变频空调电气控制系统设计

摘要随着空调器使用的日益普遍，人们更加重视空调器性能的提高。

变频式空调器以能效比高、调温快、使用舒适、节能显著的特点，一出现就受到人们的青睐，特别是应用了模糊控制技术，使其显出更加突出的优势。

目前国内空调器市场的竞争日益激烈，若想在激烈的市场竞争中占有一席之地，就必须具有舒适、节能、能效比高等特点，研制具有低成本的节能变频空调也就成为了未来空调市场的发展趋势。

本课题设计了变频空调器的电气控制系统，电控系统的作用是根据房间温度的变化以及用户的要求去控制空调器的运转部件—压缩机和风扇电机等，使室温合乎理想要求。

电控系统分为室内机和室外机两部分设计。

室内机、室外机各用一个单片机进行控制，二者通过通讯线进行通讯，以传递和交换信息。

室内机主要包括遥控器信号的接收电路，室内温度的检测电路，风扇电机控制电路和风门步进电机控制电路等，室内机的作用是完成温度的检测和温度的模糊控制运算等，对各部分电路进行控制，把空调器产生的冷空气或热空气传到室内的不同区域，实现均匀调节房间温度的目的。

室外机包括变频器电路、风扇控制电路、四通阀控制电路、温度检测电路和保护电路等。

变频器电路采用智能功率模块，利用专用单片机对其进行控制，使变频电路结构简洁、性能可靠。

室外机的作用是对室内机送来的控制信号进行分析，根据室外机的工作状态，通过变频器对压缩机转速进行控制，从而达到制冷或制热功率的调节，并对室外风扇电动机、电磁四通阀进行控制，对各种保护电路予以监测。

然后在硬件电路设计的基础上，编制了室内、外机的系统控制软件。

最后进行了系统的软硬件调试，从而完成整个电控系统的设计。

由于室温控制系统具有大滞后、时变性、非线性等特点，精确数学模型难以建立，传统PID控制方法效果差。

所以选定模糊控制方案，设计了二维模糊温度控制器。

然后针对常规模糊控制器主观性较强的缺点，提出了一种适于实时控制的模糊PID温度控制器，并通过仿真验证了这一方法的合理性。

关键词变频器;模糊控制;PID控制;单片机控制;系统仿真万方数据AbstractWiththeincreasinguseofairconditioner,peoplepaymoreattentiontothe improvementofairconditioner'sperformance.Becauseofitshighperformance, variable-frequencyairconditionerbecamepopularassoonasitappeared; especiallyfuzzycontroltechnologyisusedonit.Butthereisn'thome-made completelyvariable.frequencyairconditioner,withtheeverincreasingofair conditioner'sdemand,itisveryimportanttodesignourownvariable-frequency airconditioner.Anairconditioner'selectricalcontrolsystemisdesignedinthispaper.Itis usedtocontrolcompressorandfanmotortomakeroomtemperaturefitdemand accordingtotheroomtemperature'svarietyanduser'sdemand.Electrical controlsystemisdividedintoin-roompartandout-roompart.Thetwopartsare controlledbysingle-chipcomputer.Theycommunicatewitheachotherthrough onecommunicationline.In-roompartismadeupofremoterreceivecircuit, roomtemperaturedetectcircuit,fanmotorcontrolcircuitandwinddoorsteppin gmotorcontrolcircuit.Thefunctionsofthein-roompartincludetemperature detection,temperature'sfuzzycalculationandthecontrolofallthecircuits. Andasaresult,thispartachievesthegoalofregulatingtheroomtemperatureby puttingcoldorhotairtodifferentpartsoftheroom.Out-roompartincludes frequencyconverter,fancontrolcircuit，temperaturedetectcircuitand protectingcircuit.Thefrequencyconvertermakesthecircuitsimpleandreliab lebyemployingintelligentpowermoduleandspecialsingle-chipcomputer.The out-roompartisusedtocontrolthecompressor'sspeedviathefrequency converteraccordingtothesignalsfromin-roompartandthestatusofout-room part.What'smorethispartalsocontrolsfanmotorandelectrical-magneticfour passvalveandmonitorsalltheprotectingcircuits.Basedonthehardwarecircuits,thecontrolsoftwareforin-roomandout-roompartsisalsodesigned respectively.Finally,thehardwareandsoftwareisdebuggedandthedesignof wholeelectricalcontrolsystemisfinished. Becauseofthecharacteristicsofgreatdelay,timevaryingandnonlinearity, itisdifficulttogetanaccuratemathematicalmodelforthen万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文system.ConventionalPIDcontrollercannotworkwell，sofuzzycontrol technologyisselected.Atwo-dimensionfuzzytemperaturecontrolleris designedinthispaper.Consideringthedisadvantagesoftheconventionalfuzzy controller,areal-timeadaptivefuzzycontrollerispresented.Thesimulation resultsverifyittobereasonable.Keywordsfrequencyconverter,fuzzycontrol;adaptivecontrol;single-chip computercontrol;systemsimulation万方数据III哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景、来源及研究意义空调是空气调节器的简称，它的作用是通过空调器对室内空气进行处理，使它的温度、湿度、气流速度和洁净度达到所需的要求，为人们提供舒适生活条件和为生产工艺提供一定的环境条件服务。

变频空调电气控制设计目录绪论 (3)1.1 实训背景来源及其探究意义 (3)1.2 空调器控制技术发展概况 (4)1.2.1 在空调器控制技术发展概况 (4)1.2.2 变频空调器的产生与发展 (6)1.2.3 模糊控制技术的发展及研究动态 (7)1.3 用主要设计内容 (8)第 2 章方案论证 (9)2.1 空调器电控系统总设计方案 (9)2.2 空调器压缩机控制方案 (9)2.2.1 变频调速的基本方式 (11)2.2.2 宽脉调控控制策略 (12)2.2.3 实现手段 (13)2.3 温度控制方案选择 (14)2.4 本章小结 (14)第 3 章变频空调器电控系统设计 (16)3.1 电控系统总体结构 (16)3.2 室内机组设计 (17)3.2.1 红外遥控器信号的接受 (17)3.2.2 风门步进电机的控制 (18)3.2.3 室内风扇电机的调速控制 (18)3.3 室外机组设计 (20)3.3.1 室外风扇电机控制电路 (20)3.3.2 电流检测电路 (21)3.3.3 辅助电源设计 (22)3.3.4 变频电路的设计与控制 (23)3.3.5 室外机软件的编制 (23)3.4 温度检测电路 (24)3.5 变频电路设计 (25)3.6 本章小结 (26)第 4 章模糊控制器的设计 (27)4.1 模糊控制的基本原理 (27)4.2 变量模糊化 (27)4.3 模糊控制规则的确定 (29)4.3.1 模糊温度控制器的反模糊化 (30)4.3.2 模糊控制器的软件框图 (30)4.4 基于模糊推理的自调器PID控制器 (31)4.5 PID控制器参数自整定原则 (32)4.6 模糊控制器的仿真 (33)4.7 本章小结 (34)结论 (35)致谢 (36)参考资料 (37)绪论1.1 实训背景来源及其探究意义空调是空气调节器的简称，它的作用是通过空调器对室内空气进行处理，使它的温度、湿度、气流速度和洁净度达到所需的要求，为人们提供舒适生活条件和为生产工艺提供一定的环境条件服务。

家用变频空调电气控制系统设计摘要：本课题设计的家用变频空调电气控制系统基于AT89S51单片机，总共分为两部分，分别是室内机系统和室外机系统，二者通过通讯线进行信息传输。

室内机系统的主要工作是对设定的温度与测得的实际温度进行比较然后通过一定的逻辑运算完成加速或者减速指令的传输，室外机系统由AT89S51单片机、SA8281芯片、IR2110驱动器、整流电路和三相逆变电路组成主要完成AT89S51单片机对压缩机的PWM变频调速控制。

关键词：变频空调；AT89S51单片机；PWM变频调速1 引言1.1 家用空调的发展历史及研究意义从美国成功研制出第一台空调算起,往后的20年里空调的服务对象一直是机器。

二十世纪二十年代空调开始进入家庭,家用空调应运而生。

1974年国产第一台空调CKF-3A在泰州市无线电元件九厂研制成功,经过四十多年的发展空调技术不断更新。

家用定频空调只能工作在标准电压和频率的环境下，因为供电频率不变所以只能通过控制继电器的开断来控制空调的启停，在调节温度的同时空调反反复复的启停对电网造成了污染并且消耗的电能较多。

家用变频空调通过变频器对压缩机进行调速，使空调不是通过简单的启停进行调温而是通过功率的不断变化进行温度调控，当与设定温度相差较大时空调功率增加，相反当空调接近设定温度时空调功率会减少到正常功率的百分之十以保证始终处于恒温状态，减少了空调的反复启停消除了压缩机启动时的峰值电流并且节约了电能。

在日常的生活工作中变频空调越来越多的取代定频空调为我们服务。

1.2 家用变频空调工作原理空调CPU通过变频器对压缩机进行调速从而改变空调的输出功率完成变频。

空调刚启动时，由于房间冷负荷大，空调压缩机电机高频运转，空调制冷量达到最大值，使室温在尽可能短的时间内下降；当房间温度接近设定温度时，压缩机的工作效率可相应降低，降低空调制冷量，实现系统制冷量的调节，减少空调的启停次数使温度变化更加平稳[1]。

长虹变频空调电路原理分析KFR-25（28、33、40）GW/BQ空调器印刷电路板检修参考笫一部分控制原理图笫一章控制原理图KFR-25（28∖ 40）GW/BQ直流变频空调器电气控制框图如下所示：第二节控制原理图描述从上面的控制原理图中，可以看出KFR-25（28、40）GW∕BQ直流变频空调器的室内机印刷电路板可大致分为以下儿个电路单元:开关电源、上电复位电路、晶振电路、过零检测电路、室内直流风机控第1页共41页KFR-2o（28> 33、40）GW/BQ空调器印刷电路板检修参考制电路、步进电机控制电路、温度传感器电路、空气清新控制电路、EEPROM电路、保护电路、显示驱动及遥控接收电路、应急控制电路、通讯电路等;KFR- 25（28、40）GW/BQ直流变频空调器的室外机部分可分为如下电路单元:开关电源、上电复位电路、晶振电路、电压检测电路、电流检测电路、过零检测电路、保护电路、电子膨胀阀控制电路、室外直流风机驱动电路、IPM模块驱动电路及位置反馈电路、四通阀控制电路、温度传感器电路、EEPROM电路、通讯电路、电源整流及功率因数调整电路等。

具体描述如下：当室内机接通电源时，室内电源220VAC经EMl电路后，通过桥堆整流、滤波转变为280VDC直流，经开关电源转换输出35VDC、12YDC及5VDC直流电压，为单片机及其外圉的电路提供电源。

同时，振荡电路和上电复位电路启动单片机开始工作。

此时，便可接受遥控器的信号，空调器开始检测室内的温度传感器、设定温度以及EEPROM中的数据等，并按照遥控器的设定状态运行;室内风机开始按指定转数运转;步进电机也开始来回摆动（如果步进电机设定为扫风状态）；单片机通过显示屏将空调器的运行状态显示在显示屏上，初次上电经过3分钟左右延时，室内功率继电器给室外供电。

室内的单片机通过通讯电路与室外机进行串行半双工通讯通信，物理层为强电载体，强化抗干扰能力。

当室外机得到室内电源后，交流电220VAC经整流及功率因数调整后转换为280VDC直流，滤波输入到开关电源及IPM模块（驱第2页共41页KFR-25（28> 33、40）GW/BQ空调器印刷电路板检修参考动压缩机）。

变频空调器的电气控制系统在我国变频空调是90年代推出的新一代高性能空调，在其控制技术中采用智能控制,变频控制等高新技术与定频空调比较，变领空调具有以下优点：①快速制冷与制热。

②温度控制稳定，精度高。

③高效，节能。

④运转噪声低。

我国变频空调研究起步较晚,但发展速度较快，目前,变频空调研究已处于产品化阶段。

国内外变频空调器主要功能对比见表，3・1鼬牌触日捷城毗也:肚品即&中醐醐然力晟变频空调的电控系统主要考虑以下几点：1 .控制方式空调器由于其使用环境参数的不确定性，人的舒适性要求的不确定性等因素，决定其几乎不可能使用固定模型的控制方式，而模糊控制摆脱了模型不确定性影响，是比较适合于空调器的控制方式。

针对空调器对象有很多平衡点的特殊性，采用零点自适应模糊控制策略，既解决了温度控制稳定精度问题，又保证了空调控制的舒适性与快速性。

2 .噪声控制室内机噪声是空凋器噪声控制的首要问题。

室内机噪声主要来自风道摩擦噪声与电动机的电磁噪声，传统的PG电动机和抽头电动机，往往噪声较大。

直流无刷电动机由于具有噪声低的特点，在设计起静音运行的室内机时，常被采用。

34 .电网电压的适应能力普通的控制器适用的电压范围为电网电压波动上下10%,采用自适应空间矢量调制技术实现压缩机电动机运行电压补偿后，电网电压在上下20%范围被动时，仍具有较强的制冷、制热能力。

一、变频空调器控制单元组成・室内控制单元硬件由三部分组成：(1)室内机CPU主控板(2)室内风扇电动机驱动及开关电源控制板(3)遥控接收及显示控制板・室外控制单元由两部分组成：(1)室外机变频控制主回路S(2)室外机CPU控制板。

二、室内微电脑主控板电路工作原理下图中是变频式空调器室内微电脑主控板电气原理图。

微电脑主控板选用因特公司U87C196MC芯片作为系统主控芯片。

U87C196MC为16位电动机控制专用微处理芯片，芯片本身带有三相PWM波调制输出专用口，可用于驱动直流无刷电动机(风扇电动机)，该芯片具有较快的运行速度及可靠性。

变频空调原理图
变频空调是一种智能节能的空调系统，它通过调节压缩机的转速来实现室内温度的精确控制，从而达到节能的目的。

变频空调的原理图如下所示：
1. 压缩机，变频空调的压缩机采用变频驱动技术，可以根据室内温度的变化实时调节转速，从而实现能耗的最优化。

2. 蒸发器和冷凝器，蒸发器和冷凝器是变频空调系统中的两个重要组件，它们通过循环往复的工作过程，实现制冷和制热的功能。

3. 控制系统，变频空调的控制系统采用先进的智能控制技术，可以实时监测室内外温度和湿度，根据用户的设定实现精确的温度控制。

4. 室内机和室外机，室内机和室外机是变频空调系统中的另外两个重要组件，它们通过管道连接，实现室内外空气的循环和交换。

变频空调的原理图清晰地展示了系统中各个组件之间的关系和工作原理，通过对原理图的分析，我们可以更好地理解变频空调的工作原理和节能优势。

总的来说，变频空调通过智能控制和高效运行的方式，实现了对室内温度的精确控制和能耗的最优化，是一种节能环保的空调系统，为人们的生活带来了更加舒适和便利的体验。