基于L6258EX的步進式電子膨脹閥控制模塊設計

摘要：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的步進式電子膨脹閥控制模塊設計方案，介紹了該方案的功能、硬件及軟件設計方法。實驗證明該模塊具備結構簡單、使用方便、精度高、性價比高等特點。

隨著電動汽車行業(yè)的日益發(fā)展與進步，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)多采用變頻壓縮機與熱力膨脹閥配合的系統(tǒng)模式，但在實際運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，能夠以電信號來進行控制，具有與裝置相適應的良好特性。在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中，電子膨脹閥可按設定的程序進行流量調(diào)節(jié)，保證蒸發(fā)器始終在設定的過熱度下進行工作，大大改善汽車空調(diào)的啟動和變負荷動態(tài)特性。電子膨脹閥根據(jù)驅動方式不同可以分為，電磁式與電動式兩種。電磁式電子膨脹閥通過改變線圈的驅動電壓來對閥門開度進行控制。電動式電子膨脹閥采用步進電機驅動，通過步進電機旋轉來對閥門開度進行控制。

筆者介紹了一種簡單的電動式電子膨脹閥驅動方案。該方案實際應用時，電子膨脹閥運行穩(wěn)定，且具有步距角小、轉矩恒定、功耗低、性價比高等優(yōu)點。

1 硬件設計

1.1 硬件電路原理

電子膨脹閥控制模塊的硬件結構圖如圖1所示。

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

1.2 L6258EX簡介

該電子膨脹閥驅動電路采用L6258EX作為驅動控制芯片。L6258EX是由意法半導體公司生產(chǎn)的一種高效，大電流電機驅動芯片。L6258EX能夠驅動雙繞組4級步進電機，電壓范圍在12～40 V之間，輸出電流高達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成完成的電機控制、驅動電路。大大簡化了硬件設計的復雜性、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 電路設計

基于L6258EX芯片的電子膨脹閥驅動控制電路如圖2所示。

圖中，MO1—MO4為驅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、IO-4為電子膨脹閥驅動命令信號，與單片機連接。其中，PH1、PH2為電子膨脹閥內(nèi)部步進電機的旋轉方向控制引腳;IO-4為驅動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。

2 軟件設計

為了便于系統(tǒng)調(diào)試及電子膨脹閥專題實驗開展，本控制模塊設置了兩種工作模式一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，強制將電子膨脹閥開度限制在設定值，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、壓力信號進行自動調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的過熱度滿足系統(tǒng)設定要求。下面只對整機流程及自動模式流程進行說明。

2.1 模塊整機軟件流程

控制模塊的整機軟件流程如圖3所示。模塊上電后，首先進行系統(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)行相應的子程序。當子程序執(zhí)行完畢后，程序將繼續(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行采樣，計算出當前的過熱度Tnow。將當前過熱度與設定的過熱度Tset及過熱度偏差進行比較。當滿足(Tset-Ts)

3 應用實例

該步進式電子膨脹閥控制器已經(jīng)成功應用于央企電動車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟項目——電動轎車空調(diào)系統(tǒng)(JS—109)當中。項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)濟氣功能，共需3個步進式電子膨脹閥。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成，具體結構如圖5所示。

經(jīng)過反復的實驗證明，這種基于L6258EX的步進式電子膨脹閥控制器在制熱、制冷及經(jīng)濟氣這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、響應快、精度高等特點。

4 結論

本控制器采用L6258EX芯片作為驅動芯片，采用STC12C5A32AD作為控制芯片進行設計。電路性能穩(wěn)定，結構簡單，可靠性高?？刂破骶邆湟欢ǖ耐ㄓ眯?，在實際應用中，不僅可以應用于電動汽車用電子膨脹閥控制，還可應用于其他需要對過熱度進行控制的制冷系統(tǒng)。