采用新型電子恒溫器的高能效冰箱控制解決方案

　　摘要

　　提高能效標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施更嚴(yán)格的環(huán)保政策的要求是推動(dòng)家電行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的兩大動(dòng)因，尤其是冰箱，冰柜等制冷系統(tǒng)。家電廠商采用多種不同的技術(shù)提高冰箱的能效。

　　本文提出一個(gè)能夠節(jié)能20%的電子解決方案：利用電子恒溫器對(duì)冰箱進(jìn)行數(shù)字溫度控制。本文還介紹了意法半導(dǎo)體最新推出的評(píng)估板（STEVAL-IHT001V2）以及配套的PC軟件工具。

　　前言

　　提高能效標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施更嚴(yán)格的環(huán)保政策的要求是家電行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的兩大動(dòng)因。

　　在全世界范圍內(nèi)，這個(gè)要求特別適用于冰箱行業(yè)，因?yàn)楣ぷ髫?fù)荷大，冰箱是用電量最大的家用電器。如圖10所示，在過(guò)去的10年來(lái)，歐洲制冷市場(chǎng)轉(zhuǎn)向高能效產(chǎn)品（參考 ［1］和 ［2］）。

　　圖 1 - EU-25 制冷市場(chǎng)份額

　　家電廠商采用多種不同的技術(shù)提高冰箱、冰柜等制冷設(shè)備的能效；某些方法是提高箱室的保溫能力（即提高保溫層的厚度或采用新型材料），其它方法是設(shè)法提高壓縮機(jī)和/或應(yīng)用的能效。

　　在第二種方法中，可采用不同的策略；其中，昂貴的變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）配合3相永磁同步電機(jī)（PMSM）是一個(gè)很實(shí)用的解決方案。

　　本文介紹一個(gè)電子恒溫器解決方案，無(wú)需改變今天冰箱最常用的電機(jī)（單相感應(yīng)式交流電機(jī)），還能節(jié)省先進(jìn)解決方案的能源。

　　本文還將介紹意法半導(dǎo)體為這個(gè)解決方案開發(fā)的軟硬件評(píng)估工具。

　　機(jī)電恒溫器

　　冰箱通常使用兩種不同的機(jī)電恒溫器。

　　第一種恒溫器（最常用）是內(nèi)部充滿氣體的毛細(xì)管。恒溫管與膜片相連，當(dāng)箱室溫度升高時(shí)，恒溫管內(nèi)氣體膨脹，推動(dòng)膜片操作一系列觸點(diǎn)，啟動(dòng)壓縮機(jī)。當(dāng)然，這類恒溫器的特性（即干預(yù)溫度）也會(huì)受到外界氣壓變化的影響。

　　第二種機(jī)電恒溫器是一個(gè)制成線圈狀的又長(zhǎng)又薄的金屬條，金屬條由焊接或鉚接在一起的兩種不同金屬材料組成。因?yàn)閮煞N金屬的受熱膨脹性質(zhì)不同，線圈將會(huì)隨著溫度變化而彎曲或伸直，這類恒溫器的特性不會(huì)受到外界氣壓變化的影響，但是，測(cè)量精度不是很高，而且隨著恒溫器老化，溫度調(diào)控會(huì)產(chǎn)生變化。

　　此外，基于這兩種機(jī)電恒溫器的溫度控制系統(tǒng)無(wú)法改變溫度遲滯，即冰箱壓縮機(jī)電源通斷之間的溫度差。

　　數(shù)字溫度控制系統(tǒng)

　　圖2所示是基于電子恒溫器的數(shù)字溫控系統(tǒng)的功能框圖，系統(tǒng)主要組件包括：

　　- 溫度傳感器（經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)），用于提供反饋信號(hào)

　　- 可編程微控制器（MCU），用于讀取反饋信號(hào)（通過(guò)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)），處理信息，指揮電子執(zhí)行器操作

　　- 電子執(zhí)行器，用于啟動(dòng)或關(guān)閉壓縮機(jī)

　　在本例中，溫度傳感器是熱電偶或負(fù)溫度系數(shù)（NTC）器件。與機(jī)電式恒溫器不同，這兩種器件都不接觸活動(dòng)元件，因此性能更安全可靠。

　　圖 2 – 數(shù)字溫控系統(tǒng)

　　因?yàn)槭沁B續(xù)讀取溫度，而且是微控制器要求的精度，所以系統(tǒng)可以控制溫度，限制箱室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化。

　　如在［3］所述，溫度波動(dòng)降低有三大好處：

　　- 更好地保存食物

　　- 熱動(dòng)態(tài)效率提高（因?yàn)檎舭l(fā)器溫度波動(dòng)越低，蒸發(fā)器最低溫度就越高，壓縮機(jī)利用率也就更高）

　　- 壓縮機(jī)和蒸發(fā)器尺寸縮小

　?。?］還特別例證了用數(shù)字溫控系統(tǒng)（見圖2）代替機(jī)電恒溫器并正確選擇最優(yōu)的溫度遲滯后，功耗最大降幅達(dá)到20%。

　　此外，可編程微控制器保證的靈活性可為設(shè)備增加更多功能，讓家電廠商能夠在相同的硬件環(huán)境內(nèi)輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

　　例如，可以每隔n個(gè)熱周期修改溫度遲滯，使蒸發(fā)器溫度高于0°C，這可以除去蒸發(fā)器上的積冰，進(jìn)一步提升冰箱能效（因?yàn)楸鶎佑懈綦x作用）。

　　此外，還可以增加很多與溫控沒有直接關(guān)系的功能。例如，隨時(shí)間變化的溫度趨勢(shì)和總能耗可反饋給最終用戶（通過(guò)LCD）。用戶界面還可增加開門報(bào)警、溫度報(bào)警和內(nèi)部照明燈（燈泡或LED）點(diǎn)亮等功能。

　　意法半導(dǎo)體的系統(tǒng)解決方案

　　在電子恒溫器范圍內(nèi)，意法半導(dǎo)體開發(fā)了一套恒溫器開發(fā)工具（訂貨代碼：STEVAL-IHT001V2），這是一個(gè)安全可靠且低成本的數(shù)字溫控解決方案，利用微控制器和交流開關(guān)控制冰箱、冰柜或冰箱冰柜多功能產(chǎn)品的溫度。

　　STEVAL-IHT001V2評(píng)估板可控制一個(gè)單相感應(yīng)電機(jī)和一支燈泡，還可以選擇控制一個(gè)除霜電阻器和一個(gè)風(fēng)扇，適用于 120/240 V RMS 50/60 Hz 交流電源電壓。這塊板子符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)：在進(jìn)行IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)承受高達(dá)3.1 kV 的高壓脈沖串而未發(fā)生任何異常或失控。測(cè)試電壓提高到 5kV時(shí)，出現(xiàn)暫時(shí)失控現(xiàn)象，干擾停止后，失控現(xiàn)象消失。此外，評(píng)估板還經(jīng)過(guò)2 kV浪涌測(cè)試（IEC61000-4-5 standard），半導(dǎo)體元器件無(wú)任何損壞［4］。

　　圖 3： STEVAL-IHT001V2評(píng)估板

　　評(píng)估板配有一個(gè)叫做“Thermostat kit application GUI”的恒溫器評(píng)估板圖形用戶界面（GUI） PC 軟件，用于應(yīng)用演示和開發(fā)目的 （在 www.st.com 下載軟件）。利用 GUI軟件可以配置恒溫器評(píng)估板的版本 – 基本版（僅限于壓縮機(jī)和燈泡控制）、除霜版（壓縮機(jī)、燈泡和除霜電阻控制）、氣流循環(huán)版（壓縮機(jī)、燈泡、除霜電阻和風(fēng)扇控制） ，這個(gè)不同版本分別定位于低端、中端和高端制冷設(shè)備市場(chǎng)。GUI還準(zhǔn)許用戶設(shè)置和測(cè)量主要應(yīng)用參數(shù)。

　　低成本的STM8S003F3P6微控制器負(fù)責(zé)控制恒溫器，該微控制器屬于STM8S主流系列微控制器，以片上功能豐富且成本低廉為亮點(diǎn)。此外，該產(chǎn)品最大限度地縮減了引腳數(shù)量。板上還搭載一顆帶USB接口的微控制器，該微控制器僅用于應(yīng)用演示目地，通過(guò)USB接口在PC機(jī)與恒溫器評(píng)估板之間通信。

　　如圖3所示，STEVAL-IHT001V2 恒溫器開發(fā)板分為兩部分，恒溫器控制器件全都安放在左側(cè)（控制側(cè)），所有的通信器件都安放在右側(cè)（接口側(cè)）。

　　控制側(cè)的主要元器件：

　　- 低成本電容電源 – 如功率要求較高，可用開關(guān)電源（如基于VIPer06的 STEVAL-ISA071V1）替代這部分器件

　　- 控制和執(zhí)行部分 -STM8S003微控制器、交流開關(guān) （1個(gè)ACST610-8FP、1個(gè)ACS110-7SN和2個(gè) ACS102-6TA），用于控制壓縮機(jī)、除霜電阻、燈泡和風(fēng)扇

　　- 用戶界面：兩個(gè)溫度升降按鍵；5支綠光LED溫度指示器、蜂鳴式開門報(bào)警器

　　- 連接器 – 用于連接 NTC和冰箱門開關(guān)

　　評(píng)估板有兩種工作模式（單機(jī)或 GUI驅(qū)動(dòng)），可用一個(gè)開關(guān)開啟其中一個(gè)模式。在單機(jī)模式，控制參數(shù)（脈沖時(shí)序、溫度、冰箱型號(hào)）最后裝入GUI。