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技术研制报告资料

技术研制报告

某某电子科技有限公司

二0一三年六月

180度矢量变频空调控制器工艺技术研究

矢量变频空调控制器作为一种专用控制系统，有着稳定、环保、低功耗、响应迅速、可在恶劣环境下正常工作等诸多优点，被广泛应用于家电制造等电子电器领域。

180度矢量变频空调控制器研发是公司为响应国家节能减排政策，充分利用公司现有的基础研究平台，重点推进的关键项目。

采用DSP实时算法，实现空调压缩机无位置传感器180度矢量驱动；采用高端MCU，实现变频空调系统控制及PID恒温控制算法。

1、180度矢量变频技术研究进展

空调器的技术发展经历了从定频―交流变频―120度直流变频―150度直流变频―180度矢量变频的演变。

目前180度矢量变频是最为前沿的技术。

一般空调机采用固定的50Hz电源频率，其压缩机的转速是固定的，也就是被称为“空调机血液”的冷媒（氟利昂）的循环是恒量的，在一定时间内冷媒的循环量越大，空调机的输出功率就越高。

也就是说，压缩机的转速决定了空调机的输出功率。

其开启后的制冷/制热量不能改变，必须依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一关之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。

而变频空调是一种使用变频压缩机和模糊控制技术的空调器，能根据室内气温的变化，调节制冷速度。

具有低噪音、耗能低等特点。

一个15平方米的房间，变频空调比定频式调温速度快6－10分钟。

达到设定温度后，变频空调又能以仅为定频空调10％的功率低速运转，以调节温度细微损耗，维持恒温状态。

试验显示，较之定频空调，变频空调噪音低5－6分贝，寿命长5－8年，是空调市场未来的发展方向。

2009年《房间空调器能源效率限定值及能效等级》国家标准正式实施，对空调能效限定值进一步提升，有力的促进了变频空调在国内的推广。

国外变频空调控制技术起源于日本，目前已形成了较为完备的开发体系，具有较高技术含量；国内的研发起步教晚，近十年才得到较快发展，目前以格力为代表的国内厂家，采用AC、DC变频驱动技术生产的变频空调产品已实现大量出口。

空调器的技术发展经历了：

定频――交流变频――120度直流变频――180度矢量变频的演变。

目前180度矢量变频是最前沿的技术。

各变频驱动技术方案的状况如下：

1、交流变频驱动：

是变频空调早期产品，国内一些厂家已拥有成熟的技术，目前，因技术升级换代，交流变频空调的市场在减小。

2、120度直流变频驱动：

该方案技术相对成熟，已有部分国内厂家掌握。

市场上已有大批量成熟产品。

3、150度广角波变频驱动：

作为120度直流变频驱动的改进方案，推广该方案的企业主要以日系企业为主，因即将被180度矢量变频驱动方案取代，目前国内研究的企业较少。

4、180度矢量变频驱动：

该技术初期在日本较为成熟，进入国内较晚，初期主要是日系企业在推广，目前国内两大空调厂商：

格力、美的均在全力推广。

与交流变频、120度直流变频、150度直流变频驱动等方案相比，具有噪音低，振动小，寿命长，压缩机体积小，节能等特点，符合压缩机及空调系统高效能化的发展要求，代表了变频空调技术的发展方向。

我国家电行业发展迅猛，具备了一定的基础，但是与国际上相比，我国的家电产业还相对集中于技术含量较低的产业链低端，缺乏核心技术的支持，与美日等先进国家的差距在3～5年之间，在产业化方面的差距更大些。

高端市场仍被国外产品占据，国内产品以中低档为主，且规模偏小，仍不容乐观。

因此立足自主知识产权，开发装置通用化，产品系列化，生产过程环保，质量与国际接轨的高性能矢量变频空调控制器产品是必然趋势。

公司在国内家电控制器行业里具备较明显的技术和市场优势，先后申报了4项专利，授权1项发明专利，技术水平国内领先；与松下、美的、格力、TCL、奥克斯等多家知名企业建立了良好的供销关系，已初步形成产业规模，在省内同行业处于领先地位。

公司通过180度矢量变频空调控制器的研发，整合现有资源，突显变频控制器的节能优势，顺应当前低碳节能的趋势，在未来的3～5年内，大规模推广高端矢量变频空调控制器产品，不仅有利于加快推动中国家电行业技术进步，促进行业结构升级优化，而且也将为实现"十二五"节能减排目标、应对全球气候变化做出积极贡献。

二、研究内容

1、基于DSP算法的主动式功率因素调整（APFC）。

2、基于DSP的无位置传感器180度矢量压缩机驱动技术。

3、180度矢量变频空调系统保护逻辑及系统匹配。

4、180度矢量变频空调系统PID恒温控制算法。

三、工艺路线：

1、压缩机驱动采用DSP芯片进行控制，电路主要包括PFC控制、电流检测与控制、过流保护、位置估算、速度控制、SVPWM等部分。

其采用的技术方案如下：

PFC控制部分：

通过检测输入电压、输出直流电压和输入电流，通过对PFC开关的控制来使输入电流相位跟踪输入电压相位。

并使输出直流电压维持在要求范围内。

电流检测与控制：

电流检测在逆变桥的3个下桥臂与直流母线的负极之间串接电流取样电阻，将电流信号转变为电压信号，经运算放大器滤波放大后进入DSP进行AD转换，得到的三相电流经做标变换后进行位置估算和电流闭环控制。

并通过PI调节器完成d轴和q轴电流的闭环控制，输出d轴和q轴的给定电压。

过流保护：

压缩机相电流经取样电阻转变成电压信号，并送入比较器进行比较，一旦电流超过设定值，比较器输出信号给IPM模块，将IGBT输出封闭，并向DSP给出故障信号。

位置估算：

位置估算是180度矢量驱动的核心，只有得到正确的位置信息，直流压缩机才能得到良好的控制。

位置估算单元利用电流检测单元检测的电流和输出的电压，按照电机Z轴下的假定坐标系统模型，构造一个模型电机，通过闭环控制，将模型电机的运行状态与实际电机运行状态相一致，此时模型电机的位置就是对实际压缩机电机转子位置的估算位置。

可以采用模型参考自适应位置估算法、Kalman滤波法、滑模观测器法及状态反馈法等进行。

转速控制：

转速给定信号与转速观测器估算的转速进行比较，进入速度PI调节器，得到转矩电流Iq给定信号，转矩电流经PI调节器后的到转矩电压。

SVPWM：

按照电流控制输出的qd轴给定电压，经过坐标转换后，形成αβ的电压给定，然后采用SVPWM输出6路PWM脉冲驱动信号到IPM中，对压缩机线圈绕组进行驱动。

2、系统控制部分采用MCU，通过采集空调系统各点温度，确定压缩机运行频率，并根据系统工况决定压缩机的升降频，采用PID算法通过调节压缩机运行频率，在系统平衡状态下将室内温度控制在±0.1℃，实现恒温控制。

3、

生产工艺流程

4、组织架构

驱动开发系统方案介绍

参数计算软件

输入电机参数

输入设定参数

计算控制参数

输出控制参数表

输入控制参数表

显示控制参数表内容

控制参数表

控制参数表名称

配套压缩机

配套驱动控制程序版本

参数表版本

生成年月日时分

相关控制参数

驱动程序代码

驱动程序名称

配套驱动控制程序版本

程序版本

生成年月日时分

可靠实验软件

CAN-USB通讯

参数下载

可靠实验项目控制

实验数据曲先生成

驱动控制软件

控制驱动起停

设定运转频率

显示设定信息

显示相关信息曲线

设定信息显示格式

记录相关信息

显示故障信息

显示运行信息

显示参数表名称、版本

显示程序名称、版本

调入参数表、程序代码

下载参数表、程序代码

驱动监控软件

控制驱动起停

设定运转频率

显示设定信息

显示相关信息曲线

设定信息显示格式

记录相关信息

显示故障信息

显示运行信息

显示参数表名称、版本

调入参数表

下载参数表

控制参数表切换

CAN-USB

通讯单元

CAN-USB信号转换

通讯信号隔离

DC-DC电源

SPI-COM

操作单元

SPI-232信号转换

设定运行频率

显示运行设定信息

缓存记录故障前后信息

显示记录故障信息

显示记录运行信息

显示参数表格名称、版本

存储参数表、程序代码

参数表、程序代码写入

DC-DC电源

考虑上位机CAN通讯

驱动控制单元

2406ST

直流驱动控制

PFC控制

CAN-USB信号转换

通讯信号隔离

DC-DC电源

转变压器信号输入

驱动AD信号输入

输出固定信息

输出设定信息

参数表写入

驱动程序代码写入

下载参数表

控制参数表切换

CAN接口

SPI接口

LED指示

功率输出单元

功率输出

控制信号隔离

压缩机

转子位置传感器

变频空调控制系统技术核心示意图

变频空调器控制技术

变频驱动技术

变频空调控制技术

风向控制技术

电控设计和生产技术

除霜技术

变频空调温度控制技术

防冷风技术

电子膨胀阀控制技术

变频空调防护控制技术

压缩机频率调节技术

交流电机驱动技术

PFC技术

电机驱动技术研究

直流120度驱动技术

恒压型PFC

直流180度驱动技术

智能稳压PFC

电压跟随型PFC

无源PFC

电气可靠性

电气安全

EMC

技术发展路线规划

变频空调控制器1

变频空调监控工装

变频空调监控软件

180度驱动监控软件

180度驱动监控工装

变频空调通信软件

变频空调通信工装

变频空调综检软件

变频空调综检工装

变频空调控制器2

变频空调控制器生产测试工装

变频空调控制器3

变频空调控制器软件开发平台

180度驱动技术开发平台

180度驱动DSP产品板

180度驱动生产测试工装

PFC驱动模块

180度驱动生产测试软件

压缩机配置设备

180度驱动模块

180度驱动ST产品板

180度驱动标定软件

180度驱动程序写入工装

180度驱动程序写入软件

180度驱动模拟电机负载

180度驱动实验压缩机

180度驱动测试仪

PFC驱动IC

四、性能指标

1、采用单DSP芯片同时实现APFC和180度矢量驱动，即单芯片单板实现APFC和压缩机驱动。

2、实现宽频驱动，驱动频率范围15Hz～130Hz，频率调整步距为1Hz。

可以进行精细的系统平衡调整。

3、匹配驱动国内主流压缩机三洋和上海日立各一款，并实现外置参数式压机匹配方案，即通过改变EEPROM中的预置驱动参数即可实现匹配驱动不同型号规格的压缩机。

4、实现可将室内温度控制在±0.1℃范围的PID恒温控制算法。

五、结论

根据对项目实施情况的分析，得出以下几点结论：

（1）项目符合国家和当地政府鼓励发展的产业政策，以及2011年黄山市重点科技计划项目申报要求；

（2）设计中所采用的工艺成熟、设备先进、布局合理，能满足技术和生产的要求；

（3）建设项目中产品附加值高，技术先进、质量好、适销对路，有利于提升信息产业，有利于增强国际竞争力；

（4）项目建成投产后，符合国家节能减排要求，不会对周边环境造成不良影响；

（5）项目的建成，将促进当地相关行业的发展，提升产业层次，延伸产业链，促进产业集群区的形成，并且可大量安置劳动就业。

该项目不仅具有显著的经济效益和社会效益，同时对促进行业的技术进步具有积极意义。