EXV膨胀阀控制器的设计

1、中国计量学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名：杜小涛 学 号：0400101125专业：测控技术与仪器班级：04机测一班设计（论文）题目：EXV膨胀阀控制器的设计指导教师：谷小红二级学院：机电工程学院2008年3月20日1. 文献综述随着科学技术的不断发展，智能化控制已经进入人们日常生活中。如现在的智能冰箱，空 调等都已经引入了智能化设计的实践。现在很多的冰箱，空调等都由一个简单的控制系统来实 现自动控制。我们知道，他们的制冷都是通过制冷酶来实现的， 因此，要实现控制温度的目的， 首先要考虑到的就是对制冷酶的控制。一般的控制系统都采用了步进电机通过单片机控制。即 单片机处理来自温度等外部环境传

2、感器的信号，通过处理输出来控制步进电机的状态，从而实 现制冷酶的控制，最后实现温度控制。步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、 功率驱动电路等组成控制系统方可使用，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 本设计旨在将步进电机的驱动部分集成到一个专用模块中，对于应用人员只要根据特定的控制 目的简单的送出控制信号(包括模拟量和数字量)，通过驱动模块就可以实现控制。电子膨胀阀控制器的产生与发展现有制冷空调系统中的节流装置一一热力膨胀阀是独立于原有制冷空调控制系统，单独作 用于系统，只是对原有控制系统被动的、机械式的反应，存在调节范围小、精度低、滞后大

3、等 缺点。已成为制冷空调系统充分节能优化运行的瓶颈。电子膨胀阀技术是一门取代制冷空调系 统中热力膨胀阀的较先进技术，其技术核心为电子膨胀阀控制装置，现有电子膨胀阀控制装置 是以固定的程序单独对电子膨胀阀进行控制，在使用过程中因系统变化而不能对系统控制参数 进行修改和自适应，只适合特定制冷空调系统，使用很不灵活。同时独立于制冷空调原有控制 系统，使得电子膨胀阀的作用不能充分发挥。用途和效果：弥补了现有制冷系统中热力膨胀阀的不足，本发明提供一种具有按键显示功能，系统故障智能诊断功能，通讯功能的电子膨胀 阀控制器。可通过实现对制冷空调系统制冷剂流量的精确控制来保证蒸发器在较低的出口过热 度下稳定、可

4、靠运行，以充分发挥蒸发器中的换热面积，提高制冷空调系统的整体性能系数， 节约能源。电子膨胀阀介绍电子膨胀阀(electronic expansion valve)是20世纪80年代推出的一种先进的膨胀阀，它按照预设程序调节蒸发器供液量。目前现在我们说的电子膨胀阀通常指的是步进电机 型。它由阀体、阀芯、波纹管、传动机构和脉冲步进电机等组成。因属于电子式调节模式，故称为电子膨胀阀。它适应了制冷机电一体化的发展要求，具有热力膨胀阀无法比拟的优良特性，为冷藏库的智能化控制提供了条件，是一种很有发展前途的自控节能元件。电子膨胀阀 的运转过程需由它的硬件和软件组合来完成。所谓硬件是指传感器、电脑等控制设备

5、和电子膨 胀阀本身；软件是指它的控制算法。电子膨胀阀是国际上八十年代以后推出的一种先进的节流元件，它能精确控制过热度，使蒸发器的传热面积得到充分有效利用，适应制冷装置机电一体化的发展要求。目前研究较多的 是电子膨胀阀的流量特性、控制方式以及其应用面的推广。而其对制冷统产生了哪些影响，目 前还很少见 为了研究对电子膨胀阀对制冷系统的影响，我们做了相关的实验，包括在低温试验台开启制冷系统后改变电子膨胀阀的开度，研究其对制冷系统部件温度和压力的影响，以及 在低温试验台中添加热负荷，通过载入不同的热负荷，来研究制冷系统的运行情况和电子膨胀 阀的控制情况图2-2所示是EXV膨胀阀的图示。其中1是阀内部的

6、线圈组；2是接口，外接电源线和信 号线；3, 4为阀的进出口，是制冷酶流动的管道。接口 2收到的控制信号来驱动内部线圈，达 到对阀体的控制，实现制冷酶的流量控制。图2-2 EXV膨胀阀1线圈；2接口； 3进口； 4.出口由于阀内所用步进电机是四相步进电机，因此有四根相应的信号线A、B、C、D来实现控制，另外两根电源线，给步进电机提供工作电压。因此接线部分是六线制，与之相对应的控制 电路上也是六线制。控制时序如表2-1所示：其中Phase对应步进电机的四相，Excitation mode对应相应的控 制时序。表2-1EXV膨胀阀控制时序PhaseExcitation mode12345678AO

7、NONOFFOFFOFFOFFOFFONBOFFONONONOFFOFFOFFOFFCOFFOFFOFFONONONOFFOFFDOFFOFFOFFOFFOFFONONONMotion sequence:12*3 4 5 6 7 8OPEN8*-7 5 4 3*2 1CLOSE作为制冷装置的膨胀结构和流量调节元件，电子膨胀阀是能够适应以标准电信号传递信息 的电子型控制元件，具有与装置相适应的良好特性。电子膨胀阀可以按预定的调节规则动作， 进行供液量调节，保证蒸发器始终在很小的出口过热度下稳定工作，大大改善制冷装置的启动 和变负荷动态特性。电子膨胀阀具有优良的流量特性 ？，但一直缺乏最有效的控制

8、算法。近年 来有人试图将现代控制理论的算法引人电子膨胀阀的控制，如模糊控制、自校正自适应算法等；在目前实际使用中，电子膨胀阀主要控制方法还是PID控制。但是，由于PID算法不能适应蒸发器过热度对于膨胀阀开度的动态响应非线性的要求，出现了模糊控制和PID控制相结合的方法。国外某些企业细化了 PID的参数，根据蒸发器不同的换热能力而设置不同的PID参数。以上的控制方法因为都考虑了电子膨胀控制与压缩机能力控制之间的关系或电子膨胀的控制 与房间控温之间的关系，使得控制复杂，而且容易受压缩机能力调节和房间控温的干扰而波动， 系统运行的稳定性较差。可是，压缩机的能力输出和一台或多台室内机的控制目标有关，室

9、内 机的控制目标表面上是控制室内温度，实际上是包括控制电子膨胀阀的开度和控制室内的温 度。所以，电子膨胀阀的控制必须处理好压缩机的能力输出和室温控制的关系。通过预测系统 运行的压力对压缩机的能力调节，能够把压缩机的控制和电子膨胀阀的控制独立考虑，降低了系统控制的复杂性。目前国际有关公司研究并公布了电子膨胀阀的控制算法和试验结果，为电子膨胀阀的控制 提供有用的实际例证。近年来就此内容亦开展了相应的研究。国内电子膨胀阀技术有待推广， 而电子膨胀阀技术有待推广，而电子膨胀阀的控制是其推广的关键技术之一。电子膨胀阀按其阀位能否连续变化分为双位式和连续式两类。双位式只有开、关两种状态，其流量控制依靠改变

10、每个控制周期内阀开关两态的时间比PWM ( Pulse Width Modulatio n) 来实现，每个控制周期约为68秒。这种控制方式需要解决由于频繁开关所产生的蒸发温度及 压力的波动，所以，目前使用较多的还是连续式电子膨胀阀。连续式电子膨胀阀按驱动方式的 不同可分为以下四种： 热电式电子膨胀阀它利用电能产生的热力驱动，用双金属片等在不同电流下的热变形的大小差异来推动阀的 动作。早期电子膨胀阀使用此方法。这种驱动方式的缺点在于双金属片在加热变形时存在一 定的滞后，使整个调节系统的响应速度略差。 参考压力型电子膨胀阀其结构与热力膨胀阀相似，不同在于热力膨胀阀介质压力变化由温包感温来实现，而参

11、考 压力型则控制介质中电加热部件中电流大小来实现。 电磁式电子膨胀阀由控制设备来的输出信号经过 D/A转化为电压或电流，施加在膨胀阀的电磁线圈上。由磁 性材料制成的阀杆5受磁力的作用产生位移，带动阀针上下运动，从而使制冷剂的流量发 生变化。制冷剂的流量与施加在电磁线圈上的电压或电流成比例。 为其流量特性。电磁式电 子膨胀阀的结构简单，对信号变化的响应速度快。但在制冷机工作时，需要一直向它提供控 制电压。 电动式电子膨胀阀电动式电子膨胀阀的阀针由电机驱动电子膨胀阀的应用现状目前在冰箱制冷系统中，制冷剂流向控制部件大都是用两位三通电磁阀或双稳态电磁阀， 两种阀的基本原理是：有一个导入口和两个导出口

12、，根据电磁线圈是否施加电信号或电信号的 正负不同，导入口与其中一个导出口接通同时与另外一个到出口断开。这两种电磁阀的缺点是：（1）驱动信号是交流信号，干扰大，功耗大；（2）抗干扰能力低，由于电网交流电的干扰信号，可能使阀产生误动作；（3）只有两个导出口，流向控制方式单一，不能满足一些复杂冰箱 系统的控制要求（对于切换阀而言）；（4）换向时阀芯的撞击噪声大。为了克服以上电磁阀的缺点，近两年来，冰箱系统开始应用一种新型的阀一一电子膨胀阀， 该阀利用步进电机原理，用线圈驱动转子部件转动，带动滑块，从而控制导入口与多个导出口 的通断关系。该阀在整体功能和性能上都有和很大的提高，但该阀也有以下缺点：（1

13、）阀的控制部分与阀体未能集成为一体，两者之间至少需要2根电源线和4根步进电机驱动信号线相连， 控制信号复杂，成本高；（2）由于步进电机的驱动信号是一定时序的方波信号，而且驱动电流 达到0.10.3A,在较长的传输线上势必会产生干扰和辐射；（3）电子膨胀阀的驱动方法和策略 都由冰箱控制器主控板来实现，由于不同厂家的控制电路和控制方法不同，造成同一规格的阀 在不同规格的冰箱控制板上反映的特性不一致；（4）步进电机在回零位时，为保证转子可靠归零，通常给步进电机加过多的反向驱动脉冲，势必造成转子在到达零位后，仍然不断撞击限位 机构，产生噪音并影响部件寿命；（5）步进电机的驱动方法和策略比较复杂，占用了

14、冰箱控制器 的大量硬件资源和软件资源，同时对开发人员的经验要求很高，稍有疏忽可能造成对电子膨胀阀 的潜在失控。步进电机在流量控制方面已经有很多的应用，由于步进电机特殊优点，如1 不需要反馈，控制简单。2与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。3没有角累积误差。4. 停止时也可保持转距。5没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6. 即使没有传感器，也能精确定位。7. 根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。特别适合于自动化及高精度控制，比其他电机在控制流量方面更有得天独厚的优势所在。荷兰 Imran Fazal, Marcus Louwerse, Henri

15、Jansen and Miko Elwenspoe在高压力差，高精度流量 控制方面有很积极的探索，并提出了在高流量压差的情况下实现高精度的控制及低泄漏，良好 隔离的措施，他们的试验数据显示设计于要求基本符合。他们正是利用了步进电机在流量控制 方面的优势，如静力矩使得阀在中间态时不需要任何的电源消耗就能保持其状态。步进电机驱动及相关控制技术已经比较成熟。控制方面主要依赖于单片机技术的发展，而 仅仅实现步进电机控制的单片机要求并不高，大多数现在用的单片机都能实现。而驱动电路方 面，现在已经有专门用于步进电机控制的专用集成芯片。这些集成芯片起到一下作用：1起到隔离电压的作用。步进电机的工作电压一般从

16、十几伏到几十伏不等，而单片机电 路的工作电压一般为五伏。因此，当步进电机的工作电压连到单片机上时会导致单片机烧坏。 而现在一般这类专用芯片都能实现电压隔离作用。2, 功率放大作用。步进电机的驱动电压要高于一般单片机输出的逻辑电平，因此要对逻 辑电压进行放大处理，以便驱动步进电机。以前的步进电机驱动技术有光电隔离和功率放大电路组成，而现在的集成芯片就能完成这两种功能，不但经济而且使用方便。步进电机的介绍：步进电机是将输入的电脉冲（数字控制信号）转换成角位移或直线位移的伺服电机，他本 生就是一个完成数/模转换的执行元件。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及 频率成正比。并在时间上与输入脉

17、冲同步。只要控制输入脉冲的频率以及电机绕组通电相序即 可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。1）步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂 时给出了一个步距角的值,女口 86BYG250A型电机给出的值为 0. 9 ?1.8 （表示半步工作时 为0. 9。、整步工作时为1. 8 ）,这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是 电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2）步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相 数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步

18、距角为0. 9 ?1. 8、三相的为0. 75 ?1. 5、 五相的为0. 36 ?0.72。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足 自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，贝相数将变得没有意义，用户只需在驱动器 上改变细分数，就可以改变步距角。2研究内容2.1基本思路和方法：根据任务要求，我以单片机为核心的通用的 EXV膨胀阀驱动器的设计, 以提高阀的可靠性并产生模块效应。思路为：由传感器（温度传感器）组成的采集模块采集到 的数据经过处理送入 MCI中处理，输出供驱动的双环形脉冲，再经过驱动模块驱动步进电机， 从而控制膨胀阀。22主要功能：EXV膨胀阀通用驱动器，提高阀的可

19、靠性并产生模块效应。3 可行性分析与设计原理目前EXV膨胀阀在流量控制方面已经有了较为广泛的应用，但是目前市面上的EXV膨胀阀和驱动器大多数都是分离的，也就是说厂家买了一款EXV膨胀阀要组织人力物力开发驱动器， 所以设计一种通用的EXV膨胀阀的驱动模块有市场价值，设计在现有技术上很容易实现，顾该 方案可行 控制方法归纳起来，已见报道的控制方法，就控制系统组成而言有过热度闭环反馈控制，也有反馈 加前馈的复合控制。就控制算法而言，有PID控制，还有模糊控制。最为常用的是闭环反馈PID 控制。控制参数在采用电子膨胀阀实施流量调节时，根据所用的传感器不同，控制参数有两中情况。一种是用一只压力传感器和一

20、只温度传感器，分别检测蒸发器出口处的制冷剂压强P2和温度t2，P2即为蒸发压强Pg。将Pg换算成对应的制冷剂饱和温度tg，再计算温差（t2-tg ）， 并以此为控制参数，即为真实过热度。另一种情况是用两只温度传感器分别测制冷剂在蒸发器入口处的温度和出口处的温度，计 算温差，并以此为控制参数，显然它与真实过热度存在偏差。第一种情况能的都真实的过热度，但检测要用压力传感器，价格高；压力传感器要从制冷 系统内部获取信号，安装麻烦，测的压力还需进行温度换算，应用不便。第二种情况方法简单， 费用底。避免了上述麻烦。虽然控制参数不是真实的过热度，但是在可以接受的范围内，是首选力。具体实现方法温度传感器感受

21、到过热度信号并将其转化为电信号，之后经过A/D转换为数字信号后输入MCI等控制设备，控制设备就利用已经输入其中的控制算法对输入信号进行处理，以得到输出信号，此输出信号通过脉冲的形式或经过 D/A转换为模拟信号后去控制电子膨胀阀。 温度传感器通常采用热电偶或热电阻。两个测温触点分别布置于蒸发器的进口和出口。由于蒸 发器管壁的传热温差较小，所以两个测温触点能够准确反应蒸发器的过热度。设计（论文）提纲序言 主要介绍目前在这方面发展的形势和情况，应用的创新技术，比较它们的优缺点， 然后借鉴那些比较有先进性的地方。第一章1.1设计任务1.2设计要求1.2.1 基本要求1.2.2发挥部分1.3总体介绍如何

22、做此课题，掌握一个整体概念。第二章设计原理2.1，EXV 膨胀 阀控制 器用单片机怎么实现的，具体原理是什么，有哪些方案，比 较方案，用的什么方案比较有优势。以及一些相关的电路图第三章硬件电路具体设计方案3.1电源电路设计 产生5V电压和12V电压。其中5V电压供单片机，铁贮的电源。12V电 压给驱动模块以及驱动电机提供电源；3.2中央处理模块设计处理来自数据采集模块来的信号，并输出供驱动的双环形脉冲；3.3设计驱动模块 产生可以驱动步进电机的电平信号；3.4设计步进状态贮藏模块3.5整合电路5. 实施计划3月27日之前交开题报告第6周：资料的查询、整理，题目可行性的分析，基本方案的确定，并做出简单 的功能划分；第7周：进一步完善设计方案，完成功能模块流程图的绘制；第8周-第9周：协助做硬件的同学完成硬件的组装和调试，进一步完善功能结构，最终完成 流程图的绘制和编写软件的前期的准备。第