汽车空调变排量压缩机数字控制实现方法

第16卷　第1期2008年3月山东交通学院学报JOURNAL OF SHANDONG J I A OT ONG UN I V ERSI TY Vol .16No .1Mar .2008
收稿日期:2007-12-07
作者简介:杨前明(1960-),男,江苏南通人,山东科技大学教授,主要从事制冷自动化方面的教学与研究工作.
汽车空调变排量压缩机数字控制实现方法
杨前明,许　梁
(山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛　266510)
摘要:基于变排量压缩机控制阀步进数字控制原理,提出了变排量压缩机内部控制阀数字化设计方案,给出了
斜盘式变排量压缩机控制阀的机械传动转换机构设计方案
,介绍了控制阀步进数字控制的实现方法,为实现汽
车空调系统变排量数字控制奠定了技术基础。

关　键　词:汽车空调;变排量压缩机;控制阀;数字控制
中图分类号:U463.85 文献标识码:A 文章编号:1672-0032(2008)01-0019-04
变排量压缩机可根据系统负荷自动、连续、平稳地对排量进行无级调节,具有能耗低、能够营造更加舒适的车内环境等优点,因而在汽车空调系统中得到了广泛应用
[1-3]。

变排量压缩机实现排量控制的关键元件是气动控制阀,这种自力式、依靠热动力调节的执行机构使容量控制仍然处于机械调节阶段,在车室温度及舒适性调节方面表现出一定的滞后性
[4]。

近年来,随着控制技术的发展,外部控制阀引入了电子数控技术,使变排量压缩机可根据汽车空调系统控制目标实现实时排量调节,具有响应快速、调节精确
等特点,因而具有良好的应用前景。

1　变排量压缩机控制阀数字控制技术
1.1　步进数字阀结构及工作原理
图1　数字控制阀结构示意图
变排量压缩机步进数字阀是在原来内部控制
阀基础上增设丝杠螺纹副、采用步进电机驱动实现
其流量数字调节的。

图1所示是其结构示意图。

该步进数字阀保留了原来内部控制阀阀体流
道、阀杆、球阀、锥阀及密封组件,将原先真空波纹
管移除,通过与外部驱动装置相连的传动杆将驱
动力传递给阀杆。

步进数字控制阀根据汽车空调
外部参数信号,利用计算机模拟计算出需要脉冲数,并将脉冲送入步进电机驱动电路中,使步进电机输出设定步距角,通过机械传动转换装置(丝杠螺纹副)实现阀杆轴向位移,控制阀口开度,实现制冷工质流量调节,进而实现汽车空调系统热负荷快速、准确调节。

当控制阀处于零位,球阀关闭且阀杆尚未同球阀脱离,此时锥阀开启,压缩机曲轴箱与吸气腔相通,曲轴箱压力较低。

当步进电机自零位顺时针进给时,阀杆有2个特征位置:一是球阀与锥阀均开;二是锥阀关闭、球阀全开。

在此过程中,压缩机曲轴箱内压力逐渐升高。

当步进电机在零位逆时针进给时,阀杆有一个特征位置是球阀关闭且阀杆同球阀脱离,锥阀进一步开启,此时曲轴箱内压力最低。

在步进数字阀驱动装置中,装有单独零位传感器,在每个控制周期结束时,阀杆由零位传感器控制回到零位,保证每
个工作周期都在相同位置开始,使阀具有较高的重复精度。

1.2　步进数字阀控制原理
步进数字阀闭环控制系统框图如图2所示,系统由指令元件、比较元件、控制器、环形分配器、驱动电路、步进电机、机械转换器、控制阀和检测反馈元件等组成。

图2　步进数字控制阀控制框图
控制系统由微型控制器发出控制指令并与反馈信号P cf 比较后送给控制器,由脉冲电路生成脉冲序列控制信号,经环形分配器环分和驱动电路细分放大后驱动步进电机动作,输出与脉冲数成正比的步距
角,然后通过机械转换器(丝杠螺纹副机构)使步距角Δθ转换成控制阀阀杆位移ΔX,实现控制阀开度调
节,即实现空调系统热负荷调节。

2　排量数字控制
2.1　步进电机驱动控制
步进电机是一种将脉冲信号转变成角位移或直线位移的电磁装置,采用环形分配器或软件环分将控制脉冲按规定的通电方式分配到步进电机的每相绕组。

由于环行分配器输出脉冲功率小,电路中设计功率放大电路对输出脉冲进行功率放大,再驱动步进电机。

步进电动机驱动控制系统框图如图3所示[5]。

图3　步进电机驱动控制系统框图
步进电机有运转和定位2种基本状态。

每输入一个脉冲信号,步进电机转过△
θ角度。

没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场会使转子保持在原有位置而处于定位状态。

在不失步的情况下,由于位移量与输入脉冲数严格成正比,且时间上与输人脉冲同步,因而只要控制输入脉冲数量、频率及各绕组通电顺序便可获得目标转角、转速和转向等特性参数值。

由于步进电机的自锁作用,每次控制起点位置为前一次控制定位位置,所以送入步进电机的控制量为2次控制量的增量。

为了得到足够的控制阀阀杆小位移量且提高电机运行均匀性,需对步进电机的步距角进行细分,其细分驱动电路如图4所示。

2.2　传动转换环节机械结构设计
为了对变排量压缩机更好地实现外部数字控制,传动转换环节机械结构是在原控制阀基础上引入步进电机等电—机械转换元件,增加控制阀传动机械转换环节实现的。

改造设计中保留了内部控制阀阀体、工质通道、锥阀、球阀以及其它辅助件,尽可能减少对原控制阀的改动,并使改造后的控制阀与变排量压缩机系统具有较好的匹配性能。

传动转换环节机械结构如图1所示,主要包括步进电机、传动接头法兰、联轴器、轴承、丝杠螺纹副、传动杆以及密封圈等组成。

在该机械转换环节中,传动接头2的右端部与原控制阀采用过盈配合,并在其上装有O 型密封圈,防止气体工质泄露。

丝杠螺纹副与传动杆元件同样采取过盈配合,以使丝杠螺母能够带动传动杆移动。

02 山东交通学院学报 2008年3月　第16卷
图4　
步进电机细分驱动电路示意图
2.3　步进数字控制系统设计
1)硬件设计
步进数字阀闭环控制硬件实现方法如图5
所示,
系统以单片机作为控制核心。

图5　数字阀控制系统示意图
图6　数字阀控制程序框图
I/O 口8255A 口作为步进电机驱动接口。

考虑到A
口驱动能力有限,而被控步进电机要求较高电压和较大电
流,所以在A 口之后须设计驱动电路。

选用光隔4N25,经
功放驱动步进电机带动丝杠螺纹副实现阀杆移动。

传感器检测曲轴箱压力P c 后经AD 模数转换接口
反馈到控制器实现闭环控制。

采用EPROM 监控程序存
储器及地址锁存器,外接可编程的I/O 接口芯片8279,
用于LED 显示、键盘输入。

2)软件设计
步进数字阀闭环控制程序框图如图6所示。

程序主要
完成阀的复位初始化、输入给定曲轴箱压力值,并对输出值
压力进行闭环控制。

当开始输入设定压力P c0时,首先寻找
其压力地址,判断与当前地址是否一致,不一致时电机动作
改变当前地址,反之则计数继续运行下面程序。

当实际检
测曲轴箱压力P cf 与设定输入压力P c0不相等且P cf 小于P c0
时,则电机正转,增大球阀开口度,曲轴箱压力升高。

反之
则电机反转,减少球阀开口度,曲轴箱压力降低。

当上述二者相等且不需要其它设定时,则执行停机操作。

3　结　语
直动电磁式与步进数字式控制阀外部控制技术近年1
2第1期 杨前明等:汽车空调变排量压缩机数字控制实现方法
22 山东交通学院学报 2008年3月　第16卷来得到迅速发展,控制阀外部控制技术使得变排量压缩机不再直接利用压缩机吸气压力、排气压力和曲轴箱压力差值来改变压缩机排量,而是综合考虑汽车空调系统运行的外部条件(如环境温度、太阳辐射、车室空气温度等),将控制意图直接施加给控制阀,实现压缩机的排量改变。

控制阀电子技术的引入,可根据汽车空调系统控制目标调节变排量压缩机排量,实现适时控制,具有响应快速、调节精确等特点。

本文基于步进数字控制原理,讨论了变排量压缩机内部控制阀数字化实现原理与方法,给出了以单片机为核心的汽车空调变排量压缩机控制阀数字化设计方法,为实现汽车空调系统的变容量数字控制提供了技术基础。

参考文献:
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Xi′an J iaot ong University,2005.
D i git al ControlM ethod of Vari a ble D ispl ace ment
Co mpressor i n Auto mobile A i r Conditi oner
YAN G Q ian2m ing,XU L iang
(College of M echanical and Electronic Engineering,Shandong U niversity of Science and Technology,Q ingdao266510,China)
Abstract:The digitized design of the contr ol valve of s wash p late variable dis p lace ment comp ress or has been put for ward based on the step digital contr ol p rinci p le of variable dis p lace ment comp ress or.The mechanical driven conversi on mechanis m and step digital contr ol method of the contr ol valve has als o been intr oduced.The technol ogy f oundati on was build f or realizati on of the variable dis p lace ment digital contr ol in aut omobile air conditi oning syste m.
Key words:aut omobile air conditi oner;variable dis p lace ment comp ress or;contr ol valve;digital contr ol
(责任编辑:郎伟锋)。