基于DSP的地源热泵中央空调控制器设计与实现*

周圣平，王炼红，曾志强，黄小凤

（1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.长沙三一重工股份有限公司，湖南长沙410100）

随着地源热泵空调的普及，控制系统的稳定性和节能方面的要求越来越重要，进一步优化地源热泵中央空调控制器的电路设计的可靠性和节能效果成为人们研究的新方向。目前，大多数地源热泵空调控制器的主控芯片采用单片机，不但电路设计可靠性差、数据计算能力差，而且输出采用查表结果，使机组只能运行在预订的控制量上，节能效果不理想。本文控制系统的开发是通过优化算法实现控制量实时计算、微调功能，对提高地源热泵空调系统的节能效果、空调控制电路设计的稳定性等具有重要意义和作用[1]。

1 控制器总体设计

基于TMS320LF2407的地源热泵空调控制器的硬件部分主要由主控电路、RS485通信接口电路、RS232接口电路、风机控制接口电路、显示模块、温度采集电路、JATG电路、Flash模块、键盘电路模块以及电源电路模块等组成。软件部分结合模糊PID算法[2]与积分分离算法，引入模糊控制算法实时调节KP、KI、KD参数，可以有效地改进单纯PID算法无法精确控制传递函数、控制不精确以及有干扰的控制系统；引入PD控制分支可以有效地改善模糊PID控制在误差e较大时，由于积分项的作用容易产生过大超调的缺点。

本控制器通过温度采集电路供回水温度、室内实际温度、设定温度等信息，通过组合模糊PID算法计算，输出频率值，并通过RS232通信接口送到各个变频器；同时主控器采集的实时数据通过RS485总线送到后台控制中心，后台控制中心可以根据需求控制和改变机组的运行频率、供回水温度等参数[3]；主控芯片通过显示电路实时显示当前室内温度和设定温度等。系统总体框图如图1所示。

2 硬件设计与实现

硬件部分包括主控电路、电源电路、温度采集电路和通信电路等。

2.1 主控电路

为了降低开发成本、提高稳定性及便于硬件升级，地源热泵空调控制器采用自行研发设计的微型系统。为满足系统的处理速度、指令系统、中断系统及控制接口数量等方面的需求，本系统选用TI公司的TMS320LF2407芯片作为主控芯片。TMS320LF2407芯片提供的两个事件管理器中有12路PWM波形输出管脚，方便地进行PWM控制设计[4]；16 bit地址线和数据线可以外部扩展Flash，方便程序在线调试及必要数据的存储等。

2.2 电源电路

主控制器单板需要5 V和3.3 V供电，因此，单板电源电路采用变压器实现220 V转7.5 V交流，进而采用78L05模块实现7.5 V转5 V、采用SPX1585AT模块实现5 V转3.3 V的电平转换。

由于电磁感应，电路上、下电时存在冲击电流，冲击电流易损坏板上芯片，因此设计时加入了缓启动电路。缓启动电路通过调节RC参数，改变RC充放电时间，控制MOS管栅极电压上下电时间，以抑制冲击电流；MOS管栅极串联10 Ω电阻来消除MOS管栅极端易产生的震荡问题。

为了防止上电先后顺序的差异和供电电压不稳定损坏主控芯片、提高控制电路的可靠性，单板采用电源逻辑芯片ADM1060来控制和监测主控芯片内核电压和外围设备电压的上电时序和工作状态[5]。

电源电路模块中的缓启动模块、上电时序控制模块设计分别如图2、图3所示。

2.3 温度采集电路

鉴于室内与室外温度采集方式的差异性，温度采集电路分为室内部分与室外部分。室内部分主要采用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器组成温度采集电路，单总线结构只需主控芯片的一个I/O口读取温度信号；室外部分采用热电阻Cu50，信号经处理电路送至主控芯片的ADC接口，采集室外部分温度信号。

2.4 通信电路

2.4.1 RS485通信电路

RS485通信电路主要负责与后台控制中心的通信，接收后台控制中心发送的数据，然后将数据发送至主控芯片的SCI接口；上报空调系统的运行实况、各参数发出到后台控制中心等功能。

本系统的接口芯片采用MAXIM公司的MAX3491CSD模块，通过SCI接口(最大速率可达10 Mb/s)与主控制器进行通信，实现数据发送与接收。RS485通信电路采用差分线传输信号，可以有效地抵抗共模干扰，同时为了防止过大的共模干扰，电路设计时采取了必要的上下拉设计。

2.4.2 RS232通信电路

由于TMS320LF2407芯片没有多余的UART接口，所以采用SPI接口转UART接口方案。接口采用Philips公司的SC16C554B芯片，扩展4路UART，连接RS232通信模块，RS232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片。主控制器通过SPI接口向SC16C554B发送控制命令和文本，SC16C554B将接收到的文本合并再分组发送到各个UART接口，输出的信号经MAX232模块转换成RS232电平信号送往变频器。

3 软件结构和功能设计

由于系统的应用软件程序容量大、实时性强，因此系统软件采用模块化的设计方法，使整个系统软件层次分明，逻辑清楚，便于软件的调试和修改，同时提高了系统的可靠性、灵活性和可维护性。系统软件主要包括主程序、组合模糊PID控制程序、RS485通信程序、RS232通信程序、显示程序和键盘程序等。

3.1 主程序

主程序是系统软件的指挥中心，能够将其他模块有机地结合在一起，完成系统初始化、导入实时温度、机组实时状态监测、实时控制量输出及将实时参数传输到显示屏等功能[1，6]。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

3.2 组合模糊PID算法控制程序

组合模糊PID算法融合模糊控制算法与积分分离算法的优点，改进了单一PID算法与模糊PID算法存在的控制不精确、易产生过大超调等问题，使控制量在稳定的范围内快速地收敛，满足了机组实时变频与稳定运行的要求。

算法公式如下：

其中，ε为预定门限值，在设计中取其值为5；Kp、Ki、Kd为初始值与模糊算法输出值ΔKp、ΔKi、ΔKd相加后的实时控制参数；u为输出的实时频率。算法的具体实现过程如图5所示。

图5 运算流程图

3.3 温度采集程序

控制器监测的各数据信号是4路供回水温度信号。模拟量主要涉及到A/D转换，数字量主要涉及到单总线数据读取，因此该模块包括温度数据输入模块和数字量输入模块。

模拟量实现途径为：由热敏电阻输出的电信号经由变送电路转换为模拟信号后，通过放大电路进行放大得到一个0 V～3.3 V的模拟信号，再经A/D转换器转换成10 bit十六进制数字信号输入DSP，其中A/D转换器采用扫描方式进行采样。根据监测系统实时性要求确定采样周期T为0.5 s。同时由于受外界环境干扰较大，为了减少对采样值的干扰，在进行数据处理之前先对采样值进行数字滤波处理，在本系统中采用了去极值平均滤波法。数字量实现途径为：通过编写单总线驱动程序，由主控芯片I/O口读取数字温度传感器DS18B20内的数字温度量。

4 系统测试结果与分析

测试内容主要包括控制器电源电路的信号完整性与软件算法的仿真。

4.1 电源电路信号完整性测试

电源电路信号完整性是控制电路主要性能参数测试的主要部分，需要测试主要芯片供电电压的纹波是否满足要求。图6为TMS320LF2407芯片在3.3 V处20 MHz带宽下的纹波波形，纹波pk-pk值只有15.6 mV，完全满足要求。图7为TMS320LF2407芯片在3.3 V处全带宽下的纹波波形，纹波pk-pk值只有22.6 mV，非常理想。

图6 TMS320LF2407端3.3 V纹波20 MHz带宽测试结果

图7 TMS320LF2407端3.3 V纹波全带宽测试结果

4.2 算法仿真结果分析

算法仿真结果表明，通过组合后的模糊PID算法，控制器反应快速、超调小、输出值稳定，有效地满足了系统对于输出频率的实时性和稳定性的要求。算法仿真结果如图8所示。

本系统联调后运行可靠、控制频率可实时调节。硬件电路信号完整性测试与算法软件仿真结果表明，该控制器可以提高系统的实时变频性能，变频策略合理、机组运行稳定。对地源热泵空调控制器设计具有参考意义和应用价值。

[1]罗坚，王玲.PLC模糊预测在热泵空调变流量系统中的应用[J].电气传动，2010(5)：53-55.

[2]孙卫锋.地温中央空调控制系统研究[D].济南：山东大学控制科学与工程学院，2009.

[3]陈丹丹，晋欣桥.变水量空调系统的优化控制策略及其能耗分析[J].建筑热能通风空调，2009，28(4)：1-5.

[4]张爱凤，赵卫平，刘向华，等.地源热泵技术及其应用[J].合肥工业大学学报，自然科学版，2008，31(12)：2028-2030.

[5]陈伟，洪建勋，龙林.基于Smith预估模糊PID复合控制器的研究[J].世界科技研究与发展，2009(5)：873-876.

[6]山厚升.交流变频调速的节能效果及其估算[J].电气传动，2008，38(12)：8-10.