、過壓、過載、過熱保護，并支持軟啟動及故障消除后重啟等功能。電源可輸出15V及12V電源，前者用于IPM及FPC驅動芯片供電，后者通過電源轉換芯片轉為5V及3.3V給MCU或DSP等控制芯片提供供電。

3.5 控制電路

常見為MCU或DSP，國內變頻空調用控制電路主要為日系、美系等進口芯片。外圍配套需要電源、時鐘、復位、編程等電路。整個系統實現模擬信號檢測、三相互補PWM驅動、各類閥門I/O控制、通訊。

3.6 檢測電路

主要包括直流母線電壓檢測和相電流檢測。

直流母線電壓檢測采用電阻分壓，一般分壓比為100：1。分壓后信號經濾波電路和雙向二極管限幅電路送主控芯片A/D引腳轉換為對應電壓值。

在矢量控制算法中，需要對電流信號進行解耦。故電流信號檢測完整性將直接影響控制算法精度。常規采用三電阻采樣和單電阻采樣。不管是哪種方式，都會依據SVPWM開通順序確定三相逆變器下導通相，再根據三相電流瞬時關系確定三相電流瞬時值。

3.7 保護電路

變頻空調室外機控制系統中，除了逆變電路用IPM本身提供各類保護，例如：欠壓、過溫、過流，FPC電路中IGBT也需要進行過流保護。另外，也會監控室外壓縮機盤管溫度和排氣溫度，進行必要的保護。

4 控制系統軟件設計

變頻空調室外機軟件除主控芯片初始化外，主要包括基本控制功能模塊、特殊功能控制模塊、保護模塊、與室內機通訊模塊、以及故障處理與顯示報警模塊。

基本控制功能模塊包括：室外運行模式、壓縮機轉速估算、四通閥、電子膨脹閥、直流風機控制。

特殊功能模塊包括：除霜工作、強制運行、低溫制冷、生產測試、能力測試。

保護控制模塊包括：壓縮機再啟動、壓縮機最短運行時間保護、系統高/低溫頻率限制、過/欠壓保護，輸入電流保護、風機延時、電子膨脹閥保護、壓縮機頻率跳變控制、IPM保護。

通訊模塊負責對室內機進行通訊，更新控制模式、反饋室外工作狀態及故障信息。

故障處理與報警模塊主要處理室外機運行時出現的各種故障，并通過對應指示燈顯示，便于維修人員查看。

5 小結

近年來，隨著永磁同步電機在變頻空調室外機大量的應用，使得空調器的能效大幅提高。高效、智能、舒適、可靠的變頻空調器成為人們需求方向。隨著定頻、變頻價格差異減小，材料及人工成本增加，性能良好、可靠性高、低成本的變頻空調室外機控制系統將成為研究重點，具有非常重要的意義。

［1］滿春濤,張凱博,金禎伊,何進松.SVPWM變頻空調永磁同步壓縮機控制系統[J].哈爾濱理工大學學報,2011,16(4)：82-85.

［2］王本強.變頻空調器控制系統研究[D].天津：天津大學,2006.

［3］汪文俊.基于IRMCF341的直流變頻空調控制器研究[D].濰南：安徽理工大學,2012.