《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的地源熱泵中央空調(diào)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第6期
周圣平1,,王煉紅1,曾志強(qiáng)1,,黃小鳳2
1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,,湖南 長沙410082; 2.長沙三一重工股份有限公司,,湖南 長沙410100
摘要: 為了提高地源熱泵中央空調(diào)控制器電路設(shè)計(jì)的合理性和變頻控制的實(shí)時(shí)性,,使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性更高、節(jié)能效果更明顯,,設(shè)計(jì)以TMS320LF2407為主控芯片的空調(diào)系統(tǒng)控制器,。控制器采用優(yōu)化的電源電路方案,、可靠的外圍電路信號處理方式,、節(jié)能效果良好的組合模糊PID算法、控制量穩(wěn)定的控制策略,。硬件測試與軟件仿真結(jié)果表明,,該控制器電源信號完整性符合電路設(shè)計(jì)要求,電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠,,軟件算法實(shí)時(shí)跟蹤效果良好,。
中圖分類號: TP273.2
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)06-0037-04
The design and implementation of ground source heat pump central air-conditioning controller based on DSP
Zhou Shengping1,Wang Lianhong1,,Zeng Zhiqiang1,,Huang Xiaofeng2
1.School of Electric and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,,China,; 2.Changsha Sany Heavy Industry Co.,Ltd,Changsha 410100,,China
Abstract: In order to improve the feasibility of the circuit design and real-time of the frequency control of the central air conditioning controller of the ground source heat pump, an air conditioning system controller is designed based on the master chip TMS320LF2407 for the sake of higher reliability and remarkable energy-saving effect. The controller employs an optimized circuit scheme, reliable signal processing technologies of the peripheral circuit, energy-saving fuzzy PID algorithm as well as stable control strategy of control variable. The result of both hardware and software tests demonstrate that the integrity of the power signal corresponds the design requirements of circuit and the circuit operates stably and reliably,,finally the real-time tracking effect of the software algorithm is also favorable.
Key words : ground source heat pump;real-time control,;combination of fuzzy and PID,;TMS320LF2407

    隨著地源熱泵空調(diào)的普及,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能方面的要求越來越重要,,進(jìn)一步優(yōu)化地源熱泵中央空調(diào)控制器的電路設(shè)計(jì)的可靠性和節(jié)能效果成為人們研究的新方向,。目前,大多數(shù)地源熱泵空調(diào)控制器的主控芯片采用單片機(jī),,不但電路設(shè)計(jì)可靠性差,、數(shù)據(jù)計(jì)算能力差,而且輸出采用查表結(jié)果,,使機(jī)組只能運(yùn)行在預(yù)訂的控制量上,,節(jié)能效果不理想。本文控制系統(tǒng)的開發(fā)是通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)控制量實(shí)時(shí)計(jì)算、微調(diào)功能,,對提高地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果,、空調(diào)控制電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性等具有重要意義和作用[1]。

1 控制器總體設(shè)計(jì)
    基于TMS320LF2407的地源熱泵空調(diào)控制器的硬件部分主要由主控電路,、RS485通信接口電路,、RS232接口電路、風(fēng)機(jī)控制接口電路,、顯示模塊,、溫度采集電路、JATG電路,、Flash模塊,、鍵盤電路模塊以及電源電路模塊等組成。軟件部分結(jié)合模糊PID算法[2]與積分分離算法,,引入模糊控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)KP,、KI、KD參數(shù),,可以有效地改進(jìn)單純PID算法無法精確控制傳遞函數(shù),、控制不精確以及有干擾的控制系統(tǒng);引入PD控制分支可以有效地改善模糊PID控制在誤差e較大時(shí),,由于積分項(xiàng)的作用容易產(chǎn)生過大超調(diào)的缺點(diǎn),。
    本控制器通過溫度采集電路供回水溫度、室內(nèi)實(shí)際溫度,、設(shè)定溫度等信息,,通過組合模糊PID算法計(jì)算,輸出頻率值,,并通過RS232通信接口送到各個(gè)變頻器,;同時(shí)主控器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過RS485總線送到后臺(tái)控制中心,后臺(tái)控制中心可以根據(jù)需求控制和改變機(jī)組的運(yùn)行頻率,、供回水溫度等參數(shù)[3],;主控芯片通過顯示電路實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度等,。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。

 

 

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    硬件部分包括主控電路、電源電路,、溫度采集電路和通信電路等,。
2.1 主控電路
    為了降低開發(fā)成本、提高穩(wěn)定性及便于硬件升級,,地源熱泵空調(diào)控制器采用自行研發(fā)設(shè)計(jì)的微型系統(tǒng),。為滿足系統(tǒng)的處理速度、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)及控制接口數(shù)量等方面的需求,,本系統(tǒng)選用TI公司的TMS320LF2407芯片作為主控芯片,。TMS320LF2407芯片提供的兩個(gè)事件管理器中有12路PWM波形輸出管腳,方便地進(jìn)行PWM控制設(shè)計(jì)[4],;16 bit地址線和數(shù)據(jù)線可以外部擴(kuò)展Flash,,方便程序在線調(diào)試及必要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。
2.2 電源電路
    主控制器單板需要5 V和3.3 V供電,,因此,,單板電源電路采用變壓器實(shí)現(xiàn)220 V轉(zhuǎn)7.5 V交流,進(jìn)而采用78L05模塊實(shí)現(xiàn)7.5 V轉(zhuǎn)5 V,、采用SPX1585AT模塊實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換,。
    由于電磁感應(yīng),電路上,、下電時(shí)存在沖擊電流,,沖擊電流易損壞板上芯片,因此設(shè)計(jì)時(shí)加入了緩啟動(dòng)電路,。緩啟動(dòng)電路通過調(diào)節(jié)RC參數(shù),,改變RC充放電時(shí)間,控制MOS管柵極電壓上下電時(shí)間,,以抑制沖擊電流,;MOS管柵極串聯(lián)10 ?贅電阻來消除MOS管柵極端易產(chǎn)生的震蕩問題。
    為了防止上電先后順序的差異和供電電壓不穩(wěn)定損壞主控芯片,、提高控制電路的可靠性,,單板采用電源邏輯芯片ADM1060來控制和監(jiān)測主控芯片內(nèi)核電壓和外圍設(shè)備電壓的上電時(shí)序和工作狀態(tài)[5]。
    電源電路模塊中的緩啟動(dòng)模塊,、上電時(shí)序控制模塊設(shè)計(jì)分別如圖2,、圖3所示。

2.3 溫度采集電路
    鑒于室內(nèi)與室外溫度采集方式的差異性,,溫度采集電路分為室內(nèi)部分與室外部分,。室內(nèi)部分主要采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成溫度采集電路,單總線結(jié)構(gòu)只需主控芯片的一個(gè)I/O口讀取溫度信號,;室外部分采用熱電阻Cu50,,信號經(jīng)處理電路送至主控芯片的ADC接口,采集室外部分溫度信號,。
2.4 通信電路
2.4.1 RS485通信電路

    RS485通信電路主要負(fù)責(zé)與后臺(tái)控制中心的通信,,接收后臺(tái)控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控芯片的SCI接口,;上報(bào)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)況,、各參數(shù)發(fā)出到后臺(tái)控制中心等功能,。
    本系統(tǒng)的接口芯片采用MAXIM公司的MAX3491CSD模塊,通過SCI接口(最大速率可達(dá)10 Mb/s)與主控制器進(jìn)行通信,,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收,。RS485通信電路采用差分線傳輸信號,可以有效地抵抗共模干擾,,同時(shí)為了防止過大的共模干擾,,電路設(shè)計(jì)時(shí)采取了必要的上下拉設(shè)計(jì)。
2.4.2 RS232通信電路
    由于TMS320LF2407芯片沒有多余的UART接口,,所以采用SPI接口轉(zhuǎn)UART接口方案,。接口采用Philips公司的SC16C554B芯片,擴(kuò)展4路UART,,連接RS232通信模塊,,RS232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片。主控制器通過SPI接口向SC16C554B發(fā)送控制命令和文本,,SC16C554B將接收到的文本合并再分組發(fā)送到各個(gè)UART接口,,輸出的信號經(jīng)MAX232模塊轉(zhuǎn)換成RS232電平信號送往變頻器。
3 軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序容量大,、實(shí)時(shí)性強(qiáng),,因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,使整個(gè)系統(tǒng)軟件層次分明,,邏輯清楚,,便于軟件的調(diào)試和修改,同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性,、靈活性和可維護(hù)性,。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、組合模糊PID控制程序,、RS485通信程序,、RS232通信程序、顯示程序和鍵盤程序等,。
3.1 主程序
    主程序是系統(tǒng)軟件的指揮中心,,能夠?qū)⑵渌K有機(jī)地結(jié)合在一起,完成系統(tǒng)初始化,、導(dǎo)入實(shí)時(shí)溫度,、機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)控制量輸出及將實(shí)時(shí)參數(shù)傳輸?shù)斤@示屏等功能[1,,6],。主程序流程圖如圖4所示。

 

3.3 溫度采集程序
    控制器監(jiān)測的各數(shù)據(jù)信號是4路供回水溫度信號,。模擬量主要涉及到A/D轉(zhuǎn)換,,數(shù)字量主要涉及到單總線數(shù)據(jù)讀取,因此該模塊包括溫度數(shù)據(jù)輸入模塊和數(shù)字量輸入模塊,。
    模擬量實(shí)現(xiàn)途徑為:由熱敏電阻輸出的電信號經(jīng)由變送電路轉(zhuǎn)換為模擬信號后,,通過放大電路進(jìn)行放大得到一個(gè)0 V~3.3 V的模擬信號,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成10 bit十六進(jìn)制數(shù)字信號輸入DSP,,其中A/D轉(zhuǎn)換器采用掃描方式進(jìn)行采樣,。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求確定采樣周期T為0.5 s。同時(shí)由于受外界環(huán)境干擾較大,,為了減少對采樣值的干擾,,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前先對采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理,在本系統(tǒng)中采用了去極值平均濾波法,。數(shù)字量實(shí)現(xiàn)途徑為:通過編寫單總線驅(qū)動(dòng)程序,,由主控芯片I/O口讀取數(shù)字溫度傳感器DS18B20內(nèi)的數(shù)字溫度量。
4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析
    測試內(nèi)容主要包括控制器電源電路的信號完整性與軟件算法的仿真,。
4.1 電源電路信號完整性測試
    電源電路信號完整性是控制電路主要性能參數(shù)測試的主要部分,,需要測試主要芯片供電電壓的紋波是否滿足要求。圖6為TMS320LF2407芯片在3.3 V處20 MHz帶寬下的紋波波形,,紋波pk-pk值只有15.6 mV,,完全滿足要求。圖7為TMS320LF2407芯片在3.3 V處全帶寬下的紋波波形,,紋波pk-pk值只有22.6 mV,,非常理想。

4.2 算法仿真結(jié)果分析
    算法仿真結(jié)果表明,,通過組合后的模糊PID算法,,控制器反應(yīng)快速、超調(diào)小,、輸出值穩(wěn)定,,有效地滿足了系統(tǒng)對于輸出頻率的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。算法仿真結(jié)果如圖8所示,。

    本系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后運(yùn)行可靠,、控制頻率可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。硬件電路信號完整性測試與算法軟件仿真結(jié)果表明,,該控制器可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變頻性能,,變頻策略合理、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,。對地源熱泵空調(diào)控制器設(shè)計(jì)具有參考意義和應(yīng)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
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