1398.基于MC68HC908MR32驱动的BLDC空调控制器

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1、基于MC68HC908MR32驱动的BLDC空调控制器摘要：介绍由MOTOROLA公司的MC68HC908M32、MC68HC08JL3单片机构成的BLDC空调控制器的方案，BLDC空调控制器工作机理，重点介绍MC68HC908M32在BLDC空调器中的使用方法。关键词：MC68HC908MR32单片机 BLDC 模糊控制 磁链电源逆变 PWM与换相周期同步The Controller of Air conditioner Using BLDC Motor Based on MC68HC908MR32Abstract:The paper introduced a solution of air

2、 conditioner using BLDC by making use of MCUs of MC68HC908M32 and MC68HC08JL3 and the working principle of BLDC air conditioner,especially introduced the method using of MC68HC908M32 in BLDC air conditioner.Keywords: MC68HC908MR32;BLDC;fuzzy control; magnetic-flux converting;PWM sync with the sample

3、 period. 引 言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，直流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，直流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直流变频控制的推广提供了技术保障。本设计方案的 BLDC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MC68HC908MR32的优越性能，用其设计室外机BLDC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

4、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、磁链电源逆变技术：采用磁链追踪型电源逆变技术来控制压缩机运转，磁链追踪型电源逆变技术是从电机的角度出发的，着眼点是如何使电机获得圆磁场，它以电机的磁链圆为基础，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量确定追踪基准磁链圆。3、独特的反向电动势采样及PWM与换相周期的

5、同步技术：利用电阻网络加强对反向电动势采样的可靠性、PWM换相采用开闭环相结合的技术、数字滤波技术等，确保在各种转速下PWM实时换相，不发生抖动。4、独特的化霜技术：空调化霜是冬天有效制热必不可少的过程，化霜的好坏直接影响系统使用的性能，本产品采用智能算法，在系统最需要化霜的时候进行化霜，并合理控制压缩机频率运行、风机的开启，在最短的时间内使霜化得干净彻底，提高空调的使用效率。5、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；6、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

6、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。设计概述：本设计方案室外机控制器是BLDC空调控制器的核心，室内机控制器为用户提供良好的操作界面及显示界面。1、 系统功能介绍本控制器两部分分别由MOTOROLA公司推出的MC68HC908MR32、MC68HC908JL3作为主控芯片。两部分协调工作，实现以下功能： 1) 直流变频压缩机控制：直流变频压缩机的转速控制是本控制器的核心，利用启动算法（调整位置、启动加速、锁相）、数字滤波、反向电动势延迟补偿、换相时间控制、PWM脉宽补偿、速度控制等技术控制压缩机转速，使其达到快速变化但又平滑过渡的目的。2）控制器能

7、多方位检测空调器及周围的各种参数，如室内环温、室内机管壁温度、出风口温度、室外环温、室外机组管壁温度、压缩机运行电流等，并通过模糊逻辑使空调器达到最佳的工作状态。3）自动运行功能：根据环境温度的高低，自动判定并控制空调器处于制冷、通风或制热状态，使环境温度达到人体舒适的状态。4）制冷运行功能：当环境温度高于人体舒适所需要的温度时空调器工作在制冷状态，通过对压缩机运行转速的调节，使环境温度快速达到设定状态并获得平衡。5）除湿运行功能：当环境潮湿、使人体感到不舒适时，利用BLDC所特有的优势，在温度波动幅度不大的前提下，通过对压缩机运行转速的调节，达到房间空气干燥的目的。6）制热运行模式：当环境温

8、度低于人体舒适所需要的温度时空调器工作在制热状态，通过对压缩机运行转速的调节，使环境温度快速达到设定状态并获得平衡。7）通风运行功能：辅助功能，仅仅在温度符合要求，但需要空气有所流动时使用。8）完善的空调器保护功能，空调器能够依据当前状态，在需要时进行自我保护，增加空调器使用的可靠性及安全性。9）控制器具有自诊断功能：控制器能够指出空调器的故障现象及原因，方便维修。10）控制器具有快速检测功能：利用控制器的检测通讯口线，并采用定制的检测设备，以特定的通讯代码，使控制器进入检测状态，对其进行快速有效的检测。2、 系统结构简介本系统由室内机组、室外机组两大部分组成，室内机组又分为室内主控板、室内显

9、示板、遥控器三个部件，室外机组分为室外电源板、室外主控板、模块驱动板三个部件。室外机组控制器工作环境恶劣，硬件设计应考虑部分器件的失效不至于过份影响空调器的自我诊断、调整及运转，要做到模块化设计，设计口线清晰，保护完善，选取的元器件要质优、耐高、低温及耐潮湿。1) 室内主控板（见图1.a）此部件为室内机主要控制板，采用MOTOROLA公司的MC68HC908JL3实现。电源电路利用MC7805稳压成稳定可靠的+5V电压供单片机使用，利用MOTOROLA的MC34164P5使单片机上电能可靠地复位，用PTD3、PTD6、PTD7大电流口驱动LED显示，用A/D口采样室内环境温度、室内铜管温度、选

10、择开关输入检测、单冷热泵选择等，用TCH0（PTD4）实现PWM功能驱动蜂鸣器输出以简化软件编程，用中断口（IRQ）实现遥控接收功能，用KBI口实现电源过零检测和PG电机的反馈检测，用TCH1（PTD5）实现Output compare功能驱动PG电机，用通用I/O口实现通讯收发，控制电加热、出风口摆页的运转。拟选用MOTOROLA 的MC1413B作为负载驱动芯片。2) 室内显示板（见图1.b）该部件主要安装有显示LED、遥控接收头、选择开关等。3) 遥控器（见图1.c）（不作为参赛部分，故略）4) 室外电源板（见图1.d）直流变频压缩机控制为开关信号控制，需抑制电网对控制器的干扰和控制器对

11、电网的幅射传导，在此部件上安装有EMI滤波器，另外为结构简洁，将PTC电路、控制继电器安装在此部件上。5) 室外主控板（见图1.e）此部件为BLDC的主要控制板，采用MOTOROLA公司的MC68HC908MR32实现。利用A/D口进行室外环境温度、室外铜管温度、压缩机排气温度、压缩机电流采样等，用PWM1PWM6进行模块驱动控制压缩机运转，用PTC4、PTC5、PTC6、TCH2A（PTE6）进行反向电动势检测，用FAULT1口检测模块保护信号，用FAULT2检测系统压力保护信号，用FAULT3检测压缩机过载保护信号，用4路通用I/O口实现通讯收发、检测控制收发，用4路通用I/O口实现换向阀

12、、室外风机、控制继电器及LED输出控制。用MC1413B进行负载驱动。考虑到部分空调器厂采用电子膨胀阀控制系统能力，预留电子膨胀阀控制口4路。6) 室外模块驱动板（见图1.f）此部件主要安装功率模块IPM、整流电路、室外机组用弱电开关电源电路、反向电动势检测电路。电源的管理中充分考虑到电源线和地线合理连接，在布线时认真处理，以提高整机的抗干扰性能。 供电电源 遥控接收 温度采样 MC68HC908JL3 过零检测 PC电机反馈 PC电机驱动 开关选择 蜂鸣器驱动 冷暖选择 电加热、风向驱动 LED显示 通信电路 图1.a室内主控板 图1.b室内显示板 整流滤波 通信电路模块PS21246-E

13、MC68HC908MR32 压缩机 温度采样 开关电源电流采样反向电动势检测 压力保护信号 模块保护 压缩机过载信号 驱 动 风机、换向阀控制继电器驱动 LED驱动 检测设备 图1.e室外主控板 图1.f室外模块驱动板RC滤波 PTC控制继电器 型滤波 强 电 出 强 电 入遥 控 器 图1.d室外电源板 图1.c遥控器图1：BLDC空调控制器系统框图硬件描述：本系统由室内机组、室外机组两大部分组成，因室外机组为BLDC空调控制器重点，考虑到文章篇幅，故仅对室外机组硬件进行描述。BLDC空调控制器电路原理图见图2。1、单片机选型：MC68HC908MR32是一种专门用于电机驱动的高性能8位单片

14、微机，它具有以下功能：32K Flash存贮器、768字节RAM、10路10位A/D、一个六路12位PWM模块、具有3根电流检测输入和四根错误信号输入、支持中心和边沿调整模式、一个串行通讯口SCI和一个串行外围接口SPI、一个4路16位定时器系统和一个两路16位定时器系统，时钟发生器模块（可由较低频率晶振产生各种高频率内部时钟），其资源完全符合设计BLDC室外机的技术要求。其贮存温度范围为55150及工作温度范围为4085，能适应室外机组恶劣环境的要，并且MC68HC908MR32Vb型工作温度能达到40105,适应沙漠地带工作，这在家用MCU芯片中少见。其在掩膜前可采用FLASH型芯片，利于

15、开发后小批量试生产，故选用MC68HC908MR32种芯片设计BLDC空调控制器资源相对于选用其它芯片更为合理，性能价格比高。2、功率驱动电路：IPM(智能功率模块)采用三菱公司的新一代DIP IPM系列中PS21246-E型号，它包含内置三相IGBT逆变单元及其驱动、保护电路，控制端子可直接接受5V CMOS/TTL电平，外部不再需要光耦或隔离变压器等隔离电路，单15V控制电源，故障输出信号的脉宽可由外部调节，过流保护阀值可通过外部电阻设置，并且其集成度高、体积小、成本低，非常适用于本控制系统。本控制器用MR32的PWM1PWM6口产生驱动波形，用74HC541进行模块驱动和隔离以控制压缩机

16、运行转速。图2中IC310为74HC541用作隔离及模块硬件保护电路用，R366R371为限流电阻。3、反向电动势检测电路：反向电动势检测由分压电路、比较器和多路选通开关组成。三个分压电路把电机的三个相电压分压后加至三个比较器和一个输入端。为防止PWM开、关产生的干扰，使用电容来滤去各种干扰信号，但它也引起反向电动势的延迟。在上、下两个IGBT均关闭时，有一段浮空时间，为使这时的电压保持为1/2直流电源电压，加入了六个电阻。由于浮空相的偏置电压（即反向电动势过零电压）为1/2电源电压，比较器的另一个输入端接1/2电源电压，三个比较器的输出经过光隔加至多路选通开关上，由MCU根据换相时刻，把浮空

17、相的比较器输出接至MR32的一路输入捕捉（TACH2）上。在发生反向电动势过零时，产生输入捕捉中断，计算下一次换相时间。图2中R301R306为分压电阻，IC302（LM339）为比较器，IC303IC305（HP4504）为隔离光耦，IC306（74LS03）、PTC4PTC6用作多路选通开关。4、电流测量电路：电流测量用于控制启动电流和过流保护，在电流达到一定控制值时限制压缩机转速上升，达到保护值时停止压缩机工作。图2中TA301为电流互感器，检测电流信号，D301D305、R329R332、C312、C313为电流信号整流电路，经过整流的信号输入MR32的AD口采样。5、模块控制保护电路

18、：当模块有保护信号输出时，通过硬件电路控制IC302的使能端断开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FAULT1（PTD0）口输入模块保护信号。图2中IC309（HC4011）及其外围电路构成本电路。6、温度采样电路：本控制器选用负温度系数电阻型温度传感器检测室外环境温度、室外铜管温度、压缩机排气温度，采用电阻分压的方式，并采用恰当参数的电容进行滤波，输入MR32的AD口采样，以求得到准确的温度值。图2中R333R338、C314C316构成本电路。7、压力保护、过载保护电路：系统压力过高、压缩机过载均对直流变频空调器构成致命伤害，在保护信号发生时，需立即关闭压缩机

19、运转。本控制器将保护信号通过三极管隔离后输入MR32的FAULT2、FAULT3口实现保护功能。图2中B2、B2B、T301、T303及其外围电路构成本电路。8、通讯电路：室内外通讯以减少通讯电缆数及确保可靠性为原则，本控制器采用强电分压，增加一根通讯线实现室内外通讯，室内外只需电源L线、电源N线、通讯线三线连接，简化室内外连接方式，用光耦实现强弱电之间的隔离，用MR32的通用I/O口PTA4、PTA5实现收发。图2中R343R346、C318、C319、V308、V309构成强电分压，IC307（NEC2633）及其外围电路R351、R352、C322、T302构成发送电路，IC310（NE

20、C2501）及其外围电路R347R350、C320、C321、V310构成接收电路。9、换向阀、室外风机、控制继电器、LED负载控制电路：用MR32的通用I/O口PTA0、PTA1、PTA2、PTA3实现换向阀、室外风机、控制继电器、LED负载控制，用MC1413B进行驱动。10、检测电路：用MR32的PTF4、PTF5实现与定制的检测设备的通讯，以特定的通讯代码，使控制器进入检测状态，对控制器各硬件电路进行快速有效的检测。11、电源电路：电源电路分为强电电源电路和弱电电源电路。强电电源电路功能主要是抑制电网对控制器的干扰和直流变频压缩机开关控制信号对电网的幅射传导，通过型滤波电路实现。图2中

21、L401、C401、C402、C403、R401构成本电路。弱电电源电路主要产生+15V、+5V电源供模块、室外控制板使用，本控制器采用开关电源电路，图2 中IC501（TNY266P）、R501R508、C501C511、L501L503、V501V503等构成本电路。12、BLDC空调控制器硬件电路原理图（见图2）。图2：BLDC空调控制器硬件电路原理图软件描述：软件的设计思想为模块化设计和容错设计，并辅以模糊逻辑控制技术。模块化设计使整套软件便于维护、完善及测试认证，更加有效地提高软件的编程效率；容错设计能大大提高产品的可靠性；采用模糊逻辑控制技术能有效的利用各种采样参数，更加合理的控制

22、各个负载的运转，利用这种技术在部分传感器年久失效后控制器能进行自我诊断及调整，并提醒用户出错的状态。1、PWM与换相周期的同步：为使在每个换相周期输出整数个PWM周期，使用了可变PWM周期方法。该方法的要点是在通过两次反向电动势过零点测出需要的换相周期T后，按T的大小选取适当的PWM周期，以保证换相周期等于PWM周期的整数倍。而PWM频率的范围为24KHz，以适应于IPM的要求（最高PWM频率小于5KHz，典型应用值3KHz）。然后按PWM脉宽比（小数，0255/256）得出PWM脉宽值。换相方法：在执行本次换相操作后，预置下次换相时刻为9/8换相周期，然后延迟Toff时间（Toff1/2换相

23、周期）进行反向电动势过零点检测。发现正确的反向电动势过零后，计算需要的换相周期（它等于两次过零点之差），并重置下次换相时刻为过零点加上1/8换相周期。这样，如有正确的反向电动势过零点，则可保证正确的换相驱动。对于偶尔有一次没有捕捉到过零点（如受到干扰），则按预置的换相时刻进行换相，这可保证这时不会发生抖动或停止转动。为使MCU能有足够的时间去处理除了BLDC电机驱动的其它操作，如与主机（室内机）的通讯、温度检测、除霜处理等，本系统全部使用中断来完成BLDC电机的驱动：一个输出比较中断用于换相，另一个输出比较中断用于Toff延迟,一个输入捕捉中断用于反向电动势过零点检测。2、 智能化霜：空调化霜

24、是冬天有效制热必不可少的过程，化霜的好坏直接影响系统使用的性能，本产品采用智能算法，在系统最需要化霜的时候进行化霜，并合理控制压缩机频率运行、风机的开启，在最短的时间内使霜化的干净彻底，提高空调的使用效率（见图3）。除霜运行过程：除霜条件达到后，如F60Hz则立即停机，如F60Hz，则首先将运行频率降至60Hz，再停压缩机；30秒后室外风机、换向阀失电；15秒压缩机启动，压缩机频率运行至58Hz；30秒后，压缩机频率运行至102Hz（75Hz不需运行2分钟），并保持频率为102Hz，除霜开始75秒内不得解除除霜运行（停机除外）；除霜传感器的温度到达除霜解除温度（8），或除霜时间到达10分后解除

25、除霜运行；解除除霜后，停压缩机，30秒后室外风机运行，换向阀得电；再30秒后，室外机进入正常制热控制。 频率 最大10分秒 102Hz 30秒 30秒 75Hz 45秒 30秒 30秒 58Hz 30Hz 30秒 10Hz 换向阀、风机失电换向阀得电开风机 时间 图3：化霜工作平台曲线表3、 压缩机频率的调节：变频空调器压缩机运行频率的计算是整个控制中的重点，其算法的好坏将直接影响到整个空调器的性能，经过多次的实验和验证，用快速逼近目标点再细调整的方法将非常有效：1)、T4，F=Fmax；2)、1T 4： T 0时，F快速上升；T =1时，F不变；T1时，F快速下降；3)、2T 1：a:T=2

26、时，F慢速下降，直至最小；b:T=1时：T1时，F不变；T1时，F慢速下降；c:T=0、T=1时: T1时，F慢速上升；0T1时，F不变；T0时，F慢速下降；4)、T3时，且在30Hz上至少运行2分钟，停机。注：说明两个概念：T说明： 制冷：T= T环T设 、制热：T=T设T环T说明：T=T前次T4、 室外控制器软件说明：室外控制器功能主要是：与室内主控制器通讯并接收室内指令，采样室外环温、管温、系统压力、压缩机电流、判断机组的运行状态及方式，控制压缩机、室外风机、换相阀负载，用LED显示运行状态，判断故障并通知室内主控制器。1）主控软件说明（见图4） 室外机上电后进行系统初始化，然后控制器与

27、室内机进行通讯握手，确保通讯的可靠、有效。控制器接收室内机指令，结合其本身采样的各种参数及现行运行状态，根据合理制定的模糊逻辑规则（多路输入、多路输出）来确定室外机的工作状态，如是否有保护（关闭输出）、开制热（开压缩机、换向阀、室外风机）、开制冷（开压缩机、室外风机）等，并结合其运行的工作状态形成通讯码传到室内机。2）室外定时中断软件说明TACH1：它设置为输出比较方式。它完成换相输出、多路开关控制、预置下次TACH1中断时间（TACH19/8T2PF1t）、延迟Toff（1/2T2PF1t）允许TACH0输出比较中断,禁止TACH2输入捕捉中断,在上次没检测到反向电动势过零点时还将置上次反向

28、电动势过零点时刻(=TACH1-1/8T2PF1t)。最后清0反向电动势过零检测成功标志，加1出错计数。TACH0：它也设置为输出比较方式。由TACH1换相中断所启动。它执行换相预处理（包括计算PWM周期、脉宽，置PWM周期、脉宽、PWM导通控制等）。在启动加速阶段，它逐项取出启动换相时间和启动脉宽，写入换相时间（T2PF1t）和脉宽控制单元（PWMV），并计算下次的PWM周期、脉宽。在启动锁相和运行阶段，它先判断是否已发生了正确的反向电动势过零跳变，是：则按此进行计算；否：则允许TACH2输入捕捉中断，以检测反向电动势过零点。TACH2：它设置为输入捕捉方式，按需要设置为上跳或下跳。在发生捕

29、捉时，先判断其正确性，然后按两次过零点时间差计算周期（加入数字滤波），并计算下次的PWM周期、脉宽，重新设置下次换相时刻（过零时刻1/8 T2PF1t），置过零点捕捉成功标志，清零出错计数。在下次换相时刻早于当前时刻时，不使用输出比较中断，直接执行换相。TACH3：它设置为输出比较方式，用于系统的各种定时操作，如通讯、系统需要的各种时间计时等。开始 系统初始化不正常和室内机通讯握手正常关室外所有负载 通讯入/通讯出 否通讯正常 是依据室内指令置控制代码 参数采样 依据控制代码及采样参数形成控制指令有保护有无保护 依据控制指令控制PWM输出，风机、换向阀等负载输出。关室外所有负载 无保护 依据室

30、外状态形成通讯出代码 压缩机转速、电流、各种温度显示输出 图4：室外主控软件流程图应用前景：空调器从80年代至今经历了几次大的变革，空调器的三大核心技术（制冷技术、风道技术、控制技术）也经历了几次大的变革。制冷技术的核心部件压缩机从定速压缩机发展到交流变频、直流变频；控制技术从机械控制、电子数字化控制发展到以微处理器为核心的控制方式，并且以微处理器为核心的控制方式为变频控制提供了可能。国内著名的空调器制造商均推出了各自的直流变频空调器系列，直流变频空调器因其具有优良的特性，将逐步得到市场的认同。设计此项目时我们充分考虑到国内各控制器厂家的技术水准，争取做到步步领先，设计中充分考虑到国内主要空调器制造商对BLDC空调控制器的要求，目标是进入国内主要空调器生产基地，争取使该项目投入市场后能够保持每年10万套的目标。第 13 页 共 13 页