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

摘要：提出了一種以純電動(dòng)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(jià)比高等特點(diǎn)。

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的日益發(fā)展與進(jìn)步，作為電動(dòng)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(dòng)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(huì)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(hào)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(hào)來進(jìn)行控制，具有與裝置相適應(yīng)的良好特性。在電動(dòng)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(dòng)和變負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性。電子膨脹閥根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同可以分為，電磁式與電動(dòng)式兩種。電磁式電子膨脹閥通過改變線圈的驅(qū)動(dòng)電壓來對(duì)閥門開度進(jìn)行控制。電動(dòng)式電子膨脹閥采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來對(duì)閥門開度進(jìn)行控制。

筆者介紹了一種簡單的電動(dòng)式電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)方案。該方案實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(jià)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(dòng)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(dòng)電路對(duì)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(dòng)電路采用L6258EX作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片。L6258EX能夠驅(qū)動(dòng)雙繞組4級(jí)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。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(dòng)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(dòng)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(dòng)控制電路如圖2所示。

圖中，MO1—MO4為驅(qū)動(dòng)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、IO-4為電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)命令信號(hào)，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;IO-4為驅(qū)動(dòng)電路輸出電流控制命令。通過程序控制PH1、PH2及IO-4相互配合便可實(shí)現(xiàn)電子膨脹閥動(dòng)作。R1、R7為電流信號(hào)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。

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)置了兩種工作模式一既定模式及自動(dòng)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(dòng)模式是電子膨脹閥的開度根據(jù)溫度、壓力信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)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(duì)整機(jī)流程及自動(dòng)模式流程進(jìn)行說明。

2.1 模塊整機(jī)軟件流程

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(hào)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(dòng)模式流程

自動(dòng)控制流程如圖4所示?？刂颇K再接收到自動(dòng)模式命令后，對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，計(jì)算出當(dāng)前的過熱度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)

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(dòng)車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟項(xiàng)目——電動(dòng)轎車空調(diào)系統(tǒng)(JS—109)當(dāng)中。項(xiàng)目所研制的新型電動(dòng)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(gè)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(gè)電子膨脹閥控制模塊構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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(dòng)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。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(dòng)汽車用電子膨脹閥控制，還可應(yīng)用于其他需要對(duì)過熱度進(jìn)行控制的制冷系統(tǒng)。