基于单片机的电子膨胀阀模糊PI控制系统设计

倪健， 方兴其

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

随着人类社会对节能的要求越来越高，人们对空调的能效也越来越重视。其中，使用电子膨胀阀代替传统的毛细管和热力膨胀阀是一个非常有效的提高空调能效的手段[1]。电子膨胀阀是一种可按预设程序通过阀门的开度自动调节制冷剂流量的节流元件，具有控制范围大、反应灵敏、动作迅速、调节精度高、驱动稳定等特点，尤其在一些负荷变化剧烈或运行工况恶劣的场合，能使空调系统始终保持在最佳运行工况，极大地提高空调系统的舒适性和节能性。

1 工作原理

电子膨胀阀按驱动方式分为电磁式和电动式两种。电磁式电子膨胀阀依靠电磁线圈的磁力驱动针阀，阀门的开度取决于施加在线圈上的控制电压，电压越高，开度越小，结构相对简单，但需要一直提供控制电压。最常用的电动式电子膨胀阀是依靠步进电机驱动针阀，驱动器按照一定的逻辑关系输出脉冲电压到电机定子的各相线圈上时，永磁铁制成的电机转子受磁力矩作用产生旋转运动，通过螺纹的传递，使针阀上升或下降，从而调节阀门的开度。

空调系统中，节流控制很大程度上决定了系统的舒适性和节能性[2]。一般选用过热度作为空调系统节流控制参数。过热度为空调系统循环中相同蒸发压力下制冷剂的过热温度与饱和温度的差值。过热度越小，蒸发器的热负荷不稳定，可能造成压缩机的液击；过热度越大，机组制冷量减少，能效降低，排气温度升高，影响压缩机的寿命。因此将过热度控制在合理的范围内，才能同时满足系统舒适性和节能性的要求。

2 控制算法

由于PID不能适应蒸发器过热度对于电子膨胀阀开度动态响应的非线性要求，出现了模糊控制和PID控制相结合的方法[3]。早在1985年Gruhle等[4]首先提出了变增益的控制思想。针对电子膨胀阀控制系统的时滞性和非线性，本文提出了一种模糊PI控制算法，具有适应范围广、动态响应快、抗干扰强的特点。

2.1 增益调度控制器

增益调度控制器能根据时间函数、操作条件或模型参数等自动调整增益数值，通常用于随时间或操作条件动态变化的控制系统中。对于过热度控制而言，考虑到电子膨胀阀开度和制冷剂流量曲线不是严格线性关系，本文引入基于电子膨胀阀开度的增益调度控制器对PI参数进行模糊化处理，根据P单调递增方向将增益调度控制区间分为n段如式(1)。

P_v=[0.0,p1,p2,p3,…,p(n-1),1.0]

(1)

相应的PI比例增益系数和积分时间单调递减控制区间向量表为式(2)、(3)。

Kp_v=[Kp0,Kp1,Kp2,Kp3,…,Kp(n-1),Kp(n)]

(2)

Ti_v=[Ti0,Ti1,Ti2,Ti3…Ti(n-1),Ti(n)]

(3)

当P处于P_v向量表pi和pj区间时，可通过查表线性插值计算当前Kp和Ti值为式(4)、(5)。

(4)

(5)

2.2 PI控制器

在基于电子膨胀阀开度的增益调度控制区间内，我们认为系统模型是近似线性的，因此过热度SH(t)与电子膨胀阀的开度P(t)可以近似为一阶惯性加纯滞后时间模型为式(6)。

(6)

式(6)中Kp是过程的比例增益，Ti是过程的时间常数，θp是过程的纯滞后时间。本文提出了一个带死区控制的抗积分饱和PI控制器，当实际过热度与设定点的偏差err在死区范围err_db内时，控制器输出不变，电子膨胀阀不动作；偏差在其他范围时，PI控制器输出，电子膨胀阀动作,如图1所示。

图1 带死区控制的抗积分饱和PI控制器

PI_out的计算公式为式(7)。

(7)

其中，Ts是采样时间，windupTerm是抗积分饱和补偿，y0计算公式如式(8)。

y0=(PI_outreset-Kp*errreset)/Kp

(8)

其中，PI_outreset和errreset分别代表PI_out和err初始值，windupTerm计算如式(9)。

(9)

由于电子膨胀阀的实际合理开度范围为[0%,100%]，最后必须将PI_out做抗饱和处理为式(10)。

EXV_CMD=clamp(PI_out,0.0,1.0)

(10)

3 系统设计

3.1 硬件设计

整个控制系统硬件包括电源管理模块、步进电机驱动模块，以及时钟、温度采样、数据存储、RS485通讯、人机交互模块等，如图2所示。

硬件系统以基于ARM Cortex M3内核的MB9BF318S芯片为核心，最高工作频率144 MHz，内置128Kbyte RAM和1Mbyte Flash，而且支持2.7 V～5.5 V大范围电压，外设资源丰富，扩展能力强。电子膨胀阀驱动模块采用TI DRV8844芯片，具有低 MOSFET导通电阻，能提供4个可独立控制的1/2-H桥驱动器，支持内部关断、过流保护、短路保护、欠压锁定以及过温保护。电源管理模块直接输入AC220V电压，经变压器降压为24VAC，整流桥转换为直流电压后再经降压型开关稳压器LM2576输出12V DC ±4%，作为电子膨胀阀的驱动电压，最后经三端稳压集成电路7805输出5VDC，作为处理器及其他IC的工作电压。时钟电路使用4 MHz外部晶振，并通过软件设置寄存器PLLM、PLLN、PLLK实现PLL倍频至80 MHz主频。EEPROM用于存储电子膨胀阀驱动配置参数。AD模块用于采样压缩机吸、排气温度和压力，计算出过热度作为电子膨胀阀的控制对象。通讯模块采用5VDC供电，具有±15 kV ESD保护、失效保护以及热插拔控制的美信MAX13085收发芯片，MB9BF318S处理器专用UART收、发引脚经上拉后分别连接RO和DI端，输出差分信号A/B端对地连接稳压二极管，防止静电和瞬时过压冲击，同时A/B之间跨接可通过拨码配置的120 Ω终端匹配电阻，用于抑制回波干扰。

图2 硬件系统图

3.2 软件设计

控制系统软件包括主程序模块、AD采样模块、数据存储模块、电子膨胀阀驱动模块、通讯中断服务模块以及人机交互模块，主程序和电子膨胀阀驱动模块流程图,如图3、图4所示。

图3 主程序软件系统图图4 电子膨胀阀驱动软件系统图

系统上电后首先初始化，通过AD采样得到压缩机吸气温度ST和吸气压力SP，根据吸气压力计算蒸发温度SST和过热度SH。当电子膨胀阀空闲并且满足控制周期时，主程序进行增益调度和PI计算，并置位EXV驱动标记。由于电子膨胀阀对励磁速度有严格的要求，因此将电子膨胀阀驱动模块置于1 ms定时中断中处理，理论支持最大励磁速度1 000步/秒，保证驱动波形的精确，减少动作误差。当驱动动作满足目标开度时，清零EXV动作标记，否则主程序无法进入下一次PI计算。

4 实验与分析

我们选用了丹佛斯ETS25型号电子膨胀阀，并将其用于某中央空调品牌30RQM065机组，并使用本文设计的控制系统测试机组的制热性能,如表1和图5所示。

从实验测试效果来看，机组刚开机时，由于过热度控制的滞后性，电子膨胀阀必须在初始开度保持一段时间，由此产生了超调。随着水温的上升，过热度有下降趋势，电子膨胀阀开度不断减小，确保过热度稳定在设定点死区范围内。

表1 ETS25驱动参数

图5 实验测试效果

5 总结

本文提出的基于单片机并结合模糊PI控制的电子膨胀阀控制系统，已经成功应用于某中央空调品牌模块化风冷热泵机组，制冷制热运行稳定，过热度控制精确，机组能效高，完全满足设计需求。