SPMC75F2413A單片機在DC變頻空調(diào)中的應用

本文主要介紹利用SPMC75F2413A單片機構成DC變頻空調(diào)控制方案。DC變頻空調(diào)控制器工作機理，重點介紹SPMC75F2413A 在DC變頻空調(diào)器中的使用方法。
關鍵詞：SPMC75F2413A、PS21865A、模糊控制、凌陽單片機

1 引言
    隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民物質文化生活水平的不斷提高，空調(diào)器已廣泛應用于社會的各種場合，直流變頻空調(diào)器因具有節(jié)能、低噪、恒溫控制、全天候運轉、啟動低頻補償、快速達到設定溫度等性能，使空調(diào)的舒適性大大提高，將越來越受到人們的喜愛。單片機技術的廣泛應用，直流變頻技術及模糊控制技術在空調(diào)器嵌入式控制領域的成功應用，半導體功率器件的迅速發(fā)展為直流變頻控制的推廣提供了技術保障。
    本設計方案的DC變頻空調(diào)控制器由室內(nèi)機控制器、室外機控制器兩部分組成?；赟PMC75F2413A 的優(yōu)越性能，用其設計室外機DC變頻控制器，容易實現(xiàn)產(chǎn)品模塊化、智能化特點，控制參數(shù)采用開放式結構，便于與各種壓縮機聯(lián)結，從而能夠在最短的時間內(nèi)根據(jù)不同廠家的要求進行產(chǎn)品的升級換代。以這種方式，產(chǎn)品可以更快地推向市場，獲得時間上的競爭優(yōu)勢。本控制器含有以下關鍵技術：
1、模糊控制技術：依據(jù)室內(nèi)環(huán)溫、管溫，室外環(huán)溫、管溫、壓縮機排氣溫度、壓縮機過載保護溫度、壓縮機電流等參數(shù)建立模糊邏輯關系，控制壓縮機的運轉速度、室外風機及其它負載運行；
2、基于反電勢位置偵測的BLDC驅動技術;
3、模塊控制保護電路：當模塊有保護信號輸出時，通過硬件電路斷開PWM 模塊輸出控制信號，以達到保護模塊的效果，并且可靠的給單片機模塊保護信號；
4、EMC 及可靠性設計技術：在掌握空調(diào)的干擾機理的前提下，硬件設計重點考慮以下幾點：電源電路設計、濾波電路參數(shù)設計、印制板地線及信號線設計，并且軟件采用容錯技術。

2 芯片特性簡介
    本系統(tǒng)是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實現(xiàn)DC變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。
    SPMC75F2413A 是μ’nSP?系列產(chǎn)品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。與其它μ’nSP?產(chǎn)品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動領域。由于其擁有出色性能定時器PWM信號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實現(xiàn)各種電機驅動方案。
    SPMC75F2413A在4.5V～5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為12～24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數(shù)器，且每個定時器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉換。SPMC75F2413A在電機控制領域有相當優(yōu)秀的表現(xiàn)。
特性包括：
◆ 凌陽16位μ’nSP?處理器(ISA 1.2)
◆ 工作電壓：
   內(nèi)核：4.5V～5.5V
◆ 最高運行速度：24MHz
◆ 工作溫度： -40 ℃～85 ℃
◆ 芯片內(nèi)存儲器：
   32KW (32K×16) Flash
   2KW (2K×16) SRAM
◆ 基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
◆ 看門狗定時器
◆ 10位模/數(shù)轉換器
   8通道輸入
   10us (100kHz)轉換時間
◆ 串行通訊接口
   通用異步串行通訊接口(UART)
   標準外圍接口(SPI)
◆ 總計64個通用輸入輸出管腳
◆ 電源管理
   2種低功耗模式：Wait/Standby
   每個外設都可以獨立的供電
◆ 兩個比較匹配定時器
◆ 5個16位通用定時器
   2個用于脈寬調(diào)制
   2個用于速度捕獲
   1個用于速度反饋環(huán)。
◆ 中心(center)或邊沿(edge)脈寬調(diào)制輸出
◆ 通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調(diào)制輸出保護
◆ 可編程的死區(qū)控制(Dead time control)
◆ 脈寬調(diào)制服務和錯誤中斷發(fā)生
◆ 具備驅動交流感應電機和直流無刷電機的能力
◆ 內(nèi)嵌在線仿真功能

3 系統(tǒng)總體方案介紹
    本DC變頻空調(diào)系統(tǒng)分室內(nèi)機系統(tǒng)和室外機系統(tǒng)兩部分，其中室內(nèi)機系統(tǒng)主要是系統(tǒng)一些邏輯狀態(tài)信息的處理，而室外機系統(tǒng)主要是DC壓縮機的變頻驅動部分。在本系統(tǒng)方案中室內(nèi)機選用的是SPMC701FM0A實現(xiàn)的，SPMC75F2413A主要是應用在BLDC變頻驅動部分。系統(tǒng)結構框圖如圖3-1所示。

圖 3-1  DC變頻空調(diào)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的基本工作過程：
    室外機的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時接收來自室內(nèi)機的控制和狀態(tài)信息，從而去控制室外的風機、四通閥和壓縮機，完成相應的控制功能。同時還會將室外機的一些狀態(tài)和室外的一些溫度信息傳回室內(nèi)機。室內(nèi)機則根據(jù)室外機返回的參數(shù)和室內(nèi)機本身的一些工作狀態(tài)和溫度信息對整個空調(diào)系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。

4 系統(tǒng)硬件設計
    整個系統(tǒng)由室內(nèi)機系統(tǒng)和室外機系統(tǒng)兩部分組成。下面主要介紹室外內(nèi)系統(tǒng)。
4.1 系統(tǒng)結構
    室外機系統(tǒng)主要由IPM功率驅動模塊、反電勢位置偵測電路、開關電源、室外風機驅動、由SPMC75F2413A構成的MCU子系統(tǒng)和Power Line通信電路等模塊構成。室外機系統(tǒng)電路結構如圖 4-1所示。

圖 4-1  室外機系統(tǒng)框圖

4.2 MCU控制電路
    圖4-2 為MCU 控制電路，此部分的電路主要是以SPMC75F2413A 微控制器為主，CON5 連接在線調(diào)試、仿真器ICE。MCU控制電路是整個室外機系統(tǒng)的控制核心，室外機的所有外設均在其協(xié)調(diào)控制下工作。

圖4-2 MCU 控制電路

4.3 電源電路
    圖4-3為EMI電源濾波電路與軟啟動電路，AC 電源輸入接頭為CON1、CON3和CON5，電壓為220VAC，電源輸入端通過突波吸收器ZNR3 以避免過大的電壓突波損壞器件，L1、C2、C1、C5和C3組成EMI濾波電路，濾除電路中的電磁干擾；RL1、RT2和D1構成軟起動電路，防止電路上電時的大電流沖擊。

圖4-3 EMI 電源濾波器

    圖4-4為DC/DC電源供應電路，電路是由TOP234和其相應的外圍電路構成。電路的輸出P+18V與+12V電源供系統(tǒng)使用。P+18V電源輸出后分別透過IC21 與IC22 產(chǎn)生P+15V 與P+5V，以供給IPM 功率模塊的工作電壓。而+12V 經(jīng)線性穩(wěn)壓器IC20 產(chǎn)生+5V 電源供給SPMC75F2413A 等數(shù)字電路。

圖4-4 DC/DC電源供應電路

4.4 室外風機驅動電路
    室外風機使用有霍爾傳感器的BLDC，其驅動電路如圖4-5所示。電路使用SMA5118和功率驅動光藕TLP251實現(xiàn)。SPMC75F2413A輸出PWM信號經(jīng)TLP251光電隔離后送入SMA5118功率驅動模塊進行功率合成后輸出，從而驅動風機可靠的工作。

圖 4-5 室外風機驅動電路

4.5 壓縮機功率驅動電路
    壓縮機功率驅動電路如圖4-6所示。電路主要由IPM功率驅動模塊（PS21865A）電路和PWM信號光電隔離驅動電路構成。SPMC75F2413A輸出PWM信號經(jīng)光電隔離后送入IPM功率驅動模塊進行功率合成后輸出，從而驅動壓縮機。

圖4-6 IPM 馬達驅動電路

4.6 反電勢位置偵測電路
    反電勢位置偵測電路如圖4-7所示，電路主要是利用BLDC電機在旋轉時會在定子線圈上產(chǎn)生與轉子位置相關的反電勢的特性。電路由電壓比較器和相應的阻容網(wǎng)絡構成，完成無傳感BLDC電機的轉子位置偵測功能。

圖 4-7 反電勢位置偵測電路

4.7 Power Line通信電路
    Power Line通信電路如圖 4-8和圖 4-9所示。它實質上是一種半雙工的電流環(huán)通信電路，它主要是利用一條電源線和一條專用的通信線，使室內(nèi)外構成一個電流環(huán)，電流環(huán)由室內(nèi)機供電。這個電路利用芯片內(nèi)部的UART通信模塊，為室內(nèi)外機提供一條可靠的通信回路。

圖 4-8 Power Line通信電路室內(nèi)機部分

圖 4-9 Power Line通信電路室外機部分

5 系統(tǒng)軟件設計
    整個室外機系統(tǒng)軟件主要包括以下幾部分：
1. 同室內(nèi)機通信、協(xié)調(diào)控制部分；
2. 室外機的壓縮機驅動控制部分；
3. 室外風機驅動控制；
4. 四通閥驅動控制。
    系統(tǒng)同室內(nèi)機通信、協(xié)調(diào)控制部分主要包括串口中斷服務和命令解釋執(zhí)行和主循環(huán)控制等幾部分。其中主控制流程如圖 5-1。串口中斷服務主要是接收來自室內(nèi)機的數(shù)據(jù)包，并對相應的信息進行處理，確保傳給控制程序的命令和數(shù)據(jù)的正確性；命令解釋執(zhí)行部分主要是解讀室內(nèi)機命令，并進行相應的處理。

圖 5-1 主流程

    壓縮機驅動控制部分分為BLDC核心驅動、電機加減速控制、電機的起停服務等幾部分。其中最核心的是BLDC核心驅動部分。
    SPMC75F2413A 是屬于馬達專用IC，內(nèi)部一共有兩套完全相同的變頻電機驅硬件。可以同時驅動兩路BLDC電機。這為DC變頻空調(diào)的實現(xiàn)提供了極大的方便。因此壓縮機的驅動的軟件部分變得比較簡單，只需要利用反電勢位置偵測電路（如圖4-7所示）為驅動電路提供的轉子位置信息便可方便的驅動壓縮機。同時，SPMC75F2413A內(nèi)部還集成了專用的驅動保護電路，對壓縮機和其驅動電路提供了完善的保護功能。
    DC變頻空調(diào)的室外風機同壓縮機一樣使用BLDC電機。因此其驅動軟件和壓縮機驅動部分使用相同的結構。

6 結語
    通常，在開發(fā)變頻設備的過程中，需要編寫實時性、程序可讀性強的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的u’nSP IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進行混合編程（在C程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中調(diào)用C程序）。
    該系統(tǒng)用了SPMC75F2413A兩個定時器和約17個IO口資源，其實SPMC75F2413A的資源相當豐富。因其有專業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開發(fā)變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當出眾的表現(xiàn)。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統(tǒng)在通用變頻、變頻家電等變頻領域有廣闊的應用前景。