基于單片機的電子膨脹閥模糊PI控制系統設計

倪健， 方興其

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

隨著人類社會對節能的要求越來越高，人們對空調的能效也越來越重視。其中，使用電子膨脹閥代替傳統的毛細管和熱力膨脹閥是一個非常有效的提高空調能效的手段[1]。電子膨脹閥是一種可按預設程序通過閥門的開度自動調節制冷劑流量的節流元件，具有控制范圍大、反應靈敏、動作迅速、調節精度高、驅動穩定等特點，尤其在一些負荷變化劇烈或運行工況惡劣的場合，能使空調系統始終保持在最佳運行工況，極大地提高空調系統的舒適性和節能性。

1 工作原理

電子膨脹閥按驅動方式分為電磁式和電動式兩種。電磁式電子膨脹閥依靠電磁線圈的磁力驅動針閥，閥門的開度取決于施加在線圈上的控制電壓，電壓越高，開度越小，結構相對簡單，但需要一直提供控制電壓。最常用的電動式電子膨脹閥是依靠步進電機驅動針閥，驅動器按照一定的邏輯關系輸出脈沖電壓到電機定子的各相線圈上時，永磁鐵制成的電機轉子受磁力矩作用產生旋轉運動，通過螺紋的傳遞，使針閥上升或下降，從而調節閥門的開度。

空調系統中，節流控制很大程度上決定了系統的舒適性和節能性[2]。一般選用過熱度作為空調系統節流控制參數。過熱度為空調系統循環中相同蒸發壓力下制冷劑的過熱溫度與飽和溫度的差值。過熱度越小，蒸發器的熱負荷不穩定，可能造成壓縮機的液擊；過熱度越大，機組制冷量減少，能效降低，排氣溫度升高，影響壓縮機的壽命。因此將過熱度控制在合理的范圍內，才能同時滿足系統舒適性和節能性的要求。

2 控制算法

由于PID不能適應蒸發器過熱度對于電子膨脹閥開度動態響應的非線性要求，出現了模糊控制和PID控制相結合的方法[3]。早在1985年Gruhle等[4]首先提出了變增益的控制思想。針對電子膨脹閥控制系統的時滯性和非線性，本文提出了一種模糊PI控制算法，具有適應范圍廣、動態響應快、抗干擾強的特點。

2.1 增益調度控制器

增益調度控制器能根據時間函數、操作條件或模型參數等自動調整增益數值，通常用于隨時間或操作條件動態變化的控制系統中。對于過熱度控制而言，考慮到電子膨脹閥開度和制冷劑流量曲線不是嚴格線性關系，本文引入基于電子膨脹閥開度的增益調度控制器對PI參數進行模糊化處理，根據P單調遞增方向將增益調度控制區間分為n段如式(1)。

P_v=[0.0,p1,p2,p3,…,p(n-1),1.0]

(1)

相應的PI比例增益系數和積分時間單調遞減控制區間向量表為式(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)

當P處于P_v向量表pi和pj區間時，可通過查表線性插值計算當前Kp和Ti值為式(4)、(5)。

(4)

(5)

2.2 PI控制器

在基于電子膨脹閥開度的增益調度控制區間內，我們認為系統模型是近似線性的，因此過熱度SH(t)與電子膨脹閥的開度P(t)可以近似為一階慣性加純滯后時間模型為式(6)。

(6)

式(6)中Kp是過程的比例增益，Ti是過程的時間常數，θp是過程的純滯后時間。本文提出了一個帶死區控制的抗積分飽和PI控制器，當實際過熱度與設定點的偏差err在死區范圍err_db內時，控制器輸出不變，電子膨脹閥不動作；偏差在其他范圍時，PI控制器輸出，電子膨脹閥動作,如圖1所示。

圖1 帶死區控制的抗積分飽和PI控制器

PI_out的計算公式為式(7)。

(7)

其中，Ts是采樣時間，windupTerm是抗積分飽和補償，y0計算公式如式(8)。

y0=(PI_outreset-Kp*errreset)/Kp

(8)

其中，PI_outreset和errreset分別代表PI_out和err初始值，windupTerm計算如式(9)。

(9)

由于電子膨脹閥的實際合理開度范圍為[0%,100%]，最后必須將PI_out做抗飽和處理為式(10)。

EXV_CMD=clamp(PI_out,0.0,1.0)

(10)

3 系統設計

3.1 硬件設計

整個控制系統硬件包括電源管理模塊、步進電機驅動模塊，以及時鐘、溫度采樣、數據存儲、RS485通訊、人機交互模塊等，如圖2所示。

硬件系統以基于ARM Cortex M3內核的MB9BF318S芯片為核心，最高工作頻率144 MHz，內置128Kbyte RAM和1Mbyte Flash，而且支持2.7 V～5.5 V大范圍電壓，外設資源豐富，擴展能力強。電子膨脹閥驅動模塊采用TI DRV8844芯片，具有低 MOSFET導通電阻，能提供4個可獨立控制的1/2-H橋驅動器，支持內部關斷、過流保護、短路保護、欠壓鎖定以及過溫保護。電源管理模塊直接輸入AC220V電壓，經變壓器降壓為24VAC，整流橋轉換為直流電壓后再經降壓型開關穩壓器LM2576輸出12V DC ±4%，作為電子膨脹閥的驅動電壓，最后經三端穩壓集成電路7805輸出5VDC，作為處理器及其他IC的工作電壓。時鐘電路使用4 MHz外部晶振，并通過軟件設置寄存器PLLM、PLLN、PLLK實現PLL倍頻至80 MHz主頻。EEPROM用于存儲電子膨脹閥驅動配置參數。AD模塊用于采樣壓縮機吸、排氣溫度和壓力，計算出過熱度作為電子膨脹閥的控制對象。通訊模塊采用5VDC供電，具有±15 kV ESD保護、失效保護以及熱插拔控制的美信MAX13085收發芯片，MB9BF318S處理器專用UART收、發引腳經上拉后分別連接RO和DI端，輸出差分信號A/B端對地連接穩壓二極管，防止靜電和瞬時過壓沖擊，同時A/B之間跨接可通過撥碼配置的120 Ω終端匹配電阻，用于抑制回波干擾。

圖2 硬件系統圖

3.2 軟件設計

控制系統軟件包括主程序模塊、AD采樣模塊、數據存儲模塊、電子膨脹閥驅動模塊、通訊中斷服務模塊以及人機交互模塊，主程序和電子膨脹閥驅動模塊流程圖,如圖3、圖4所示。

圖3 主程序軟件系統圖圖4 電子膨脹閥驅動軟件系統圖

系統上電后首先初始化，通過AD采樣得到壓縮機吸氣溫度ST和吸氣壓力SP，根據吸氣壓力計算蒸發溫度SST和過熱度SH。當電子膨脹閥空閑并且滿足控制周期時，主程序進行增益調度和PI計算，并置位EXV驅動標記。由于電子膨脹閥對勵磁速度有嚴格的要求，因此將電子膨脹閥驅動模塊置于1 ms定時中斷中處理，理論支持最大勵磁速度1 000步/秒，保證驅動波形的精確，減少動作誤差。當驅動動作滿足目標開度時，清零EXV動作標記，否則主程序無法進入下一次PI計算。

4 實驗與分析

我們選用了丹佛斯ETS25型號電子膨脹閥，并將其用于某中央空調品牌30RQM065機組，并使用本文設計的控制系統測試機組的制熱性能,如表1和圖5所示。

從實驗測試效果來看，機組剛開機時，由于過熱度控制的滯后性，電子膨脹閥必須在初始開度保持一段時間，由此產生了超調。隨著水溫的上升，過熱度有下降趨勢，電子膨脹閥開度不斷減小，確保過熱度穩定在設定點死區范圍內。

表1 ETS25驅動參數

圖5 實驗測試效果

5 總結

本文提出的基于單片機并結合模糊PI控制的電子膨脹閥控制系統，已經成功應用于某中央空調品牌模塊化風冷熱泵機組，制冷制熱運行穩定，過熱度控制精確，機組能效高，完全滿足設計需求。