CN101968251A - 一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造涉及中央空调盘管风机控制系统的技术领域，具体地说是一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，一包括PC、MCU和电源供电，其特征在于以多嵌入式单片机联合控制为核心，通过检测BLDC电机三相绕组感应电压，测算过零换相信号，从而实现六步梯形算法的无刷直流电机风机的控制；运用智能模糊算法实现盘管风机室内温度的控制，本发明具有一键式操作快捷简单，低噪音高效控制、节能降耗，绿色环保，平稳启动，线路简单的优点。

Description

一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法

[技术领域]

本发明创造涉及中央空调盘管风机控制系统的技术领域，具体地说是一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法。

[背景技术]

目前全世界在绿色环保及能源节约的前提下，纷纷发展绿色节能产品，当然跟人们生活息息相关的空调产品也不例外，就目前中央空调风控系统具备节能效能的系统或产品而言，大致分以下几个种类：

1.按控制系统的主控芯片分：主要分为MCU型、DSP型和DSC型；

MCU型主要具有成本低廉及选择广泛的优点，确点是大部分不能实现太复杂的运算，因为一般速率比较低。

DSP型虽可完成高速及复杂的运算，但控制性能相对MCU较差，且一般价格比较高，选择余地较小，因此不太适合工业嵌入式系统应用。

DSC型是目前新兴起来的一种结合DSP和MCU的产品，其虽然良好的解决MCU的运算问题，同时又解决了DSP的控制问题，但此类产品面目前一方面尚处在初级阶段，开发商少，成熟度低，另一方面在稳定性可靠性方面尚需实际证实，同时价格又比较昂贵。因此对于在消费类产品的应用上还不具备很大的竞争优势。

2.按电机控制类型分，目前主要有有位置(HALL传感器)和无位置两种无刷电机控制系统。

有位置无刷电机控制系统，由于HALL位置传感器的介入，编程虽相对比较简单，电机启动容易实现，但增加了电机的制造难度，使得维修困难，提示使故障率相对提高。

无位置无刷电机控制系统，克服了有位置的以上确点且成本较低，但电机启动时一般采用定位、开环、闭环的工作过程，启动的速度及平稳度较有HALL的稍差。

3.按控制电机的方式分，180°正弦波输出控制及120°梯形波输出控制。180°正弦波控制算法复杂，具有大量的运算，因此MCU一般不能完成。120°梯形波控制算法相对较为简单，高速MCU均可实现。

另外针对100W以内风机控制系统而言，180°正弦波控制较120°梯形波并没有明显突出的优点，在电机控制上只是噪音和平稳度略好于120°控制，经过实际测试节能降耗基本相当。所以针对性价比而言，120°控制更优于180°控制系统。

4.按节能及效率分，带功率因数(PFC)调整型和无功率因数调整型PFC型，从国家能源使用角度讲，带PFC调整意味着国家可以减少能源投资，功率因数越高，效率越高，对老百姓而言也有相当的节能效果显，且电机运行平稳噪音低。当然无PFC系统形则无这些优点。

无刷直流风控系统现状：

国际：单就电机启动而言，在欧美，绝大多数100W以上系统，均采用带PFC调整，大部分为DSP型120°控制系统，小部分为180°的正弦波控制系统。软件系统均不具有智能模糊控制功能。中东及其他国家，大部分仅用无PFC型的120°控制系统，控制软件一般只实现转速控制。

国内：产品应用基本上都是单片机的120°无PFC带HALL的控制方法，且大都用在电动车、洗衣机、家用变频空调压缩机等方面，目前一些开发者或开发公司在着力DSP的180度正弦波控制开发，但也都是基于HALL传感器型的。在中央空调控制应用方面，目前控制压缩机一般有英飞凌、瑞萨、日立、三菱等国外公司的一些方案及产品，风机控制方面的应用产品较少，仅见到一些资料性的介绍。

[发明内容]

本发明的目的同时解决单片机适合控制而不适合运算和无刷电机的位置检测一般不外乎感应电压过零检测这两个问题，实现功率因数调整及无刷无位置直流电机的变频控制，多单片机有效联合，实现诸如冷暖自动、互动连锁、杀菌消毒等功能，用独创的智能模糊算法实现风控系统的一键式启动。

为达到上述目的，设计一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，包括PC、MCU和电源供电，其特征在于以多嵌入式单片机联合控制为核心，通过检测BLDC电机三相绕组感应电压，测算过零换相信号，从而实现六步梯形算法的无刷直流电机风机的控制；运用智能模糊算法实现盘管风机室内温度的控制。所述的检测电路由三个比较器负端共同并联构成母线电压采集，所述的比较器由电阻RA200、RA201、RA203、RA204串联连接，在电阻RA203一端连接RA201，电阻RA203另一端连接CA200、CA201一端，电阻RA203、CA200、CA201另一端并联连接并接地，电阻RA204一端接比较器负端，另一端连接电机信号端和比较器正端，比较器的输出端接有电容C203，所述的检测电路根据BLDC电机三相绕组中构成两两导通控制方式，在两两导通控制模式中，当某相过零时，电机中点电压等于直流母线中点电压，三个比较器的负端共同并联达到电压之和，然后与接于比较器正端的非导通机的感应电压进行比较，当某相感应电压过零时，准确实现某相比较输出“0”电平，某相比较器则输“1”电平，实现BLDC的EBMF端的过零检测。

所诉的启动算法采用用定位→开环→闭环流程，开始时先将转子定位到某预定位置，然后采用变转矩加开环位置驱动，从低频逐渐加速，同时检测感应电压，一旦位置信号有效，立即切入闭环控制状态，所述的启动算法先模糊选任意两相用PWM驱动加电3次，每次大约500ms～1000ms，每次加电的PWM占空比依次由70％～100％均匀完成，这样经过3次变化的PWM后电机基本非常平滑地完成预定位，紧接着开始开环启动过程，用变频PWM控制使电机从0～约50RPM逐步启动，同时在开环启动过程中监视位置信号，一旦位置信号有效，立刻启动进入闭环控制过程，开环启动时同时进行定时控制，一旦在设定时间内(一般根据电机可调)不能完成开环启动，则停止启动，等待稍许后再次预定位及启动，当5次未完成启动时，上报电机启动故障，实际启动时还具有逆风、过流等状况的控制判断。

所述的系统智能模糊控制算法包括设备参数自动运行工作模式，包括用户设定参数运行的工作模式，其步骤如下：

a、包括开始上电，全自动机型，普通或手动控制型机控制模式，读时区、时钟、定时等工作参数，掉电保护，读掉电前相关工作参数，节假日，强开机，无休眠时显示时钟、温度延时进入休眠，根据工作环境、工作日及作息等参数确定初步工作模式，设置为普通日工作参数，自动开机，开机时间到，开机工作流程，关机时间到，关机、延时进入休眠；

b、开机工作流程，时间到吗，关机、休眠，采集温度，设温-实温＞2℃，制热，设温-实温＜2℃，制冷，冷热切换控制冷←→热须延时30分钟，速度温度PID调节程序U(t)＝Kp×e(t)++Ki∫e(t)dt+U0(U(t)：风机转速、e(t)：温差(实际温度-设定温度)、Kp：比例系数、Ki：积分系数、dt：取样时间(10秒)、U0：最低转速)，返回。

所述的一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，其特征在于输入电源AC85～265V、50/60HZ，工作环境温度0～50℃、湿度30％80％，温度控制精度0.5℃，输出DC392V、100W(单)/200W(双)，功率因数＞0.95，效率＞80％，待机功耗5W，可控制转速0～3000RPM，噪音载波频率＞15K；还包括以下主要参数：

a、全自动控制

当温差(实际温度-设定温度，在智能模糊系统中设定温度由综合条件自动生成)在±2℃时全自动送风，风机速度用温度-速度PID去控制调节，当温差≤2℃，开启制热，风速保持，当温差≥2℃，开启制冷，风速保持，每次冷热切换间隔为30分钟，夜间超过10点后自动进行睡眠温度补偿，凌晨8点后恢复；

b、制冷

风速可选自动、高、中、低；

当温度≥设定温度+0.5时，开启制冷；

当温度≤设定温度-0.5时，关闭制冷；

当温度＝设定温度时，保持原工作状态；

c、制热

风速可选自动、高、中、低；

当温度≤设定温度-0.5时，开启制热；

当温度≥设定温度+0.5时，关闭制热；

当温度＝设定温度时，保持原工作状态；

当开关机时，开启制热前先开启风机，关闭制热后再延时15秒关闭风机；

d、送风

送风模式手动选择风速高、中、低；

不可设定温度；

e、除湿

当温度≥设定温度+0.5时，开启制冷；

当温度≤设定温度-0.5时，开启制冷，运转2分钟，关制冷运转5分钟，循环运转；

f、UV杀菌

控制UV灯实现风机内杀菌及空气洁净的目的；

g、睡眠

配合适用于制冷模式；

当人进入睡眠时，人体放出的热量就会随睡眠程度的加深逐渐减少，因此舒适的睡眠功能可以给以温度补偿；

第一小时，温度提高1度；

第二小时，温度再提高1度；

h、故障报警

系统自检或运行过程中实时监视设备的运行状况，并给出指示及报警。

一给予工作提示，二便于维修排除故障。

本发明的特点系统采用低成本高可靠的嵌入式片单片机为控制核心，运用六步梯形控制算法加独创的检测及平稳启动算法，实现了无刷直流电机的低噪音高效控制。

本发明的特点是此风控系统运行平稳，变频式软启动具有启动电流小，噪音低等优点，用于空调温度调节可以创造一个恒温、无噪音、低能耗、高效率的生活空间。系统的创造性设计，于国节能降耗，绿色环保，于民生活舒适、安乐健康

本发明的特点是系统采用无位置无刷电机控制模式，加上独创的EBMF硬件检测电路(图一)及特有的启动算法(见四)，成功解决了平稳启动的问题。

本发明的特点是设计了独创的EBMF检测电路，成功的解决单片机适合控制而不适合运算和无刷电机的位置检测一般不外乎感应电压过零检测这两个问题。用较低成本的硬件先从外围实现过零检测，然后送交MCU做位置控制。此电路特点，不用直接采集直流母线线电压也不用取电机中心点，而采用感应电压与线电压之和进行比较实现，线路即简单可靠又方便实用。

本发明的特点是智能模糊算法实现一键式操作，方便快捷，简单实用；系统组态便捷，通过485网轻松实现单控、多点控、总控应用；系统高兼容度设计，可轻松与任意无刷电机配合；风机逆风启动；过电流、短路、风机堵转、过温、缺相等保护；杀菌功能，提高空气的洁净度；睡眠功能，为人进入睡眠状态时提供一个人性化舒适环境；可预约开关机；可进行时区及时间设定，便于智能判别冷热工作模式；可进行工作日及工作时段设定，便于决定是否开启工作，以节约能源；键盘锁定，为防止误碰等动作，可人工上锁或自动上锁。

[附图说明]

图1是系统硬件框图

图2是智能风控系统组态图

图3是风控系统主控板控制流程

图4是智能模糊全自动流程

图5是系统电气原理图

[具体实施方式]

现在中央空调或家用空调的工作流程，一般都是开机后先选择工作模式(制冷、制热、抽湿等)，然后再设定温度。从实际使用中发现大多数空调控制都有些许弱点，比如当在夏天您需要制冷的时候，由于错按或切换首先选择了或进入了制热模式，之后再选择制冷模式，此时由于热冷模式切换一般都具有保护功能，从而导致进入延时保护模式，这时长着可能要等30分钟左右方才切换至制冷，使用者一定感到不方便；另外，一般的温控原理是根据设定温度控制的，只要环境温度达到设定温度，就硬生生的切断输出，这样一方面会使温度突然变化，使人体感觉不适，另一方面，由于温度变化，会使空调或风机频繁启动，从而既浪费电力、产生噪音，又不利于设备。鉴于此，本文所述系统采用了智能模糊算法，成功实现一键式工作、温度恒温控制，这样不但节能环保，还倍感舒适。下面叙述其实现原理。

智能性指根据设定的参数自动运行的工作模式；模糊性指在超出设定参数以外(比如，办公场所作息见以外)的情况下运行时的工作模式。

出厂参数设置，产品在出厂时预先将时区、时钟、工作环境、工作日及作息时间、节假日、最低制冷温度、最高制热温度等参数置入MCU的flash中，当然也可在现场通过本地控制器进行设置或修改。

时区、时钟：指设备安装使用地的时区及当地时间；

工作环境：0-未指定场所，1-办公场所，2-家庭，3-公共环境。

工作日及作息时间：0xxxxxxxB，用7个二进制位表示一周中七天，第0位代表星期天，依次第6位代表星期六，最高位无效，当对应位为1时表示为工作日，为0时为休息日。作息时间共用7(天)x 6(字节)＝42个字节来表示，每位代表30分钟如下分配：

如以“周一”为例，6字节分配如下，其他类同：

节假日：可根据当地国家或政府或企业或使用者自己的情况规定节假日，即当遇节假日时，智能风机不工作。共用12(月)x 4(字节)＝48字节表示，每位代表1天，对应位1时为节假日。分配如下：

如以“一月”为例，4字节31天分配如下，其他月类同：

最低制冷温度、最高制热温度：根据当地国家标准或国际节能环保标准要求，制冷模式工作时设定温度应不低于最低制冷温度；制热模式工作时最高温度不应高于最高制热温度。

Claims (5)

1.一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，包括PC、MCU和电源供电，其特征在于以多嵌入式单片机联合控制为核心，通过检测BLDC电机三相绕组感应电压，测算过零换相信号，从而实现六步梯形算法的无刷直流电机风机的控制；运用智能模糊算法实现盘管风机室内温度的控制。

2.如权利要求1所述的一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，其特征在于检测电路由三个比较器负端共同并联构成母线电压采集，所述的比较器由电阻RA200、RA201、RA203、RA204串联连接，在电阻RA203一端连接RA201，电阻RA203另一端连接CA200、CA201一端，电阻RA203、CA200、CA201另一端并联连接并接地，电阻RA204一端接比较器负端，另一端连接电机信号端和比较器正端，比较器的输出端接有电容C203，所述的检测电路根据BLDC电机三相绕组中构成两两导通控制方式，在两两导通控制模式中，当某相过零时，电机中点电压等于直流母线中点电压，三个比较器的负端共同并联达到电压之和，然后与接于比较器正端的非导通机的感应电压进行比较，当某相感应电压过零时，准确实现某相比较输出“0”电平，某相比较器则输“1”电平，实现BLDC的EBMF端的过零检测。

3.如权利要求1所述的一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，其特征在于启动算法采用用定位→开环→闭环流程，开始时先将转子定位到某预定位置，然后采用变转矩加开环位置驱动，从低频逐渐加速，同时检测感应电压，一旦位置信号有效，立即切入闭环控制状态，所述的启动算法先

选任意两相用PWM加电3次，每次大约500ms～1000ms，每次加电的PWM占空比依次由70％～100％均匀完成，这样经过3次变化的PWM驱动后电机基本非常平滑地完成预定位，紧接着开始开环启动过程，用变频PWM控制使电机从0～约50RPM逐步启动，同时在开环启动过程中监视位置信号，一旦位置信号有效，立刻启动进入闭环控制过程，开环启动时同时进行定时控制，一旦在设定时间内(一般根据电机可调)不能完成开环启动，则停止启动，等待稍许后再次预定位及启动，当5次未完成启动时，上报电机启动故障，实际启动时还具有逆风、过流等状况的控制判断。

4.如权利要求1所述的一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，其特征在于系统智能模糊控制算法包括设备参数自动运行工作模式，包括用户设定参数运行的工作模式，其步骤如下：

a、包括开始上电，全自动机型，普通或手动控制型机控制模式，读时区、时钟、定时等工作参数，掉电保护，读掉电前相关工作参数，节假日，强开机，无休眠时显示时钟、温度延时进入休眠，根据工作环境、工作日及作息等参数确定初步工作模式，设置为普通日工作参数，自动开机，开机时间到，开机工作流程，关机时间到，关机、延时进入休眠；

b、开机工作流程，时间到吗，关机、休眠，采集温度，设温-实温＞2℃，制热，设温-实温＜2℃，制冷，冷热切换控制冷←→热须延时30分钟，速度温度PID调节程序U(t)＝Kp×e(t)++Ki∫e(t)dt+U0(U(t)：风机转速、e(t)：温差(实际温度-设定温度)、Kp：比例系数、Ki：积分系数、dt：取样时间(10秒)、U0：最低转速)，返回。

5.如权利要求1所述的一种采用计算机程序控制中央空调盘管风机系统的方法，其特征在于输入电源AC85～265V、50/60HZ，工作环境温度0～50℃、湿度30％80％，温度控制精度0.5℃，输出DC392V、100W(单)/200W(双)，功率因数＞0.95，效率＞80％，待机功耗5W，可控制转速0～3000RPM，噪音载波频率＞15K；还包括以下主要参数：

a、全自动控制

当温差(实际温度-设定温度，在智能模糊系统中设定温度由综合条件自动生成)在±2℃时全自动送风，风机速度用温度-速度PID去控制调节，当温差≤2℃，开启制热，风速保持，当温差≥2℃，开启制冷，风速保持，每次冷热切换间隔为30分钟，夜间超过10点后自动进行睡眠温度补偿，凌晨8点后恢复；

b、制冷

风速可选自动、高、中、低；

当温度≥设定温度+0.5时，开启制冷；

当温度≤设定温度-0.5时，关闭制冷；

当温度＝设定温度时，保持原工作状态；

c、制热

风速可选自动、高、中、低；

当温度≤设定温度-0.5时，开启制热；

当温度≥设定温度+0.5时，关闭制热；

当温度＝设定温度时，保持原工作状态；

当开关机时，开启制热前先开启风机，关闭制热后再延时15秒关闭风机；

d、送风

送风模式手动选择风速高、中、低；

不可设定温度；

e、除湿

当温度≥设定温度+0.5时，开启制冷；

当温度≤设定温度-0.5时，开启制冷，运转2分钟，关制冷运转5分钟，循环运转；

f、UV杀菌

控制UV灯实现风机内杀菌及空气洁净的目的；

g、睡眠

配合适用于制冷模式；

当人进入睡眠时，人体放出的热量就会随睡眠程度的加深逐渐减少，因此舒适的睡眠功能可以给以温度补偿；

第一小时，温度提高1度；

第二小时，温度再提高1度；

h、故障报警系统自检或运行过程中实时监视设备的运行状况，并给出指示及报警。一给予工作提示，二便于维修排除故障。

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