基于單片機(jī)電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)控制器低功耗節(jié)能設(shè)計(jì)

胡 超

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東 佛山528311）

0 前言

空調(diào)系統(tǒng)的能耗在現(xiàn)實(shí)生活中是一個(gè)不可忽視的問題。 因此，研究設(shè)計(jì)低能耗空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于節(jié)能來說非常重要。空調(diào)壓縮機(jī)控制器是空調(diào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。采用基于單片機(jī)控制的電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)控制器是一種有效的低功耗節(jié)能手段。 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)是由電機(jī)、電子控制單元和壓縮機(jī)等組成,壓縮機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng),電子控制單元控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。永磁無刷直流電機(jī)因?yàn)樾阅軆?yōu)良等特點(diǎn)在諸多行業(yè)備受重視,尤其在節(jié)能方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。 無刷直流電機(jī)在空調(diào)壓縮機(jī)中采用變頻等技術(shù)，很大程度上降低了噪音和損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 采用基于單片機(jī)控制的控制器節(jié)能效果明顯，具有廣泛發(fā)展前景。

1 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)工作過程

壓縮機(jī)是電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部件，它為空調(diào)系統(tǒng)的正常工作提供了保障。空調(diào)壓縮機(jī)在空調(diào)系統(tǒng)中主要用來壓縮驅(qū)動(dòng)制冷劑。 空調(diào)壓縮機(jī)的工作過程有蒸發(fā)和冷凝過程，壓縮機(jī)把制冷劑壓縮后進(jìn)行冷卻，同時(shí)通過散熱片向空氣中散熱，制冷劑也發(fā)生形態(tài)變化，壓力也同時(shí)升高。 制冷劑隨后被送到到蒸發(fā)器中，壓力下降。 此時(shí)散熱片吸收空氣中大量的熱量。 經(jīng)過這樣一個(gè)循環(huán)過程，空調(diào)壓縮機(jī)不斷工作，就不斷把熱量散發(fā)到空氣中，從而進(jìn)行調(diào)節(jié)氣溫的工作。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)一般都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且現(xiàn)在空調(diào)壓縮機(jī)的電機(jī)多采用無刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 無刷直流電動(dòng)機(jī)，是一種用電子換向的小功率直流電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，工作效率高。 無刷直流電動(dòng)機(jī)中采用的是自控式逆變器，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受安裝在同步電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器控制。 這也是電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的具體工作方式。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)主要通過單片機(jī)控制器進(jìn)行相關(guān)的控制和調(diào)節(jié)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的一些設(shè)定參數(shù)進(jìn)行控制，并進(jìn)一步控制電動(dòng)空調(diào)的低功耗和節(jié)能效果。

2 控制器低功耗節(jié)能設(shè)計(jì)途徑

控制器是控制電動(dòng)空調(diào)的的主要部件。要想使空調(diào)的功耗低從而達(dá)到節(jié)能的目的，必須對(duì)控制器進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)，主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。硬件和軟件的雙重設(shè)計(jì)和結(jié)合使低功耗成為常態(tài)，并為節(jié)能提供了保障。

2.1 單片機(jī)的合理選擇

單片機(jī)在現(xiàn)代生活和工業(yè)中的電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。 單片機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種微控制器， 它主要功能是將多種處理器以及接口等通過相應(yīng)的芯片集成而成。 與其它普通的微處理器相比較的話，單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)就是不用外接其它的硬件，從而節(jié)約了制造成本。 單片機(jī)有很多顯著的特點(diǎn)，比如單片機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡易、方便用戶使用，可通過模塊化進(jìn)行編程；單片機(jī)可靠性很強(qiáng)，可以連續(xù)進(jìn)行長時(shí)間的工作。 此外，單片機(jī)本身需要的電壓較低，因而能耗也比較低。 單片機(jī)本身可以做成小規(guī)模產(chǎn)品，便于使用者攜帶。 可以說單片機(jī)的功能是十分強(qiáng)大的，能夠滿足現(xiàn)實(shí)中很多實(shí)際需求。 單片機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)空調(diào)的壓縮機(jī)控制時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的匹配和合理選擇。 只有這樣才能充分發(fā)揮單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。 整個(gè)空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制器要采用合適的單片機(jī)，以期滿足需要的供電電壓等相關(guān)要求。 單片機(jī)具體在空調(diào)待機(jī)不需要正常工作時(shí)進(jìn)行控制，降低空調(diào)能耗，從而節(jié)約電能。 在空調(diào)其它工作狀態(tài)下時(shí)單片機(jī)再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制。 單片機(jī)作為一個(gè)核心部件，它性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到空調(diào)的工作效率以及低功耗的實(shí)現(xiàn)甚至減小能源消耗等，所以在進(jìn)行單片機(jī)的選擇時(shí)要合理、規(guī)范而有效。

2.2 電路的全面統(tǒng)籌

空調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)的整體，缺少不了電路的設(shè)計(jì)。 而空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜，電路的設(shè)計(jì)包括主控電源電路設(shè)計(jì)、低功耗電源電路設(shè)計(jì)以及模式切換電路設(shè)計(jì)等相關(guān)設(shè)計(jì)，必須全面統(tǒng)籌進(jìn)行合理有效的設(shè)計(jì)。 在主控電源電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，多采用雙路供電工作方式，并采取電子開關(guān)轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工作模式的切換。主控電源根據(jù)電機(jī)工作模式的需要，進(jìn)行相應(yīng)電壓的供應(yīng)，以提高電源轉(zhuǎn)換效率。 在低功耗電源電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，電源可采用低功耗直流電-直流電，從而滿足相應(yīng)的電壓和電流的要求。兩路電源都可以產(chǎn)生相應(yīng)的電壓給單片機(jī)供電，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行工作模式的轉(zhuǎn)換時(shí)，電子開關(guān)能夠切換到要使用的電源。 在設(shè)計(jì)電子開關(guān)時(shí)，依據(jù)控制器的輸入電流和輸入電壓來進(jìn)行選擇，同時(shí)考慮到散熱體積、散熱效果和成本，選擇合適的晶體管來作為電子開關(guān)的材料?？照{(diào)系統(tǒng)的工作模式其實(shí)可以分為兩大類，就是低功耗模式以及其它功耗工作模式，根據(jù)實(shí)際需求，單片機(jī)需要在這兩大類工作模式之間進(jìn)行相應(yīng)的切換，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的模式切換電路。其中喚醒電路是模式切換電路的一種有效方式。 使用者可以通過調(diào)節(jié)外部信號(hào)來控制控制器中的相應(yīng)程序?？刂破魍ㄟ^外部速度信號(hào)以及不同占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并同時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的電壓和電流在一定范圍內(nèi)變化。 總而言之，電路的設(shè)計(jì)在空調(diào)系統(tǒng)中是一個(gè)十分重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)目標(biāo)做好各電路的設(shè)計(jì)以及各電路之間的全面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，從而提高工作效率，達(dá)到低功耗和節(jié)能的效果。

2.3 控制軟件的編程

任何一個(gè)電子產(chǎn)品的成功運(yùn)行，除了在硬件上進(jìn)行相應(yīng)的保證和升級(jí)，軟件的設(shè)計(jì)和編程也非常重要。 必須對(duì)硬件進(jìn)行相應(yīng)的軟件控制才能使硬件正常甚至高效工作?？刂栖浖诰幊痰臅r(shí)候可以采用模塊化的編程方式，從而控制電機(jī)的待機(jī)、起動(dòng)、停止、低功耗等工作模式。 控制軟件除了使空調(diào)進(jìn)行相應(yīng)模式的工作之外，使空調(diào)進(jìn)行安全的正常工作也十分重要。 因此在控制軟件的編程環(huán)節(jié)，也需要針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中常見的安全問題進(jìn)行合理有效編程。比如要避免在空調(diào)剛通電時(shí)出現(xiàn)過壓、過載、過流、過溫等情況，從而保證空調(diào)系統(tǒng)起動(dòng)正常。因此在軟件編程的時(shí)候要考慮到各種保護(hù)機(jī)制，防止在系統(tǒng)工作的時(shí)候產(chǎn)生故障影響安全。 控制軟件的編程也可以降低空調(diào)系統(tǒng)的功耗。其中在編程的時(shí)候采取限流降速的方法來降低功耗。也就是控制軟件根據(jù)使用者的具體需要，限制壓縮機(jī)的工作電流，并且可以調(diào)整相應(yīng)的限流值。 如果壓縮機(jī)的電流超過了限制的電流，控制器會(huì)則根據(jù)之前設(shè)定好的程序來降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少能耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。通過軟件的編程，可以根據(jù)實(shí)際情況，使控制器執(zhí)行相應(yīng)的程序，從而控制電機(jī)的運(yùn)行，使空調(diào)系統(tǒng)在待機(jī)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)低功耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

采用單片機(jī)來進(jìn)行電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的控制是一種有效的低功耗節(jié)能方式。本研究在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的必要性以及壓縮機(jī)工作過程的背景下，具體提出了三種控制器低功耗節(jié)能設(shè)計(jì)措施。 要合理選擇單片機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)工作模式的控制和切換。要全面統(tǒng)籌電路，在主控電源電路設(shè)計(jì)、低功耗電源電路設(shè)計(jì)以及模式切換電路做好設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)。 軟件在控制時(shí)編程環(huán)節(jié)要考慮實(shí)際情況， 并要保障空調(diào)系統(tǒng)的安全問題。 這些措施的實(shí)施都為空調(diào)系統(tǒng)的低功耗和節(jié)能提供了有效思路和合理建議。

［1］朱勇.基于DSP 的集成式無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2014.

［2］孫民,李聲晉.一種基于dsPIc3F040ll 的空調(diào)壓縮機(jī)用無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2008.