基于智能功率模组芯片PS21865A和SPMC75F2413A的AC变频空调方案实现

随着我国国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，空调器已广泛应用于社会的各种场合，变频空调器因具有节能、低噪、恒温控制、全天候运转、启动低频补偿、快速达到设定温度等性能，使空调的舒适性大大提高，将越来越受到人们的喜爱。单片机技术的广泛应用，变频技术及模糊控制技术在空调器嵌入式控制领域的成功应用，半导体功率器件的迅速发展为变频控制的推广提供了技术保障。
本设计方案的AC变频空调控制器由室内机控制器、室外机控制器两部分组成。基于SPMC75F2413A 的优越性能，用其设计室外机AC变频控制器，容易实现产品模块化、智能化特点，控制参数采用开放式结构，便于与各种压缩机联结，从而能够在最短的时间内根据不
同厂家的要求进行产品的升级换代。以这种方式，产品可以更快地推向市场，获得时间上的竞争优势。本控制器含有以下关键技术：
1、模糊控制技术：依据室内环温、管温，室外环温、管温、压缩机排气温度、压缩机过载保护温度、压缩机电流等参数建立模糊逻辑关系，控制压缩机的运转速度、室外风机及其它负载运行；
2、高效的三次谐波注入基于DDS的SPWM发生技术，充分利用电源电压、精确的频率调整、实时的电压补尝功能，使压缩机更有效工作;
3、模块控制保护电路：当模块有保护信号输出时，通过硬件电路断开PWM 模块输出控制信号，以达到保护模块的效果，并且可靠的给单片机模块保护信号；
4、EMC 及可靠性设计技术：在掌握空调的干扰机理的前提下，硬件设计重点考虑以下几点：电源电路设计、滤波电路参数设计、印制板地线及信号线设计，并且软件采用容错技术。 
2　芯片特性简介
本系统是基于智能功率模组芯片PS21865A和SPMC75F2413A实现的AC变频空调方案，下面介绍SPMC75F2413A的特性。
SPMC75F2413A 是μ’nSP™系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一个16位结构的微控制器。与其它μ’nSP™产品不同的是，SPMC75F2413A主要应用在工控或是家电的变频驱动领域。由于其拥有出色性能定时器PWM信号发生器组。因此，SPMC75F2413A可以方便的实现各种电机驱动方案。
SPMC75F2413A在4.5V~5.5V工作电压范围内的工作速度范围为0~24MHz，拥有2K字SRAM和32K字闪存ROM；64个可编程的多功能I/O端口；5个通用16位定时器/计数器，且每个定时器均有PWM发生的事件捕获功能；2个专用于定时可编程周期定时器；可编程看门狗；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换。SPMC75F2413A在变频控制领域有相当优秀的表现。
特性包括：
。凌阳16位μ’nSP™处理器(ISA 1.2)
。工作电压：
　　— 内核：4.5V～5.5V
。最高运行速度：24MHz
。工作温度： -40 ℃～85 ℃
。芯片内存储器：
　　—  32KW (32K×16) Flash
　　—  2KW (2K×16) SRAM
。基于时钟发生模块的锁相环电路
。看门狗定时器
。10位模/数转换器
　　— 8通道输入
　　— 10us (100kHz)转换时间
。串行通讯接口
　　— 通用异步串行通讯接口(UART)
　　— 标准同步串行口(SPI)
。总计64个通用输入输出管脚
。电源管理
　　— 2种低功耗模式：Wait/Standby
　　— 每个外设都可以独立的供电
。两个比较匹配定时器
。5个16位通用定时器
。2个用于脉宽调制，2个用于速度捕获，1个用于速度反馈环。
。MCP定时器3支持 TIO3A～TIO3F, MCP定时器4支持 TIO4A～TIO4F
。脉宽调制定时器支持递增/递减计数
。PDC定时器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C输入捕获
。TPM定时器2支持捕获/脉宽调制
。12个16位脉宽调制输出
。2通道的电机驱动脉宽调制输出(互补的3相6路脉宽调制输出)
。TIO3A～TIO3F利用 MCP 定时器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定时器4工作
。中心(center)或边沿(edge)脉宽调制输出
。通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护
。可编程的死区控制(Dead time control)
。脉宽调制服务和错误中断发生
。具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的能力
。内嵌在线仿真功能
3　系统总体方案介绍
本AC变频空调系统分室内机系统和室外机系统两部分，其中室内机系统主要是系统一些逻辑状态信息的处理，而室外机系统主要是压缩机的变频驱动部分。在本系统方案中室内机选用的是SPCE061A实现的，SPMC75F2413A主要是应用在变频驱动部分。因此室内机系统在此不再详述。室外机的电路结构框图如图 3-1。

 

图-1室外机系统框图

这个系统的基本工作流程：
    室外机的主控MCU（SPMC75F2413A）随时接收来自室内机的控制和状态信息，从而去控制室外的风机、四通阀和压缩机，完成相应的控制功能。同时还会将室外机的一些状态和室外的一些温度信息传回室内机。以供室内机做控制之用。 
4　系统硬件设计
系统电路原理图如图 4-1。其中PS21865A三相功率全桥电路模块，用来实现PWM信号的功率合成，从而驱动压缩机。ULN2003A是集电极开路输出的功率反向器，主要用来驱动系统中的继电器，从而控制风机和电磁阀。SPMC75F2413A单片机的主要作用：1. 根据室内机命令控制整个系统。2. 完成AC变频压缩机的变频驱动信号的产生和控制功能。
图 4-1中的Power_Line是一种半双工的电流环变换电路，它主要是利用电源和一条专用的通信线，使室内外构成一个电流环，电流环由室内机供电。这个电路为室内外机提供一条通信回路。SPMC75F2413A合成的注入三次谐波的SPWM信号经IOB0~5输出，经缓冲和光隔后输入PS21865A，而后输出控制电机。SPMC75F2413A的IOB6是错误侦测输入端，通过对其传回信号的检测，一旦PS21865A出现工作异常（如过压、欠压、过流、过热），驱动硬件会立即禁止PS21865A工作，同时申请中断，请求CPU处理。IOA0~3为模拟输入口，主要是温度传感器接口和直流高压测量接口。IOC8~10为控制四通阀和外风机的控制。

图 4-1系统电路原理图

5　系统软件设计
整个室外机系统软件主要包括以下几部分：1. 同室内机通信、协调控制部分。2. 室外机的压缩机驱动控制部分。
系统同室内机通信、协调控制部分主要包括串口中断服务和命令解释执行和主循环控制等几部分。其中主控制流程如图 5-1。串口中断服务主要是接收来自室内机的数据包，并对相应的信息进行处理，确保传给控制程序的命令和数据的正确性；命令解释执行部分主要是解读室内机命令，并进行相应的处理。

图 5-1 主流程
 

压缩机驱动控制部分分为SPWM信号合成、电机加减速控制、电机的起停服务等几部分。其中最核心的是SPWM信号的合成。本系统的波形合成使用DDS（直接数字频率合成）的方式进行。这部分主要由PWM周期表中断服务和相应的辅助计算程序组成。其中PWM周期中断服务是信号合成的核心部分，整个系统中它占用70%左右的运算量。它主要完成驱动波形的合成和干线电压的动态补尝功能，同时周期中断为DDS提供时钟基准；而加减速控制部分主要跟踪设置频率，从而使当前工作频率以设定的加速度向目标工作频率逼近；电机的起停服务主要是对电机启动和停止这两个特殊过程进行特殊处理。
因PWM周期中断服务程序执行频率很高（5KHz左右），因此这部分使用汇编编写，以保证尽量小的CPU资源占用。PWM中断服务子程序的流程如图 5-2。
 

图 5-2 PWM中断服务子程序流程图

6　结语
通常，在开发变频设备的过程中，需要编写实时性、程序可读性强的代码，这时就需要采用混合编程。而凌阳的m’nSP™ IDE具有良好的编程环境，它可以很轻松、容易地进行混合编程（在C程序中调用汇编程序，在汇编程序中调用C程序）。
该系统用了SPMC75F2413A两个定时器和约17个IO口资源，其实SPMC75F2413A的资源相当丰富。因其有专业的变频硬件支持，变频系统开发变得相对简单。同时，SPMC75F2413A在变频控制方面有相当出众的表现。因此，基于SPMC75F2413A的变频系统在通用变频、变频家电等变频领域有广阔的应用前景。