基于单片机和IPM的变频空调控制器

基于单片机和IPM的变频空调控制器

李梅梅

杭州先途电子浙江杭州310018

摘要：随着我国经济的不断发展，空调器得到了广泛的应用。变频空调器以其节能、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，而使空调的舒适性大大提高，从而受到人们越来越多的喜爱。单片机技术的广泛应用，直流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使用，以及半导体功率器件的迅速发展都为直流变频控制的推广提供了技术保障。本文首先对变频空调控制器关键技术以及IPM的特点进行了概述，详细探讨了变频技术在空调中的应用以及变频空调的优点，旨在促进经济的可持续发展。

关键词：单片机；IPM；变频空调；控制器

随着国民经济的发展，人们生活水平的日益提高，空调已经成为日常生活的必须品，由于国家对一些家电能效标准的出台，变频空调器因其优越性在我国有很大的发展空间。变频空调是利用变频技术控制压缩机电机的转速，从而有效地控制其输出功率以达到节能、降噪、提高制冷/热效果和舒适性的目的。在日本，80%以上的空调器都采用变频工作方式，国外的部分厂家采用分立IGBT模块及驱动元件来开发变频器，其成本较低，但对设计者的要求较高，要自已设计驱动电路完成所有的保护功能和抗干扰措施，且所用的IGBT模块的一致性要相当的好。由于所用元件分散排布，整个系统所占空间较大。鉴于上述原因，现在国内外很多厂家采用专为变频空调开发的智能功率模块IPM。IPM智能功率模块采用IC驱动和保护技术、低饱和压降IGBT芯片和快速恢复续流二极管芯片以及新的封装技术，其额定电压为600V，额定电流为20A。基本能满足1.5kW左右电机的驱动要求。采用此类IPM智能功率模块，系统设计者可以在电路的优化设计、提高可靠性、降低成本和缩小尺寸等方面节省大量的时间。

1变频空调控制器关键技术

1.1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的模糊逻辑关系，来控制压缩机的运转速度、室外风机以及其它负载的运行。

1.2基于DDS的高效三次谐波注入式SPWM发生技术。这种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，来使压缩机更有效工作。

1.3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，同时给单片机模块提供可靠的保护信号；

1.4EMC及可靠性设计技术：在掌握空调的干扰机理的前提下，硬件设计应重点考虑电源电路、滤波电路参数设计、印制板地线及信号线设计等，并且软件采用容错技术。

2IPM的特点

IPM智能功率模块主要由国外比较著名的三菱公司、富士公司、国际整流器公司、西门子公司等提供。其主要特点为：内部集成了功率芯片、检测电路及驱动电路，采用标准化的与逻辑电平兼容的栅控接口，使得与控制电路连接时电路简化，内部集成的功率芯片采用的是开关速度高、驱动电流小的IGBT器件，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片可靠的保护。IPM内部含有故障检测和多种保护电路，当发生故障时，及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实行双重保护，保证了运行的可靠性。

与普通的IGBT相比，其具有以下优点：（1）IPM的出现使设计、开发、生产新产品更加简单；（2）IPM开关损耗较低，因此所需要的散热片也相应减小，大大缩小设计的系统占用空间；（3）IPM内部具有过流、过热和短路等保护功能，在同样条件下IPM不易损坏，提高了可靠性；（4）内部含有驱动电源欠电压保护，当驱动电源电压小于额定值时，产生欠压保护；（5）有输出报警信号端，当IGBT工作不正常时，输出端将报警信号送给其他外部保护电路或微处理器，实施二次保护；（6）IPM内部的各种寄生电感、电容值比较小，因此相互之间干扰小，工作稳定可靠。

3变频技术在空调中的应用

3.1变频空调的室外机控制系统

变频空调的控制系统可分为室内、室外控制。室内控制主要用于接收红外遥控信号，根据单片机预先编制的程序对接收到的遥控信号进行状态切换，对IPM模块进行调整，从而达到调整压缩机运行的目的，使之达到控制要求。空调室内控制器收到遥控信号后，根据系统采用的模糊算法使系统得到最佳工作状态，并通过串行接口与室外机互相交换信息，实现对空调压缩机运行状态的控制。室外机主要是根据与室内机交互得到的信息，对压缩机进行变频控制及风速调节，同时在制热时还要能够完成压缩机的除霜功能。

3.2IPM变频电路的设计

变频器的主电路是一种电压型交-直-交变换电路，其核心就是采用了IPM智能功率模块的逆变器，IPM模块内部集成了六个IGBT功率器件、故障检测电路和自我保护电路（过压、欠压、过热、短路等保护）。由于这种模块的高集成化，使得外围控制电路非常简单，单片机输出PWM驱动信号经光电隔离电路送到模块的驱动端，外围的光电隔离电路主要进行信号的传输，设计时可选择IR系列、HCPL系列、TLP系列等光电耦合器，要使光耦和IPM控制端之间布线要短，布线阻抗最小。单片机可选用Intel公司或三菱公司生产的专用的空调控制CPU，也可以选用瑞萨单片机，TI单片机，飞思卡尔单片机等。用此单片机来控制压缩机频率变化和对压缩机进行过热保护、制热时的除霜、电源的过压/欠压保护、过流保护、IPM模块故障保护。

4变频空调的优点

与普通定频空调相比，变频空调具有如下优势：

4.1节能

当前变频空调都是利用变频技术来调整空调压缩机的运行频率，变频技术可以对压缩机进行无级/多级变速调节，从而改变空调器的制冷能力，空调器的制冷量大于房间的热负荷，满负荷工作时间通常只有15%～25%。而变频空调可以在低负荷情形下具有较大的能源效率，因为变频空调在处于低速运转时与压缩机的容量相比，提高热交换机的容量比率，从而大大提高了压缩机的机械效率、压缩效率、容积效率，进而节省电量。

4.2寿命长

定频空调经常是以频繁的开关机来控制温度，开关的瞬间电流对压缩机和内部电路会产生较大的冲击。而变频空调是通过调节压缩机的转速来控制温度，压缩机可以长期保持低速运转，使压缩机的机械磨损较低，寿命延长，可靠性高。

4.3干扰小

一般的定频空调启动时压缩机的启动电流是额定电流的4～7倍，容易造成对电网电压的干扰，而变频空调一般是以低频的方式启动，然后逐步提高运转频率，所以其启动电流小，对电网电压的干扰小。

5结束语

综上所述，基于单片机和IPM的变频空调控制器的应用对促进我国经济的发展具有重要的推动作用。因此，必须进一步完善和提高基于单片机和IPM的变频空调控制器应用，这样才能促进经济的健康快速发展。

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