简述直流变频空调室外机电控系统硬件设计

简述直流变频空调室外机电控系统硬件设计

林钟文

广东美的制冷设备有限公司528311

摘要：随着微电子技术的发展和各种控制理论及应用的进步，变频调速系统以其较高的性价比在众多行业和领域得到了广泛应用。与交流变频技术相比，直流变频不要将直流电压再逆变成交流电压，节省了一次电压转换步骤，从而减少电流/电压在工作中的转变次数，提高了电能转化效率，降低了工作噪声。伴随着电子电力技术、微电脑控制技术的也得到了发展，在家用空调的电控系统中的应用也是越来越成熟。下面，本文就直流变频空调室外机电控系统硬件设计的相关要点进行探讨。

关键词：直流变频空调；室外机；电控系统；硬件设计

1.直流变频空调概述

直流变频空调是指采用直流变频控制系统以及相应的直流变频压缩机的空调器；节能效果最强；控温技术更精确。在空调器中，变频技术是一项新兴的技术，它是通过变频器改变电源频率，从而改变压缩机的运转转速的一种技术。直流变频空调器的工作原理是把50Hz工频交流电源转换为直流电源，并送至功率模块主电路，功率模块也同样受微电脑控制，所不同的是模块所输出的是电压可变的直流电源，压缩机使用的是直流电机，所以直流变频空调器应该称为直流变速空调器。直流变频空调器没有逆变环节，在这方面比交流变频更加省电。“变频”采用了比较先进的技术，启动时电压较小，可在低电压和低温度条件下启动，这对于某些地区由于电压不稳定或冬天室内温度较低而空调难以启动的情况，有一定的改善作用。由于实现了压缩机的无级变速，它也可以适应更大面积的制冷制热需求。

2.直流变频空调室外机电控系统构成

变频技术在家用空调的应用使得空调更加节能、环保、舒适，变频空调运用变频器可以自由调节压缩机的运转速度，它是根据室内空调的负荷来自动改变的，在室内负荷加大时，压缩机转速就加快，当负荷减小时，压缩机的转速也逐渐变小，保持室内温度的恒定。

作为直流变频空调的核心控制部分，室外机电控系统不仅需要实现对直流变频压缩机的调速控制，还需要实时采集各点温度传感器数据，完成一系列外围电气部件如电子膨胀阀、风机的控制，才能使系统的制冷、制热性能起着决定性的作用，直流变频空调室外机电控系统的结构复杂程度要远大于其它家用空调，系统功能也更为强大，对硬件要求也更高。

在家用空调中，永磁同步电动机以其效率高、调速性能好、可靠性高等优点广泛应用于空调、冰箱等家电产品。在空调行业中，将压缩机电动机由异步电机结构改为永磁同步电动机，并采用先进的变频技术，大大提高了空调的节能性能，数字式直流变频空调已经成为空调器未来的发展方向，因此开发相应的控制系统对我国空调产业的发展具有重要意义。下面，本文就以一种基于永磁同步电动机的变频空调室外电控系统的设计为例进行分析。

3.基于永磁同步电动机的变频空调室外电控系统硬件设计分析

3.1室外机电控系统设计方案

室外机电控系统主要实现对直流变频压缩机的调速控制，同时还要完成一系列外围电气控制，如与室内机通讯、温度检测、风机、电子膨胀阀的控制。根据变频空调室外机的实际需求，其控制系统设计如图1所示。

图1

该系统由以下几部分组成：滤波器、功率驱动电路、通讯电路、传感器、压缩机、除霜电磁阀、风扇电机的控制以及数字量输入电路。电控系统的控制单元采用dsPIC30F6010A。

3.2CPU系统选型

由图1可看出，中央控制单元是整个系统的核心。因此，所选用的微控制器类型决定了控制算法的运算执行效果。系统的控制性能取决于微控制器运算速度。dsPIC30F6010A属集成了各种专为电机控制而设计的外设，有以下特点：该芯片集成了运算单元，支持多种寻址方式。DSP指令可以无缝地与所有其它指令一起操作，其设计可实现最佳性能。采用了RISCCPU内核；优化了c语言编译。指令集采用了增强型指令集方式，包含对DSP的有力支持。此外，dsPIC30F6010A允许多种外设和内部中断。内部集成了大容量存储器，包含144kB的ROM/FLASH，8kB的SRAM和4kB的数据EEP—ROM。16通道10位A/D转换器，并带有4通道的采样/保持单元。集成了电机控制PWM模块，具有4对PWM输出引脚，可分别设置多种工作模式；集成了光电编码器接口，方便了电机控制应用。

3.3压缩机驱动与功率电路设计

3.3.1功率模块的选用

专用的IPM集功率器件（IGBT）、驱动电路和保护功能于一体，较好地解决了寄

生电感和电容的影响，内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，其核心器件是IGBT。智能功率模块以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小、可靠性高等优点在电力电子领域得到越来越广泛的应用。本系统采用专用的IPM模块。控制系统输入电压为220V（AC），整流以后的直流电压最大值为311V，选择了型号为三菱PM50CLA060的IPM模块。该产品采用损耗低的第五代平面型IGBT，具有热阻低、易于散热、绝缘电压高、管压降小（约为1.5V）等优点，主要用于逆变电源，电机控制等。

3.3.2IPM驱动电路设计

本系统的PWM驱动信号工作频率在10kHz左右，为了满足驱动信号变化迅速的要求，必须选择高速光电耦合器，该系统选用高速光耦HCPIA506，其相应电路如图2所示，其中R9为上拉电阻，R4为保护光耦输入端的防静电电阻。

图2

结束语

综上，本文对以dsPIC30F6010A作为系统的核心芯片的空调室外机电控系统的硬件设计进行了简要的分析论述，通过实验后的结果表明，该空调的硬件工作正常，能够实现设计目标，因此该控制系统可以用于直流变频空调压缩机的驱动控制，因此有推广应用的价值。

参考文献

[1]刘红哲.空调电气控制系统的设计与发展[J].中国科技博览.2011.

[2]李凤丽，杨红.空调电气控制系统的设计与发展分析[J].装饰装修天地.2016.

[3]尹燕涛.浅谈变频空调电气控制系统原理[J].中国机械.2015.