基于DSP的精密空调风机控制器的设计

摘要：目前电子信息技术快速发展，而电子信息设备的可靠运行，对环境的温度湿度等有较高的要求，因此精密空调应运而生，并得到了广泛的应用和发展。精密空调风机控制器作为汽车的空调控制系统中风机的能源驱动设备，是普遍使用的汽车空调控制系统中的一个极为关键的部位，因而也逐渐成为空调制冷行业的一个备受关注的研究重点。本文所介绍的新型精密空调风机控制器的设计和组装从客户的实际需求出发，在兼顾普通使用的控制器电路的功能基础之上，增加了多种系统防护和保护功能。在此行业同类产品中处于较为先进的水平。该精密空调控制器采用调压调速方法，由主电路和控制电路两部分组成，微电路处理器的芯片组采用DSP芯片MC56F8025，它是Freescale公司生产的最为先进精密的控制器芯片组。

前言

随着电子信息技术的快速发展，人们也越来越重视电子设备在运行时的稳定性。电子设备运行的稳定性，不仅依赖于设备自身设计的可靠性，还在很大的程度上受到周围环境的影响。如果环境变化很快，或者忽高忽低极不稳定，一定会影响电子设备的正常运行，缩短其使用寿命。日常生活中所见的的空调风机控制器的电子电路的设计非常简单，功能极其单一，并且不具有可恢复性，显然是不能满足设计的苛刻的要求的。因此我们需要一种具有更高性能和精度的空调来满足此要求，因此精密空调便产生了，并很快应用于现实中。目前在精密空调风机控制器中，动力设备应用较多的是三相异步电动机。众所周知的是异步电动机具有多种调速方法，现在最常运用的是变频调速，但是由于变频调速具有成本较高，电磁干扰对精度影响较大，控制较为困难的缺点，在很多场合下使用受到限制。在此前提下控制器结构极其简单，成本相对低廉的调压调速控制器便在精密空调风机调速控制系统中得到更为广泛的应用。

1.精密空调控制系统现状

随着计算机微型控制器而发展的电子技术的飞速发展及电力电子器件的设计与应用极大地推动了精密空调风机控制系统的高速发展和技术上的不断完善。由于变频调速实现调速的方式是改变改变定子的供电频率来改变同步转速，调频的精度得以保证。因此变频调速的调速性能具有高精度、高效率、高范围的特点。虽然目前变频调速是主流方向，但是仍存在很多问题，例如成本高，元器件规格要求高，电路复杂，结构和控制方法复杂，损坏后维修成本高等。最主要的是变频调速过程中产生的高次谐波会对邻近的用电设备产生谐波污染，危害周围设备的健康运行。

2.空调风机调压调速系统

空调风机采用的是三相异步电动机，三相异步电动机定子绕组采用的是三角型连接方式，每一相绕组和一个TRIAC串联后分别连接到三相电源的三相。DSP产生触发脉冲，触发脉冲经过光耦合隔离后将光耦的受控侧导通，TRIAC的门极经过光耦与输入电源侧联通，当门极通过足够的电流时，将TRIAC导通，通过改变TRIAC的触发角来控制电压的有效值。三相交流调压调速电路采用的是三相三线式，定子的各相电压和稳态时的各相电流都是对称的。每半个周期控制一次TRIAC触发角，以此来调节输出电压的有效值，达调速目的。异步电机是阻感性负载，在通过的电压为零时电流并不为零，故晶闸管的导通情况不仅仅与触发角有关，还与电动机的功率因数角有关。

2.1 控制电路硬件设计

控制电路使用Freescale公司研制的MC56F825，实现对主电路的控制，并对电压过零点、电流、环境温度等多个信息进行实时检测。时钟信号输入采用的是8MHz外部晶振经过内部倍频产生32MHz的系统时钟。控制芯片MC56F825采集冷凝管压力信号、电流信号、电压过零信号、经过软件处理后，输出触发脉冲：在控制电路中设有三路过零检测电路，利用控制芯片所具有的三个中断分别对线电压进行过零检测，然后通过软件实现缺相、相序检测和频率异常检测，另设有风机工作电流检测电路，对一相线电流进行检测，结合过零信号计算风机工作时的功率因数角。控制器采用MAXIM公司研发的MAX3232收发器进行电平转换，以实现控制器和PC机之间的串行通信。另外，控制器设有双向可控硅温度检测电路、环境温度检测电路等一系列异常检测电路，以及按键、数码管这些简单方便的人机接口。控制器使用DSP芯片，它具有成本低、配置灵活等优点，被广泛应用于许多工业控制、运动控制、电源管理和医疗检测设备等。56F8025系列DSP拥有丰富的外设接口，每一个外设接口均可单独关闭，这样便可节省外力。

精密空调一般使用在电子信息设备比较多的场所，电磁干扰大，极容易对风机控制器的控制芯片造成干扰，使得系统无法正常工作。故为了提高系统的稳定性，除了在电路设计及PCB制版中添加防干扰措施，还在系统中增加了外部看门狗模块，这样当程序出现错误时，可让控制芯片复位，即可保证系统的稳定性。

2.2 控制电路软件的设计

实现DSP控制调压调速的关键是软件程序。控制芯片MC56F8025通过中断获取三相输入电压的过零点信号，通过AD获取冷凝管的压力信号，经过计算得到TRIAC触发脉冲的角度，然后通过IO输出的方式输出触发脉冲。DSP同时分析处理获取的三个线电压的过零信号，进行缺相相序检测以及频率异常检测。另外DSP还对温度信号进行分析，并在控制器出现异常时做出相应的保护措施，同时通过数码管显示异常原因。

3.主电路硬件设计

主电路采用双向可控硅触发电路。该电路使用MOC3061系列光电双向可控硅驱动器，此光电耦合器的输出为正弦波，波形没有畸变、无噪音，可以用直流低电压小电流来控制高电压、大电流。而且具有成本较低、结构设计简单、可靠性高等优点。双向可控硅触发电路是主电路中非常关键的部位，该部位电路的损坏会直接导致整个系统崩溃。故必须设计保护电路以便对其进行保护。双向可控硅的保护主要包括以下两种：电压保护、电流保护。电路正常工作时，我们把超过双向可控硅能承受的最高峰值电压的最大脉冲称为过电压，过电压产生的原因有很多，包括电网电压的激烈波动或者干扰、雷击等。另外，当双向可控硅关断，正向的电流下降至零时，他的内部会残留很多的截流子，在反向电流作用下，也会产生非常高的电流尖峰，若这个尖峰超过了双向可控硅允许的最大峰值电流，就会损坏元器件。

4.结语

现在精密空调风机的调速系统多采用变频调速的方式，但是变频调速在实际应用中有种种限制，因此文章介绍了一种比较先进的基于DSP的空调风机调压调速控制器。它在兼顾普通控制器功能的同时，还克服了普通风机控制器保护后不能回复的弱点。过零检测快速准确，可保证调压调速的动静态性能。 

文章来源：精密空调 /