CN101900464B - 电子膨胀阀的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子膨胀阀的控制系统，包含：传感器，用于感测并采集外部参数并将其转化为电信号输入到所述控制系统中；人机界面输入设备，用于人工手动将外部控制信号输入到所述控制系统中；控制主板，该控制主板包含微控制单元和功率驱动模块，微控制单元用于对通过传感器采集的信号或通过人机界面输入设备输入的外部控制信号进行转化和处理，并输出一第一控制信号到功率驱动模块中，功率驱动模块输出一第二控制信号；驱动板，该驱动板包含用于驱动步进电机的步进电机驱动模块，该步进电机驱动模块接收第二控制信号，并输出一控制电子膨胀阀的动作的第三控制信号。根据本发明的电子膨胀阀控制系统中的驱动板不包含MCU，降低了制造成本，同时使得信号的传输过程中控制信息不会丢失且无需经过多次转换，从而保证了控制精度。

Description

电子膨胀阀的控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于制冷设备中的电子膨胀阀的控制系统，更确切地说，涉及电子膨胀阀的电子控制系统中改进的驱动板电路。

背景技术

热力膨胀阀很早就已经被广泛地应用于制冷和空调行业，用于过热度及制冷剂流量的控制。但是随着对于高能效比、精确的温度控制、宽的操作范围，以及要求整合诸如远程控制、故障诊断等新功能的要求，传统的机械式热力膨胀阀已不能满足工业控制的需要，而以电子方式控制的电子膨胀阀的使用就成为必然趋势。如今，电子膨胀阀已广泛应用在制冷领域，其作用是调节流入蒸发器的制冷剂的流量，向蒸发器提供最合适的制冷剂，保证制冷系统的稳定运行。大多数电子膨胀阀可在10％--100％的范围内进行精确调节，且调节范围可根据不同产品的特性进行设定。而且，电子膨胀阀还可以满足不同种工质的应用需求，其应用范围及使用灵活性远超过热力膨胀阀。

图1示出了现有技术中常用的电子膨胀阀的控制系统的结构框图。

如图1所示，电子膨胀阀109的控制系统101包括以下几部分：传感器102，用于感测并采集外部温度和压力并将其转化为电信号输入控制系统101中；人机界面HMI输入设备103，用于人工手动输入外部控制信号；控制主板104，其中包含第一微控制单元(MCU)105，用于对所采集的信号或输入的外部控制信号进行转化和处理，并进行输出；以及驱动板106，其中包含第二微控制单元(MCU)107和用于驱动两相步进电机的步进电机驱动模块108，第二微控制单元107接收来自控制主板104的输出信号并进行处理，然后输出给步进电机驱动模块108用于控制信号驱动步进电机的运动，从而进一步控制电子膨胀阀109的动作。在不使用外部控制信号的时候，电子膨胀阀的控制系统可根据其采集的温度和压力信号，对电子膨胀阀进行自动控制。此时，对于使用该控制系统的使用者来说，控制系统内部的控制原理是未知的。如果使用者希望电子膨胀阀按照自己所需的要求和方法进行工作，可以通过向控制系统的人机界面HMI输入设备103输入外部的控制信号，来进行所需的控制。在控制系统101中，控制主板104和驱动板106之间的接口方式主要有4～20mA输入、0～5V输入、或者是RS485的通讯方式。无论采用那种方式，控制信号都要经过多次转换才能送到步进电机驱动模块108上。在转换的过程中会使控制信息丢失，从而影响控制精度。

例如，当需要将一个电子膨胀阀的开度值送到驱动板106时，控制主板104需要将这个开度值转换为4～20mA的信号，然后再将这个信号输出给驱动板106。驱动板106上的第二微控制单元107接收到这个信号后，再将这个信号转换为相应的控制信号，然后去控制步进电机驱动模块108，使电子膨胀阀109转动到相应的位置。上述控制信号在传输过程中经过了两次转换，在转换的过程中会使控制信息丢失，从而影响控制精度。

发明内容

为了能克服上述缺点，本发明提出一种新的电子膨胀阀的控制系统，利用该控制系统可以实现对电子膨胀阀的动作进行控制。

本发明的电子膨胀阀的控制系统，包含：传感器，用于感测并采集外部参数并将其转化为电信号输入到所述控制系统中；人机界面输入设备，用于人工手动将外部控制信号输入到所述控制系统中；控制主板，该控制主板包含微控制单元和功率驱动模块，微控制单元用于对通过传感器转化的电信号或通过人机界面输入设备输入的外部控制信号进行转化和处理，并输出一第一控制信号到功率驱动模块中，功率驱动模块输出一第二控制信号；驱动板，该驱动板包含用于驱动步进电机的步进电机驱动模块，该步进电机驱动模块接收第二控制信号，并输出一控制电子膨胀阀的动作的第三控制信号。

根据本发明的一个方面，所述外部参数包括出水温度、环境温度、排气温度、回油温度、油槽温度、液路温度、回水温度、吸气压力、排气压力和压缩机马达电流。

根据本发明的另一方面，其中所述功率驱动模块是高压大电流达林顿晶体管阵列电路。

根据本发明的另一方面，其中所述高压大电流达林顿晶体管阵列电路是ULN2003。

根据本发明的另一方面，其中所述步进电机驱动模块是L6208。

根据本发明的另一方面，其中所述控制主板与驱动板之间的接口方式为I/O接口。

根据本发明的另一方面，其中控制主板的输出与驱动板中的步进电机驱动模块的输入之间通过光电耦合器进行隔离。

根据本发明的另一方面，其中所述微控制单元根据通过传感器转化的电信号或通过人机界面输入设备输入的外部控制信号计算电子膨胀阀的目标开度值。

根据本发明的另一方面，其中所述的微控制单元通过比较所述的电子膨胀阀的目标开度值和电子膨胀阀的当前开度值的大小来输出所述的第一控制信号。

根据本发明的另一方面，其中所述的第一控制信号包含使能或禁能所述的步进电机驱动模块的使能信号(EN)、时钟信号(CLK)和控制电子膨胀阀正反转的方向信号(CW)。

根据本发明的电子膨胀阀控制系统中的驱动板包含用于驱动步进电机的步进电机驱动模块，而不包含MCU。图1所示的现有技术方案中原先由驱动板中的MCU执行的功能现在改由控制主板上的MCU来执行。这样由于省去了电子膨胀阀驱动板上的MCU及相关元器件，降低了驱动板的制造成本。

另外，控制主板与驱动板之间采用I/O接口而不使用传统的4～20mA或0～5V等信号接口。并且，在控制主板上设置一功率驱动模块，通过功率驱动模块的输出端口实现控制信号的输出。由于功率驱动模块具有高耐压、大电流输出等特性，因此这种接口方式比普通的I/O接口抗干扰能力更强，而且结构也比较简单。更重要的是，通过I/O接口，可以实现对电子膨胀阀的单步控制，比传统控制方案的精度大为提高。

另外，控制主板的控制信号输出与驱动板的控制信号输入电路通过光电耦合器进行隔离，阻断了干扰信号的传播途径，提高了控制系统的抗干扰能力。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是现有技术中的电子膨胀阀的控制系统的结构框图；

图2是根据本发明的电子膨胀阀的控制系统的结构框图；

图3是说明控制主板中的MCU和功率驱动模块的输入输出信号示意图；

图4是控制主板与驱动板中的步进电机驱动模块之间的连线示意图；

图5是驱动板的输入控制信号的电路图；

图6是电子膨胀阀的驱动控制程序的软件结构图；以及

图7是电子膨胀阀的驱动程序的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

下面结合附图对本发明做更为详尽的说明。

图2示出了根据本发明的电子膨胀阀的控制系统的结构框图。

如图2所示，根据本发明的电子膨胀阀的控制系统201包含传感器202、人机界面HMI输入设备203、控制主板204和驱动板206，该控制系统201用来控制电子膨胀阀209的动作。和图1所示的本领域中现有的常规控制系统相类似，人机界面HMI输入设备203用于人工手动输入控制信号，传感器202用于采集外部系统中布置的各个传感器的信号。

控制主板204采集例如出水温度、回水温度、环境温度、排气温度、 回油温度、油槽温度、液路温度、吸气压力、排气压力、压缩机马达电流等数据。控制主板204利用采集到的这些数据计算出过热度、过冷度、小温差、压缩机负荷等数据。通过传感器202和控制主板204采集的各种数据以及计算得到的各种数据，采用相应的算法，就可以计算出电子膨胀阀应该处在的位置，再通过驱动板206输出相应的驱动信号来控制电子膨胀阀209，使电子膨胀阀动作，例如正转或反转。

根据本发明的驱动板206省去了现有技术中所需的第二微控制单元(MCU)，将原先由驱动板中的MCU执行的功能改由控制主板上的MCU来执行。此外，在控制主板204中增加了一个功率驱动模块207。控制主板204中的MCU 205将计算出的电子膨胀阀的位置信号通过功率驱动模块207的增强作用后直接输送到驱动板206中的步进电机驱动模块208来控制电子膨胀阀209的动作。在这里，所增加的功率驱动模块只起到增强信号传输能力的作用。因此，在信号的传输过程中控制信息不会丢失且无需经过多次转换，从而保证了控制精度。并且能真正表达控制者的控制意图。

图3具体示出了控制主板204中的MCU 205和功率驱动模块207的输入输出信号示意图。

如图2和图3所示，功率驱动模块207位于控制主板204上并由控制主板204的MCU 205进行控制。功率驱动模块207例如可选用本领域中已知的由美国Texas Instruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路ULN2003。ULN2003由七个硅NPN达林顿管组成，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，用于各种高速大功率驱动的系统。控制主板与驱动板之间采用I/O接口而不使用传统的4～20mA、0～5V或者是RS485等接口方式。此外，利用了功率驱动模块的接口方式比传统的I/O接口方式具有更强的抗干扰能力，并且具有更强的驱动能力。更重要的是，通过I/O接口，可以实现对电子膨胀阀的单步控制，比传统控制方案的精度大为提高。

MCU 205根据不同的工况利用采集的信号进行计算，输出第一控制信号，该第一控制信号包括一组使能信号(EN)、时钟信号(CLK)和方向信号(CW)值，这一组值通过MCU 205的相应EN、CLK和CW端口输出，然后再送到控制主板204中的功率驱动模块207的相应输入端中进行信号增强。功率驱动模块207的5C、6C、7C和COM端输出用于控制驱动板206的第二控制信号，该第二控制信号包括供驱动板206使用的时钟信号(CLK)、控制电子膨胀阀正反转的方向信号(CW)、使能信号(EN)，以及电源VC信号，其中具体地：

CLK：电子膨胀阀的步进电机脉冲输入信号，每输入一个脉冲使电机前进一步；

CW：电子膨胀阀的步进电机方向控制信号。当该信号为高电平时电子膨胀阀正转，当该信号为低电平时电子膨胀阀反转；

EN：使能/禁能步进电机驱动模块208的信号。当该信号为高电平时电机相电流被切断，电子膨胀阀的转子处于自由状态；

VC：公共端(电源)。

图4进一步地示出了控制主板与204驱动板206中的步进电机驱动模块208之间的连线示意图。

如前所述，根据本发明的驱动板206中不包含微控制单元(MCU)。步进电机驱动模块208)接收所述的第二控制信号，并输出控制电子膨胀阀209动作的第三控制信号。驱动板206的两相步进电机的步进电机驱动模块208例如可采用L6208。L6208是一款功能完善的用于控制两相步进电机的步进电机驱动模块，其控制接口方便，外围电路简单，易于设计。

驱动板206左侧的四个端子VC、EN、CW和CLK的定义在图3中已经阐明，这里不再重复。驱动板206右侧的端子的定义如下：

1A/2A，1B/2B：电子膨胀阀的电机电源线，连接到两相混合式步进电动机401；

L，N：步进电机驱动模块208的电源输入402，该电源可以是18V交流电源或24V直流电源。

图5更具体地示出了驱动板206的输入控制信号的电路图。

图5中，R8、R9、R10、R11、R12和R13为保护电阻器，用于保护光电耦合器PH1、PH2和PH3。R4、R5、R14和R15为信号取样电阻器，用于信号取样。PH1、PH2和PH3为光电耦合器，控制主板204(如图2所示)发送过来的控制信号EN、CW和CLK，分别经过光电耦合器PH1、PH2和PH3进行隔离，然后送到步进电机驱动模块208的相应控制端。光电耦合器PH1、PH2和PH3阻断了干扰信号的传播途径，提高了驱动板的抗干扰能力。

在根据本发明的电子膨胀阀驱动系统中，通过在控制主板中的MCU植入驱动程序来直接产生控制电子膨胀阀动作的控制信号。然后再将该控制 信号通过功率驱动模块进一步增强后，输入到驱动板中以驱动电子膨胀阀的动作。这样，省略了驱动板中用于计算控制信号的MCU，使得原先由驱动板中的MCU执行的功能现在改由控制主板上的MCU来执行，降低了成本，使控制信号无需经过多次转换而直接输送到驱动板，保证了信号稳定且正确地传输，从而保证了信号的精度。

下面对电子膨胀阀的驱动系统的软件控制做出说明。

图6示出了电子膨胀阀的驱动控制程序的软件结构图。如图6所示，整个控制程序包括电子膨胀阀控制程序和电子膨胀阀驱动程序。电子膨胀阀控制程序通过控制主板采集的各种数据以及计算得到的各种数据，采用相应的算法，计算得到电子膨胀阀应该具有的开度，也就是目标开度。更详尽地说，这里控制主板采集系统的出水温度、环境温度、排气温度、回油温度、油槽温度、液路温度、回水温度、吸气压力、排气压力、压缩机马达电流，通过采集到的这些数据计算出过热度、过冷度、小温差、压缩机负荷等数据。

接下来，电子膨胀阀驱动程序根据电子膨胀阀控制程序所计算出来的目标开度和当前电子膨胀阀的开度计算出具体的行进步数，然后控制电子膨胀阀驱动板。驱动板接收到信号后，采取相应的动作，从而使电子膨胀阀转动。在电子膨胀阀驱动程序中，程序通过比较目标开度与当前开度的大小来决定电子膨胀阀是正转还是反转，当电子膨胀阀的当前开度已经达到了最大的开度或者是最小的开度，或者是达到了目标开度时，电子膨胀阀就保持当前的状态，不转动，通过把使能信号禁能和不输出时钟信号可实现这样的目的。

图7具体示出了上述电子膨胀阀的驱动程序的流程图。

如图7所述，在步骤701进入该驱动程序。在步骤702中比较目标开度与当前开度的大小，如果电子膨胀阀的当前开度已经达到了最大的开度，则直接进入步骤705，将使能信号EN禁能和不输出时钟信号CLK，然后程序进入步骤710返回。否则，如果判断电子膨胀阀的当前开度是否已经达到最小的开度，如果已达到最小的开度，则直接进入步骤705，将使能信号EN禁能和不输出时钟信号CLK，然后进入步骤710返回。若未达到最小的开度，则在步骤704中判断电子膨胀阀的当前开度是否已经达到了目标开度。若已达到目标开度，则直接进入步骤705，将使能信号EN禁能和不输出时钟信号CLK，然后进入步骤710返回。若仍未达到目标开度，则进 入步骤706进行下一步的比较。在步骤706中，若判断出电子膨胀阀的目标开度比当前的开度大，说明电子膨胀阀仍未达到目标开度，需要进一步驱动电机使得膨胀阀进一步打开。则程序进入步骤707，将使能信号EN使能并使方向信号CW输出开信号。然后进入步骤708输出时钟信号CLK，即使得时钟信号CLK输出方波，从而驱动电机前进一步。最后进入步骤710返回。如果在步骤706中判断出电子膨胀阀的目标开度并不比当前的开度大，则说明电子膨胀阀需要反转以减小当前的开度。则程序进入步骤709，将使能信号EN使能，并使方向信号CW输出关信号。然后进入步骤708输出时钟信号CLK，即使得时钟信号CLK输出方波，从而驱动电机前进一步。最后进入步骤710返回。

通过上述流程图，实现了通过驱动程序控制电子膨胀阀的开度，最终使其达到所需的目标开度。

由上述电子膨胀阀驱动程序运行得出的控制信号输出到电子膨胀阀驱动板，这些控制信号全部是通过I/O模拟的方式输出的。

将上述电子膨胀阀驱动程序存储在MCU 205(如图2所示)中的定时器的定时中断程序内。MCU 205执行上述驱动程序，并根据不同的工况输出相应的一组使能信号(EN)、时钟信号(CLK)和方向信号(CW)值，这一组值通过MCU 205的相应EN、CLK和CW端口输出，然后再送到功率驱动模块207的相应输入端中进行信号增强。在上述驱动程序中，可以在程序中分别对应于MCU 205的EN、CLK和CW三个信号输出端口设立三个标志位EN_FLAG、CLK_FLAG和CW_FLAG。每次定时中断，电子膨胀阀驱动程序执行一次，通过对目标开度与当前开度的判断，来设置EN_FLAG、CLK_FLAG、CW_FLAG三个标志位的状态。如果标志位的状态发生改变，则MCU 205与之对应的输出端口的状态也会发生改变。MCU通过这三个输出端口进而控制功率驱动模块207，功率驱动模块207的相应输出端口就会产生对应的电平变化，从而控制电子膨胀阀驱动板206(如图2所示)。

如果定时中断程序设置为每3ms发生一次中断的话，那么驱动电子膨胀阀驱动板的时钟信号的最快输出周期为6ms，这也就是电子膨胀阀动作一步所需要的时间。因此，在1秒中内电子膨胀阀可以转动160步以上。如果系统有精确调整的需求，通过对驱动程序进行进一步的控制，电子膨胀阀也可以通过本发明采用的I/O接口方式来进行单步调节，大大提高了电子膨胀阀的应用灵活性。

本发明的上述具体实施例在此用于描述本发明，而非意在将穷尽本发明或将本发明限制在这里所披露的某些具体的实施方式上。本领域技术人员可以明白的是，根据本发明的教导可以有多种变型或改变。选择这些实施例只是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得本领域其他技术人员可以更好地利用本发明。例如，本发明的实施例中选用的两相步进电机的步进电机驱动模块6208和用作功率驱动模块的高压大电流达林顿晶体管阵列电路ULN2003只是作为示例，本领域技术人员显然可采用其他的步进电机驱动模块或功率驱动模块来实现相同的功能或达到相同的技术效果。再比如，步进电机并不局限于两相步进电机，其他类似的电机也是可以的。具有各种变化形式的各种实施例都是适合于这一应用的。本发明的范围由附属的权利要求及其等效物所限定。

Claims (10)

1.一种电子膨胀阀的控制系统(201)，包括：

传感器(202)，用于感测并采集外部参数并将其转化为电信号输入到所述控制系统(201)中；

人机界面输入设备(203)，用于人工手动将外部控制信号输入到所述控制系统(201)中；

控制主板(204)，包含微控制单元(205)和功率驱动模块(207)，所述微控制单元(205)用于对通过传感器(202)转化的电信号或通过人机界面输入设备(203)输入的外部控制信号进行转化和处理，并输出一第一控制信号到所述功率驱动模块(207)中，所述的功率驱动模块(207)输出一第二控制信号；以及

驱动板(206)，包含用于驱动步进电机的步进电机驱动模块(208)，所述步进电机驱动模块(208)接收所述的第二控制信号，并输出一控制电子膨胀阀的动作的第三控制信号。

2.根据权利要求1所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述外部参数包括出水温度、环境温度、排气温度、回油温度、油槽温度、液路温度、回水温度、吸气压力、排气压力和压缩机马达电流。

3.根据权利要求1所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述功率驱动模块(207)是高压大电流达林顿晶体管阵列电路。

4.根据权利要求3所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述高压大电流达林顿晶体管阵列电路是ULN2003。

5.根据权利要求1所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述步进电机驱动模块(208)是L6208。

6.根据权利要求1所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述控制主板(204)与驱动板(206)之间的接口方式为I/O接口。

7.根据权利要求1所述的电子膨胀阀的控制系统，其中控制主板(204)的输出与驱动板(206)中的步进电机驱动模块(208)的输入之间通过光电耦合器进行隔离。

8.根据权利要求1所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述微控制单元(205)根据通过传感器(202)转化的电信号或通过人机界面输入设备(203)输入的外部控制信号计算电子膨胀阀的目标开度值。 

9.根据权利要求8所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述的微控制单元(205)通过比较所述的电子膨胀阀的目标开度值和电子膨胀阀的当前开度值的大小来输出所述的第一控制信号。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的电子膨胀阀的控制系统，其中所述的第一控制信号包含使能或禁能所述的步进电机驱动模块(208)的使能信号(EN)、时钟信号(CLK)和控制电子膨胀阀正反转的方向信号(CW)。 

Images