基于智能功率模组芯片PS21865A和SPMC75F2413A的AC变频空调方案实现

随着我国国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，空调器已广泛应用于社会的各种场合，变频空调器因具有节能、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，使空调的舒适性大大提高，将越来越受到人们的喜爱。单片机技术的广泛应用，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应用，半导体功率器件的迅速发展为变频控制的推广提供了技术保障。
本设计方案的AC变频空调控制器由室内机控制器、室外机控制器两部分组成。基于SPMC75F2413A 的优越性能，用其设计室外机AC变频控制器，容易实现产品模块化、智能化特点，控制参数采用开放式结构，便于与各种压缩机联结，从而能够在最短的时间内根据不
同厂家的要求进行产品的升级换代。以这种方式，产品可以更快地推向市场，获得时间上的竞争优势。本控制器含有以下关键技术：
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模糊逻辑关系，控制压缩机的运转速度、室外风机及其它负载运行；
2、高效的三次谐波注入基于DDS的SPWM发生技术，充分利用电源电压、精确的频率调整、实时的电压补尝功能，使压缩机更有效工作;
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，并且可靠的给单片机模块保护信号；
4、EMC 及可靠性设计技术：在掌握空调的干扰机理的前提下，硬件设计重点考虑以下几点：电源电路设计、滤波电路参数设计、印制板地线及信号线设计，并且软件采用容错技术。
2　芯片特性简介
本系统是基于智能功率模组芯片PS21865A和SPMC75F2413A实现的AC变频空调方案，下面介绍SPMC75F2413A的特性。
SPMC75F2413A 是μ’nSP™系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一个16位结构的微控制器。与其它μ’nSP™产品不同的是，SPMC75F2413A主要应用在工控或是家电的变频驱动领域。由于其拥有出色性能定时器PWM信号发生器组。因此，SPMC75F2413A可以方便的实现各种电机驱动方案。
SPMC75F2413A在4.5V~5.5V工作电压范围内的工作速度范围为0~24MHz，拥有2K字SRAM和32K字闪存ROM；64个可编程的多功能I/O端口；5个通用16位定时器/计数器，且每个定时器均有PWM发生的事件捕获功能；2个专用于定时可编程周期定时器；可编程看门狗；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换。SPMC75F2413A在变频控制领域有相当优秀的表现。
特性包括：
。凌阳16位μ’nSP™处理器(ISA 1.2)
。工作电压：
　　— 内核：4.5V～5.5V
。最高运行速度：24MHz
。工作温度： -40 ℃～85 ℃
。芯片内存储器：
　　— 32KW (32K×16) Flash
　　— 2KW (2K×16) SRAM
。基于时钟发生模块的锁相环电路
。看门狗定时器
。10位模/数转换器
　　— 8通道输入
　　— 10us (100kHz)转换时间
。串行通讯接口
　　— 通用异步串行通讯接口(UART)
　　— 标准同步串行口(SPI)
。总计64个通用输入输出管脚
。电源管理
　　— 2种低功耗模式：Wait/Standby
　　— 每个外设都可以独立的供电
。两个比较匹配定时器
。5个16位通用定时器
。2个用于脉宽调制，2个用于速度捕获，1个用于速度反馈环。
。MCP定时器3支持 TIO3A～TIO3F, MCP定时器4支持 TIO4A～TIO4F
。脉宽调制定时器支持递增/递减计数
。PDC定时器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C输入捕获
。TPM定时器2支持捕获/脉宽调制
。12个16位脉宽调制输出
。2通道的电机驱动脉宽调制输出(互补的3相6路脉宽调制输出)
。TIO3A～TIO3F利用 MCP 定时器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定时器4工作
。中心(center)或边沿(edge)脉宽调制输出
。通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护
。可编程的死区控制(Dead time control)
。脉宽调制服务和错误中断发生
。具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的能力
。内嵌在线仿真功能
3　系统总体方案介绍
本AC变频空调系统分室内机系统和室外机系统两部分，其中室内机系统主要是系统一些逻辑状态信息的处理，而室外机系统主要是压缩机的变频驱动部分。在本系统方案中室内机选用的是SPCE061A实现的，SPMC75F2413A主要是应用在变频驱动部分。因此室内机系统在此不再详述。室外机的电路结构框图如图 3-1。

图-1室外机系统框图

这个系统的基本工作流程：
室外机的主控MCU（SPMC75F2413A）随时接收来自室内机的控制和状态信息，从而去控制室外的风机、四通阀和压缩机，完成相应的控制功能。同时还会将室外机的一些状态和室外的一些温度信息传回室内机。以供室内机做控制之用。
4　系统硬件设计
系统电路原理图如图 4-1。其中PS21865A三相功率全桥电路模块，用来实现PWM信号的功率合成，从而驱动压缩机。ULN2003A是集电极开路输出的功率反向器，主要用来驱动系统中的继电器，从而控制风机和电磁阀。SPMC75F2413A单片机的主要作用：1. 根据室内机命令控制整个系统。2. 完成AC变频压缩机的变频驱动信号的产生和控制功能。
图 4-1中的Power_Line是一种半双工的电流环变换电路，它主要是利用电源和一条专用的通信线，使室内外构成一个电流环，电流环由室内机供电。这个电路为室内外机提供一条通信回路。SPMC75F2413A合成的注入三次谐波的SPWM信号经IOB0~5输出，经缓冲和光隔后输入PS21865A，而后输出控制电机。SPMC75F2413A的IOB6是错误侦测输入端，通过对其传回信号的检测，一旦PS21865A出现工作异常（如过压、欠压、过流、过热），驱动硬件会立即禁止PS21865A工作，同时申请中断，请求CPU处理。IOA0~3为模拟输入口，主要是温度传感器接口和直流高压测量接口。IOC8~10为控制四通阀和外风机的控制。