隨著地源熱泵空調的普及，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能方面的要求越來越重要，進一步優(yōu)化地源熱泵中央空調控制器的電路設計的可靠性和節(jié)能效果成為人們研究的新方向。目前，大多數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)能效果不理想。本文控制系統(tǒng)的開發(fā)是通過優(yōu)化算法實現(xiàn)控制量實時計算、微調功能，對提高地源熱泵空調系統(tǒng)的節(jié)能效果、空調控制電路設計的穩(wěn)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(jié)KP、KI、KD參數(shù)，可以有效地改進單純PID算法無法精確控制傳遞函數(shù)、控制不精確以及有干擾的控制系統(tǒng)；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(chǎn)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(shù)據(jù)通過RS485總線送到后臺控制中心，后臺控制中心可以根據(jù)需求控制和改變機組的運行頻率、供回水溫度等參數(shù)[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(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件設計與實現(xiàn)
    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(fā)成本、提高穩(wěn)定性及便于硬件升級，地源熱泵空調控制器采用自行研發(fā)設計的微型系統(tǒng)。為滿足系統(tǒng)的處理速度、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)及控制接口數(shù)量等方面的需求，本系統(tǒng)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(shù)據(jù)線可以外部擴展Flash，方便程序在線調試及必要數(shù)據(jù)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(xiàn)220 V轉7.5 V交流，進而采用78L05模塊實現(xiàn)7.5 V轉5 V、采用SPX1585AT模塊實現(xiàn)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(jié)RC參數(shù)，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(lián)10 ?贅電阻來消除MOS管柵極端易產(chǎn)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(wěn)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(jiān)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(tài)[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(chǎn)的DS18B20數(shù)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(jīng)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(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控芯片的SCI接口；上報空調系統(tǒng)的運行實況、各參數(shù)發(fā)出到后臺控制中心等功能。
    本系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)送控制命令和文本，SC16C554B將接收到的文本合并再分組發(fā)送到各個UART接口，輸出的信號經(jīng)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(tǒng)的應用軟件程序容量大、實時性強，因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設計方法，使整個系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護性。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)初始化、導入實時溫度、機組實時狀態(tài)監(jiān)測、實時控制量輸出及將實時參數(shù)傳輸?shù)斤@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(jiān)測的各數(shù)據(jù)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(shù)字量主要涉及到單總線數(shù)據(jù)讀取，因此該模塊包括溫度數(shù)據(jù)輸入模塊和數(shù)字量輸入模塊。
    模擬量實現(xiàn)途徑為：由熱敏電阻輸出的電信號經(jīng)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(jīng)A/D轉換器轉換成10 bit十六進制數(shù)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(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實時性要求確定采樣周期T為0.5 s。同時由于受外界環(huán)境干擾較大，為了減少對采樣值的干擾，在進行數(shù)據(jù)處理之前先對采樣值進行數(shù)字濾波處理，在本系統(tǒng)中采用了去極值平均濾波法。數(shù)字量實現(xiàn)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(shù)字溫度傳感器DS18B20內的數(shù)字溫度量。
4 系統(tǒng)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(shù)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(wěn)定，有效地滿足了系統(tǒng)對于輸出頻率的實時性和穩(wěn)定性的要求。算法仿真結果如圖8所示。

    本系統(tǒng)聯(lián)調后運行可靠、控制頻率可實時調節(jié)。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(tǒng)的實時變頻性能，變頻策略合理、機組運行穩(wěn)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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