Tutorial sobre cómo implementar una unidad de Aire Acondicionado Inverter

Tutorial sobre cómo implementar una unidad de Aire Acondicionado Inverter

En este tutorial, veremos cómo podemos implementar una unidad de Aire Acondicionado Inverter gracias a las soluciones que el fabricante Holtek dispone para el control y gestión de las distintas partes que componen el sistema, como pueden ser una placa de control principal y una placa de visualización.

Esta solución admite dos tipos de motores interiores, BLDC y PG, y proporciona numerosos protocolos de comunicación para las unidades interiores y exteriores del inverter. Puede implementar múltiples funciones como refrigeración, deshumidificación, ventilador, calefacción, modo automático, calefacción auxiliar eléctrica, autolimpieza, etc.

 

1. Introducción

Con el aumento anual de la temperatura media mundial, los aparatos de aire acondicionado se han convertido en una parte indispensable de nuestras vidas. Además, a medida que el nivel de vida de la gente mejora gracias al rápido desarrollo económico, la industria de los aire acondicionados domésticos ha visto buenas oportunidades para crecer rápidamente. Independientemente de que el tipo de aire acondicionado sea de pared o portátil, los requisitos básicos de todos ellos son aplicar un control preciso y en tiempo real de la temperatura, así como aumentar los niveles de confort, controlar los costes y ahorrar energía mediante productos fiables que utilicen algoritmos eficientes.

La solución de Holtek para las unidades interiores de aire acondicionado con inverter consiste en incluir una placa de control principal y una placa de visualización. La placa de control principal para la unidad interior utiliza una MCU Holtek rica en recursos, la HT66F2372, que tiene múltiples funciones e interfaces de comunicación para implementar el control de la unidad interior de aire acondicionado. El circuito integrado del controlador de la pantalla utiliza el HT16D31B, que puede controlar hasta 72 LED con brillo ajustable y que puede comunicarse con la MCU del controlador principal a través de su interfaz I2C. Esta solución admite dos tipos de motores interiores, BLDC y PG, y proporciona numerosos protocolos de comunicación para las unidades interiores y exteriores del inverter. Puede implementar múltiples funciones como refrigeración, deshumidificación, ventilador, calefacción, modo automático, calefacción auxiliar eléctrica, autolimpieza, etc.

2. Características de la solución

1. Admite varios tipos de aire acondicionado:
   Esta solución admite aires acondicionados domésticos murales/portátiles, así como aire acondicionado individuales de refrigeración/refrigeración y calefacción. Cubre la mayoría de tipos de funciones de aire acondicionado doméstico del mercado, como refrigeración, calefacción, autolimpieza, calefacción eléctrica auxiliar, etc. Además, se proporcionan varios protocolos de comunicación para unidades interiores y exteriores de acondicionadores de aire inverter para que los usuarios puedan implementarlos en su desarrollo.
2. Control preciso de la temperatura ambiente: algoritmo de control de la temperatura, aumento del nivel de confort de uso y reducción del consumo energético.
   El software incluye un algoritmo de control de la temperatura que puede controlar con precisión la frecuencia del compresor basándose en las diferencias de temperatura y sus tasas de cambio. Esto garantiza que la temperatura ambiente se mantenga dentro de un rango confortable. Además, durante el funcionamiento, el compresor rara vez se enciende y apaga continuamente, lo que reduce el consumo de energía.
3. Workshop de Holtek: reduce el umbral de aprendizaje de desarrollo y acorta los ciclos de desarrollo.
   El workshop de aires acondicionados de Holtek ayudará al diseño rápido de aires acondicionados. Este taller es compatible con una MCU controladora principal, la HT66F2372, que se utiliza en esta solución. Los usuarios pueden introducir fácilmente los ajustes y configuraciones de los parámetros del aire acondicionado mediante sencillas operaciones de apuntar y hacer clic. Además, Holtek también ha proporcionado un workshop de controladores remotos IR para facilitar el desarrollo de controladores remotos IR.

3. Principios de funcionamiento

Cuando se enciende el aire acondicionado, la MCU del controlador de la unidad interior principal detectará la temperatura de la habitación y la temperatura del conducto de la habitación. En función del modo de funcionamiento seleccionado, la MCU activará el ventilador interior, el deflector de aire y la calefacción auxiliar eléctrica para que funcionen. A continuación, enviará instrucciones de modo para accionar el controlador principal de la unidad exterior. Cuando se active el compresor de la unidad exterior, de acuerdo con el algoritmo de control de temperatura, la MCU del controlador principal de la unidad interior controlará la velocidad del compresor para implementar operaciones de bajo consumo. La temperatura se mantendrá dentro de un rango confortable.

3.1 Descripción funcional

Características de la solución

• Tensión/frecuencia nominal: AC 220V/50Hz
• Potencia nominal de entrada de refrigeración: 810W(80~1650W)
• Potencia nominal de refrigeración: 3500W
• Potencia nominal de entrada de calefacción: 1325W(80~1850W)
• Potencia nominal de calefacción: 5000 W
• Potencia en espera: 3W
• Funciones de protección
• Protección del compresor
• Protección de temperatura ambiente demasiado alta/demasiado baja
• Protección de temperatura alta/baja del evaporador
• Protección contra la falta de realimentación de la velocidad del ventilador interior
• Protección contra fallo del sensor de temperatura
• Protección contra fallos de comunicación de las unidades interior y exterior
• Interfaces de comunicación
• La MCU del controlador principal y la placa de visualización utilizan el protocolo de comunicación I2C
• Las unidades interior y exterior utilizan un protocolo de comunicación personalizado

3.1.1 Función de la Solución

A continuación se muestra el PCBA real del producto.

Este producto es un aire acondicionado inverter con una capacidad nominal de refrigeración de 3500W que es adecuado para su uso en habitaciones de hogares normales. Dispone de siete modos: refrigeración, deshumidificación, ventilador, calefacción, automatización, calefacción auxiliar eléctrica y autolimpieza. En cuanto a la interacción persona-unidad, los usuarios pueden utilizar un mando a distancia por infrarrojos para realizar operaciones como el encendido/apagado, el ajuste de la temperatura, el cambio de modo, la selección de la velocidad del ventilador y el control del deflector de aire.

Modo refrigeración

En el modo refrigeración, cuando el aire acondicionado detecta que la temperatura ambiente es superior a la temperatura fijada por el usuario, el compresor funcionará a mayor velocidad y el ventilador interior funcionará en los niveles 1~3 o funcionará en el modo automático en función de la configuración del mando a distancia. Cuando la temperatura ambiente se aproxime a la temperatura ajustada, el compresor funcionará a menor velocidad para mantener una temperatura ambiente relativamente constante.

Modo Deshumidificación

En el modo de deshumidificación, cuando la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura ajustada sea mayor o igual a 4°C, el compresor funcionará a una velocidad más alta y el ventilador interior funcionará a una velocidad de Nivel 2. Cuando la diferencia de temperatura esté entre -4°C y 4°C (excluyendo -4°C y 4°C), el compresor funcionará a una velocidad inferior y el ventilador interior funcionará a una velocidad de Nivel 1. Estas acciones de funcionamiento pueden reducir rápidamente la humedad ambiente.

Modo Ventilador

En el modo ventilador, el ventilador interior funciona a una velocidad de Nivel 1~3 o funcionará en el modo automático basado en los ajustes del mando a distancia, mientras que el compresor está desactivado.

Modo Calefacción

En el modo de calefacción, cuando el aire acondicionado detecta que la temperatura ambiente es inferior a la temperatura ajustada por el usuario, el compresor funcionará a mayor velocidad y el ventilador interior funcionará a una velocidad de Nivel 1~3 o funcionará en modo automático. Existe la excepción de que si la temperatura del evaporador es inferior a 30°C, el ventilador interior funcionará a un nivel de brisa. Cuando la temperatura ambiente sea superior a la temperatura ajustada, el compresor funcionará a una velocidad inferior para mantener una temperatura ambiente relativamente constante.

Modo automático

En el modo automático, el aire acondicionado determina automáticamente si debe funcionar en modo refrigeración, ventilador o calefacción en función de la temperatura ambiente. Si la temperatura ambiente es inferior a 23°C, entrará en modo calefacción. Si la temperatura ambiente está entre 23°C y 28°C, entrará en modo ventilador. Si la temperatura ambiente es superior a 28°C, entrará en modo refrigeración.

Modo de calefacción auxiliar eléctrica

En el modo de calefacción, se activa el modo de calefacción auxiliar eléctrica para acelerar el proceso de calefacción e implementar un calentamiento rápido.

Modo autolimpieza

En el modo de refrigeración o deshumidificación, cuando el modo de autolimpieza está activado, el evaporador y el condensador trabajarán juntos para generar agua condensada y permitir que fluya rápidamente hacia abajo para lavar cualquier polvo en sus superficies.

3.2 Descripción del funcionamiento

Esta solución utiliza un mando a distancia por infrarrojos para hacer funcionar el aire acondicionado. Cuando se pulsa el botón de encendido del mando a distancia por infrarrojos, el aire acondicionado entra en los modos de refrigeración, deshumidificación, ventilador, calefacción o automático, según el modo seleccionado en el mando a distancia. Además de utilizar el mando a distancia para hacer funcionar el acondicionador de aire, también se puede utilizar la tecla de emergencia de la unidad interior del acondicionador de aire para encenderlo.

• Descripción de la tecla de emergencia
  En ausencia de un mando a distancia por infrarrojos, el aire acondicionado puede controlarse pulsando la tecla de emergencia. Cuando el aire acondicionado está encendido, si se pulsa por primera vez la tecla de emergencia de la placa de control principal del aire acondicionado inverter, funcionará en modo automático. Si se pulsa el botón por segunda vez, funcionará en el modo de refrigeración con una temperatura ajustada de 26°C. Si se pulsa por tercera vez, se detendrá.
• Descripción del indicador de la pantalla
  Cuando el display muestra la temperatura ajustada, puede mostrar la temperatura ambiente pulsando una vez el botón «Luz» del mando a distancia por infrarrojos. Si se pulsa de nuevo, se mostrará la temperatura del conducto. Si se pulsa por tercera vez, mostrará la frecuencia del controlador del compresor. Si pulsa el botón por cuarta vez, volverá a mostrar la temperatura ajustada. Además, si el aire acondicionado ha funcionado mal, la pantalla mostrará los códigos de avería correspondientes.

4. Descripción del diseño de la solución

La unidad interior del aire acondicionado con inverter se compone de dos partes: la placa de control principal y la placa de visualización. La placa de control principal del aire acondicionado consta de un circuito de fuente de alimentación conmutada, un circuito central MCU HT66F2372, un circuito de comunicación, un circuito controlador del ventilador interior y del deflector de aire, un circuito de muestreo de temperatura, un circuito receptor de infrarrojos, un circuito controlador del zumbador y un circuito controlador del relé. Entre estas unidades funcionales, el circuito controlador del ventilador interior y el circuito de comunicación están conectados a la placa de control principal mediante placas hija adaptadoras. La placa de visualización está compuesta por un circuito receptor de infrarrojos y un circuito controlador de LED.

Cuando la placa de visualización recibe instrucciones del mando a distancia por infrarrojos y las envía a la placa de control principal, la MCU del controlador principal determina cómo accionar el ventilador interior, el deflector de aire y otros componentes en función de los distintos modos, así como de la temperatura del conducto y de la habitación detectada en ese momento. La MCU del controlador principal se comunica con el circuito integrado del controlador de la pantalla mediante la interfaz I2C para que la pantalla muestre la temperatura objetivo correspondiente o la temperatura ambiente de la sala. Mediante un protocolo de comunicación personalizado para las unidades interior y exterior, la MCU del controlador principal envía instrucciones a la placa de control principal exterior para accionar el ventilador y el compresor exteriores. En caso de avería de la unidad interior o exterior, el panel de visualización también puede mostrar los códigos de avería correspondientes a cualquier condición anormal.

4.1 Descripción del Hardware

1. Circuito EMI: El fusible, F1, se fundirá cuando la corriente sea demasiado alta, protegiendo así los circuitos subsiguientes. MOV1 es un varistor, cuya resistencia se reducirá rápidamente si encuentra algún pico de tensión cuando la red eléctrica genere picos de alta tensión o si hay otros picos de impulsos. L1 se utiliza para suprimir las señales de interferencia de modo común en la red eléctrica y suprimir los efectos del aire acondicionado en la red eléctrica. Los condensadores X se conectan antes y después del inductor para suprimir las interferencias de modo diferencial.
2. Circuito de fuente de alimentación conmutada: la corriente alterna de 220 V se convierte mediante una fuente de alimentación conmutada para generar dos grupos de tensiones. La salida de un grupo es de aproximadamente 12V, mientras que la otra salida es de aproximadamente 18~22V. La tensión de 12V se regula para obtener una tensión de 5V, que se utiliza para alimentar la MCU HT66F2372, la placa de visualización y otros circuitos periféricos. La alimentación de 12V se utiliza principalmente para alimentar el zumbador, los transistores Darlington, los relés, etc. El otro grupo de tensión se regula para obtener una tensión de 15V, que se utiliza para alimentar los pines del driver del motor BLDC. El motor BLDC se alimenta con una tensión continua de 310V generada después de rectificar y filtrar la tensión alterna de 220V.
3. Deflector de aire y circuito controlador de relé: cuatro clavijas de E/S se utilizan para controlar un transistor Darlington que acciona el deflector de aire. Un pin de E/S se utiliza para controlar dos relés que accionan el PTC. Un pin de E/S se utiliza para controlar un relé para suministrar energía a la unidad exterior.
4. Circuito de muestreo de temperatura: un sensor de temperatura NTC exterior está conectado al circuito. La señal del sensor pasa a través de una resistencia divisora antes de ser introducida en el pin de muestreo A/D de la MCU. La MCU determinará la temperatura real basándose en los valores A/D muestreados para controlar el funcionamiento del aire acondicionado.
5. Circuito de comunicación de la unidad interior y exterior: este circuito está conectado a la placa de control principal mediante una placa hija adaptadora, como se muestra a continuación. El MCU controlador principal de la unidad interior se comunica con el controlador principal de la unidad exterior utilizando la interfaz UART. Por lo tanto, la unidad exterior puede ser accionada junto con los componentes específicos de la unidad exterior tales como el ventilador exterior, la válvula de cuatro vías, el compresor, etc.
6. Circuito controlador y de realimentación del motor BLDC: este circuito también está conectado a la tarjeta de control principal mediante una tarjeta hija adaptadora, como se muestra a continuación. El motor BLDC es accionado por una señal PWM con una frecuencia de 4kHz. La MCU de la placa de control principal ajusta la velocidad regulando el ciclo de trabajo de la señal de salida PWM. El ventilador interior lleva integrado un circuito Hall de realimentación de velocidad. La MCU calcula la velocidad actual del ventilador basándose en la frecuencia de la señal de realimentación recibida, implementando así el control de velocidad de bucle cerrado.

 

1. Circuito controlador de LED del panel de visualización: se utiliza un dispositivo HT16D31B para controlar los LED. La MCU del controlador principal de la unidad interior del acondicionador de aire inversor se utiliza para controlar el HT16D31B mediante comunicación I2C, controlando así los LED para mostrar la temperatura del acondicionador de aire, los códigos de avería, etc.
2. Circuito receptor de infrarrojos: este circuito se utiliza para recibir instrucciones del mando a distancia por infrarrojos que se transmitirán a la MCU controladora principal de la unidad interior del acondicionador de aire con inversor. Este circuito es una parte importante para implementar la interacción humano/unidad.

5. Descripción del software

En esta solución, el software de la unidad interior de aire acondicionado se desarrolla utilizando el workshop de aire acondicionado. A continuación se presenta una breve descripción de este software. Para obtener información detallada sobre el taller de aire acondicionado, consulte «Holtek official website→MCU Tools→Development Platform».

Estado de uso de los recursos de la MCU

La siguiente tabla proporciona una descripción de los recursos de software.

 

5.1 Descripción del flujo del programa principal de la unidad interior del aire acondicionado Inverter

El sistema configura un temporizador para generar eventos con diferentes intervalos de tiempo para garantizar la ejecución de múltiples tareas en diferentes periodos de tiempo o en paralelo. PTM1 ejecuta una interrupción cada 125μs para generar eventos con intervalos de tiempo de 5ms, 10ms, 100ms, 500ms, 1s, etc.

• Actualización del modo de funcionamiento: al recibir instrucciones del mando a distancia, la unidad interior de aire acondicionado entrará en el modo de funcionamiento correspondiente (refrigeración/deshumidificación/ventilador/calefacción/automático).
• Proceso del deflector de aire: el deflector de aire es accionado por un motor paso a paso para implementar el movimiento de barrido arriba/abajo. Puede fijarse en un ángulo determinado o moverse hacia delante y hacia atrás.
• Proceso de la tecla de emergencia: cuando se enciende el aire acondicionado, funcionará en modo automático cuando se pulse la tecla de emergencia por primera vez. Funcionará en el modo de refrigeración con una temperatura establecida de 26°C, cuando los usuarios presionen la tecla de emergencia por segunda vez o se apagará, cuando los usuarios presionen la tecla de emergencia por tercera vez.
• Proceso del ventilador interior: la velocidad del ventilador se ajusta a la velocidad establecida en función de la configuración del usuario o puede ajustarse automáticamente en función de la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura establecida para acelerar la disipación de refrigeración/calefacción del intercambiador de calor ambiente.
• Muestreo de temperatura: la medición de temperatura incluye la medición de la temperatura ambiente y la medición de la temperatura del evaporador. La MCU utiliza la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura ajustada y la tasa de cambio de la diferencia de temperatura como referencia principal para el control del compresor. En el modo de refrigeración, cuando la temperatura ambiente es superior a la temperatura de consigna, el HT66F2372 enviará una instrucción de arranque del compresor a la unidad exterior para que el compresor inicie la refrigeración. Cuando la temperatura ambiente es inferior a la temperatura ajustada, la MCU del controlador principal de la unidad interior enviará instrucciones a la unidad exterior para reducir la velocidad del compresor y mantener una temperatura ambiente relativamente constante. La medición de la temperatura del evaporador es una referencia para determinar si el sistema funciona con normalidad. Si la temperatura del evaporador es demasiado baja durante la refrigeración o demasiado alta durante la calefacción, la medición de la temperatura del evaporador hará que el sistema entre en el estado de protección para proteger el sistema de daños.
• Proceso de fallo: cuando la unidad interior ha funcionado mal, la MCU del controlador principal detendrá el funcionamiento de carga de la unidad interior. Al mismo tiempo, la MCU enviará instrucciones para detener el funcionamiento de la unidad exterior. Cuando la unidad exterior ha funcionado mal, enviará instrucciones a la unidad interior para que deje de funcionar.
• Comunicación entre la unidad interior y exterior: la unidad interior envía información como la temperatura ambiente de la habitación, la temperatura del evaporador, la velocidad objetivo del compresor y los códigos de avería de la unidad interior a la unidad exterior. Esto permite que la unidad exterior accione el compresor y el ventilador exterior y que funcione la válvula de cuatro vías. La unidad exterior envía información como la temperatura ambiente exterior, la temperatura del condensador, la velocidad real del compresor y los códigos de fallo de la unidad exterior a la unidad interior. Ahora la unidad interior puede ajustar mejor la velocidad del compresor del aire acondicionado y proteger el aire acondicionado completo.
• Proceso de cambio de modo: cuando el acondicionador de aire está ejecutando cambios de modo, la MCU del controlador principal de la unidad interior enviará la instrucción del modo de funcionamiento actual a la unidad exterior e implementará funciones para la protección del compresor, protección de la válvula de cuatro vías y así sucesivamente. Al mismo tiempo, enviará instrucciones de frecuencia apropiadas basadas en el algoritmo de control de temperatura para accionar el compresor exterior.
• Proceso de apagado: cuando el aire acondicionado recibe una instrucción de apagado, la MCU del controlador principal de la unidad interior enviará una instrucción de apagado a la unidad exterior. Cuando el aire acondicionado funciona en modo calefacción, la válvula de cuatro vías, el ventilador interior y el motor paso a paso se apagarán con retardo.

 

5.1.1 Descripción de otras funciones

Basándose en las instrucciones de infrarrojos, los diferentes modos tienen diferentes reglas de control de temperatura. A continuación se presentan las funciones.

 

 

 

 

5.1.2 Descripción de la configuración del mando a distancia por infrarrojos

Al desarrollar el mando a distancia por infrarrojos, los usuarios pueden utilizar el taller del mando a distancia por infrarrojos Holtek para personalizar un protocolo de infrarrojos. A continuación, el programa se puede generar con un solo clic. El mando a distancia por infrarrojos puede utilizarse para controlar el funcionamiento del aire acondicionado. Su formato de construcción por infrarrojos se muestra a continuación.

La especificación de nivel se muestra a continuación.

A continuación se muestra la codificación específica de las instrucciones de infrarrojos.

 

 

6. Datos de prueba

Prueba de funcionamiento de la unidad interior de aire acondicionado Inverter

1. Prueba de funcionamiento en modo refrigeración
   Entorno de prueba: temperatura ambiente: 28±2°C
   Ajustes del modo de aire acondicionado: el modo de refrigeración está activado con una temperatura objetivo de 20°C y una velocidad del ventilador de Nivel 3
   Método de prueba: cuando el aire acondicionado funciona en el modo de refrigeración, registre la temperatura ambiente actual, la potencia y la velocidad del compresor cada 15 minutos.
2. Prueba de funcionamiento del modo calefacción
   Entorno de prueba: temperatura ambiente 15±2°C
   Ajustes del modo de aire acondicionado: el modo calefacción está activado con una temperatura objetivo de 25°C y una velocidad del ventilador de Nivel 3
   Método de prueba: cuando el aire acondicionado funciona en modo calefacción, registre la temperatura ambiente actual, la potencia y la velocidad del compresor cada 15 minutos.
3. Prueba de funcionamiento del modo de deshumidificación
   Entorno de prueba: temperatura ambiente: 26±2°C; humedad relativa: 65%±5%.
   Ajustes del modo de aire acondicionado: el modo de deshumidificación está activado con una temperatura objetivo de 20°C y una velocidad automática del ventilador.
   Método de prueba: cuando el acondicionador de aire funciona en el modo de deshumidificación, registre la temperatura ambiente actual, la humedad, la velocidad del compresor y la velocidad del ventilador interior cada 15 minutos.
4. Prueba de funcionamiento del modo ventilador
   Entorno de prueba: temperatura ambiente: 26±2°C
   Ajustes del modo del acondicionador de aire: el modo ventilador está activado
   Método de prueba: cuando el aire acondicionado funciona en modo ventilador, cambie el nivel de velocidad del ventilador y registre la velocidad del ventilador interior. Cuando esté en modo automático, cambie la temperatura ambiente y registre la velocidad del ventilador interior en diferentes niveles.
   Utilice el mando a distancia por infrarrojos y cambie manualmente el nivel de velocidad del ventilador. La velocidad real del ventilador interior es la siguiente.
   Utilice el mando a distancia por infrarrojos, cambie al nivel de velocidad automática del ventilador y modifique la temperatura ambiente. La velocidad real del ventilador interior es la siguiente.
   

 

7. Conclusión

Esta solución ha proporcionado una introducción detallada de una unidad interior de aire acondicionado inverter que utiliza el HT66F2372 como MCU controlador principal. Incluye los principios de funcionamiento de la refrigeración y la calefacción, la descripción del hardware y los protocolos de comunicación. En términos de funciones, puede implementar muchas funciones comunes de los aires acondicionados del mercado, como refrigeración, calefacción, deshumidificación y ventilador. Esta solución ayuda a los usuarios a simplificar y acelerar el diseño y desarrollo de acondicionadores de aire, con lo que los productos entran más rápidamente en la fase de producción en serie.

Puede consultar toda la información sobre este proyecto en la página web de Holtek, donde además de obtener más información, puede consultar los esquemáticos completos, la lista de materiales, así como el código fuente del proyecto.