[信息與通信]變頻空調(diào)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 隨著空調(diào)器使用的日益普遍，人們更加重視空調(diào)器性能的提高。變頻式 空調(diào)器以能效比高、調(diào)溫快、使用舒適、節(jié)能顯著的特點(diǎn)，一出現(xiàn)就受到人 們的青睞，特別是應(yīng)用了模糊控制技術(shù)，使其顯出更加突出的優(yōu)勢。目前國 內(nèi)空調(diào)器市場的競爭日益激烈，若想在激烈的市場競爭中占有一席之地，就 必須具有舒適、節(jié)能、能效比高等特點(diǎn)，研制具有低成本的節(jié)能變頻空調(diào)也 就成為了未來空調(diào)市場的發(fā)展趨勢。 本課題設(shè)計(jì)了變頻空調(diào)器的電氣控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)的作用是根據(jù)房間 溫度的變化以及用戶的要求去控制空調(diào)器的運(yùn)轉(zhuǎn)部件—壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī) 等，使室溫合乎理想要求。電控系統(tǒng)分為室內(nèi)機(jī)

2、和室外機(jī)兩部分設(shè)計(jì)。室內(nèi) 機(jī)、室外機(jī)各用一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制，二者通過通訊線進(jìn)行通訊，以傳遞和 交換信息。室內(nèi)機(jī)主要包括遙控器信號的接收電路，室內(nèi)溫度的檢測電路， 風(fēng)扇電機(jī)控制電路和風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)控制電路等，室內(nèi)機(jī)的作用是完成溫度的 檢測和溫度的模糊控制運(yùn)算等，對各部分電路進(jìn)行控制，把空調(diào)器產(chǎn)生的冷 空氣或熱空氣傳到室內(nèi)的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)房間溫度的目的。室外機(jī) 包括變頻器電路、風(fēng)扇控制電路、四通閥控制電路、溫度檢測電路和保護(hù)電 路等。變頻器電路采用智能功率模塊，利用專用單片機(jī)對其進(jìn)行控制，使變 頻電路結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠。室外機(jī)的作用是對室內(nèi)機(jī)送來的控制信號進(jìn)行 分析，根據(jù)室

3、外機(jī)的工作狀態(tài)，通過變頻器對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá) 到制冷或制熱功率的調(diào)節(jié)，并對室外風(fēng)扇電動機(jī)、電磁四通閥進(jìn)行控制，對 各種保護(hù)電路予以監(jiān)測。然后在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，編制了室內(nèi)、外機(jī) 的系統(tǒng)控制軟件。最后進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，從而完成整個(gè)電控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)。 由于室溫控制系統(tǒng)具有大滯后、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)，精確數(shù)學(xué)模型 難以建立，傳統(tǒng)PID控制方法效果差。所以選定模糊控制方案，設(shè)計(jì)了二 維模糊溫度控制器。然后針對常規(guī)模糊控制器主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn)，提出了一 種適于實(shí)時(shí)控制的模糊PID溫度控制器，并通過仿真驗(yàn)證了這一方法的合 理性。 關(guān)鍵詞變頻器;模糊控制;PID控制;

4、單片機(jī)控制;系統(tǒng)仿真 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 Abstract Withtheincreasinguseofairconditioner,peoplepaymoreattentiontothe improvementofairconditionersperformance.Becauseofitshighperformance, variable-frequencyairconditionerbecamepopularassoonasitappeared; especiallyfuzzycontroltechn

5、ologyisusedonit.Butthereisnthome-made completelyvariable.frequencyairconditioner,withtheeverincreasingofair conditionersdemand,itisveryimportanttodesignourownvariable-frequency airconditioner. Anairconditionerselectricalcontrolsystemisdesignedinthispaper.Itis usedtocontrolcompressorandfanmotort

6、omakeroomtemperaturefitdemand accordingtotheroomtemperaturesvarietyandusersdemand.Electrical controlsystemisdividedintoin-roompartandout-roompart.Thetwopartsare controlledbysingle-chipcomputer.Theycommunicatewitheachotherthrough onecommunicationline.In-roompartismadeupofremoterreceivecircuit, r

7、oomtemperaturedetectcircuit,fanmotorcontrolcircuitandwinddoorstepping motorcontrolcircuit.Thefunctionsofthein-roompartincludetemperature detection,temperaturesfuzzycalculationandthecontrolofallthecircuits.And asaresult,thispartachievesthegoalofregulatingtheroomtemperatureby puttingcoldorhotairto

8、differentpartsoftheroom.Out-roompartincludes frequencyconverter,fancontrolcircuit，temperaturedetectcircuitand protectingcircuit.Thefrequencyconvertermakesthecircuitsimpleandreliable byemployingintelligentpowermoduleandspecialsingle-chipcomputer.The out-roompartisusedtocontrolthecompressorsspeedv

9、iathefrequency converteraccordingtothesignalsfromin-roompartandthestatusofout-room part.Whatsmorethispartalsocontrolsfanmotorandelectrical-magneticfourpass valveandmonitorsalltheprotectingcircuits.Basedonthehardware circuits,thecontrolsoftwareforin-roomandout-roompartsisalsodesigned respectivel

10、y.Finally,thehardwareandsoftwareisdebuggedandthedesignof wholeelectricalcontrolsystemisfinished. Becauseofthecharacteristicsofgreatdelay,timevaryingandnonlinearity, itisdifficulttogetanaccuratemathematicalmodelforthe n 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 system.ConventionalPIDcontrollercannotworkwell，sofuzz

11、ycontrol technologyisselected.Atwo-dimensionfuzzytemperaturecontrolleris designedinthispaper.Consideringthedisadvantagesoftheconventionalfuzzy controller,areal-timeadaptivefuzzycontrollerispresented.Thesimulation resultsverifyittobereasonable. Keywordsfrequencyconverter,fuzzycontrol;adaptivecon

12、trol;single-chip computercontrol;systemsimulation 萬方數(shù)據(jù)III 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第1章緒論 1.1課題背景、來源及研究意義 空調(diào)是空氣調(diào)節(jié)器的簡稱，它的作用是通過空調(diào)器對室內(nèi)空氣進(jìn)行處 理，使它的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度達(dá)到所需的要求，為人們提供舒 適生活條件和為生產(chǎn)工藝提供一定的環(huán)境條件服務(wù)。 空調(diào)器一般有冷風(fēng)型空調(diào)器、電熱冷風(fēng)型空調(diào)器、熱泵型空調(diào)器幾種。 冷風(fēng)型空調(diào)器只能用于降溫調(diào)節(jié);電熱冷風(fēng)型空調(diào)器一般是在原冷風(fēng)型空調(diào) 器上進(jìn)行局部改進(jìn)，增加電熱部分而成;熱泵型冷熱兩用空調(diào)是目前普遍采 用

13、的空調(diào)器。制冷循環(huán)中，低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器處吸收熱量而汽 化，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成為高壓、高溫氣體，在冷凝器內(nèi)散熱冷凝成液態(tài)制冷 劑，然后又經(jīng)毛細(xì)管(或膨脹閥)降壓節(jié)流成為低壓、低溫狀態(tài)，如此反復(fù) 循環(huán)，就可將室內(nèi)的熱量排到室外，并通過室內(nèi)的風(fēng)扇將冷卻后的空氣均勻 地分布到室內(nèi)。制熱時(shí)，制冷劑的循環(huán)與此相反。 溫度控制技術(shù)是熱泵型冷熱兩用空調(diào)中最主要的控制技術(shù)，一個(gè)完整的 溫度控制系統(tǒng)主要包括三部分:溫度傳感器、溫度控制器和溫度調(diào)節(jié)器。 傳統(tǒng)空調(diào)器的溫度控制是通過溫度傳感器感受室內(nèi)溫度變化來控制壓縮 機(jī)的運(yùn)行和停止的，風(fēng)扇則在設(shè)定的速度下工作，這會造成受控環(huán)境溫度變 化較大

14、，使人們在使用空調(diào)時(shí)仍不斷感受到冷熱的變化。此外，壓縮機(jī)的 ON/OFF控制方式及空調(diào)器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使室內(nèi)機(jī)的輸出與壓縮機(jī)的輸出 相比有一定的滯后性，而且壓縮機(jī)處于全開或全關(guān)狀態(tài)，其制冷(熱)量也 對室內(nèi)溫度有較大影響，這些勢必影響空調(diào)的溫度控制精度和舒適性。變頻 模糊控制空調(diào)器將傳感器測定的實(shí)際環(huán)境狀態(tài)和空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)與人們所期望 達(dá)到的設(shè)定狀態(tài)進(jìn)行比較，通過模糊邏輯控制技術(shù)使空調(diào)器控制系統(tǒng)具有自 調(diào)整的智能特性，從而得出最佳的動態(tài)控制參數(shù)，并對空調(diào)器的變頻電源及 各執(zhí)行單元實(shí)施控制，使空調(diào)器的工作狀態(tài)隨著人們的要求和環(huán)境狀態(tài)的變 化而自動變化，始終保持在較合理的狀態(tài)下變頻模

15、糊控制空調(diào)器對室外機(jī)的 要求是，壓縮機(jī)能根據(jù)室內(nèi)需要的冷(熱)量不同，連續(xù)地、動態(tài)地、實(shí)時(shí) 地調(diào)整其制冷(熱)量。 正由于變頻空調(diào)器具有這些優(yōu)點(diǎn)，世界各國廠商都競相開發(fā)研制，但目 萬方數(shù)據(jù) 前技術(shù)比較成熟的國外廠商的產(chǎn)品普遍存在價(jià)格比較高的問題，而國內(nèi)的變 頻空調(diào)技術(shù)尚不夠成熟。由于國外廠商變頻空調(diào)器的技術(shù)封鎖，而近年來工 用、商用、民用空調(diào)需求不斷增加，特別是需求成高檔化，所以需要國內(nèi)自 行研制性能可靠、運(yùn)行更加平穩(wěn)、功能更強(qiáng)、節(jié)能顯著、噪音小、污染少的 變頻空調(diào)器，并使其能夠進(jìn)入普通消費(fèi)者的家庭，這就是本課題的背景。

16、本課題題目自擬。意義在于: (1)傳統(tǒng)的空調(diào)器是當(dāng)溫度達(dá)到所要求的范圍時(shí)就停轉(zhuǎn)，超出范圍時(shí) 就重新啟動。工作過程中反復(fù)啟停，產(chǎn)生峰值電流，造成污染。采用先進(jìn)可 靠的變頻技術(shù)后，可隨時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了頻繁的起停，消除壓縮機(jī) 啟動時(shí)的尖峰電流，減少對電網(wǎng)的污染。 (2)傳統(tǒng)的空調(diào)器不管外界溫度如何，始終保持同一轉(zhuǎn)速。而變頻空 調(diào)則采用先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，根據(jù)需要改變轉(zhuǎn)速，溫度波動小，感覺舒 服，運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，降低噪音。 (3)由于近年來能源供應(yīng)形勢相當(dāng)嚴(yán)峻，使人們普遍關(guān)注節(jié)約能源， 有效利用能源。變頻式空調(diào)真正符合節(jié)能要求，今后必將取代傳統(tǒng)空調(diào)。 (4)溫度控制器應(yīng)用領(lǐng)域

17、廣泛，可以被廣泛用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研 究和生活等各種領(lǐng)域。 (5)利用模糊控制技術(shù)解決由于控制對象尺寸變化大、溫度特性差別 大出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。 (6)通過改良控制算法，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性和神制穩(wěn)%,性。 .2空調(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況 1.2.1空調(diào)器電氣控制技術(shù)發(fā)展概況 空調(diào)器的電氣控制技術(shù)是涉及很多學(xué)科在內(nèi)的一項(xiàng)綜合性技術(shù)。從傳統(tǒng) 的開關(guān)控制發(fā)展到現(xiàn)在的變頻控制，以及模糊智能技術(shù)的應(yīng)用，空調(diào)器的性 能有了很大的提高。 從空調(diào)器的電控系統(tǒng)的發(fā)展上看，可分為繼電器一接觸器控制、分立元 件的微電子元件控制和專用微電腦芯片控制三個(gè)階段tz} 最初，空調(diào)器的控制電路大都采

18、用選擇開關(guān)、繼電器和接觸器組成。風(fēng) 扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速由手動的轉(zhuǎn)換開關(guān)直接選擇進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)換開關(guān)接通不同的觸 點(diǎn)，風(fēng)機(jī)上相應(yīng)的轉(zhuǎn)速繞組就得電;壓縮機(jī)也是由一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)換開關(guān)控制 電路控制啟停，只是增加了手動的調(diào)溫開關(guān)和冷熱切換開關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在 制冷位置時(shí)，由調(diào)溫開關(guān)控制壓縮機(jī)的得電與失電，進(jìn)行制冷;當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān) 在制熱位置時(shí)，由調(diào)溫開關(guān)控制電加熱器的得電與失電，進(jìn)行制熱。所以， 這種控制方式功能簡單，而且使用起來不太方便。 20世紀(jì)90年代初，在繼電器一接觸器控制線路的基礎(chǔ)上利用電子技 術(shù)，發(fā)展了采用集成電路和分立元件相結(jié)合的電

19、控線路，這種電控系統(tǒng)中， 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等負(fù)載仍采用繼電器一接觸器供電方式。而其控制部分則采用 集成電路和分立元件相結(jié)合的方式組成控制電路，用弱電控制。增加了電子 溫度控制、自動除霜、3分鐘延時(shí)、過欠壓保護(hù)及制冷系統(tǒng)壓力開關(guān)保護(hù)等 功能，使空調(diào)器的自動控制功能大大提高，工作更為可靠。并且增強(qiáng)了電氣 保護(hù)功能，如壓力控制器，當(dāng)排氣壓力過高或吸氣壓力過低時(shí)，壓力控制器 斷開接點(diǎn)，迫使交流接觸器線圈斷電，使壓縮機(jī)停止工作;熱繼電器起過負(fù) 荷保護(hù)作用，確保壓縮機(jī)不會因過流而損壞。電子溫控板通過熱敏電阻對溫 度進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成電壓值，并通過電壓比較器與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，電 壓比較器通過

20、放大電路驅(qū)動相應(yīng)的繼電器，從而控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 目前先進(jìn)的空調(diào)器己普遍采用微電腦控制技術(shù)，微電腦在空調(diào)器上的應(yīng) 用，使空調(diào)器不但實(shí)現(xiàn)了自動化控制，而且還實(shí)現(xiàn)了智能化控制，使空調(diào)器 的功能有了更大的增加，操作更為簡單，舒適程度進(jìn)一步提高。微電腦內(nèi)部 有微處理器(MPU)，微處理器中的中央處理器具有數(shù)據(jù)處理能力(如算數(shù) 運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能。 MPU內(nèi)部還含有其它一些功能電路，如A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)電路、定時(shí) 器/計(jì)數(shù)器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口電路)、顯示器(LED或 LCD)驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制輸出電路(PWM)等?？?/p>

21、調(diào)器微電腦控制框圖 如圖1-10 圖1-1空調(diào)器微電腦控制框圖 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控 制，對空調(diào)器的控制趨向操作簡易、功能多樣化。同時(shí)由于紅外遙控器的使 用，使操作更簡單，以及模糊控制理論的應(yīng)用，使空調(diào)性能越來越可靠，感 覺越來越舒適。 1.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展 傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式，利用異步交流電機(jī)控制壓縮機(jī)進(jìn)行制冷 或制熱，這種控制方式有很多缺點(diǎn)和不足:空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是 利用簡單的感溫裝置來控制溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，使壓縮機(jī)停止轉(zhuǎn) 動，經(jīng)過一段時(shí)間之

22、后，由于外部影響使室溫再度升高時(shí)，再接通壓縮機(jī)電 路啟動壓縮機(jī)制冷。這樣，壓縮機(jī)工作于開關(guān)狀態(tài)，頻繁的起停造成了空調(diào) 器的制冷(制熱)的不連續(xù)，室溫有較大的變動差，因此普通空調(diào)使用起來 缺乏舒適感;空調(diào)器工作過程中反復(fù)啟停，對壓縮機(jī)損害較大，產(chǎn)生沖擊電 流，造成對電網(wǎng)的污染，會影響到其它用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn);而且處于開關(guān) 工作狀態(tài)壓縮機(jī)耗電量較大。所以近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào)，采用了變頻驅(qū)動 的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對電網(wǎng)和壓縮機(jī)的沖 擊等優(yōu)點(diǎn)。變頻式空調(diào)器的工作原理是通過改變壓縮機(jī)電動機(jī)的電源頻率來 達(dá)到調(diào)節(jié)壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的

23、目的。當(dāng) 室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫，或室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷加大時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可加 快，制冷功率(制熱功率)按比例增加;相反，在一般情況下，當(dāng)室內(nèi)空調(diào) 負(fù)荷減少時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可正常運(yùn)轉(zhuǎn)或減速;在空調(diào)器開機(jī)時(shí)，室內(nèi)溫度與 設(shè)定的溫度偏離較大時(shí)，變頻以高于工頻的頻率供電，保證空調(diào)器快速啟 動，可以使室溫快速達(dá)到設(shè)定值。而當(dāng)室內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度接近時(shí)，變頻器 自動保持壓縮機(jī)低速運(yùn)行以保持恒溫。因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調(diào) 器的變速運(yùn)轉(zhuǎn)即可以節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機(jī)采用了比單相電機(jī) 效率更高的三相電機(jī)，且壓縮機(jī)長時(shí)間不間斷運(yùn)行，避免了頻繁啟動造成的 損耗，所以變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果

24、。因壓縮機(jī)從20Hz電源頻率軟起動， 起動電流小對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器也無干擾，對電源電壓及頻率的敏感 度也低[3] 變頻式空調(diào)改善了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足，變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制 冷技術(shù)為一體，能效比高、調(diào)溫快、節(jié)能顯著，特別是應(yīng)用了模糊控制技 術(shù)，顯出更加突出的優(yōu)勢。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場競爭，國 萬方數(shù)據(jù)__ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控 制，對空調(diào)器的控制趨向操作簡易、功能多

25、樣化。同時(shí)由于紅外遙控器的使 用，使操作更簡單，以及模糊控制理論的應(yīng)用，使空調(diào)性能越來越可靠，感 覺越來越舒適。 1.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展 傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式，利用異步交流電機(jī)控制壓縮機(jī)進(jìn)行制冷 或制熱，這種控制方式有很多缺點(diǎn)和不足:空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是 利用簡單的感溫裝置來控制溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，使壓縮機(jī)停止轉(zhuǎn) 動，經(jīng)過一段時(shí)間之后，由于外部影響使室溫再度升高時(shí)，再接通壓縮機(jī)電 路啟動壓縮機(jī)制冷。這樣，壓縮機(jī)工作于開關(guān)狀態(tài)，頻繁的起停造成了空調(diào) 器的制冷(制熱)的不連續(xù)，室溫有較大的變動差，因此普通空調(diào)使用起來 缺乏舒適感;空調(diào)器工作過程中

26、反復(fù)啟停，對壓縮機(jī)損害較大，產(chǎn)生沖擊電 流，造成對電網(wǎng)的污染，會影響到其它用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn);而且處于開關(guān) 工作狀態(tài)壓縮機(jī)耗電量較大。所以近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào)，采用了變頻驅(qū)動 的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對電網(wǎng)和壓縮機(jī)的沖 擊等優(yōu)點(diǎn)。變頻式空調(diào)器的工作原理是通過改變壓縮機(jī)電動機(jī)的電源頻率來 達(dá)到調(diào)節(jié)壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的目的。當(dāng) 室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫，或室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷加大時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可加 快，制冷功率(制熱功率)按比例增加;相反，在一般情況下，當(dāng)室內(nèi)空調(diào) 負(fù)荷減少時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可正常運(yùn)轉(zhuǎn)或減速;在空調(diào)器開機(jī)時(shí)，室內(nèi)溫度與

27、設(shè)定的溫度偏離較大時(shí)，變頻以高于工頻的頻率供電，保證空調(diào)器快速啟 動，可以使室溫快速達(dá)到設(shè)定值。而當(dāng)室內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度接近時(shí)，變頻器 自動保持壓縮機(jī)低速運(yùn)行以保持恒溫。因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調(diào) 器的變速運(yùn)轉(zhuǎn)即可以節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機(jī)采用了比單相電機(jī) 效率更高的三相電機(jī)，且壓縮機(jī)長時(shí)間不間斷運(yùn)行，避免了頻繁啟動造成的 損耗，所以變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果。因壓縮機(jī)從20Hz電源頻率軟起動， 起動電流小對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器也無干擾，對電源電壓及頻率的敏感 度也低[3] 變頻式空調(diào)改善了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足，變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制 冷技術(shù)為一體，能效比高、調(diào)溫

28、快、節(jié)能顯著，特別是應(yīng)用了模糊控制技 術(shù)，顯出更加突出的優(yōu)勢。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場競爭，國 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 內(nèi)外各廠商的空調(diào)器在花色品種、多種功能、微電子控制和高效節(jié)能上也有 了很大的進(jìn)步。空調(diào)器目前的發(fā)展趨勢主要有:自動控制性能的改善，利用 模糊控制理論，自動按照室內(nèi)外環(huán)境和用戶的需要，調(diào)節(jié)房間的溫濕度:冷 熱兩用，提高制冷(熱)能力，加快房間的制冷(熱)速度;改善氣流和凈 化空氣:使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，降低噪音。除變頻功能外，目前還出現(xiàn)了更高一 檔的附加功能，如衛(wèi)星傳感紅外線探測器功能，反映人體表面溫度參數(shù);采 用電話遙控開停運(yùn)行控制;

29、模仿自然風(fēng)三維供風(fēng)方式;有的空調(diào)帶有人體感 知器，可跟據(jù)室內(nèi)人員的多少及活動量的大小，然后通過風(fēng)向控制閥調(diào)節(jié)合 適的風(fēng)向及風(fēng)速，同時(shí)可根據(jù)人體的活動量來調(diào)節(jié)室溫[41 1.2.3模糊控制技術(shù)的發(fā)展及研究動態(tài) 對于空調(diào)器室溫控制這種對象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況，使 用傳統(tǒng)的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技術(shù)對 空調(diào)器進(jìn)行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一種語言控制器， 有很強(qiáng)的魯棒性和控制穩(wěn)定性。同采用PID控制的變頻空調(diào)相比，模糊控 制空調(diào)器具有省電、噪音低和舒適度高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的市場前景。 模糊控制的概念是美國加利福尼亞大學(xué)著名教授

30、扎德(L.A.Zadeh) 在70年代初提出的，20多年來己取得了重大的發(fā)展，應(yīng)用范圍發(fā)展到從工 業(yè)控制到家用電器等各領(lǐng)域。模糊邏輯控制思想適用于理論和經(jīng)驗(yàn)性推理， 通常用于與人類判斷和感覺有關(guān)的控制問題、非線性問題、以及難于建立數(shù) 學(xué)模型的控制系統(tǒng)。模糊邏輯是一種近似推理邏輯，它使機(jī)器具有人類思維 若干特點(diǎn)。能夠根據(jù)一系列模糊知識和語句作出決定、判斷和決議。模糊邏 輯系統(tǒng)對控制器的描述采用的是模糊語言，而不是數(shù)學(xué)方程式。模糊控制可 以采用控制專家的復(fù)雜而獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)性知識，推導(dǎo)出適當(dāng)?shù)目刂戚敵?。模? 邏輯控制不象純粹的數(shù)學(xué)模型那樣精確，但它更容易制作、理解和修改[s1 近年來

31、，日本興起了模糊控制熱，目前模糊控制已廣泛地應(yīng)用到模糊電 飯煲、模糊洗衣機(jī)、模糊微波爐、模糊空調(diào)機(jī)、模糊吸塵器等家用電器。 并且受到了歡迎。這些產(chǎn)品的明顯優(yōu)勢是功能提高、操作簡便、節(jié)能效果顯 著。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，模糊邏輯和模糊控制技術(shù)的應(yīng)用會越來越多，越 來越廣泛。 模糊控制作為智能控制家族中的一員，其發(fā)展前景是廣闊的。近年來研 究的三要內(nèi)容是模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及兩者結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方 萬方數(shù)據(jù)__ 面。模糊控制發(fā)展至今，每年世界上都要發(fā)表相關(guān)論文約1000篇，其中大 部分研究

32、多是在中國和日本完成的，小部分在歐洲。模糊邏輯商業(yè)化最成功 的是日本，日本的國際貿(mào)易和工業(yè)部已經(jīng)建立了兩個(gè)主要研究機(jī)構(gòu)，一個(gè)是 國際模糊工程研究實(shí)驗(yàn)室;另一個(gè)是模糊邏輯系統(tǒng)研究所。美國工業(yè)界在近 幾年不少公司象Eaton,GE.HP,Rockwell等，有的己經(jīng)推出，有的正在 推出模糊邏輯產(chǎn)品。從大量熱心用戶對Motorola模糊邏輯處理軟件的反映 情況來看，越來越多的人和公司認(rèn)識到這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)價(jià)值。 1.3主要研究內(nèi)容 本課題的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一種冷熱兩用的熱泵型分體式房間變頻空調(diào)的模 糊溫度控制器，包括控制電路的設(shè)計(jì)，模糊PID設(shè)計(jì)控制器，變頻控制器 的設(shè)計(jì)及仿真。 根據(jù)

33、本課題任務(wù)，將完成以下研究內(nèi)容: 1、壓縮機(jī)變頻控制主電路設(shè)計(jì) 2,MB89P857實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度控制器硬件電路 3、模糊PID設(shè)計(jì)控制器 4、系統(tǒng)的MATLAB/simulink仿真試驗(yàn) 萬方 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第2章方案論證 變頻空調(diào)由壓縮機(jī)、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)扇和變 頻器及電氣控制系統(tǒng)等組成。分成室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組兩部分，室內(nèi)、外機(jī) 組各用一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制，通過信號線進(jìn)行通信，以傳遞和交換信號。本 章主要對壓縮機(jī)電機(jī)的變頻控制

34、和室溫的模糊控制方案進(jìn)行分析。 2.1空調(diào)器電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 室內(nèi)的遙控器發(fā)出的信號(紅外信號)由室內(nèi)機(jī)組的單片機(jī)接收，室內(nèi) 溫度傳感器、室內(nèi)蒸發(fā)器溫度傳感器的信號也發(fā)送到室內(nèi)單片機(jī)，單片機(jī)通 過相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算發(fā)出控制指令，通過室外單片機(jī)對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、室 外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和四通閥的開關(guān)進(jìn)行控制。這樣，室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組相配合， 發(fā)出連續(xù)的控制信號使空調(diào)器的所有運(yùn)轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)自動控制。 室外機(jī)組的單片機(jī)把室內(nèi)機(jī)組的單片機(jī)送來的控制信號進(jìn)行分析，室外 溫度傳感器、室外冷凝器溫度傳感器、壓縮機(jī)排氣溫度傳感器的信號也發(fā)送 到室外單片機(jī)，單片機(jī)通過運(yùn)算對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到制

35、冷或制 熱能力的調(diào)節(jié)，并且對室外風(fēng)扇電動機(jī)、電磁四通閥進(jìn)行切換控制，對各種 安全電路予以監(jiān)測151 2.2空調(diào)器壓縮機(jī)控制方案 空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)是通過對壓縮機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的。壓縮機(jī) 是空調(diào)器的心臟，是推動制冷劑在系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動力?？照{(diào)器用的壓縮 機(jī)一般為活塞式壓縮機(jī)，活塞式壓縮機(jī)主要有往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和渦旋式等。 20世紀(jì)80年代中期市場上往復(fù)式壓縮機(jī)居多，近年來旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)發(fā)展迅 速，已占主要地位。相對于往復(fù)式壓縮機(jī)，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)具有效率高、可靠 性好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小。渦旋式 壓縮機(jī)是一種新型壓縮機(jī)，獨(dú)特的渦旋結(jié)構(gòu)使它具有

36、效率高、扭矩變化小、 振動小、噪音低、零件少、體積重量小的優(yōu)點(diǎn)，顯示出較大的優(yōu)越性。 目前絕大多數(shù)中、小型空調(diào)器采用蒸發(fā)一壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)，從對壓縮 機(jī)的控制上有CCTXV.CCOT和VDOT三類系統(tǒng)(4] 萬方數(shù)據(jù) CCTXV(CyclingClutchThermalExpandValve)系統(tǒng):采用熱力膨脹閥 來控制制冷劑流量的制冷系統(tǒng)稱為CCTXV系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對壓縮機(jī)實(shí)行通 斷控制。 CCOT(CyclingClutchOrificeTube)系統(tǒng):與CCTXV系統(tǒng)相同，也采 用“通斷控制”，只是阻尼節(jié)流元件

37、采用節(jié)流孔管，與CCTXV系統(tǒng)相比，它 能充分發(fā)揮蒸發(fā)器的熱效率，有效防止液擊，簡化系統(tǒng)，降低成本，但采用 氣液分離罐，使體積變大。 以上兩種系統(tǒng)都采用了壓縮機(jī)的通斷調(diào)節(jié)，通斷調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不能 調(diào)節(jié)，時(shí)停時(shí)起，對壓縮機(jī)的運(yùn)行很不利，易損傷機(jī)件，降低壽命，溫度波 動較大。 VDOT(VariableDisplacementOrificeTube)系統(tǒng):這種系統(tǒng)采用可變 排量的壓縮機(jī)，配以減壓固定阻尼元件節(jié)流孔管，稱為可變排量膨脹管節(jié)流 系統(tǒng)。它是能夠?qū)崿F(xiàn)對壓縮機(jī)連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。變排量壓縮機(jī)的特點(diǎn)是能根 據(jù)吸氣壓力的變化自動調(diào)節(jié)，改變制冷劑流量以適應(yīng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷的變化， 使

38、蒸發(fā)溫度保持不變。它超越了熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)范圍更廣。 VDOT系統(tǒng)的控制方式正是變頻控制的思路。其特點(diǎn)如下: (1)降低能耗。VDOT控制的是制冷劑的排出量，屬主動調(diào)節(jié)。冷凝 壓力隨排量變化，壓縮機(jī)不會因克服多余的壓力而白做功，對壓縮機(jī)的連續(xù) 供電也比斷續(xù)供電要省電。(2)送風(fēng)溫度波動小，提高舒適性。(3)保護(hù)傳 動機(jī)構(gòu)，延長機(jī)械壽命。消除運(yùn)動部件起、停時(shí)產(chǎn)生的慣性力沖擊。 本空調(diào)采用排氣量可變的雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，廣泛應(yīng)用于空調(diào)器中。 空調(diào)器的制冷或制熱能力一般用壓縮機(jī)的排氣量來衡量，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的理 論排氣量為 V,=60irlMn(m3/h)(2-1) 式中

39、H一氣缸長度或高度(m); A一氣缸工作面積(m2): *壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)e 旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)由于考慮氣缸結(jié)構(gòu)和效率等因素的影響，其實(shí)際排氣量是 理論排氣量和排氣系數(shù)的乘積。 Vg一.1V,=60;THAn(m3/h)(2-2) 式中，兄一壓縮機(jī)排氣系數(shù)。 萬方數(shù)據(jù) 由此可見，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的排氣量和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系。這就 是變頻空調(diào)能夠通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空調(diào)器的制冷或制熱能力的原 理。 旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的核心是交流異步電動機(jī)，變頻空調(diào)器控制的核心就是采 用變頻技術(shù)對壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的制冷〔熱)功

40、率。80年 代以來，隨著交流電機(jī)調(diào)速控制理論、電力半導(dǎo)體器件、脈沖寬度調(diào)制、以 微處理機(jī)為核心的全數(shù)字化變頻控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，使交流電機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)成為一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備。在過去十幾年中用得較多的變頻調(diào)速系 統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制，在一定程度上滿足了 工業(yè)應(yīng)用中的要求，如風(fēng)機(jī)、水泵等。變頻技術(shù)的性能的提高及體積的減小 為其在空調(diào)器中的應(yīng)用提供了可能。 本系統(tǒng)的負(fù)載是空調(diào)器的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)可看作是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由于空 調(diào)器壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是為了進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，并不要求太高的調(diào)速精度，為 了結(jié)構(gòu)上的簡便，本變頻調(diào)速系統(tǒng)決定采用轉(zhuǎn)速開環(huán)的控制方式。本節(jié)針

41、對 這些特性從逆變器主回路、變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性、變頻調(diào)速的控制方式及 脈寬調(diào)制的控制策略的角度選擇壓縮機(jī)控制方案。 2.2.1變頻器主回路方案選擇 變頻器先把交流電整流成直流，再逆變，得到頻率可變的交流電源(即 交一直一交過程)。按中間直流環(huán)節(jié)對無功功率處理的不同形式，可分為電壓 型和電流型。電壓型變頻器中間儲能(或?yàn)V波)環(huán)節(jié)采用大電容，因此電源 阻抗小，相當(dāng)于電壓源;電流型逆變器中間儲能環(huán)節(jié)采用大電感，相當(dāng)于電 流源。從機(jī)械特性上看，電壓源逆變器驅(qū)動異步電動機(jī)，在電壓一定的條件 下得到的機(jī)械特性曲線與理論的機(jī)械特性曲線很相似，具有較硬的機(jī)械特 性。電流源逆變器驅(qū)動異步電

42、動機(jī)，在電流一定的條件下，其機(jī)械特性較 軟，隨著轉(zhuǎn)差率s的下降，有功電流增加，但定子電流一定，所以相應(yīng)的勵(lì) 磁電流分量就減少，磁通減小，轉(zhuǎn)矩下降[151，轉(zhuǎn)矩下降很快不適合壓縮機(jī)的 恒轉(zhuǎn)矩特性。 從以上二者的特點(diǎn)比較看，電壓源逆變器具有較好的帶載能力，機(jī)械特 性較硬，且采用PWM調(diào)制時(shí)動態(tài)響應(yīng)快，對開關(guān)管的要求低等特點(diǎn)，本系 統(tǒng)的負(fù)載是空調(diào)器壓縮機(jī)電機(jī)，它的負(fù)載是液態(tài)制冷劑，具有很大的阻尼特 性，在減速時(shí)由于阻尼的作用，轉(zhuǎn)速會很快降下來，再生能量小，用直流環(huán)__ 節(jié)的濾波電容吸收即可，所以系統(tǒng)不需采用制動環(huán)節(jié)。所以本裝置的主電

43、路 采用電壓型變頻器，在濾波環(huán)節(jié)采用小電感來抑制脈動電流及變頻器上電時(shí) 的沖擊電流。 2.2.2變頻調(diào)速時(shí)韻機(jī)械特性 交流異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 T=凡九I,cos碑(Nm) 式中KT一電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù) 九一每極氣隙磁通(Wb); 1,一折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電流(A); cos0,一轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)。 (2-3) 圖2-1異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性及負(fù)載組轉(zhuǎn)矩特性 圖2-1是異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線。曲線I表示定子頻率*=f:時(shí) 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。轉(zhuǎn)差率s=0時(shí)，轉(zhuǎn)矩T=0;在小轉(zhuǎn)差率范圍 內(nèi)，轉(zhuǎn)差率增大時(shí)轉(zhuǎn)子電流增加，因而轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率的增大而近似線形地增

44、 大。但當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大到一定的數(shù)值以后，一方面轉(zhuǎn)子電流I,的增大有使轉(zhuǎn)矩 增大的趨勢，另一方面，轉(zhuǎn)差率增大使漏抗明顯增大、功率因數(shù)減小，傾向 于使轉(zhuǎn)矩減小。因而，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性有一個(gè)最大值。最大轉(zhuǎn)矩 稱為顛覆轉(zhuǎn)矩Tm，如果電動機(jī)的負(fù)載超過此值，轉(zhuǎn)速將迅速下降直至停 機(jī)。圖2-1中曲線II為負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩特性。曲線I和曲線11的交點(diǎn)I即為 定子頻率為Ki時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。 本空調(diào)器的變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，即對電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率不加控 制，則當(dāng)提高定子頻率時(shí)，由于機(jī)械慣

45、性的原因，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率幾乎不變， 因而轉(zhuǎn)差頻率和轉(zhuǎn)差率均將增大，從而轉(zhuǎn)矩增大。例如，定子頻率由K1提 高到K2時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點(diǎn)1增大到點(diǎn)2"。于是電動機(jī)加速，最 后到達(dá)新的穩(wěn)定工作點(diǎn)2。同樣，當(dāng)迅速降低定子頻率時(shí)，例如由K1降到 K3時(shí)，電動機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點(diǎn)1變到點(diǎn)3"，出現(xiàn)電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速高于同 步轉(zhuǎn)速的情況。這時(shí)，轉(zhuǎn)差率為負(fù)值，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)。于是，電機(jī) 軸上的機(jī)械能被轉(zhuǎn)換為電能.根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)和控制方法的 不同，這個(gè)電能或者被反饋到電源中去(再生制動勺或者消耗在外接電阻與 主電路中(能耗制動)。因此，電機(jī)減速，最后達(dá)到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)3. 由上

46、分析可知，在轉(zhuǎn)差頻率不加控制的頻率開環(huán)系統(tǒng)中，定子頻率不能 調(diào)節(jié)得過快，否則將超過顛覆點(diǎn)而停機(jī)。在工頻電源下運(yùn)行的鼠籠式異步電 機(jī)，啟動電流一般為額定電流的5-6倍，但啟動轉(zhuǎn)矩卻較小。這是由于啟 動時(shí)轉(zhuǎn)差頻率較高，轉(zhuǎn)子漏抗較大，因而轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降造成的。在變頻 調(diào)速系統(tǒng)中，可以低頻啟動，可以提高啟動時(shí)轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)，從而增大了 每安培轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。因而，即使在重載下啟動，一般啟動電流也 只有額定電流的2倍左右。 2.2.3變頻調(diào)速的控制方式 異步電動機(jī)在變頻調(diào)速時(shí)，應(yīng)盡可能使氣隙磁通保持為額定磁通。要保 持磁通恒定，在調(diào)節(jié)定子頻率時(shí)就必需同時(shí)改變定子的端電壓。即當(dāng)增

47、大定 子頻率時(shí)必需同時(shí)使定子電壓成比例地增加，否則氣隙磁通降低;當(dāng)降低定 子頻率時(shí)，必需同時(shí)使定子電壓成比例地降低，否則將超過飽和磁通密度而 導(dǎo)致勵(lì)磁電流過大，使損耗增加甚至損壞電機(jī)。也就是說，對電機(jī)供電的變 頻電源一般要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻兩種功能，根據(jù)定子電壓V和定子頻率f的 不同比例關(guān)系，將有不同的變頻調(diào)速控制方式，因?yàn)閴嚎s機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， 選擇具有低頻電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式比較適合于壓縮機(jī)電機(jī)控制。它 不需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，也沒有大量的復(fù)雜計(jì)算，其調(diào)速性能可滿足要__ 求。 恒壓頻比控制方式是保持Vllf,等于常

48、數(shù)的比例控制方式。 中外加電源若為V,，定子產(chǎn)生的反電勢則為 E二4.44fN,koo, 在異步電機(jī) (2-4) 如果略去s定子阻抗壓降，則有 K、E=4.44人從ko九(2-5) 式中.f一定子頻率(Hz); NS一定子每相繞組的匝數(shù); ko比例系數(shù); 人一氣隙磁通(Wb)o 由公式可知，為保持氣隙磁通近似不變，在調(diào)節(jié)定子頻率的同時(shí)必需正 比例地調(diào)節(jié)定子外加電壓V，使 Vlf=kpru=常數(shù)(2-6) 式中k=4.44N,ko是常系數(shù)。 按照上述Vlf一常數(shù)的恒壓頻比控制方式下，在低頻時(shí)由于定子電阻R, 的壓降占的比重增加，即使在轉(zhuǎn)差頻率為很小的情況下，也無法

49、使電機(jī)的 最大轉(zhuǎn)矩Tm保持恒定。T,_要隨頻率的下降而減小，在低頻時(shí)啟動轉(zhuǎn)矩也很 小，甚至不能帶動負(fù)載。因此，V,lf=常數(shù)的恒壓頻比控制方式只適用于調(diào) 速范圍不寬或負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的場合，如風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載。對 于調(diào)速范圍寬的恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，則希望在整個(gè)調(diào)速范圍中維持TQ。不 變，亦即按 E}If,=常數(shù)(2-7) 進(jìn)行控制。式中Es為定子感應(yīng)電勢。 為了保證T-不變，隨著兒的降低必需適當(dāng)提高定子電壓V,，以便補(bǔ)償 定子電阻R，上的壓降。也就是說，提高定子電壓的目的仍是為保持氣隙磁 通恒定，進(jìn)而保證最大轉(zhuǎn)矩不變。頻率越低，需外加補(bǔ)償電壓越高。 在電機(jī)的工作頻率

50、超過同步頻率時(shí)，也即轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如果采 用Vhf=常數(shù)的恒壓頻比控制方式進(jìn)行調(diào)速時(shí)，勢必增加外加電壓，并使其 超過額定值，這在一般情況下是不允許的。所以同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速往往不 再使定子電壓升高，而是保持為額定電壓。 具體方案是采用轉(zhuǎn)速開環(huán)，恒壓頻比(Vif〕控制，進(jìn)行低頻定子壓降 補(bǔ)償。額定電壓為220V,額定頻率為50Hz，進(jìn)行低頻補(bǔ)償前的電壓頻率關(guān) 系如下式 {UA一uf LUA-UAN f<.f, (2-8) f>f, 如圖2-2中的虛線所示，在15Hz時(shí)， 2歐姆，取補(bǔ)償電壓U,-=20V，所以

51、 如圖中實(shí)線所示。 UA

52、改變脈沖序列的周期可以調(diào) 頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒纯墒闺妷号c 頻率協(xié)調(diào)變化，其缺點(diǎn)是輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。 SPWM法是為了克服等脈寬PWM法的缺點(diǎn)而發(fā)展來的，是 Schonung在1964年提出的，它采用通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)，用基波信 號去調(diào)制三角載波，控制開關(guān)器件的動作順序和時(shí)間分配，從而在逆變器上 同時(shí)進(jìn)行電壓和頻率的控制。是目前最普遍的一種調(diào)制方式。它從電動機(jī)的 供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源， 其特點(diǎn)是，在半個(gè)周期中等距、等幅(等高)、不等寬(可調(diào))，總是中間的

53、 脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖所圍面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例， 這樣，輸出電壓中低次的諧波分量可以大大減少。 磁鏈追蹤型PWM法與SPWM法不同，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)的， 著眼于如何使電動機(jī)獲得圓磁場。它是以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電 動機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶? 來追蹤基準(zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模式，形成PWM 波。當(dāng)然這樣所形成的PWM波也未必是三相對稱的正弦波。SPWM法和 磁鏈追蹤型PWM法，由于著眼點(diǎn)不同，所建立的數(shù)學(xué)模型也完全不同。磁 鏈追蹤型PWM法的數(shù)學(xué)模型是建立在電機(jī)統(tǒng)一理論、電機(jī)軸系坐標(biāo)變換理

54、 論基礎(chǔ)上的。它把電動機(jī)看成是一個(gè)整體加以處理，所得數(shù)學(xué)模型簡單，便 于微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，從而可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能獲得更好 的性能。 上述三種PWM法都是控制輸出電壓的電壓源逆變器，而電流跟蹤型 PWM法雖然也采用電壓源逆變器，卻是控制輸出電流的。其基本思想是將 電動機(jī)定子電流的檢測信號與正弦波電流給定信號用比較器進(jìn)行比較，如果 實(shí)際電流大于給定值，則通過逆變器的開關(guān)動作使之減小，反則使之增大。 這樣，實(shí)際電流波形圍繞給定的正弦波作鋸齒狀變化，而且開關(guān)器件的開關(guān) 頻率越高，電流波動就越小。使用這種方法，電動機(jī)的電壓數(shù)學(xué)模型改成電 流模型，可使控制簡單，動態(tài)響應(yīng)

55、加快，還可防止逆變器過電流。 電壓型SPWM調(diào)制是工業(yè)上應(yīng)用得最為廣泛的一種調(diào)制技術(shù)，這里不 作過多的介紹。它的主要優(yōu)點(diǎn)是:1)結(jié)構(gòu)簡單;2)逆變器同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓， 與中間環(huán)節(jié)元件參數(shù)無關(guān)，動響加快;3)波形好，能抑制和消除低次諧 波。本系統(tǒng)根據(jù)上述比較，選擇電壓SPWM調(diào)制，因?yàn)樗唵慰煽?、具? 很好的波形，且數(shù)字化實(shí)現(xiàn)比較方便。具體實(shí)現(xiàn)方法將在第4章中詳細(xì)介 紹。 2.2.5實(shí)現(xiàn)手段 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得可以對變頻器進(jìn)行直接數(shù)字控制，直接數(shù)字 控制的優(yōu)點(diǎn)有很多，如集成度高，大部分功能都能用軟件實(shí)現(xiàn)，需要改變功 能時(shí)，

56、只需調(diào)整軟件即可。這是模擬控制不可比擬的。確定微機(jī)控制后，要 選擇合適的微控制器。選取的原則是:滿足控制性能要求;盡量使系統(tǒng)簡 單。 目前用的較多的是單片機(jī)系列，也可使用一些專用的SPWM波專用控 制芯片，如HEF4752,SLE4520,MA818等。在變頻空調(diào)中，變頻器的設(shè)計(jì) 需考慮到應(yīng)小型化和可靠性，所以采用了富士通公司的MB89P857單片 機(jī)，這種單片機(jī)具有一個(gè)內(nèi)置的三相SPWM波形發(fā)生器，可方便地產(chǎn)生所 需的三相SPWM波形觸發(fā)脈沖。MB89P857還具有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換電 路，2路PWM輸出電路，6個(gè)并行接口，內(nèi)部帶有1K的RAM和32K的 ROM，可將程

57、序固化在芯片內(nèi)，簡化外圍接口電路，可大大簡化電路設(shè)計(jì)， 提高整個(gè)電路的性能。所以選用以MB89P857為核心的數(shù)字控制方案。 由于空調(diào)器的特殊性，所以要求變頻器具有小型、高可靠性、低噪聲等 特點(diǎn)。若功率器件采用分立元件，必將增大變頻器的體積，增大系統(tǒng)復(fù)雜 性。為了減低在設(shè)計(jì)、開發(fā)及制造上的成本，減少研制周期，提高系統(tǒng)的可 靠性，智能功率模塊(IntelligentPowerModule)引起T人們的注意。智能 功率模塊能提供數(shù)字控制邏輯和功率負(fù)載之間的接口。最簡單的型式可由單 一電平移動和驅(qū)動電路組成，把來自微處理器的邏輯信號轉(zhuǎn)變成足以激勵(lì)負(fù) 載的電壓和電流:復(fù)雜的則要求智能功

58、率模塊執(zhí)行負(fù)載監(jiān)控、診斷、自保 護(hù)，向微處理器反饋信息。本論文設(shè)計(jì)中采用日本三菱電氣公司的智能功率 模塊PM20CTMO60，其特點(diǎn)是:內(nèi)部集成了功率芯片、驅(qū)動電路及檢測保 護(hù)電路，使主電路的結(jié)構(gòu)最為簡單;功率部分采用開關(guān)速度高、驅(qū)動電流小 的IGBT，功率損耗極低、需用散熱片減小;在內(nèi)部配線上將電源電路和驅(qū) 動電路的配線長度控制到最短，從而很好地解決了浪涌電壓及噪聲影響誤動 作等問題:具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及控制電源欠電壓鎖定保 護(hù)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，及時(shí)關(guān)斷功率器件并發(fā)出模塊錯(cuò)誤信號，使功率芯片能 夠安全工作。 2.3溫度控制方案的選擇 在空調(diào)的溫度控制過程中，由

59、于空調(diào)器功率傳輸?shù)臏蠛蜏囟茸兓驼{(diào) 節(jié)中的大慣性特性，使空調(diào)器的溫度控制非常困難。由于空調(diào)器使用的房間 的大小、結(jié)構(gòu)各不相同，另外由于季節(jié)、天氣、室內(nèi)人員多少及電器的用量 等的變化，房間對象的不確定性又是非常嚴(yán)重的。而普通的PID控制方法 不適合具有大慣性、滯后特性的對象的控制，并且PID控制器一般針對固 定的控制對象才能確定控制參數(shù)，取得好的控制效果，而空調(diào)應(yīng)用的房間一 經(jīng)變化，PID參數(shù)就不能適應(yīng)新的控制對象。所以PID不能適應(yīng)房間溫度調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的時(shí)變、滯后、大慣性等復(fù)雜特性，并且在空調(diào)控制中，房間對象的 數(shù)學(xué)模型很難確

60、定，很難對PID參數(shù)進(jìn)行整定。對于房間溫度控制這種對 象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況，特別適合使用模糊控制[71。模糊控 制能更為近似地反映人的控制行為，有很強(qiáng)的魯棒性和控制穩(wěn)定性，能夠運(yùn) 用于各種不用對象的控制。采用模糊控制比傳統(tǒng)控制溫控精度高，過渡過程 優(yōu)良，舒適性大為提高。 2.4本章小結(jié) 經(jīng)過論證，硬件電路以MB89P857單片機(jī)為核心，此單片機(jī)功能強(qiáng)， 并可大大簡化電路設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)逆變器的主電路采用電壓源逆變器的結(jié)構(gòu)， 控制方式是具有低頻電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比(咐)控制，它實(shí)現(xiàn)簡單，工作 可靠，并能夠滿足要求;逆變器控制方式采用SPWM方式，輸出波形好， 諧波小。

61、溫度控制選擇模糊控制技術(shù). 第3章變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 變頻空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)主要包括對空調(diào)器壓縮機(jī)、風(fēng)扇等各執(zhí)行部件 控制，采用的核心處理器是富士通公司的MB89P857單片機(jī)。本章主要論 述的是電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組兩部分內(nèi)容。 3.1電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 變頻式空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，整個(gè)控制系統(tǒng)大致由室 內(nèi)機(jī)組控制板和室外機(jī)組控制板組成。在空調(diào)器中，電控系統(tǒng)的作用是根據(jù) 電機(jī)，使室溫合乎理想要求。在分體式空調(diào)中，運(yùn)轉(zhuǎn)部件包括室內(nèi)風(fēng)機(jī)

62、和室 外風(fēng)扇，它們的作用是把空調(diào)器產(chǎn)生的冷空氣或熱空氣帶到室內(nèi)的不同區(qū) 域，實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)房間溫度的目的。溫度設(shè)定等空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)指令由紅外線遙控 器和室內(nèi)機(jī)控制板上的紅外線接收器傳遞到室內(nèi)機(jī)控制板上的單片機(jī)，此單 片機(jī)根據(jù)指令和溫度傳感器的狀態(tài)對風(fēng)扇電機(jī)和風(fēng)門電機(jī)進(jìn)行控制，并與室 外機(jī)控制板上的單片機(jī)進(jìn)行通訊。 圖3-1變頻式空調(diào)電氣控制系統(tǒng)框圖 室外風(fēng)扇電機(jī)為變繞組電機(jī)，它的轉(zhuǎn)速用繼電器控制，有高、中、低速 三檔，單片機(jī)輸出端口通過反向驅(qū)動器ULN2003驅(qū)動J1,J2,

63、J3三個(gè)繼電 器，分別對應(yīng)三個(gè)風(fēng)速檔位。單片機(jī)經(jīng)分析判斷，確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，然后通過 開通對應(yīng)的繼電器使風(fēng)扇按設(shè)定的風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 室內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速，由單片機(jī)內(nèi)的PWM發(fā)生器控制，由軟件 算出相應(yīng)的相位控制角，由PWM端口輸出，經(jīng)MOC3021光禍驅(qū)動雙向可 控硅，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。 四通閥是控制制冷、制熱切換的，使四通閥得電，空調(diào)器制熱;使四通 閥掉電，制冷劑向相反方向流動，空調(diào)器制冷[8l 模擬量檢測使用的是單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換端口，其中P50-P57口是A/D轉(zhuǎn) 換采樣通道，由熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻上的電壓信號輸入單片機(jī)， 然后由CPU進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。 3.2室內(nèi)機(jī)組

64、的設(shè)計(jì) 3.2.1紅外遙控器信號的接收 紅外遙控器由紅外遙控發(fā)射器和紅外遙控接收器兩部分組成[9] 3.2.1.1遙控發(fā)射器遙控發(fā)射器的電路結(jié)構(gòu)框圖見圖3-2。它是以紅外遙 控發(fā)射專用集成電路工C1為核心組成的。發(fā)射器鍵盤矩陣電路由矩陣開關(guān)組 成，它與工C1內(nèi)的掃描脈沖發(fā)生器和鍵盤信號編碼器構(gòu)成鍵命令輸入電路。 當(dāng)操作者按下某個(gè)功能鍵時(shí)，相應(yīng)的掃描脈沖通過按鍵開關(guān)輸入到工C1> 紅外線發(fā)射 圖3-2紅外遙控發(fā)射器結(jié)構(gòu)框圖 由指令編碼器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字編碼指令。在IC1內(nèi)，指令編碼器輸出的編 碼指令送到編碼調(diào)制器。在編碼調(diào)制器中，38kHz載頻信號被編碼指令脈沖

65、 調(diào)制，形成調(diào)制信號，調(diào)制信號經(jīng)緩沖級至激勵(lì)管，由VT1和VT2組成的紅 外信號激勵(lì)級放大到足夠的功率，去驅(qū)動紅外發(fā)光管，發(fā)出被38kHz調(diào)制信 號調(diào)制的紅外線，通過發(fā)射器前端的輻射窗向前方空間發(fā)射。 3.2.1.2遙控接收器遙控接收器見圖3-3所示，它是由一塊裝有光敏二極 管的接收專用集成電路工C2組成，當(dāng)遙控發(fā)射器發(fā)出的紅外光被接收器的光 敏管接收到時(shí)，光敏管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號通過工C2中的自動 增益控制電路和限幅器穩(wěn)定幅度，隨后用38kHz低通濾波器濾出38kHz調(diào)制 信號，再經(jīng)檢波器解

66、調(diào)出編碼指令脈沖，然后由整形放大器放大整形，工C2 將編碼指令脈沖進(jìn)行解碼，最后輸出相應(yīng)信號，使空調(diào)中有關(guān)電路按遙控發(fā) 射器的指令進(jìn)行工作，執(zhí)行相應(yīng)功能的操作。 輸出控制信號 光敏 I.----一—一一一! 圖3-3紅外遙控接收器結(jié)構(gòu)框圖 3.2.2風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的控制 風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的功能是使風(fēng)門葉片上下擺動，起到控制風(fēng)向的作用，從 而使室內(nèi)風(fēng)扇吹出的風(fēng)能均勻分布到室內(nèi)的各個(gè)部分，風(fēng)門葉片的控制有自 動控制和手動控制兩種，手動控制時(shí)可使風(fēng)門葉片處于固定的位置，使風(fēng)向 朝一個(gè)方向。自動控制時(shí)，風(fēng)門葉片將在其擺動范圍內(nèi)上下擺動。風(fēng)門步進(jìn) 電機(jī)的驅(qū)動電路如圖3-4所示。 圖3-4風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路示意圖 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動采用單相驅(qū)動方式，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的輸出端口電位為1 時(shí)，通過反向驅(qū)動放大器ULN2003A則變?yōu)榈碗娖?，這時(shí)相應(yīng)繞組則得 電，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，按照一定的規(guī)律使步連電機(jī)各繞組分別得 電，步進(jìn)電機(jī)就能連續(xù)轉(zhuǎn)動。正轉(zhuǎn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)各相通電順序如