SIMULINK与STM32从工程研究入手方面开发一个系统

1万 · 2019-10-28 15:56

利用Simulink对
热泵中的核心部件一直流变频压缩机及其驱动系统进行建模仿真;设计了以
STM32单片机为核心的变频驱动器和热泵主控制器，对电控系统中的电源输入
EMI及保护、电源选型进行了设计和说明，对变频压缩机驱动器中的辅助电源、
三相IGBT模块逆变电路及其驱动电路、电压和电流采集电路进行了设计和分
析，对主控制器中的温度和压力数据采集电路、电子膨胀阀和继电器驱动电路、
PWM输出和开关量输入输出接口、通信接口电路进行了设计和分析。在软件设
计上，用C语言编写了各种底层驱动、控制算法及控制逻辑部分的代码。

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co:热泵相比与普通热泵工作时承受压力和温度更高，组成系统的部件较多，
变量祸合更复杂，热泵系统的正常工作需要可靠稳定的电控系统，电控系统的组
成较为复杂，主要包括硬件部分和软件部分，硬件上分为多个模块，甚至两个控
制系统共同完成，如实现系统整体控制逻辑的主控制器和控制压缩机的变频驱
动器;软件部分需要完成对实时性要求不同控制算法和控制逻辑。

1万 · 2019-10-28 16:04

传统的制热方式如燃煤、燃气、燃油或直接电加热造成了巨大能源浪费和严
重的环境污染，尤其在我国北方，冬季烧煤供暖是造成雾霆天气的主要原因。目
前，“煤改电”是公认的北方及长江流域冬季最佳采暖方式，空气能热泵具有节
能和环保的优点，所以成为了“煤改电”工程和新一代住房配套设施的首选[[2][3]0
在众多的热泵产品中，CO:热泵因为具有高的性能系数和以CO:作为冷媒质，具
有高效节能和环境友好的优势，有助于治理雾霆和减少对臭氧层的破坏，利用热
泵技术采暖和供应热水可以有效改善人们的生活条件和减少环境污染。热泵具
有高效节能的优点和良好的变工况性能。

1万 · 2019-10-28 16:05

鉴于设计的灵活性，采用单片机为核心的主控制器越来越多的应用到了热
泵控制系统中，本设计以STM32处理器为核心，可以根据需求灵活设计外围电
路，也实现了控制系统的较快响应。当前，热泵控制系统中面临的问题如下:
(1)热泵用电机的驱动控制:定频压缩机己被变频压缩机取代，但是压缩机
      用直流无刷电机或永磁同步电机需要配备相应的驱动器，变频压缩机的
      无传感器正弦波控制方式正在逐渐取代传统的六步换相方波控制方式。
      现也有将高压或低压无刷直流电机应用在风机盘管中的案例，较传统风
      机采用交流电机在节能、调速方面有很大优势。
(2)控制策略影响整机的运行情况:热泵中需要控制的对象和采集的变量如
      温度、压力等较多，各变量之间又相互祸合，通常需要进行大量实验，
      并不断优化改进控制策略提高热泵的性能。

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图2.4是在图2.3中加入了电控系统部分，主控制器主要完成系统的控制逻
辑，主控制器的外部接口主要有压力变送器和NTC温度传感器接口、PWM信
号输出、开关量信号输入、膨胀阀驱动、485通信接口。主控通过RS485向压缩
机驱动器发指令控制压缩机运转，操作面板通过RS485与主控器通信，主控制
器、压缩机驱动器和操作面板之间均采用Modbus通信协议进行数据交互。

1万 · 2019-10-28 16:16

co:热泵控制系统需要满足的控制要求和详细分析如下:
y>方案设计要求:
电控系统总框图如图2.5所示，系统总功率在总功率在3kW左右，其中C02
压缩机额定功率为2.2kW。变频驱动器输入单相220V交流电，经过Boost电路
实现功率因数矫正和升压，把母线电压提高到400V左右;输出为3相交流，输
出电压在190VAC}240V可调，输出频率OHz}200Hz可调;功率要求满足最大
2.2kW输出，按电机负载功率因数为0.6;保护功能包括:输入欠压保护、输入
过压保护、输出过流保护、输出短路保护、输出缺相保护、模块高温保护。当模
块出现保护后，可查询发生故障时的故障状态;模块启动时，启动延时可调;输
入对散热片、输出对散热片绝缘阻抗大于M，绝缘电压大于AC2500V;变频
驱动器留有RS485接口，使用Modbus通信协议和主控制器通信，即作为Modbus
从机。主控制器通过RS485总线向变频驱动器发送控制指令或获取电机控制系
统的数据。主控制器输入电源电压为12V，需要采集多路温度和压力数据，并且
具有PWM输出和开关量输入接口;具有一个12V供电的四相八拍步进电机接
口，用于驱动电子膨胀阀;具有不同电流大小的继电器用于控制变频驱动器、风
机、水泵和加热带供电电源的通断;具有一路RS485与操作面板通信，此时主
控制器作为Modbus从机，操作面板可以读取(用于显示)或写入(用于操控)数据
到主控制器的Modbus寄存器中;具有数据掉电保存的功能和掉电计时的功能，
利用EEPROM芯片存储数据和带有后备电源的RTC实时时钟;具有一路备用
的RS485接口，用于和其它设备通信，例如数据采集板可以通过此接口读取主
控制器的数据和状态。

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中国每年约有55%的电能消耗在电动机上，而电动机广泛应用于家电领域，
压缩机所消耗的电能占有很大比重。上世纪80年代出现了变频技术，变频技术
是通过交一直一交的电力电子变换方式实现对交流电机的控制，解决了供电电压不
稳定给电机控制带来的困难。空调、冰箱中的压缩机一般都是单相异步电机、三
相异步电机和直流无刷电机(Brushless DC Motor, BLDCM)。传统的感应电动机
存在调速性能差、效率低等缺点，三相永磁同步电机(Permanent Magnet
Synchronous Motor, PMSM), PMSM具有体积小、效率高、功率密度高、噪音
低、动态响应快等优势而广泛用于制热、制冷设备中的压缩机【‘“]。现在的变频式
热泵产品中大都采用BLDCM和PMSM。变频压缩机中的双转子压缩机采用对
称曲轴设计，两个气缸对称排列，吸排气相互平衡，负载转矩变化较小，震动及
噪声较小，不容易引起低频震动，避免了长期运行由于系统共振带来的危害[fl}l0

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