文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)06-0037-04
隨著地源熱泵空調的普及，控制系統的穩定性和節能方面的要求越來越重要，進一步優化地源熱泵中央空調控制器的電路設計的可靠性和節能效果成為人們研究的新方向。目前，大多數地源熱泵空調控制器的主控芯片采用單片機，不但電路設計可靠性差、數據計算能力差，而且輸出采用查表結果，使機組只能運行在預訂的控制量上，節能效果不理想。本文控制系統的開發是通過優化算法實現控制量實時計算、微調功能，對提高地源熱泵空調系統的節能效果、空調控制電路設計的穩定性等具有重要意義和作用[1]。
1 控制器總體設計
基于TMS320LF2407的地源熱泵空調控制器的硬件部分主要由主控電路、RS485通信接口電路、RS232接口電路、風機控制接口電路、顯示模塊、溫度采集電路、JATG電路、Flash模塊、鍵盤電路模塊以及電源電路模塊等組成。軟件部分結合模糊PID算法[2]與積分分離算法，引入模糊控制算法實時調節KP、KI、KD參數，可以有效地改進單純PID算法無法精確控制傳遞函數、控制不精確以及有干擾的控制系統；引入PD控制分支可以有效地改善模糊PID控制在誤差e較大時，由于積分項的作用容易產生過大超調的缺點。
本控制器通過溫度采集電路供回水溫度、室內實際溫度、設定溫度等信息，通過組合模糊PID算法計算，輸出頻率值，并通過RS232通信接口送到各個變頻器；同時主控器采集的實時數據通過RS485總線送到后臺控制中心，后臺控制中心可以根據需求控制和改變機組的運行頻率、供回水溫度等參數[3]；主控芯片通過顯示電路實時顯示當前室內溫度和設定溫度等。系統總體框圖如圖1所示。
2 硬件設計與實現
硬件部分包括主控電路、電源電路、溫度采集電路和通信電路等。
2.1 主控電路
為了降低開發成本、提高穩定性及便于硬件升級，地源熱泵空調控制器采用自行研發設計的微型系統。為滿足系統的處理速度、指令系統、中斷系統及控制接口數量等方面的需求，本系統選用TI公司的TMS320LF2407芯片作為主控芯片。TMS320LF2407芯片提供的兩個事件管理器中有12路PWM波形輸出管腳，方便地進行PWM控制設計[4]；16 bit地址線和數據線可以外部擴展Flash，方便程序在線調試及必要數據的存儲等。
2.2 電源電路
主控制器單板需要5 V和3.3 V供電，因此，單板電源電路采用變壓器實現220 V轉7.5 V交流，進而采用78L05模塊實現7.5 V轉5 V、采用SPX1585AT模塊實現5 V轉3.3 V的電平轉換。
由于電磁感應，電路上、下電時存在沖擊電流，沖擊電流易損壞板上芯片，因此設計時加入了緩啟動電路。緩啟動電路通過調節RC參數，改變RC充放電時間，控制MOS管柵極電壓上下電時間，以抑制沖擊電流；MOS管柵極串聯10 ?贅電阻來消除MOS管柵極端易產生的震蕩問題。
為了防止上電先后順序的差異和供電電壓不穩定損壞主控芯片、提高控制電路的可靠性，單板采用電源邏輯芯片ADM1060來控制和監測主控芯片內核電壓和外圍設備電壓的上電時序和工作狀態[5]。
電源電路模塊中的緩啟動模塊、上電時序控制模塊設計分別如圖2、圖3所示。
2.3 溫度采集電路
鑒于室內與室外溫度采集方式的差異性，溫度采集電路分為室內部分與室外部分。室內部分主要采用DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度傳感器組成溫度采集電路，單總線結構只需主控芯片的一個I/O口讀取溫度信號；室外部分采用熱電阻Cu50，信號經處理電路送至主控芯片的ADC接口，采集室外部分溫度信號。
2.4 通信電路
2.4.1 RS485通信電路
RS485通信電路主要負責與后臺控制中心的通信，接收后臺控制中心發送的數據，然后將數據發送至主控芯片的SCI接口；上報空調系統的運行實況、各參數發出到后臺控制中心等功能。
本系統的接口芯片采用MAXIM公司的MAX3491CSD模塊，通過SCI接口(最大速率可達10 Mb/s)與主控制器進行通信，實現數據發送與接收。RS485通信電路采用差分線傳輸信號，可以有效地抵抗共模干擾，同時為了防止過大的共模干擾，電路設計時采取了必要的上下拉設計。
2.4.2 RS232通信電路
由于TMS320LF2407芯片沒有多余的UART接口，所以采用SPI接口轉UART接口方案。接口采用Philips公司的SC16C554B芯片，擴展4路UART，連接RS232通信模塊，RS232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片。主控制器通過SPI接口向SC16C554B發送控制命令和文本，SC16C554B將接收到的文本合并再分組發送到各個UART接口，輸出的信號經MAX232模塊轉換成RS232電平信號送往變頻器。
3 軟件結構和功能設計
由于系統的應用軟件程序容量大、實時性強，因此系統軟件采用模塊化的設計方法，使整個系統軟件層次分明，邏輯清楚，便于軟件的調試和修改，同時提高了系統的可靠性、靈活性和可維護性。系統軟件主要包括主程序、組合模糊PID控制程序、RS485通信程序、RS232通信程序、顯示程序和鍵盤程序等。
3.1 主程序
主程序是系統軟件的指揮中心，能夠將其他模塊有機地結合在一起，完成系統初始化、導入實時溫度、機組實時狀態監測、實時控制量輸出及將實時參數傳輸到顯示屏等功能[1，6]。主程序流程圖如圖4所示。
3.3 溫度采集程序
控制器監測的各數據信號是4路供回水溫度信號。模擬量主要涉及到A/D轉換，數字量主要涉及到單總線數據讀取，因此該模塊包括溫度數據輸入模塊和數字量輸入模塊。
模擬量實現途徑為：由熱敏電阻輸出的電信號經由變送電路轉換為模擬信號后，通過放大電路進行放大得到一個0 V～3.3 V的模擬信號，再經A/D轉換器轉換成10 bit十六進制數字信號輸入DSP，其中A/D轉換器采用掃描方式進行采樣。根據監測系統實時性要求確定采樣周期T為0.5 s。同時由于受外界環境干擾較大，為了減少對采樣值的干擾，在進行數據處理之前先對采樣值進行數字濾波處理，在本系統中采用了去極值平均濾波法。數字量實現途徑為：通過編寫單總線驅動程序，由主控芯片I/O口讀取數字溫度傳感器DS18B20內的數字溫度量。
4 系統測試結果與分析
測試內容主要包括控制器電源電路的信號完整性與軟件算法的仿真。
4.1 電源電路信號完整性測試
電源電路信號完整性是控制電路主要性能參數測試的主要部分，需要測試主要芯片供電電壓的紋波是否滿足要求。圖6為TMS320LF2407芯片在3.3 V處20 MHz帶寬下的紋波波形，紋波pk-pk值只有15.6 mV，完全滿足要求。圖7為TMS320LF2407芯片在3.3 V處全帶寬下的紋波波形，紋波pk-pk值只有22.6 mV，非常理想。
4.2 算法仿真結果分析
算法仿真結果表明，通過組合后的模糊PID算法，控制器反應快速、超調小、輸出值穩定，有效地滿足了系統對于輸出頻率的實時性和穩定性的要求。算法仿真結果如圖8所示。
本系統聯調后運行可靠、控制頻率可實時調節。硬件電路信號完整性測試與算法軟件仿真結果表明，該控制器可以提高系統的實時變頻性能，變頻策略合理、機組運行穩定。對地源熱泵空調控制器設計具有參考意義和應用價值。
參考文獻
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[2] 孫衛鋒.地溫中央空調控制系統研究[D].濟南：山東大學控制科學與工程學院，2009.
[3] 陳丹丹，晉欣橋.變水量空調系統的優化控制策略及其能耗分析[J].建筑熱能通風空調，2009，28(4)：1-5.
[4] 張愛鳳，趙衛平，劉向華，等.地源熱泵技術及其應用[J].合肥工業大學學報，自然科學版，2008，31(12)：2028-2030.
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