摘要：本文介绍了清华同方股份有限公司开发的热泵型变频空调控制器的软、硬件结构原理和应用效果。该控制器设计中在变频压缩机驱动控制上采用了修正型SPWM算法；在室内、外机通讯中应用了隔离型市电调制技术；在室内风扇的驱动方面开发出无位置传感器直流无刷电动机的驱动算法和电路。 1.前言 空调的目的是为了给人们的生活、工作和娱乐等活动提供一个健康、舒适的人工环境。在世界空调器行业中，90年代中期以前，60％的市场被日本所占有，并且在制造技术、控制技术上日本都处于世界最前沿。现以日本空调器的发展为例来说明其变迁过程。空调器的发展过程，大致可以分为摇篮期（40年代中期开始）、品种扩大期（50年代中期-70年代初期）、电子进展期（70年代初期-80年代初期）、高度电子成熟期（80年代初期-80年代中后期）和AI进展期（80年代中后期以后）五个阶段[1，2]。在其发展过程中，变频技术和现代控制理论在房间空调器上的应用，具有划时代的意义，它不仅为创造舒适环境、实现空调器的高效节能运行提供了技术保证。
摘要：本文介绍了清华同方股份有限公司开发的热泵型变频空调控制器的软、硬件结构原理和应用效果。该控制器设计中在变频压缩机驱动控制上采用了修正型SPWM算法；在室内、外机通讯中应用了隔离型市电调制技术；在室内风扇的驱动方面开发出无位置传感器直流无刷电动机的驱动算法和电路。
1.前言
空调的目的是为了给人们的生活、工作和娱乐等活动提供一个健康、舒适的人工环境。在世界空调器行业中，90年代中期以前，60％的市场被日本所占有，并且在制造技术、控制技术上日本都处于世界最前沿。现以日本空调器的发展为例来说明其变迁过程。空调器的发展过程，大致可以分为摇篮期（40年代中期开始）、品种扩大期（50年代中期-70年代初期）、电子进展期（70年代初期-80年代初期）、高度电子成熟期（80年代初期-80年代中后期）和AI进展期（80年代中后期以后）五个阶段[1，2]。在其发展过程中，变频技术和现代控制理论在房间空调器上的应用，具有划时代的意义，它不仅为创造舒适环境、实现空调器的高效节能运行提供了技术保证。
我国房间空调业起步较晚，现已经历了从进口散件组装、设计生产窗式空调器到设计生产分体空调器、柜机三个阶段。自80年代初起步，现已跃居家电消费品榜首，1997年和1998年产量均约为800万台[3]。90年代初期，国际上（特别是日本）诞生了新一代智能型变频空调器，给我国空调业提出了严峻的挑战。日本现已有三菱、三洋、东芝、大金、日立、松下、夏普、富士通等厂家生产智能型变频空调器，使变频空调器的市场占有率上升至80%以上。面临国际新产品的挑战，我国空调业已经从激烈的低档次的空调大战中醒悟过来，研制和生产适合我国购买力的、性能优越的节能型、舒适型空调产品，以推进我国民族产业的发展。本文将介绍清华同方股份有限公司开发的热泵型变频空调控制器的软、硬件结构原理和应用效果。
2.变频空调器的制冷系统
图1为变频空调器制冷系统原理图，空调器分为室外机和室内机两部分，其中室外机由变频压缩机、热交换器、四通阀、除霜电磁阀、毛细管组、单向阀、过滤器及室外机控制器等构成；室内机由热交换器、室内机控制器及用来调节风量、风向的电动机等构成；室内机与室外机之间通过制冷剂连接管路和用于供电、通讯的电缆连接。在系统管路能够反映制冷剂状态的关键部位设置了温度传感器，用以检测其温 度，并作为被控对象，以控制制冷剂的状态。该空调器的压缩机采用了日本三洋电机公司生产的C-6RV73HOW型双转子变频压缩机（型号：80870080），频率运行范围为12～150Hz；室内换热器风扇电动机为无位置传感器直流无刷电动机；室外换热器风扇由3速电动机驱动；为防止制热时因除霜导致室内舒适性下降，采用了热气旁通不间断制热除霜方式。
3.变频空调控制器的结构与功能
3.1 控制器硬件
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变频空调控制器包括室外机控制器、室内机控制器和液晶遥控器三部分。其中，室外机控制器由控制板、启动电阻、EMC滤波板、智能功率模块、滤波电解电容和功率因数矫正器等构成；室内机控制器由控制板、电源板和启动继电器等构成；遥控器由LCD、单片机、操作键、红外发射电路、电池低电压检测电路及温度传感器等组成。其电气框图如图2所示。
室内、外机控制器主控芯片均采用MOTOROLA芯片MC68HC08MP16；遥控器中的单片机选选用TOSHIBA公司生产的TMP47C422型单片机。(1)室外机控制器根据室内机指令
和室外机传感器信息控制制冷剂循环状态、压缩机驱动状态、四通阀和融霜电磁阀的开断，同时完成与室内机的通讯；(2)室内机控制器根据遥控器所设定的运转模式，对空调器总体进行控制，根据内负荷大小决定压缩机的运转频率，接收和处理遥控器信息并与室外机进行通讯、完成空调系统的模式和室温控制。(3)遥控器完成空调器各种模式、室温、风速、风向设定，并显示当前运行模式、工作状态和当前室温等。
3.2 控制器软件
控制程序共有5个子程序，分别为遥控接收程序、控制模型程序、键盘控制程序、通讯控制程序
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3楼
和电机控制程序。主程序在初始化完成后，依次循环执行上述5个子程序，分别实现其相应功能。此外，还有五个中断服务程序，分别是时钟中断程序，通讯中断程序，步进电机驱动程序和电机驱动程序。程序流程如图3所示。
4.本控制器的主要技术特征
4.1采用修正型SPWM算法，提高了变频器的性能
利于SPWM进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律排列。当正弦值为最大时，脉冲的宽度也为最大，而脉冲间的间隔则最小；反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大。由SPWM算法生成的电压脉冲波形使得电流中的高次谐波成分大为增大。高次谐波电流对空调系统主要有以下3方面的负面影响：(1)过多的谐波分量将使压缩机产生附加转矩，使电动机轴的输出转矩减小；(2)谐波电流中的载波频率分量将引起电动机铁芯的振动，产生电磁噪声；(3)载波频率分量的谐波电流，有较强的电磁辐射能力，会影响其它电子设备的正常工作。
鉴于上述原因，必须采取措施，改善SPWM波形，提高变频器的性能。其具体方法是：
(1)提高载波频率。通过提高载波频率，可减小电流的高次谐波分量，使空调器的噪声频率偏离人体敏感听觉频率范围；但载波频率过高，IGBT的开关损耗越大，使用寿命越短，所需散热器尺寸越大。反之亦然。
(2)采用修正型SPWM算法。对较低载波频率条件下生成的SPWM波形进行修正，使负载电流的波形更好地逼近正弦波形，以减小电流的高次谐波分量。综合变频器的成本和载波频率对变频器的影响因素，本控制器采用了较低的载波频率(2.7KHz)，应用修正型SPWM算法改善PWM波形，取得了满意的效果。此算法具有计算简单，适合于单片机进行简单计算的特点。采用此方案后，控制器具有工作稳定、抗干扰能力强、噪声低、振动小、功率因数高的特点。图4、5、6示出了由惠普逻辑分析仪（型号：1663A）测得的采用修正型SPWM算法所生成的PWM波形。图中共有6路PWM波形，Lab0：U，Lab1：U；Lab2：V，Lab3：V；Lab4：W，Lab5：W。
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4楼
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