CN107763284B - 电子膨胀阀、控制系统以及控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电子膨胀阀，包括步进电机和传感器，步进电机包括转子和定子，转子包括永磁体，传感器设置于永磁体的外围，传感器和转子径向排布，定子和传感器轴向排布，传感器的主体部的长度和导磁部的长度之和小于转子的长度；这样的结构可以减少步进电机的工作环境对于传感器在检测信号时候的影响。

Description

电子膨胀阀、控制系统以及控制系统的控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种汽车领域，具体涉及一种控制系统及控制方法。

【背景技术】

电子膨胀阀包括步进电机，步进电机由控制器控制转动，在步进电机转动的过程中遇到障碍物时步进电机会发生堵转。在电子膨胀阀发生堵转时，如果控制器不能正确的检测到堵转并采取相应的措施，电子膨胀阀的工作将出现异常；或者如果控制器误报了步进电机的堵转信息，也会导致电子膨胀阀的工作异常。

因此，有必要对现有的技术进行改进，以解决以上技术问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种电子膨胀阀、控制系统和控制方法，能够提高检测到步进电机的堵转信号的精度，抗电磁干扰能力强。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电子膨胀阀，包括步进电机、传感器以及电路板，所述步进电机包括转子和定子，所述转子包括永磁体，所述永磁体包括至少两对磁极，所述定子包括线圈和导磁部，所述导磁部设置于所述永磁体外围，所述传感器设置于所述永磁体的外围，所述传感器位于所述导磁部的一端，所述传感器包括主体部和连接部，所述连接部和所述线圈均与所述电路板电连接，所述主体部用于感应所述永磁体的磁极变化，所述主体部的长度和所述导磁部的长度之和小于所述永磁体的长度。

本发明还公开了一种控制系统，所述控制系统包括步进电机、控制器以及传感器，所述步进电机包括转子和定子，所述转子包括永磁体，所述传感器设置于所述永磁体的外围，所述传感器感应所述转子的磁场变化并得到反馈信号；所述控制系统工作时，所述控制器实时采集所述反馈信号并得到每一个所述反馈信号的运行持续时间，所述控制器预存有第一时段，所述微处理器判断所述运行持续时间是否等于所述第一时段，如果是，判断所述电子膨胀阀为正常工作，如果否，判断所述电子膨胀阀发生堵转，所述控制器发出堵转信号。

本发明还公开一种控制系统的控制方法，所述控制系统包括控制器、步进电机、传感器、阀体以及阀针，所述步进电机包括转子和定子，所述转子与所述阀针连接设置，所述阀体和所述定子连接设置，所述阀体成形有第一流通通道和第二流通通道，所述阀针和所述阀体配合连通或者截断第一流通通道和第二流通通道，所述传感器检测所述转子的磁极变化并生成反馈信号，所述控制方法包括以下步骤：

启动控制系统，转子带动阀针从阀针上次工作停止的某一位置运行到上止点，再运行到下止点，并停止在下止点；定义阀针停止在下止点的位置为机械零点；再次启动控制系统，转子带动阀针自下止点向上止点运动，同时检测反馈信号，在所述第一流通通道和所述第二流通通道连通前，定义反馈信号在阀针向上运动的过程中信号跳变的点为霍尔原点；定义霍尔零点至第一流通通道和所述第二流通通道连通时阀针所在的点之间的脉冲的数量为开发脉冲。

与现有技术相比，本发明的电子膨胀阀，采用独立的霍尔元件进行检测，减少电子膨胀阀的工作条件对检测的影响。

【附图说明】

图1是本发明的电子膨胀阀的一种系统框图；

图2是本发明的电子膨胀阀的一种实施方式的结构示意图；

图3是图2中的局部结构示意图；

图4是图2中注塑部和传感器的组合结构示意图；

图5是图4的组合结构与电路板的组合结构示意图；

图6是图2中转子的一种实施方式的结构示意图；

图7是图1中传感器的一个结构示意图；

图8是电子膨胀阀的步进电机运行步数、转子磁极以及反馈信号在时间上的对应关系；

图9是电子膨胀阀控制原理图；

图10是电子膨胀阀发生堵转的控制流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

参见图1，电子膨胀阀包括步进电机10。一控制器20采集步进电机10运行信号，根据采集到的步进电机10的运行信号对步进电机10发出不同的控制信号，这样控制器20对步进电机10形成控制。电源向步进电机10和控制器20供电。控制器20可以设置在电子膨胀阀也可以不设置在电子膨胀阀，而是设置在电子膨胀阀应用的系统中，在电膨胀阀设置有接收控制信号并将控制信号转化为驱动信号的驱动器，这样同样能实现发明目的。

参见图2，电子膨胀阀100包括步进电机10，步进电机10包括转子1和定子2，转子1包括永磁体，永磁体包括至少一对磁极，定子2包括线圈和导磁部，线圈通有一定规律变化的电流，进而在导磁部处形成激励磁场，转子1的永磁体的磁场与定子磁极的激励磁场相互作用，转子1能够围绕一中心轴转动，电子膨胀阀100还包括传感器3和电路板4，传感器3用于感应转子1的磁场变化并形成反馈信号，控制器包括微处理器，微处理器固定于电路板4上，微处理器用于采集反馈信号。其中，传感器3可以为霍尔传感器或者位置传感器，反馈信号为霍尔信号。

电子膨胀阀100还包括阀针5、阀座6、阀体7以及阀口部件8，阀针5由转子1带动运动，阀针5在上止点和下止点之间运动，阀针5位于下止点时，阀口被关闭，阀口两侧的流道被截止；随着阀针5自下止点向上止点运动，阀口被逐渐打开，两侧的流道通过阀口和阀针5之间的间隙连通，阀针5到达上止点后，阀口的开口达到最大。本实施例中，阀口两侧的流道均成形于阀体7上，阀口位于两侧流道之间，阀口部件8形成有阀口，阀口部件8与阀体7固定连接，阀座6与阀体7固定连接，阀针5和转子1连接设置。

参见图3，电子膨胀阀100还包括丝杆11、螺母部件12以及止动杆13，螺母部件12套设于丝杠11外围，螺母部件12和丝杠11通过螺纹配合，螺母部件12相于对阀座6固定设置，丝杠11可以相对于螺母部件12向上或向下运动，止动杆13与丝杠11通过连接板固定连接，止动杆13相对于螺母部件12向上或向下运动，止动杆13与螺母部件12配合将丝杠11运动限制在上止点和下止点之间，由于阀针5与丝杠11相对固定连接，进而阀针5的运动限制于上止点和下止点之间的距离内。阀针5和丝杆11之间设置有弹性元件18，这样阀针5运动到下止点时，阀针5和阀口部件8弹性接触，缓冲阀针5和阀口部件9，有利于提高两个部件的寿命。

结合图4和图5，电子膨胀阀100包括注塑部21，注塑部21以定子2为嵌件注塑形成，电子膨胀阀100具有第一腔211和第二腔212，注塑部21包括第一侧壁213和第一底部214，第一侧壁213和第一底部214围绕第一腔211成形，其中第一腔211与定子轴向排布；注塑部21包括第二侧壁215和第二底部216，第二侧壁215和第二底部216围绕第二腔212成形，第二腔212与定子2径向排布，其中电路板4和传感器3设置于第一腔211，转子1设置于第二腔212。电子膨胀阀100还包括套筒9，套筒9设置于第二腔212，套筒9和第二侧壁215隔离定子2和转子1，套筒9与阀座6固定连接，转子1在套筒9形成的内腔运动；第一分隔部包括第二侧壁215，第二分隔部包括第一底部214。

传感器3包括主体部31和连接部32，连接部32与电路板4电连接，连接部32与电路板4焊接固定，具体地，电路板4成形有连通孔41，连接部31穿过连通孔41设置并与电路板4焊接固定连接。

传感器3的主体部31紧贴第二侧壁215的外周设置，注塑部21包括凸起部217，凸起部217位于第一腔211，凸起部217与第二侧壁215之间形成安装部，安装部将传感器3限位于第一腔211。凸起部217与第一底部214一体注塑，传感器3设置于安装部并与凸起部317和第二侧壁215紧配合。这样形成的安装部结构简单并且对原有结构改变较小，有利于节省成本。第二侧壁215的厚度大于等于1mm小于等于1.5mm，或者在转子的径向，转子1的外周至传感器3的内侧面的距离大于等于2mm小于等于3mm，这样既保证第二侧壁215的强度，同时又要兼顾传感器3的灵敏度。

本实施例中，转子1经过加长设计，转子1的长度L大于导磁部的长度H1与传感器3的主体部H2长度之和；转子1包括第一上端面15，第一上端面15为远离阀针5的面，传感器3包括第二上端面311，第二上端面311为远离阀针5的面，当转子1位于下止点时，位于下止点的转子1的第一上端面15高于传感器3的第二上端面311，至少转子1的第一上端面15与传感器3的第二上端面311平齐设置；这样用以保证传感器的检测的准确性。

参见图6，转子1包括至少一对磁极，每对磁极分别包括N极和S极，N极和S极沿转子的圆周方向间隔分布。本实施例中，电子膨胀阀采用两相十二对极的步进电机，转子1包括12个N极和12个S极。传感器3位于转子1的外围并靠近转子1设置，当转子1旋转时，转子1的N极和S极交替经过传感器3，传感器3会产生周期性的反馈信号，该反馈信号为方波。控制器20采集反馈信号，并通过反馈信号的状态来判断步进电机的运行状态，步进电机的运行状态包括步进电机正常运行、步进电机第一堵转、步进电机第二堵转等。

本实施例中，电子膨胀阀采用两相十二对极的步进电机，步进电机10包括转子1，转子1包括12个N极和12个S极，即转子1包括24个磁极并沿转子1的圆周排布，经过传感器3的转子1的磁极变化一次，从N极变化到S极或者从S极运行到N极，产生一个反馈信号，即反馈信号从低电平向高电平跳变或者从低电平向高电平跳变。步进电机10运行一圈，即转子1转动一圈，会产生24个反馈信号，传感器3对应一个磁极的经过的时间为反馈信号的运行持续时间。

本实施例中，电子膨胀阀的步进电机采用的是16微步的控制方案，一个全步包括16个微步，步进电机运行两个全步，对应一个转子磁极变化，即一个反馈信号的运行持续时间包括两个全步对应的时间，即理论上32个微步的时间。

具体地，参见图7，电子膨胀阀正常工作时，步进电机运行两个全步的对应时间，传感器对应转子磁极自N极的一端转动到N极和S极的交界处，对应的反馈信号为低电平，随着步进电机的运行，传感器对应转子磁极自N极向S极变化，反馈信号跳变为高电平，步进电机运行两个全步，传感器对应转子磁极自S极转动到N极和S极的交界处，反馈信号持续保持高电平，随着步进电机的运行，传感器对应转子磁极自S极向N极变化，反馈信号跳变为低电平，如此往复运行，转子转动一圈，步进电机运行48个全步，产生24个反馈信号，反馈信号的高电平和低电平的运行持续时间等于两个全步的对应时间。

参见图8，当控制器检测到的反馈信号的运行持续时间不等于理论上的两个全步时间时，则步进电机发生堵转。堵转包括第一堵转和第二堵转，电子膨胀阀通常在上止点和下止点附近发生第二堵转，电子膨胀阀通常在上止点和下止点之间发生第一堵转。本实施例中将第一时段定义为步进电机的两个全步对应的时间，第一时段T与电机的转速n和转子的磁极对数p以及电机相数m有关，具体关系如下：T＝60/(n*m*P)，其中n单位为转/分钟，m＝2，p＝12。

当电子膨胀阀发生第一堵转时，通常转子不转动，因此反馈信号会一直保持当前的状态，持续高电平或低电平的时间超过第一时段T对应时间。

当电子膨胀阀发生第二堵转时，反馈信号的长度会出现无规律的跳变，高电平和低电平持续的时间少于第一时段T的对应时间。

具体地，当反馈信号的持续时间异常时，如果反馈信号持续高电平或低电平的运行时间不在一预定的的0.5倍第一时段T至2倍第一时段T的范围时，则电子膨胀阀发生第一堵转；如果反馈信号持续高电平或低电平的时间连续多次并少于0.5倍第一时段，则电子膨胀阀发生第二堵转。

参见图9，一种控制系统的控制方法，所述控制系统包括步进电机、控制器以及传感器，所述步进电机包括转子，所述转子包括多个磁极，所述控制方法包括以下步骤：

S1、所述步进电机运行，所述转子转动；

S2、所述传感器感应所述转子的磁极变化并形成反馈信号；

S3、所述控制器实时采集所述反馈信号并得到反馈信号的运行持续时间；

S4、所述控制器根据采集到的反馈信号的运行持续时间判断所述步进电机是否发生堵转，如果是，发出堵转报警信号，如果否，判断所述步进电机为正常工作，继续进行S2，并循环工作。

其中S4中，所述控制器预存有第一时段，所述控制器判断所述运行持续时间位于0.5倍所述第一时段至2倍所述第一时段的范围内，如果是，判断所述电子膨胀阀为正常工作，如果否，判断所述电子膨胀阀发生堵转。

所述堵转包括第一堵转，所述控制器判断所述反馈信号的运行持续时间大于2倍所述第一时段时，所述步进电机发生所述第一堵转，所述控制器发出第一堵转的堵转报警信号。

所述堵转包括第二堵转，在所述第一时段内，所述控制器判断至少连续两个所述反馈信号的运行持续时间小于0.5倍所述第一时段，所述步进电机发生第二堵转，所述控制器发出第二堵转的堵转报警信号。

其中S4中，所述控制器先判断所述反馈信号的运行持续时间是否大于第一时段时，当判断为是，所述步进电机发生第一堵转，所述控制器发出第一堵转的堵转报警信号，当判断为否时，所述控制器再判断至少连续两个所述反馈信号的运行持续时间小于所述第一时段，所述步进电机发生第二堵转，所述控制器发出第二堵转的堵转报警信号，当判断为否时，判断步进电机为正常工作，继续进行S2，并循环工作。

本发明还公开了一种控制系统的控制方法，所述控制系统包括控制器、步进电机、传感器、阀体以及阀针，所述步进电机包括转子和定子，所述转子与所述阀针连接设置，所述阀体和所述定子连接设置，所述阀体成形有第一流通通道和第二流通通道，所述阀针和所述阀体配合连通或者截断第一流通通道和第二流通通道，所述传感器检测所述转子的磁极变化并生成反馈信号，所述控制方法包括以下步骤：

系统上电，启动控制系统，转子带动阀针从阀针上次工作停止的某一位置运行到上止点，再运行到下止点，并停止在下止点；定义阀针停止在下止点的位置为机械零点；再次启动控制系统，转子带动阀针自下止点向上止点运动，同时检测反馈信号，在所述第一流通通道和所述第二流通通道连通前，定义反馈信号在阀针向上运动的过程中信号跳变的点为霍尔原点；定义霍尔零点至第一流通通道和所述第二流通通道连通时阀针所在的点之间的脉冲的数量为开发脉冲。这样的控制方法，通过检测霍尔原点能够得到一个确定的开阀脉冲，可以避免阀针在下止点时弹性元件对开发脉冲的影响，有利于保证产品出厂检测的一致性。

其中，定义反馈信号在阀针向上运动的过程中第一次信号跳变的点为霍尔原点。这样省去计算反馈信号的计数，操作更加简便。

其中，在所述电子膨胀阀正常工作时，所述控制器对所述步进电机的控制为微步控制，所述步进电机为两相电机，所述步进电机运行两个全步的时间等于一个所述反馈信号运行持续时间，每个全步包括多个微步，所述开发脉冲等于多个微步。

需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种电子膨胀阀，包括步进电机、传感器以及电路板，所述步进电机包括转子和定子，所述转子包括永磁体，所述永磁体包括至少两对磁极，所述定子包括线圈和导磁部，所述导磁部设置于所述永磁体外围，所述传感器设置于所述永磁体的外围，所述传感器位于所述导磁部的一端，所述传感器包括主体部和连接部，所述连接部和所述线圈均与所述电路板电连接，所述主体部用于感应所述永磁体的磁极变化，所述主体部长度和所述导磁部长度之和小于所述永磁体的长度；所述步进电机包括注塑部，所述注塑部包括第一分隔部和第二分隔部，所述电子膨胀阀具有第一腔和第二腔，所述第一腔和所述第二腔通过所述第一分隔部分隔，所述传感器设置于第一腔，所述转子设置于第二腔，所述传感器和所述定子通过所述第二分隔部隔离，所述第二分隔部成形有凸起部，所述凸起部和所述第一分隔部之间形成安装部，所述传感器设置于所述安装部；所述电子膨胀阀还包括阀体，所述阀体位于所述步进电机下方设置，所述转子的运动包括转动和轴向移动，所述轴向移动的极限位置分别为上止点和下止点，所述转子在下止点比在上止点更靠近所述阀体设置，位于下止点的所述转子的上端面与所述传感器的上端面平齐设置或者高于所述传感器的上端面设置。

2.根据权利要求1所述电子膨胀阀，其特征在于：所述传感器设置于所述第一分隔部的外围。

3.根据权利要求1所述电子膨胀阀，其特征在于：在所述传感器的主体部和所述转子之间的所述第一分隔部的厚度大于等于1mm小于等于1.5mm。

4.根据权利要求1所述电子膨胀阀，其特征在于：所述转子的外围至所述传感器的主体部的内侧的距离为2mm至3mm。

5.根据权利要求4所述电子膨胀阀，其特征在于：一控制器发送转子转动命令给所述步进电机，所述传感器根据所述转子的磁极的变化产生霍尔信号，所述传感器产生的信号作为反馈信号，所述控制器采集所述反馈信号。

6.一种控制系统，所述控制系统包括电子膨胀阀的步进电机、控制器以及传感器，所述步进电机包括转子和定子，所述转子包括永磁体，所述传感器设置于所述永磁体的外围，所述传感器感应所述转子的磁场变化并得到反馈信号；所述控制系统工作时，所述控制器实时采集所述反馈信号并得到每一个所述反馈信号的运行持续时间，所述控制器预存有第一时段，所述控制器判断所述运行持续时间是否位于所述第一时段的0.5倍至所述第一时段的2倍的范围内，如果是，判断所述电子膨胀阀为正常工作，如果否，判断所述电子膨胀阀发生堵转，所述控制器发出堵转信号；所述第一时段(T)与所述步进电机的转速(n)和转子的磁极对数(p)以及电机相数(m)有关，具体关系如下：T＝60/(n*m*P)，其中n的单位为转/分钟。

7.根据权利要求6所述控制系统，其特征在于：所述堵转包括第一堵转，所述控制器判断所述反馈信号的所述运行持续时间大于所述第一时段的2倍时，判断所述步进电机发生所述第一堵转，所述控制器发出第一堵转的堵转信号。

8.根据权利要求6或7所述控制系统，其特征在于：所述堵转包括第二堵转，所述第一时段内，至少连续两个所述反馈信号的运行持续时间小于所述第一时段的0.5倍，判断所述电子膨胀阀发生所述第二堵转，所述控制器发出第二堵转的堵转信号。

9.根据权利要求6所述控制系统，其特征在于：在所述电子膨胀阀正常工作时，所述转子包括至少一对磁极，其中每对磁极包括一个N极和一个S极，所述转子的每个磁极经过所述传感器变化一次产生一个所述反馈信号。

10.一种控制系统的控制方法，所述控制系统包括权利要求6-9任一项所述的控制系统，所述控制系统包括电子膨胀阀的阀体、阀针，所述转子与所述阀针连接设置，所述阀体和所述定子连接设置，所述阀体成形有第一流通通道和第二流通通道，所述阀针和所述阀体配合连通或者截断第一流通通道和第二流通通道，所述传感器检测所述转子的磁极变化并生成反馈信号，所述控制方法包括以下步骤：

启动控制系统；转子带动阀针从工作停止位置运行到上止点，再运行到下止点，并停止在下止点；定义阀针停止在下止点附近的位置为机械零点；再次启动控制系统，转子带动阀针自下止点向上止点运动，同时检测反馈信号，在所述第一流通通道和所述第二流通通道连通前，定义反馈信号在阀针向上运动的过程中第一次信号跳变的点为霍尔原点；定义霍尔零点至第一流通通道和所述第二流通通道连通时阀针所在的点之间的脉冲的数量为开阀脉冲。

11.根据权利要求10所述控制系统的控制方法，其特征在于：在电子膨胀阀正常工作时，所述控制器对所述步进电机的控制为微步控制，所述步进电机为两相电机，所述步进电机运行两个全步的时间等于一个所述反馈信号运行持续时间，每个全步包括多个微步，所述开阀脉冲等于多个微步。

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