基于L6258EX的步进式电子膨胀阀控制模块设计

许文文，刘吉名，周致睿

（中国电子科技集团公司第十六研究所 安徽 合肥 230043）

基于L6258EX的步进式电子膨胀阀控制模块设计

许文文，刘吉名，周致睿

（中国电子科技集团公司第十六研究所 安徽 合肥 230043）

提出了一种以纯电动轿车空调系统为开发背景，基于L6258EX的步进式电子膨胀阀控制模块设计方案，介绍了该方案的功能、硬件及软件设计方法。实验证明该模块具备结构简单、使用方便、精度高、性价比高等特点。

电子膨胀阀；L6258EX；电动汽车空调；单片机

随着电动汽车行业的日益发展与进步，作为电动汽车的主要部件之一的汽车空调系统也得到了快速的发展。目前，国内大多数的电动汽车空调多采用变频压缩机与热力膨胀阀配合的系统模式，但在实际运行过程中往往会出现震荡现象。振荡的主要原因是由于膨胀阀容量与系统不匹配或系统处在极不稳定的工况下而造成膨胀阀在最小稳定信号线以左工作。因此，期望采用电子膨胀阀与变频压缩机配合解决此问题。

电子膨胀阀是一种流量调节元件，能够以电信号来进行控制，具有与装置相适应的良好特性[1]。在电动汽车空调系统中，电子膨胀阀可按设定的程序进行流量调节，保证蒸发器始终在设定的过热度下进行工作，大大改善汽车空调的启动和变负荷动态特性。电子膨胀阀根据驱动方式不同可以分为，电磁式与电动式两种[2]。电磁式电子膨胀阀通过改变线圈的驱动电压来对阀门开度进行控制。电动式电子膨胀阀采用步进电机驱动，通过步进电机旋转来对阀门开度进行控制。

笔者介绍了一种简单的电动式电子膨胀阀驱动方案。该方案实际应用时[3]，电子膨胀阀运行稳定，且具有步距角小、转矩恒定、功耗低、性价比高等优点。

1 硬件设计

1.1 硬件电路原理

电子膨胀阀控制模块的硬件结构图如图1所示。

图1 硬件结构图Fig. 1 Structure diagram of the hardware

图中，膨胀阀控制模块具备温度测量、压力测量、485通信及步进式电子膨胀阀驱动功能。控制模块通过检测蒸发器的出口压力和温度获得实际过热度值，并与空调系统设定过热度值（该值通过485总线由空调总控制器给定）进行比较，最终通过基于L6258EX的电子膨胀阀驱动电路对步进式电子膨胀阀进行控制。

1.2 L6258EX简介

该电子膨胀阀驱动电路采用L6258EX作为驱动控制芯片。L6258EX是由意法半导体公司生产的一种高效，大电流电机驱动芯片。L6258EX能够驱动双绕组4级步进电机，电压范围在12～40 V之间，输出电流高达1.2 A。L6258EX内部具备DAC、误差放大、电流闭环、推挽输出等功能[4]。因此，只需与简单的电容电阻元件就能构成完成的电机控制、驱动电路。大大简化了硬件设计的复杂性、提高了硬件电路的可靠性。此外，汽车空调用电子膨胀阀额定电压为24 V、额定电流不超过1 A。故可以通过L6258EX直接驱动电子膨胀阀，无需附加功率放大器件，节约成本，降低了开发难度。

1.3 电路设计

基于L6258EX芯片的电子膨胀阀驱动控制电路如图2所示。

图中，MO1—MO4为驱动电路的输出与电子膨胀阀连接，其中MO1、MO2接电子膨胀阀的；MO3、MO4接电子膨胀阀的。PH1、PH2、I0—4为电子膨胀阀驱动命令信号，与单片机连接。其中，PH1、PH2为电子膨胀阀内部步进电机的旋转方向控制引脚；I0—4为驱动电路输出电流控制命令。通过程序控制PH1、PH2及I0—4相互配合便可实现电子膨胀阀动作。R1、R7为电流信号采集电阻、阻值为0.33 Ω，其他电阻电容参数为均为推荐值。

图2 电子膨胀阀驱动原理图Fig. 2 Schematic diagram of the electronic expansion valve

2 软件设计

为了便于系统调试及电子膨胀阀专题实验开展，本控制模块设置了两种工作模式 — 既定模式及自动模式。既定模式根据RS485总线接收的电子膨胀阀开度命令，强制将电子膨胀阀开度限制在设定值，不随温度、压力影响。自动模式是电子膨胀阀的开度根据温度、压力信号进行自动调节，保证系统的过热度满足系统设定要求。下面只对整机流程及自动模式流程进行说明。

2.1 模块整机软件流程

图3 整机流程图Fig. 3 Flow chart of the hole systerm

控制模块的整机软件流程如图3所示。模块上电后，首先进行系统初始化，其次判断是否收到控制命令信息。在接收485信息帧后按照协议进行解析，从数据帧取出发送者地址、命令及所带参数，并根据命令号调用执行相应的子程序。当子程序执行完毕后，程序将继续等待其他485信息帧。

2.2 自动模式流程

自动控制流程如图4所示。控制模块再接收到自动模式命令后，对压力和温度信号进行采样，计算出当前的过热度[5]Tnow。将当前过热度与设定的过热度Tset及过热度偏差进行比较。当满足(Tset-Ts)＜Tnow＜(Tset-Ta)时，电子膨胀阀开度保持不变，否则将进行相应的调整（图中，Ts为负偏差；Ta为正偏差）。

图4 自动模式流程图Fig. 4 Flow chart of the automatic mode

3 应用实例

该步进式电子膨胀阀控制器已经成功应用于央企电动车产业联盟项目——电动轿车空调系统（JS--109）当中。项目所研制的新型电动轿车空调系统具备制热、制冷及经济气功能，共需3个步进式电子膨胀阀。因此，我所该空调控制系统由一块主控板及3个电子膨胀阀控制模块构成，具体结构如图5所示。

图5 电动汽车空调控制系统结构图Fig. 5 Structure diagram of electric automobile air conditioning control system

经过反复的实验证明，这种基于L6258EX的步进式电子膨胀阀控制器在制热、制冷及经济气这3种工况下均有良好的控制性能。除此之外，该控制器还具备体积小、重量轻、组网方便、响应快、精度高等特点。

4 结 论

本控制器采用L6258EX芯片作为驱动芯片，采用STC12C5A32AD作为控制芯片进行设计。电路性能稳定，结构简单，可靠性高[6]。控制器具备一定的通用型，在实际应用中，不仅可以应用于电动汽车用电子膨胀阀控制，还可应用于其他需要对过热度进行控制的制冷系统。

[1] 江明旒,王如竹,吴静怡,等.电子膨胀阀的应用领域及关键技术[J].制冷与空调,2009,9(1):100-104.

JIANG Ming-liu,WANG Ru-zhu,WU Jing-yi,et al.Application of electronic expansion valve [J].Refri geration and Air Conditioning,2009,9 (1):100-104.

[2] 杜垲.制冷空调装置控制技术[M].重庆:重庆大学出版社,2007.

[3] 白梓运,陈芝久.电子膨胀阀及其在蒸发器过热度自适应控制中的应用[J].暖通空调,1996(2):21-24.

BAI Zi-yun, CHEN Zhi-jiu. Electronic expansion valve and its application in evaporation super heat temperature control[J].Heating,Ventilating and Air Conditioning,1996(2):21-24.

[4] STMicroelectronics.L6258EX Datasheet[EB/OL].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/116708/STMICROELECTRONICS/L6258EX.html.

[5] 蒋庆,张庆峰,蔡晋辉,等.电子膨胀阀控制算法验证装置的设计[J].机电工程,2008(5):89-94.

JIANG Qing, ZHANG Qing-feng, CAI Jin-hui, et al.Design of experiment instrument for the control algorithms of the electronic expansion valve[J].Mechanical & Electrical Engineering,2008 (5):89-94.

[6] 任冬,刘家胜.基于SPI通信的便携式电子膨胀阀控制器设计[J].工业控制计算机,2011(11):50-54.

REN Dong, LIU Jia-sheng. Portable electronic expansion valve controller design based on SPI communication[J].Industrial Control Computer, 2011 (11): 50-54.

Design of stepper electronic expansion valve controller module based on L6258EX

XU Wen-wen, LIU Ji-ming, ZHOU Zhi-rui
（The Sixteenth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Hefei 230043,China）

A design of the stepper-electronic-expansion-valve-controller module based on L6258EX is put forward，and the realization from function，hardware and software is introduced.The results of experiment show that the module is simple and advanced performance price ratio.

electronic-expansion-valve; L6258EX; electric car air conditioners; single chip

TN702

A

1674-6236(2014)01-0111-03

2013–06–06 稿件编号：201306042

许文文(1985—)，男，安徽庐江人，硕士，工程师。研究方向：电力电子与电力传动，空调系统自动控制。