SPMC75F2413A單片機在AC變頻空調中的應用

隨著我國國民經濟的發展和人民物質文化生活水平的不斷提高，空調器已廣泛應用于社會的各種場合，變頻空調器因具有節能、低噪、恒溫控制、全天候運轉、啟動低頻補償、快速達到設定溫度等性能，使空調的舒適性大大提高，將越來越受到人們的喜愛。單片機技術的廣泛應用，變頻技術及模糊控制技術在空調器嵌入式控制領域的成功應用，半導體功率器件的迅速發展為變頻控制的推廣提供了技術保障。
本設計方案的AC變頻空調控制器由室內機控制器、室外機控制器兩部分組成。基于SPMC75F2413A 的優越性能，用其設計室外機AC變頻控制器，容易實現產品模塊化、智能化特點，控制參數采用開放式結構，便于與各種壓縮機聯結，從而能夠在最短的時間內根據不
同廠家的要求進行產品的升級換代。以這種方式，產品可以更快地推向市場，獲得時間上的競爭優勢。本控制器含有以下關鍵技術：
1、模糊控制技術：依據室內環溫、管溫，室外環溫、管溫、壓縮機排氣溫度、壓縮機過載保護溫度、壓縮機電流等參數建立模糊邏輯關系，控制壓縮機的運轉速度、室外風機及其它負載運行；
2、高效的三次諧波注入基于DDS的SPWM發生技術，充分利用電源電壓、精確的頻率調整、實時的電壓補嘗功能，使壓縮機更有效工作;
3、模塊控制保護電路：當模塊有保護信號輸出時，通過硬件電路斷開PWM 模塊輸出控制信號，以達到保護模塊的效果，并且可靠的給單片機模塊保護信號；
4、EMC 及可靠性設計技術：在掌握空調的干擾機理的前提下，硬件設計重點考慮以下幾點：電源電路設計、濾波電路參數設計、印制板地線及信號線設計，并且軟件采用容錯技術。?
2　芯片特性簡介
本系統是基于智能功率模組芯片PS21865A和SPMC75F2413A實現的AC變頻空調方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。
SPMC75F2413A 是μ’nSP?系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。與其它μ’nSP?產品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動領域。由于其擁有出色性能定時器PWM信號發生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實現各種電機驅動方案。
SPMC75F2413A在4.5V~5.5V工作電壓范圍內的工作速度范圍為0~24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數器，且每個定時器均有PWM發生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉換。SPMC75F2413A在變頻控制領域有相當優秀的表現。
特性包括：
。凌陽16位μ’nSP?處理器(ISA 1.2)
。工作電壓：
　　— 內核：4.5V～5.5V
。最高運行速度：24MHz
。工作溫度： -40 ℃～85 ℃
。芯片內存儲器：
　　—? 32KW (32K×16) Flash
　　—? 2KW (2K×16) SRAM
。基于時鐘發生模塊的鎖相環電路
。看門狗定時器
。10位模/數轉換器
　　— 8通道輸入
　　— 10us (100kHz)轉換時間
。串行通訊接口
　　— 通用異步串行通訊接口(UART)
　　— 標準同步串行口(SPI)
。總計64個通用輸入輸出管腳
。電源管理
　　— 2種低功耗模式：Wait/Standby
　　— 每個外設都可以獨立的供電
。兩個比較匹配定時器
。5個16位通用定時器
。2個用于脈寬調制，2個用于速度捕獲，1個用于速度反饋環。
。MCP定時器3支持 TIO3A～TIO3F, MCP定時器4支持 TIO4A～TIO4F
。脈寬調制定時器支持遞增/遞減計數
。PDC定時器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C輸入捕獲
。TPM定時器2支持捕獲/脈寬調制
。12個16位脈寬調制輸出
。2通道的電機驅動脈寬調制輸出(互補的3相6路脈寬調制輸出)
。TIO3A～TIO3F利用 MCP 定時器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定時器4工作
。中心(center)或邊沿(edge)脈寬調制輸出
。通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調制輸出保護
。可編程的死區控制(Dead time control)
。脈寬調制服務和錯誤中斷發生
。具備驅動交流感應電機和直流無刷電機的能力
。內嵌在線仿真功能
3　系統總體方案介紹
本AC變頻空調系統分室內機系統和室外機系統兩部分，其中室內機系統主要是系統一些邏輯狀態信息的處理，而室外機系統主要是壓縮機的變頻驅動部分。在本系統方案中室內機選用的是SPCE061A實現的，SPMC75F2413A主要是應用在變頻驅動部分。因此室內機系統在此不再詳述。室外機的電路結構框圖如圖 3-1。

圖-1室外機系統框圖

這個系統的基本工作流程：
??? 室外機的主控MCU（SPMC75F2413A）隨時接收來自室內機的控制和狀態信息，從而去控制室外的風機、四通閥和壓縮機，完成相應的控制功能。同時還會將室外機的一些狀態和室外的一些溫度信息傳回室內機。以供室內機做控制之用。?
4　系統硬件設計
系統電路原理圖如圖 4-1。其中PS21865A三相功率全橋電路模塊，用來實現PWM信號的功率合成，從而驅動壓縮機。ULN2003A是集電極開路輸出的功率反向器，主要用來驅動系統中的繼電器，從而控制風機和電磁閥。SPMC75F2413A單片機的主要作用：1. 根據室內機命令控制整個系統。2. 完成AC變頻壓縮機的變頻驅動信號的產生和控制功能。
圖 4-1中的Power_Line是一種半雙工的電流環變換電路，它主要是利用電源和一條專用的通信線，使室內外構成一個電流環，電流環由室內機供電。這個電路為室內外機提供一條通信回路。SPMC75F2413A合成的注入三次諧波的SPWM信號經IOB0~5輸出，經緩沖和光隔后輸入PS21865A，而后輸出控制電機。SPMC75F2413A的IOB6是錯誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦PS21865A出現工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱），驅動硬件會立即禁止PS21865A工作，同時申請中斷，請求CPU處理。IOA0~3為模擬輸入口，主要是溫度傳感器接口和直流高壓測量接口。IOC8~10為控制四通閥和外風機的控制。

圖 4-1系統電路原理圖

5　系統軟件設計
整個室外機系統軟件主要包括以下幾部分：1. 同室內機通信、協調控制部分。2. 室外機的壓縮機驅動控制部分。
系統同室內機通信、協調控制部分主要包括串口中斷服務和命令解釋執行和主循環控制等幾部分。其中主控制流程如圖 5-1。串口中斷服務主要是接收來自室內機的數據包，并對相應的信息進行處理，確保傳給控制程序的命令和數據的正確性；命令解釋執行部分主要是解讀室內機命令，并進行相應的處理。

圖 5-1 主流程

壓縮機驅動控制部分分為SPWM信號合成、電機加減速控制、電機的起停服務等幾部分。其中最核心的是SPWM信號的合成。本系統的波形合成使用DDS（直接數字頻率合成）的方式進行。這部分主要由PWM周期表中斷服務和相應的輔助計算程序組成。其中PWM周期中斷服務是信號合成的核心部分，整個系統中它占用70%左右的運算量。它主要完成驅動波形的合成和干線電壓的動態補嘗功能，同時周期中斷為DDS提供時鐘基準；而加減速控制部分主要跟蹤設置頻率，從而使當前工作頻率以設定的加速度向目標工作頻率逼近；電機的起停服務主要是對電機啟動和停止這兩個特殊過程進行特殊處理。
因PWM周期中斷服務程序執行頻率很高（5KHz左右），因此這部分使用匯編編寫，以保證盡量小的CPU資源占用。PWM中斷服務子程序的流程如圖 5-2。

圖 5-2 PWM中斷服務子程序流程圖

6　結語
通常，在開發變頻設備的過程中，需要編寫實時性、程序可讀性強的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的m’nSP? IDE具有良好的編程環境，它可以很輕松、容易地進行混合編程（在C程序中調用匯編程序，在匯編程序中調用C程序）。
該系統用了SPMC75F2413A兩個定時器和約17個IO口資源，其實SPMC75F2413A的資源相當豐富。因其有專業的變頻硬件支持，變頻系統開發變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當出眾的表現。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統在通用變頻、變頻家電等變頻領域有廣闊的應用前景。