基于L6258EX的步進(jìn)式電子膨脹閥控制模塊設計

摘要：提出了一種以純電動(dòng)轎車(chē)空調系統為開(kāi)發(fā)背景，基于L6258EX的步進(jìn)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(shí)驗證明該模塊具備結構簡(jiǎn)單、使用方便、精度高、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的日益發(fā)展與進(jìn)步，作為電動(dòng)汽車(chē)的主要部件之一的汽車(chē)空調系統也得到了快速的發(fā)展。目前，國內大多數的電動(dòng)汽車(chē)空調多采用變頻壓縮機與熱力膨脹閥配合的系統模式，但在實(shí)際運行過(guò)程中往往會(huì )出現震蕩現象。振蕩的主要原因是由于膨脹閥容量與系統不匹配或系統處在極不穩定的工況下而造成膨脹閥在最小穩定信號線(xiàn)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(wèn)題。

電子膨脹閥是一種流量調節元件，能夠以電信號來(lái)進(jìn)行控制，具有與裝置相適應的良好特性。在電動(dòng)汽車(chē)空調系統中，電子膨脹閥可按設定的程序進(jìn)行流量調節，保證蒸發(fā)器始終在設定的過(guò)熱度下進(jìn)行工作，大大改善汽車(chē)空調的啟動(dòng)和變負荷動(dòng)態(tài)特性。電子膨脹閥根據驅動(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(guò)改變線(xiàn)圈的驅動(dòng)電壓來(lái)對閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制。電動(dòng)式電子膨脹閥采用步進(jìn)電機驅動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機旋轉來(lái)對閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制。

筆者介紹了一種簡(jiǎn)單的電動(dòng)式電子膨脹閥驅動(dòng)方案。該方案實(shí)際應用時(shí)，電子膨脹閥運行穩定，且具有步距角小、轉矩恒定、功耗低、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

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(jìn)式電子膨脹閥驅動(dòng)功能?？刂颇K通過(guò)檢測蒸發(fā)器的出口壓力和溫度獲得實(shí)際過(guò)熱度值，并與空調系統設定過(guò)熱度值(該值通過(guò)485總線(xiàn)由空調總控制器給定)進(jìn)行比較，最終通過(guò)基于L6258EX的電子膨脹閥驅動(dòng)電路對步進(jìn)式電子膨脹閥進(jìn)行控制。

1.2 L6258EX簡(jiǎn)介

該電子膨脹閥驅動(dòng)電路采用L6258EX作為驅動(dòng)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(dòng)芯片。L6258EX能夠驅動(dòng)雙繞組4級步進(jìn)電機，電壓范圍在12～40 V之間，輸出電流高達1.2 A。L6258EX內部具備DAC、誤差放大、電流閉環(huán)、推挽輸出等功能。因此，只需與簡(jiǎn)單的電容電阻元件就能構成完成的電機控制、驅動(dòng)電路。大大簡(jiǎn)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(chē)空調用電子膨脹閥額定電壓為24 V、額定電流不超過(guò)1 A。故可以通過(guò)L6258EX直接驅動(dòng)電子膨脹閥，無(wú)需附加功率放大器件，節約成本，降低了開(kāi)發(fā)難度。

1.3 電路設計

基于L6258EX芯片的電子膨脹閥驅動(dòng)控制電路如圖2所示。

圖中，MO1—MO4為驅動(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為電子膨脹閥驅動(dòng)命令信號，與單片機連接。其中，PH1、PH2為電子膨脹閥內部步進(jìn)電機的旋轉方向控制引腳;IO-4為驅動(dòng)電路輸出電流控制命令。通過(guò)程序控制PH1、PH2及IO-4相互配合便可實(shí)現電子膨脹閥動(dòng)作。R1、R7為電流信號采集電阻、阻值為0.33 Ω，其他電阻電容參數為均為推薦值。

2 軟件設計

為了便于系統調試及電子膨脹閥專(zhuān)題實(shí)驗開(kāi)展，本控制模塊設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RS485總線(xiàn)接收的電子膨脹閥開(kāi)度命令，強制將電子膨脹閥開(kāi)度限制在設定值，不隨溫度、壓力影響。自動(dòng)模式是電子膨脹閥的開(kāi)度根據溫度、壓力信號進(jìn)行自動(dòng)調節，保證系統的過(guò)熱度滿(mǎn)足系統設定要求。下面只對整機流程及自動(dòng)模式流程進(jìn)行說(shuō)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(jìn)行系統初始化，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，從數據幀取出發(fā)送者地址、命令及所帶參數，并根據命令號調用執行相應的子程序。當子程序執行完畢后，程序將繼續等待其他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，對壓力和溫度信號進(jìn)行采樣，計算出當前的過(guò)熱度Tnow。將當前過(guò)熱度與設定的過(guò)熱度Tset及過(guò)熱度偏差進(jìn)行比較。當滿(mǎn)足(Tset-Ts)

3 應用實(shí)例

該步進(jìn)式電子膨脹閥控制器已經(jīng)成功應用于央企電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟項目——電動(dòng)轎車(chē)空調系統(JS—109)當中。項目所研制的新型電動(dòng)轎車(chē)空調系統具備制熱、制冷及經(jīng)濟氣功能，共需3個(gè)步進(jìn)式電子膨脹閥。因此，我所該空調控制系統由一塊主控板及3個(gè)電子膨脹閥控制模塊構成，具體結構如圖5所示。

經(jīng)過(guò)反復的實(shí)驗證明，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(diǎn)。

4 結論

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