Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．７，２０１８ 文章编号：１００７—７５７Ｘ（２０１８）０７—００４６—０３ 研究与设计 微型电脑应用２０１８年第３４卷第７期 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） 摘 要：设计了一种基于单片机的电子膨胀阀模糊ＰＩ控制系统，能够根据不同类型电子膨胀阀的配置参数自适应调整驱动 方式，满足空调系统过热度控制舒适性和节能性的要求。 关键词：单片机；电子膨胀阀；过热度；模糊ＰＩ控制器 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标志码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＥＸＶ Ｆｕｚｚｙ ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｉｌｅｒ ＮＩ Ｊｉａｎ，ＦＡＮＧ Ｘｉｎｇｑｉ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ， Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｏｎ—ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ＥＸＶ ｆｕｚｚｙ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏＩ１ｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ ａｄｊｕｓｔ ＥＸＶ ｄｒｉｖｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ＳＨ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＣＭ（ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ）；Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ；Ｓｕｐｅｒ ｈｅａｔ；Ｆｕｚｚｙ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 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。 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， 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 根据Ｐ单调递增方向将增益调度控制区间分为 段如式 （１）。 Ｐ。：［Ｏ．０，ｐｌ，ｐ２，ｐ３，…，ｐ（ｎ一１），１．Ｏ］ （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）。 Ｋ Ｐ＿一［Ｋｐｏ， １，Ｋｐ２，Ｋｐ３，…，Ｋｐ（ 一１），Ｋｐ（，２）］ （２） 度与饱和温度的差值。过热度越小，蒸发器的热负荷不稳 作者简介：倪健（１９８６－），男，硕士研究生，研究方向：工业控制，空调系统。 方兴其（１９６９一），男，高工，研究方向：控制中的计算机网络通信。 ·４６· Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．７，２０１８ 研究与设计 （６）。 微型电脑应用２０１８年第３４卷第７期 ：ＥＴｉＯ，ｎ１，Ｔ／２，Ｔ／３…ｎ（ —１），Ｔ／（ ）］ （３） 当Ｐ处于Ｐ 向量表Ｐ 和Ｐ 区间时，可通过查表线性插值 计算当前Ｋ 和Ｔｉ值为式（４）、（５）。 Ｋ 一Ｋ 十 （Ｋ 一Ｋｐｉ）（４） ｄＳＨ （ｔ）＋ＳＨ（￡）—．一一Ｋ Ｐ（ｆ—Ｏｐ） （６） Ｕ 式（６）中Ｋ 是过程的比例增益， 是过程的时间常数， 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。 一 ＋ （ 一 ） （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（￡）与电子膨胀阀 的开度Ｐ（ ）可以近似为一阶惯性加纯滞后时间模型为式 ＫＰ Ｔｉ ｅ玎ｄｂ ｒｅｓｅｔ ＥＸＶ％ ａｎｔｉｗｉｎｄ ａｎｔｉｗｉｎｄ 图１带死区控制的抗积分饱和ＰＩ控制器 ＰＩｏｕｔ的计算公式为式（７）。 ＿……………… ＡＣ２２０Ｖ Ｈ变压器 （７） ……………… 整流桥ＨＬＭ２５７６Ｈ ７８０５ ＰＬ。ｕｔ一 （１＋１ ．竿（∑ ｓｅｔｅｒｒ十 ）） （ｅｒｒ＋ｗｉｎｄｕｐＴｅｒｍ） 其中，Ｔ 是采样时间，ｗｉｎｄｕｐＴｅｒｍ是抗积分饱和补偿，ｙｏ 计算公式如式（８）。 ｙｏ一（ＰＩｏｕｔ～ —Ｋｐ —ｒ ）／Ｋｐ （８） 其中，ＰＩ—ｏｕｔ 和ｅｒｒ一 分别代表ＰＩ—ｏｕｔ和ｅｒｒ初始值， ｗｉｎｄｕｐＴｅｒｍ计算如式（９）。 ｗｉｎｄｕｐＴｅｒｍ一 ＊（ＥＸＶＣＭＤ—ＰＩ。ｕｔ） —一一臣～ 口— Ｍ聃酐， Ｉ 图２硬件系统图 （９） 独立控制的１／２一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 由于电子膨胀阀的实际合理开度范围为［Ｏ ，１００ ］，最后 必须将ＰＩ—ｏｕｔ做抗饱和处理为式（１０）。 ＥＸＶ—ＡＣ２２ＯＶ电压，经变压器降压为２４ＶＡＣ，整流桥转换为直流 （１Ｏ） ＣＭＤ—ｃｌａｍｐ（ＰＬｏｕｔ，０．０，１．Ｏ） 电压后再经降压型开关稳压器ＬＭ２５７６输出１２Ｖ ＤＣ士 ４ ，作为电子膨胀阀的驱动电压，最后经三端稳压集成电路 ３ 系统设计 ３．１硬件设计 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８Ｏ ＭＨｚ主频。ＥＥＰＲＯＭ用 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 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，具有士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Ｒ０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 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 ·４７ · Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．７，２０１８ 研究与设计 微型电脑应用２０１８年第３４卷第７期 表１ ＥＴＳ２５驱动参数 配置的１２０ ｎ终端匹配电阻，用于抑制回波干扰。 ３．２软件设计 ＥＴＳ２５ 类型 驱动参数 双极性永磁步进电机 ｌ２ＶＤＣ一４％一１５ １００ ｍＡ ＲＭＳ一４ 一１５％ ２ ６２５ 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。 名义电压 相电流 总步长 励磁方式 励磁速度 两相全步驱动 １５０步／秒 图５实验测试效果 加 Ｈ ｍ ８ ６ ４ ２ ０ 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 图３主程序软件系统图 图４ 电子膨胀阀驱动软件系统图 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。 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。 参考文献 ［１］ 叶荣，余水秀，赵鸣．空调系统中电子膨胀阀的控制及 应用［Ｊ］．制冷与空调，２０１２，１２（３）：１２２—１２７． ［２］ 张宁，沙陆，郭皓．电子膨胀阎过热度控制技术研究 ＥＪ］．制冷，２０１３，３２（２）：１５—１８． －１３］Ｊｈｋｊｈ Ｋｉｍ，Ｋｓｋｋｓ Ｋｉｍ，Ｍｓｓｍｓ Ｓｉｍ．Ａｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ ｔｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 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 ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉ Ｔｙｐｅ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａ— ｔｉｏｎａｌ Ｆｕｚｚｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９９，３（３）： １３５０－１３５４． ［４３ Ｇｒｕｈｌｅ Ｗ Ｄ，Ｉｓｅｒｍａｎｎ Ｈ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ［Ｊ］．Ｊ．ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９８５（１０７）：２３５—２４０． 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。 Ｅ５］Ｊｏｓｅｐｈ Ｙｉｕ．ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３权威指南ＥＭ］．第２版， 北京：清华大学出版社，２０１４． （收稿日期：２Ｏ１７．１０．２９） ·４８·