基于L6258EX的步進(jìn)式電子膨脹閥控制模塊設(shè)計(jì)

許文文，劉吉名，周致睿

（中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 安徽 合肥 230043）

基于L6258EX的步進(jìn)式電子膨脹閥控制模塊設(shè)計(jì)

許文文，劉吉名，周致睿

（中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 安徽 合肥 230043）

提出了一種以純電動轎車空調(diào)系統(tǒng)為開發(fā)背景，基于L6258EX的步進(jìn)式電子膨脹閥控制模塊設(shè)計(jì)方案，介紹了該方案的功能、硬件及軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明該模塊具備結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、精度高、性價比高等特點(diǎn)。

電子膨脹閥；L6258EX；電動汽車空調(diào)；單片機(jī)

隨著電動汽車行業(yè)的日益發(fā)展與進(jìn)步，作為電動汽車的主要部件之一的汽車空調(diào)系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展。目前，國內(nèi)大多數(shù)的電動汽車空調(diào)多采用變頻壓縮機(jī)與熱力膨脹閥配合的系統(tǒng)模式，但在實(shí)際運(yùn)行過程中往往會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。振蕩的主要原因是由于膨脹閥容量與系統(tǒng)不匹配或系統(tǒng)處在極不穩(wěn)定的工況下而造成膨脹閥在最小穩(wěn)定信號線以左工作。因此，期望采用電子膨脹閥與變頻壓縮機(jī)配合解決此問題。

電子膨脹閥是一種流量調(diào)節(jié)元件，能夠以電信號來進(jìn)行控制，具有與裝置相適應(yīng)的良好特性[1]。在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中，電子膨脹閥可按設(shè)定的程序進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，保證蒸發(fā)器始終在設(shè)定的過熱度下進(jìn)行工作，大大改善汽車空調(diào)的啟動和變負(fù)荷動態(tài)特性。電子膨脹閥根據(jù)驅(qū)動方式不同可以分為，電磁式與電動式兩種[2]。電磁式電子膨脹閥通過改變線圈的驅(qū)動電壓來對閥門開度進(jìn)行控制。電動式電子膨脹閥采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來對閥門開度進(jìn)行控制。

筆者介紹了一種簡單的電動式電子膨脹閥驅(qū)動方案。該方案實(shí)際應(yīng)用時[3]，電子膨脹閥運(yùn)行穩(wěn)定，且具有步距角小、轉(zhuǎn)矩恒定、功耗低、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路原理

電子膨脹閥控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of the hardware

圖中，膨脹閥控制模塊具備溫度測量、壓力測量、485通信及步進(jìn)式電子膨脹閥驅(qū)動功能?？刂颇K通過檢測蒸發(fā)器的出口壓力和溫度獲得實(shí)際過熱度值，并與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定過熱度值（該值通過485總線由空調(diào)總控制器給定）進(jìn)行比較，最終通過基于L6258EX的電子膨脹閥驅(qū)動電路對步進(jìn)式電子膨脹閥進(jìn)行控制。

1.2 L6258EX簡介

該電子膨脹閥驅(qū)動電路采用L6258EX作為驅(qū)動控制芯片。L6258EX是由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種高效，大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。L6258EX能夠驅(qū)動雙繞組4級步進(jìn)電機(jī)，電壓范圍在12～40 V之間，輸出電流高達(dá)1.2 A。L6258EX內(nèi)部具備DAC、誤差放大、電流閉環(huán)、推挽輸出等功能[4]。因此，只需與簡單的電容電阻元件就能構(gòu)成完成的電機(jī)控制、驅(qū)動電路。大大簡化了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、提高了硬件電路的可靠性。此外，汽車空調(diào)用電子膨脹閥額定電壓為24 V、額定電流不超過1 A。故可以通過L6258EX直接驅(qū)動電子膨脹閥，無需附加功率放大器件，節(jié)約成本，降低了開發(fā)難度。

1.3 電路設(shè)計(jì)

基于L6258EX芯片的電子膨脹閥驅(qū)動控制電路如圖2所示。

圖中，MO1—MO4為驅(qū)動電路的輸出與電子膨脹閥連接，其中MO1、MO2接電子膨脹閥的；MO3、MO4接電子膨脹閥的。PH1、PH2、I0—4為電子膨脹閥驅(qū)動命令信號，與單片機(jī)連接。其中，PH1、PH2為電子膨脹閥內(nèi)部步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制引腳；I0—4為驅(qū)動電路輸出電流控制命令。通過程序控制PH1、PH2及I0—4相互配合便可實(shí)現(xiàn)電子膨脹閥動作。R1、R7為電流信號采集電阻、阻值為0.33 Ω，其他電阻電容參數(shù)為均為推薦值。

圖2 電子膨脹閥驅(qū)動原理圖Fig. 2 Schematic diagram of the electronic expansion valve

2 軟件設(shè)計(jì)

為了便于系統(tǒng)調(diào)試及電子膨脹閥專題實(shí)驗(yàn)開展，本控制模塊設(shè)置了兩種工作模式 — 既定模式及自動模式。既定模式根據(jù)RS485總線接收的電子膨脹閥開度命令，強(qiáng)制將電子膨脹閥開度限制在設(shè)定值，不隨溫度、壓力影響。自動模式是電子膨脹閥的開度根據(jù)溫度、壓力信號進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的過熱度滿足系統(tǒng)設(shè)定要求。下面只對整機(jī)流程及自動模式流程進(jìn)行說明。

2.1 模塊整機(jī)軟件流程

圖3 整機(jī)流程圖Fig. 3 Flow chart of the hole systerm

控制模塊的整機(jī)軟件流程如圖3所示。模塊上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其次判斷是否收到控制命令信息。在接收485信息幀后按照協(xié)議進(jìn)行解析，從數(shù)據(jù)幀取出發(fā)送者地址、命令及所帶參數(shù)，并根據(jù)命令號調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的子程序。當(dāng)子程序執(zhí)行完畢后，程序?qū)⒗^續(xù)等待其他485信息幀。

2.2 自動模式流程

自動控制流程如圖4所示?？刂颇K再接收到自動模式命令后，對壓力和溫度信號進(jìn)行采樣，計(jì)算出當(dāng)前的過熱度[5]Tnow。將當(dāng)前過熱度與設(shè)定的過熱度Tset及過熱度偏差進(jìn)行比較。當(dāng)滿足(Tset-Ts)＜Tnow＜(Tset-Ta)時，電子膨脹閥開度保持不變，否則將進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整（圖中，Ts為負(fù)偏差；Ta為正偏差）。

圖4 自動模式流程圖Fig. 4 Flow chart of the automatic mode

3 應(yīng)用實(shí)例

該步進(jìn)式電子膨脹閥控制器已經(jīng)成功應(yīng)用于央企電動車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟項(xiàng)目——電動轎車空調(diào)系統(tǒng)（JS--109）當(dāng)中。項(xiàng)目所研制的新型電動轎車空調(diào)系統(tǒng)具備制熱、制冷及經(jīng)濟(jì)氣功能，共需3個步進(jìn)式電子膨脹閥。因此，我所該空調(diào)控制系統(tǒng)由一塊主控板及3個電子膨脹閥控制模塊構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電動汽車空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure diagram of electric automobile air conditioning control system

經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證明，這種基于L6258EX的步進(jìn)式電子膨脹閥控制器在制熱、制冷及經(jīng)濟(jì)氣這3種工況下均有良好的控制性能。除此之外，該控制器還具備體積小、重量輕、組網(wǎng)方便、響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本控制器采用L6258EX芯片作為驅(qū)動芯片，采用STC12C5A32AD作為控制芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高[6]。控制器具備一定的通用型，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以應(yīng)用于電動汽車用電子膨脹閥控制，還可應(yīng)用于其他需要對過熱度進(jìn)行控制的制冷系統(tǒng)。

[1] 江明旒,王如竹,吳靜怡,等.電子膨脹閥的應(yīng)用領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)[J].制冷與空調(diào),2009,9(1):100-104.

JIANG Ming-liu,WANG Ru-zhu,WU Jing-yi,et al.Application of electronic expansion valve [J].Refri geration and Air Conditioning,2009,9 (1):100-104.

[2] 杜塏.制冷空調(diào)裝置控制技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2007.

[3] 白梓運(yùn),陳芝久.電子膨脹閥及其在蒸發(fā)器過熱度自適應(yīng)控制中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào),1996(2):21-24.

BAI Zi-yun, CHEN Zhi-jiu. Electronic expansion valve and its application in evaporation super heat temperature control[J].Heating,Ventilating and Air Conditioning,1996(2):21-24.

[4] STMicroelectronics.L6258EX Datasheet[EB/OL].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/116708/STMICROELECTRONICS/L6258EX.html.

[5] 蔣慶,張慶峰,蔡晉輝,等.電子膨脹閥控制算法驗(yàn)證裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2008(5):89-94.

JIANG Qing, ZHANG Qing-feng, CAI Jin-hui, et al.Design of experiment instrument for the control algorithms of the electronic expansion valve[J].Mechanical & Electrical Engineering,2008 (5):89-94.

[6] 任冬,劉家勝.基于SPI通信的便攜式電子膨脹閥控制器設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011(11):50-54.

REN Dong, LIU Jia-sheng. Portable electronic expansion valve controller design based on SPI communication[J].Industrial Control Computer, 2011 (11): 50-54.

Design of stepper electronic expansion valve controller module based on L6258EX

XU Wen-wen, LIU Ji-ming, ZHOU Zhi-rui
（The Sixteenth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Hefei 230043,China）

A design of the stepper-electronic-expansion-valve-controller module based on L6258EX is put forward，and the realization from function，hardware and software is introduced.The results of experiment show that the module is simple and advanced performance price ratio.

electronic-expansion-valve; L6258EX; electric car air conditioners; single chip

TN702

A

1674-6236(2014)01-0111-03

2013–06–06 稿件編號：201306042

許文文(1985—)，男，安徽廬江人，碩士，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動，空調(diào)系統(tǒng)自動控制。