基于CO2工质热泵热水器热泵电控系统研究

摘要

基于CO<,2>工质的热泵热水器可以为厨房、浴池和地热提供热水。而地热水可循环使用，从而提高了水资源的利用率。通过对CO<,2>流量、水流量、各电磁阀等的控制，使流出的水达到预先设定的温度。 开发适于CO<,2>热泵热水器的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善的控制策略将是以后CO<,2>热泵热水器研究的三大重点。而本文的研究重点是热泵电控系统及控制策略。 本文研究基于CO<,2>工质的热泵热水器热泵电控系统。介绍了研究和应用背景及其与电机相关技术的发展，分析了热泵电控系统的构成与工作原理，其中详细介绍了无刷直流电动机控制系统的构成、原理、数学模型以及运行特性，分析了系统所要实现的功能，阐述了系统的控制策略，通过仿真与试验检验了控制策略的有效性以及电控系统是否达到所要完成的功能。 为实现基于CO<,2>工质的热泵热水器所要求的功能，设计了以美国Microchip公司dsPIC30F6010为核心控制器的硬件电路，不但应用PID和在线自整定模糊PID控制策略编制软件程序并进行调试，而且通过MATLAB软件建立无刷直流电动机模型验证控制策略并进行仿真，以检验控制策略的合理性和有效性；同时为保证以dsPIC30F6010为核心控制器的供电电源的品质和隔离度，采用开关电源技术，研制多路隔离输出DC-DC开关电源；完成控制器硬件电路设计和控制程序设计。构造了一个较完整的电机调速系统，实现了基于CO<,2>工质的热泵热水器所要求的功能。

目录

文摘

英文文摘

西北工业大学学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2应用背景

1.3选题意义

1.4电机相关技术的发展

1.5本论文的研究内容

1.6本论文解决的主要问题

1.7本章小结

第2章CO2热泵热水器热泵电控系统总体方案

2.1热泵电控系统构成

2.2热泵系统工作原理

2.3热泵运行方式

2.3.1 制热运行

2.3.2 除霜运行

2.4电源

2.4.1 交流输入电源

2.4.2 开关电源

2.5控制器

2.5.1 开关主电路

2.5.2 驱动电路

2.5.3 控制电路

2.6稀土永磁无刷直流电动机

2.6.1 工作原理

2.6.2 数学模型和基本公式

2.6.3 稀土永磁无刷直流电动机的运行特性

2.7步进电动机结构及工作原理

2.7.1 步进电机及控制技术的发展

2.7.2 步进电机工作原理

2.8控制阀、传感器以及检测

2.8.1 控制阀

2.8.2 传感器

2.8.3 压缩机保护

2.9热泵与水箱、PC机通信

2.10 本章小结

第3章热泵电控系统硬件设计

3.1 DSP系统硬件总体设计

3.2 DSP简介

3.2.1 dsPIC30F系列数字控制器简介

3.2.2 主控制芯片及特点

3.2.3 复位电路

3.2.4 电机控制PWM(MCPWM)

3.2.5 正交编码器接口电路(QEI)

3.2.6 器件配置

3.3控制器

3.3.1 IPM逆变器电路部分设计

3.3.2 压缩机电机控制与驱动电路

3.3.3 风扇电机控制与驱动电路

3.3.4 电磁膨胀阀驱动电机控制与驱动电路

3.4传感器接口电路

3.4.1 温度信号采集

3.4.2 压缩机保护电路

3.5通信电路

3.5.1 热泵与水箱之间的通信电路

3.5.2 热泵电控系统与上位机的通信电路

3.6电源系统

3.6.1 交流电源

3.6.2 交流电源电流检测

3.6.3 直流母线电压检测

3.6.4 开关电源设计

3.7控制器印制电路板的设计

3.8本章小结

第4章电机调速方法及控制策略

4.1电机控制系统的框图

4.2无位置传感器BLDCM的变频启动

4.3无刷状态下PWM波的输出

4.4电机调速原理

4.4.1 单极性PWM

4.4.2 双极性PWM

4.4.3 两者的优缺点

4.4.4 电机转速与电流

4.5 PID调速控制

4.5.1 常规PID控制器的优缺点

4.5.2 PID参数计算

4.5.3 速度反馈的计算

4.5.4 电机传递函数

4.5.5 PID控制器的局限性及其发展方向

4.6无刷直流电机在线自整定模糊PID控制器的设计

4.6.1 在线自整定模糊PID控制器原理

4.6.2 模糊化

4.6.3 模糊推理和模糊规则

4.6.4 解模糊

4.7本章小结

第5章热泵电控系统软件设计

5.1 DSP系统软件总体设计

5.2 DSP开发环境简介

5.2.1 dsPIC C30与ANSIC的区别

5.2.2 C30支持的处理器

5.2.3 C的中断处理

5.3软件程序设计

5.3.1 主程序模块设计

5.3.2 功能模块初始化

5.3.3 压缩机主程序流程图

5.3.4 电机模块控制程序设计

5.3.5 故障处理

5.4本章小结

第6章电机控制系统仿真和实验结果及分析

6.1电机控制系统仿真

6.1.1 电流调节环仿真

6.1.2 转速调节环仿真

6.1.3 固定占空比PWM脉宽情况下加换相转矩补偿电流的仿真

6.2电机驱动逻辑

6.3单极性与双极性控制

6.4 IPM驱动信号波形与相绕组电流波形

6.5本章小结

第7章总结与展望

7.1本论文的总结

7.2存在的问题及展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

致谢