基于80C196KC单片机的空调风机温控型专用变频器

　　近年来，随着经济发展和人民生活水平的提高，中央空调系统在我国发展非常迅猛，而变风量（VariableAirVolume）空调系统因其自身的优点己日渐成为中央空调的发展方向。变风量空调是以调节风机的送风量来实现室内温度控制的，为了适应楼宇智能化控制的要求，并提高舒适度及节能，变频调速技术正在取代挡风板、多速电机等传统方法。

　　但通用变频器的功能设置、操作使用方法等并不完全适合空调系统的要求，致使其许多功能得不到充分利用，而使用中往往还需要进行二次开发，鉴于此我们研制了用于变风量空调系统风机带温度控制器的专用型变频器。

　　本文介绍了所研制的基于80C196KC单片机的空调风机温控型专用变频器的软、硬件设计，讨论了采用80C196KC单片机时电压空间矢量PWM的实现方法，着重探讨了保证PWM波形精度的软件设计方法。

　　1温控型变频器的硬件结构与功能该变频器采用交一直一交电压型结构，主回路由二极管整流器、滤波器及逆变电路组成，其中逆变电路采用内置驱动和保护电路的IPM智能功率模块。控制电路以80C196KC单片机为核心，外围电路主要包括键盘显示电路、死区时间形成及脉冲输出电路、温度检测电路、故障检测及保护电路等。此外，为了实现与上位机通讯，还扩展了RS-485接口芯变频器采用电压空间矢量调制，三相PWM信号由80C196KC的高速输出口直接产生，经反相器和死区时间形成电路得到六路PWM驱动信号，再经光电隔离电路去IPM模块各IGBT的驱动输入端。

　　显示电路米用Motorola公司的串行接口显示驱动器MC14489，该芯片可直接驱动5位LED数码管，在本设计中使用4位LED数码管作为工作频率、温度等的显示，另外由6个LED指示灯作为第5位数码管的段，用作状态指示。

　　该变频器设置了变频和温控两种工作方式，在变频运行方式，其工作情况与通用变频器相同。在温控方式下，LED显示器与小键盘配合可完成温度的显示、设定等，并且单片机对来自温度传感器的实际温度进行采样，根据设定温度对室温进行闭环控制，温度控制采用混合型Fuzzy-PI控制器，关于该混合型Fuzzy-PI控制器及其设计拟另文专门予以讨论，在此不再赘述。

　　考虑到中央空调系统中，温度检测点通常离风机较远，温度检测采用电流型集成温度传感器LM334温度检测电路如所示。整定电阻Rset使温度每变化1IK输出电流变化1A，由运放OP-07及相应电阻实现温度到摄氏温度的变换，并将来自LM334的电流信号转换成0~5V的电压信号。

　　三相电压瞬时值为Ma、Mb、Mc则其电压空间矢量为相应于三相桥臂的8种开关状态，电压空间矢量共有8种，如a）所示，其中Mo、M7为零矢量，山为6个非零矢量，其长度为Udc，相位互差60他们将整个空间分成了6个扇区。

　　电压空间矢量PWM调制的基本原理是用若干个开关电压矢量逼近给定的电压矢量6.如h）所示，若设位于Mi和M2之间的I区，且与山的夹角为Y则山、M2及零矢量的作用时间Ti、T2、To可分别计算如下据此，三相PWM波形如所示。

　　采用80C196KC实现时，通常使用三路高速输分别产生A、B、C三相PWM信号，在对HSO进行设置时，需根据引脚置1的命令字，00H、01H、02H为其相应引脚清零的命令字。实现时可根据扇区号和脉冲边沿，通过查表获取命令字，然后进行相应脉冲边沿的设置（即相应HSO的加载）。在PWM逆变器中，PWM波形的准确度直接影响输出电压的谐波含量。对于单CPU控制系统，由于单片机除了产生PWM信号之外还要处理键盘显示、频率升降及进行温度控制计算等，因此为保证PWM波形的精度必须进行精心安排。

　　122H命别为嘏O」d碰0疆0.于1油应g按总中断进行f序设计。岣通常，产生PWM波形的HSO设置，可按Tsw中断，也可按Tz中断，但在该系统中，考虑到其它处理至少需占用两路软件定时器，而高速输出的CAM阵列多只能同时容纳8个事件，按Tsw中断可能导致因CAM满而使事件无法设置或丢失，故~（5）可知，当调幅比m接近1，/在30附近时，T=T70，考虑到功率器件的开关时间，应将脉冲宽相的低电平和脉冲窄相的高电平取消，即相应脉冲消失。为便于处理这种脉冲消失现象，程序中将每个Tz周期的个脉冲边沿（TN1Tff3）在前一次Tz中断中设置，而本次Tz中断从该Tz周期的第二个脉冲边沿（Ton2或TOFF2）开始，到下一个TZ周期的个边沿1周期的Toni）为止。

　　~（5）可知若采用分段同步调制，50Hz时载波比N= 84调幅比m =1，则当Ym￡K=57.9时，TN2有小值Ton2=11.3.对于80C196系列单片机，若程序中避免使用NORML及某些寻址方式的DIV等几条执行时间较长的指令，时钟频率为16MHz时，中断响应时间长约为5.5，故在Tz中断服务程序中完全能够及时对脉冲边沿进行设置，从而保证脉冲时刻的准确性。不难理解鉴于PWM波形的对称性，对于TOFF2有同样的结论。

　　另外，在程序设计中为保证Tz中断服务程序能够及时得到执行，Tz中断利用闲置的高速输出引脚HS0.3，采用HSO中断，并使其具有高的优先级。为避免在中断服务程序中加载HSO时进行不必要的判断，对于脉冲消失现象不在加载时进行区分，而是利用80C196单片机的HSO引脚在同一时刻两个相反事件自然抵消实现。Tz中断服务程序流程图如所示。图中将Ton 1~Tom的计算分在一个开关周期的前后两个Tz周期中进行，这样在16MHz晶振时，中断服务程序的执行时间长约60，在开关频率不高于5kHz时，对用于空调温控系统的变频器来讲是完全可行的。

　　3实验所研制的变频器经反复试验，工作稳定可靠，电压、电流波形较好，给出了在变频工作方式下，带1.1kW风机负载，输出频率40Hz时的实测电流波形。

　　4结论研制的基于80C196KC单片机的中央空调风机温控型专用变频器，硬件电路简单、实用，工作可靠，功能设置、操作使用方法等针对空调风机的实际工况进行了专门化设计，温度控制采用混合型Fuzzy- pi控制，具有较高的性价比。

　　文中着重讨论了电压空间矢量PWM的80C196KC实现方法，对于空调风机用温控型变频器，经精心设计，在较高开关频率（可达4~5kHz）下，仍可保证PWM波形的精度。该变频器的良好性能得到了实验验证。