CN117387192B - 空调电子膨胀阀的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空调电子膨胀阀的控制方法以及控制系统，其中，控制系统包括控制模块、驱动模块和运行状态存储模块。该方法有效减少了电子膨胀阀复位操作的次数，从而降低传动部件的磨损，并在运动过程中加入补偿策略，可以进一步消除回程误差，提高整个系统的控制精度；通过运行状态存储模块记录当前电子膨胀阀的开度所处位置，因此无需在每次上电后都执行复位操作，减少了复位操作次数，利于提高电子膨胀阀的使用寿命；设定预设调节次数，当累计调节次数达到预设调节次数后，在空调待机时执行一次复位操作，由此，既能有效减小电子膨胀阀的复位次数，又能避免由于长时间不复位导致的位置偏差，利于保证电子膨胀阀的调节精准度。
Description
技术领域
本发明属于空调控制技术领域，尤其是涉及一种空调电子膨胀阀的控制方法及控制系统。
背景技术
电子膨胀阀是一种新型的节流装置，它具有流量调节范围大、精度高、快速响应等优点，已广泛应用在空调系统中；它的精准调节，对整个空调系统的能力、能效和舒适性都有着至关重要的影响。电子膨胀阀在空调运行期间会频繁调节，它的内部含有大量机械传动部件，安全可靠的控制驱动能延长电子膨胀阀的使用寿命，减小零部件磨损，提高调节精度。
电子膨胀阀一般由步进电机所驱动，按特定的顺序，对步进电机每输入一个脉冲信号，转子就会前进或后退一步，通过螺纹或齿轮传动，带动阀针移动，因此，控制步进电机的步数，就能控制阀体的开度，实现流量的控制。控制脉冲信号的频率，就能控制电子膨胀阀的运动速度，根据步进电机的特性可知，当脉冲频率越高，运动速度越快，此时输出转矩越低；而当脉冲频率越低，运动速度越慢，此时输出转矩越高；在传统的电子膨胀阀控制中，脉冲信号的频率是固定的，不能根据实际的负载工况进行转矩的调节。
由于步进电机的控制是一个开环控制系统，在系统上电时，控制系统并不知道电子膨胀阀所处的开度，所以对电子膨胀阀进行复位操作，输出闭合方向的脉冲序列，且脉冲个数须大于电子膨胀阀的最大脉冲个数，以确保完全关闭，然后把当前位置作为初始位置，也就是0步的开度。所以，当电子膨胀阀进行复位操作时，不可避免的会出现阀口已完全关闭，但步进电机仍在输出力矩，此时步进电机处于堵转状态，会产生堵转大电流、噪声、震动，并增加传动部件的磨损。
同时，由于螺纹或齿轮传动在咬合上存在空隙，而且这个空隙会随着传动部件的磨损而不断增大，产生的回程误差就会不断增大，导致调节精度的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题中的至少一个的一种空调电子膨胀阀的控制方法。
根据本发明的一个方面，提供了空调电子膨胀阀的控制方法，应用于空调器，电子膨胀阀与步进电机连接，通过步进电机控制电子膨胀阀的开度，包括：
S1、空调初次上电时，读取步进电机的运行状态信息为空，电子膨胀阀先执行一次复位，输出闭合方向的脉冲序列，并写入运行状态信息，进行存储，运行状态信息包括当前步数、累计调节次数、最近一次运转方向，调节完成标志位置；
S2、空调进入正常工作状态时，接收并响应上位机给定的步数指令，包括：先判断累计调节次数是否超过预设调节次数，当累计调节次数超过预设调节次数，执行一次复位操作，复位操作输出脉冲前，将运行状态信息中的调节完成标志位清0，复位操作完成后，写入运行状态信息。
在一些实施方式中，当电子膨胀阀处于待机状态下断电时，下一次空调开启工作时，直接进行S2。
在一些实施方式中，当电子膨胀阀处于调节状态下断电时，下一次上电时，读取的调节完成标志清0，进行复位操作，进入S1进行复位初始化。
在一些实施方式中，当空调进入正常工作状态，电子膨胀阀的开度需要增大时，步进电机的目标运转方向为正向；当电子膨胀阀的开度需要减小时，步进电机的目标运转方向为反向；根据目标运转反向和运行状态信息，执行如下操作：
S301、当目标运转方向与最近一次运转方向一致时，计算目标步数给定和当前步数的步数差△n；
进入启动阶段，向目标运转方向输出△n的脉冲序列，输出完成后，写入运行状态信息；
S302、当目标运转方向与最近一次运转方向相反时，计算目标步数给定和当前步数的步数差△n；
进入启动阶段，向目标运转方向输出△n+n1的脉冲序列，停止后，重新进入启动阶段，向目标运转方向的反方向n1的脉冲序列，输出完成后，写入运行状态信息；
在一些实施方式中，当电子膨胀阀需从静止状态转到运动状态时，前n2步为启动阶段，输出前n2步脉冲的频率为启动脉冲频率F2，从第n2+1步开始，进入电子膨胀阀正常运行阶段，此时，输出的脉冲频率为额定脉冲频率F，启动脉冲频率F2＜额定脉冲频率F。
在一些实施方式中，S1中输出闭合方向的脉冲序列，且脉冲个数大于电子膨胀阀的最大脉冲个数，复位过程设定的脉冲频率为F1，且复位脉冲频率F1＞额定脉冲频率F。
根据本发明的另一发面，提供了一种应用于上述的方法的空调电子膨胀阀的控制系统，包括：
控制模块，用于接收上位机发送的开度给定指令，对步进电机步数控制的脉冲频率控制，并写入和读取运行状态信息；
驱动模块，用于驱动信号的放大，将控制模块脉冲信号放大为相应的电流和电压，用于驱动步进电机；
运行状态存储模块，用于存储步进电机的运行状态，运行状态信息包括当前步数、累计调节次数、最近一次运转方向，调节完成标志位置。
本发明的有益效果是：
1、有效减少了电子膨胀阀复位操作的次数，从而降低传动部件的磨损，并在运动过程中加入补偿策略，可以进一步消除回程误差，提高整个系统的控制精度；
2、在控制电子膨胀阀运动的过程中，根据电子膨胀阀不同的负载工况，设定不同的驱动脉冲频率，以实现轻负载时降低转矩实现快速调节，防止复位过程堵转时间过长电流过大；重负载即电机启动过程降低转速以增加转矩，防止由于转矩不足而出现失步堵转；
3、通过运行状态存储模块记录当前电子膨胀阀的开度所处位置，因此无需在每次上电后都执行复位操作，减少了复位操作次数，利于提高电子膨胀阀的使用寿命；
4、在复位过程中，由于负载较轻，提高运行频率以降低转矩，防止复位过程堵转时间过长电流过大，进一步减小对传动部件磨损；
5、设定预设调节次数，当累计调节次数达到预设调节次数后，在空调待机时执行一次复位操作，由此，既能有效减小电子膨胀阀的复位次数，又能避免由于长时间不复位导致的位置偏差，利于保证电子膨胀阀的调节精准度。
附图说明
图1为本发明的空调电子膨胀阀的控制系统的示意图。
图2为目标运转方向与最近一次运转方向相反时，在不加入误差补偿的情况下，电子膨胀阀目标开度与实际开度的示意图。
图3为本发明的电子膨胀阀控制方法上电初始化流程图。
图4为本发明的电子膨胀阀控制方法调节时的控制流程图。
图5为本发明的电子膨胀阀控制方法调节根据在不同模式下选择运行频率的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
空调电子膨胀阀的控制方法，应用于空调器，电子膨胀阀与步进电机连接，通过步进电机控制电子膨胀阀的开度。
如图1所示，为了更好的实现该方法，本发明提供了一种应用于上述的方法的空调电子膨胀阀的控制系统，包括：
控制模块，用于接收上位机发送的开度给定指令，对步进电机步数控制的脉冲频率控制，并写入和读取运行状态信息；该控制模块可以为单片机或其他处理器；
驱动模块，用于驱动信号的放大，将控制模块脉冲信号放大为相应的电流和电压，用于驱动步进电机；
运行状态存储模块，用于存储步进电机的运行状态，运行状态信息包括当前步数、累计调节次数、最近一次运转方向，调节完成标志位置。其中，该运行状态存储模块具备断电记忆功能，它可以通过片内或片外的EEPROM（Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器）、Flash（闪速存储器）等非易失性存储器件实现。
如图3~图5所示，空调电子膨胀阀的控制方法具体如下：
S1、空调系统初次上电时，控制模块先读取运行状态存储模块的信息，由于运行状态存储模块没有存储任何信息，因此控制模块读取到的信息为空，此时，控制模块会先执行一次复位操作。复位操作时，控制模块输出闭合方向的脉冲序列，且脉冲个数大于电子膨胀阀的最大脉冲个数，以确保电子膨胀阀完全关闭，复位过程设定的脉冲频率为F1，且复位脉冲频率F1＞额定脉冲频率F。当输出完成后，通过控制模块对运行状态存储模块依次写入如下信息：当前步数=0；累计调节次数=0；最近一次运转方向=反向；调节完成标志位置1。其中，为了保证操作的可靠性，在任何情况下，调节完成标志位都必须最后写入。
S2、当空调系统进入正常工作状态后，通过控制模块接收并响应来自上位机的步数给定指令。
具体的，当系统从待机状态进入工作状态，控制模块先判断累计调节次数是否超过预设调节次数，当累计调节次数超过预设调节次数，先执行一次复位操作，复位操作输出脉冲前，将运行状态存储模块中的调节完成标志位清0。复位操作完成后，控制模块对运行状态存储模块依次写入如下信息：当前步数=0；累计调节次数=0；最近一次运转方向=反向；调节完成标志位置1。
本发明的空调电子膨胀阀的控制方法中，当系统正常断电，即电子膨胀阀处于待机状态下断电时，由于电子膨胀阀每次调节完成后都会记录当前步数、累计调节次数以及最近一次运转方向，并最后将调节完成标志位置1。因此，在下一次系统上电时，控制模块读取到调节完成标志位为1，说明电子膨胀阀位置信息准确，不需要进行复位操作，可直接进入S2进行调节。
而当系统异常断电时，即电子膨胀阀处于调节状态下断电，由于电子膨胀阀每次调节完前将调节完成标志位清0，在下一次系统上电时，控制模块读取到调节完成标志位为0，说明电子膨胀阀位置信息无效，需要进行复位操作，则进入S1进行复位初始化。
电子膨胀阀在使用调节时，步进电机的步数调节具体为：
当空调进入正常工作状态，电子膨胀阀的开度需要增大时，步进电机的目标运转方向为正向；当电子膨胀阀的开度需要减小时，步进电机的目标运转方向为反向；系统根据目标运转方向和从运行状态存储模块读取到的最近一次运转方向信息，执行如下操作：
S301、当目标运转方向与最近一次运转方向一致时，计算目标步数给定和当前步数的步数差△n；在开始输出脉冲前，将运行状态存储模块中的调节完成标志位清0；进入启动阶段，向目标运转方向输出△n的脉冲序列，输出完成后，控制模块对运行状态存储模块依次写入如下信息：当前步数=目标步数；累计调节次数+1；最近一次运转方向=目标运转方向；调节完成标志位置1。
S302、当目标运转方向与最近一次运转方向相反时，计算目标步数给定和当前步数的步数差△n；
将运行状态存储模块中的调节完成标志位清0；进入启动阶段，向目标运转方向输出△n+n1的脉冲序列，停止后，重新进入启动阶段，向目标运转方向的反方向n1的脉冲序列，输出完成后，控制模块对运行状态存储模块依次写入如下信息：当前步数=目标步数；累计调节次数+1；最近一次运转方向=目标运转方向的反方向；调节完成标志位置1。
在空调的正常工作期间，电子膨胀阀会频繁调节，会不断出现运转方向的转换，由于内部螺纹或齿轮传动在咬合上存在空隙，在每次方向转换时会产生回程误差，即电机已开始运动，但实际上并没有带动阀针移动，这一段为回程误差为n’， n’会随传动部件的磨损而不断增大，导致调节精度下降。具体如图2所示，当电子膨胀阀目标运转方向与最近一次运转方向相反时，需要从当前位置向目标点A位置移动，步数给定和当前步数的步数差为△n。向目标方向输出△n步脉冲序列，由于内部螺纹或齿轮传动在咬合上存在空隙，前n’步，步进电机转动但阀针静止，系统移动到点B位置，然后，步进电机带动阀针运动，系统移动到点C位置，阀针实际走过的步数为△n- n’，实际步数偏离目标给定步数。
为了克服图2中的缺陷，本发明的控制方法中的S302，通过采用补偿的方式，实际操作如下：
当电子膨胀阀目标运转方向与最近一次运转方向相反时，需要从当前位置向目标点A位置移动，步数给定和当前步数的步数差为△n。采用本发明提供的补偿策略，向目标方向输出△n+n1步脉冲序列，其中，n1需大于电子膨胀阀的回程误差n’，回程误差可通过实验方式测定。
在本实施例中，步进电机最大步数为500，n1设定为20。同样的，由于步进电机内部螺纹或齿轮传动在咬合上存在空隙，前n’步，步进电机转动但阀针静止，系统移动到点B位置。然后，步进电机带动阀针运动，系统移动到点C位置，阀针实际走过的步数为△n+n1-n’。随后，系统向目标反方向输出n1步脉冲序列，同样的，由于转向变化而产生的回程误差，前n’步，步进电机转动但阀针静止，系统移动到点D位置；然后，步进电机带动阀针运动，系统移动到点E位置，阀针实际走过的步数为n1- n’。可见，阀针向目标方向走过△n+n1- n’步，向目标反方向走过n1- n’步，抵消后，实际走过的步数为△n，即点A与点E重合，实际步数等于给定步数，有效避免出现偏离现象。
电子膨胀阀每次调节前，控制模块对运行状态存储模块中的调节完成标志位清0，在电子膨胀阀调节完成后，控制模块对运行状态存储模块依次写入如下信息：当前步数=目标步数；累计调节次数+1；最近一次运转方向=目标运转方向的反方向；调节完成标志位置1。调节完成标志位在整个过程中最先清0，最后置1，因此，即使在调节过程中意外掉电，系统在下次上电读取状态时，由于调节完成标志位已清0，表示电子膨胀阀处于未知位置，系统就会进行复位操作。而系统只有在读取到运行状态存储模块中的调节完成标志位为1时，其他信息才有效。
当电子膨胀阀需要进行复位操作时，由于此时系统已处于待机阶段，电子膨胀阀进口和出口压差较小，步进电机的负载工况较轻，而且复位过程必然存在堵转阶段，为了快速完成复位和减小堵转电流大小及堵转时间，设定复位脉冲频率F1，其中：
复位脉冲频率F1＞额定脉冲频率F。
在本实施案例中，额定脉冲频率F设定为55PPS，复位脉冲频率F1设定为75PPS。
当系统处于工作状态，控制模块收到调节指令，电子膨胀阀需从静止状态转到运动状态，电子膨胀阀启动，此时电子膨胀阀中的冷媒已处于流动状态，进口和出口压差较大。此时，需要克服由于进出口压差而产生的阻力以及提供步进电机的启动所需的启动转矩，为了保证步进电机能可靠启动，设定启动脉冲步数n2和启动脉冲频率F2，即，前n2步为启动阶段，输出前n2步脉冲的频率为启动脉冲频率F2，从第n2+1步开始，进入电子膨胀阀正常运行阶段，此时，输出的脉冲频率为额定脉冲频率F。
在本实施案例中，步进电机最大步数为500，n1设定为20，n2设定为35。由于内部螺纹或齿轮传动在咬合上存在空隙，启动初期负载可能较轻，而当内部螺纹或齿轮传动真正咬合后，才出现较大负载。因此，结合上述步数补偿策略，还应满足如下关系：
回程误差n’＜ 补偿步数n1 ＜启动步数n2；
启动脉冲频率F2＜额定脉冲频率F。
在本实施案例中，启动脉冲频率F2设定为35PPS。
启动阶段完成后，即控制模块以启动脉冲频率F2输出n2个脉冲后，步进电机已处于运动状态，维持转动所需的转矩变小，为了实现快速调节，同时避免由于转矩过大而对电机造成冲击，控制模块将运行频率设定至额定脉冲频率F，直到调节完成。
综上，本发明的空调电子膨胀阀的控制方法和系统，由于运行状态存储模块能记录当前电子膨胀阀所处位置，因此，并不需要在每次上电后都执行复位操作；同时，在复位过程中，由于负载较轻，提高运行频率以降低转矩，防止复位过程堵转时间过长电流过大，进一步减小对传动部件磨损。
通过采用补偿策略，通过对回程误差的补偿，使得实际步数等于给定步数，避免了电子膨胀阀出现阀针偏离的现象，提高控制的精确度。
且在空调运行过程中，由于震动或其他外力的作用对电子膨胀阀实际开度产生影响，所以当调节达到一定次数后，需对电子膨胀阀进行强制复位操作，通过设定预设调节次数，当累计调节次数达到预设调节次数后，在空调待机时执行一次复位操作。这样既能有效减小电子膨胀阀的复位次数，又能避免由于长时间不复位导致的位置偏差。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.空调电子膨胀阀的控制方法，应用于空调器，电子膨胀阀与步进电机连接，通过步进电机控制电子膨胀阀的开度，其中，包括：
S1、空调初次上电时，读取步进电机的运行状态信息为空，电子膨胀阀先执行一次复位，输出闭合方向的脉冲序列，并写入运行状态信息，进行存储，所述运行状态信息包括当前步数、累计调节次数、最近一次运转方向，调节完成标志位置；
S2、空调进入正常工作状态时，接收并响应上位机给定的步数指令，包括：先判断累计调节次数是否超过预设调节次数，当累计调节次数超过预设调节次数，执行一次复位操作，复位操作输出脉冲前，将运行状态信息中的调节完成标志位清0，复位操作完成后，写入运行状态信息；
当电子膨胀阀处于待机状态下断电时，下一次空调开启工作时，直接进行S2；
当电子膨胀阀处于调节状态下断电时，下一次上电时，读取的调节完成标志清0，进行复位操作，进入S1进行复位初始化；
当空调进入正常工作状态，电子膨胀阀的开度需要增大时，步进电机的目标运转方向为正向；当电子膨胀阀的开度需要减小时，步进电机的目标运转方向为反向；根据目标运转反向和运行状态信息，执行如下操作：
S301、当目标运转方向与最近一次运转方向一致时，计算目标步数给定和当前步数的步数差△n；
进入启动阶段，向目标运转方向输出△n的脉冲序列，输出完成后，写入运行状态信息；
S302、当目标运转方向与最近一次运转方向相反时，计算目标步数给定和当前步数的步数差△n；
进入启动阶段，向目标运转方向输出△n+n1的脉冲序列，停止后，重新进入启动阶段，向目标运转方向的反方向n1的脉冲序列，输出完成后，写入运行状态信息；
所述S302通过采用补偿的方式，实际操作如下：
当电子膨胀阀目标运转方向与最近一次运转方向相反时，需要从当前位置向目标点A位置移动，步数给定和当前步数的步数差为△n；向目标方向输出△n+n1步脉冲序列，其中，n1需大于电子膨胀阀的回程误差n’，回程误差可通过实验方式测定；
步进电机内部螺纹或齿轮传动在咬合上存在空隙，前n’步，步进电机转动但阀针静止，系统移动到点B位置；然后，步进电机带动阀针运动，系统移动到点C位置，阀针实际走过的步数为△n+n1- n’；随后，系统向目标反方向输出n1步脉冲序列，由于转向变化而产生的回程误差，前n’步，步进电机转动但阀针静止，系统移动到点D位置；然后，步进电机带动阀针运动，系统移动到点E位置，阀针实际走过的步数为n1- n’；阀针向目标方向走过△n+n1-n’步，向目标反方向走过n1- n’步，抵消后，实际走过的步数为△n，即点A与点E重合。
2.根据权利要求1所述的空调电子膨胀阀的控制方法，其中，当电子膨胀阀需从静止状态转到运动状态时，前n2步为启动阶段，输出前n2步脉冲的频率为启动脉冲频率F2，从第n2+1步开始，进入电子膨胀阀正常运行阶段，此时，输出的脉冲频率为额定脉冲频率F，启动脉冲频率F2＜额定脉冲频率F。
3.根据权利要求2所述的空调电子膨胀阀的控制方法，其中，所述S1中输出闭合方向的脉冲序列，且脉冲个数大于电子膨胀阀的最大脉冲个数，复位过程设定的脉冲频率为F1，且复位脉冲频率F1＞额定脉冲频率F。
4.应用于权利要求1~3任一项所述的方法的空调电子膨胀阀的控制系统，其中，包括：
控制模块，用于接收上位机发送的开度给定指令，对步进电机步数控制的脉冲频率控制，并写入和读取运行状态信息；
驱动模块，用于驱动信号的放大，将控制模块脉冲信号放大为相应的电流和电压，用于驱动步进电机；
运行状态存储模块，用于存储步进电机的运行状态，所述运行状态信息包括当前步数、累计调节次数、最近一次运转方向，调节完成标志位置。
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