張露露，金浩哲

（1. 浙江三花汽車零部件有限公司，杭州 310018；2. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的日益提升，中央空調(diào)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代建筑物中必備的設(shè)施。中央空調(diào)系統(tǒng)能耗相對(duì)較大，通常占建筑能耗的40%以上[1]。因此，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵元件進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的必由之路。眾多研究學(xué)者通過各種優(yōu)化算法及控制系統(tǒng)從宏觀上對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[2-4]，但是要保障空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性并達(dá)到良好的溫控效果，中央空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡控制是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)[5]。為了解決系統(tǒng)的水力不平衡的問題，通常需要在空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置多種的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的平衡閥?？刂葡到y(tǒng)作為各類平衡閥的關(guān)鍵組成部分，控制方案設(shè)計(jì)直接關(guān)系到閥門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性[6-7]，進(jìn)而影響到整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行及能耗的控制。我國(guó)的電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)起步相對(duì)較晚，盡管隨著微電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著成就，但仍與國(guó)外的技術(shù)及產(chǎn)品存在一定差距[8-9]，主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臃腫；軟件功能優(yōu)化差；系統(tǒng)集成度低，可靠性差等方面[10]，現(xiàn)有研究主要集中在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及故障診斷方面[11]，較具代表性的研究成果有：聶建軍等[12]建立了行星齒輪機(jī)構(gòu)為主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的混合傳動(dòng)方案；趙慧嫻等[13]提出了一種基于積分分離PID算法的步進(jìn)電機(jī)速度和位置控制方法，利用控制芯片PMM9713PT、CAN控制器SJA1000、驅(qū)動(dòng)器82C250以及霍爾傳感器，開發(fā)了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812的電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)；陳青等[14]將模糊理論與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提出了一種收斂速度快、診斷精度高、自適應(yīng)強(qiáng)的電動(dòng)執(zhí)行器故障診斷方法。但上述研究成果中，適合大規(guī)模生產(chǎn)的高精度、高穩(wěn)定性、低成本的電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)相對(duì)較少。

鑒于目前工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄妱?dòng)閥控制器的穩(wěn)定性、可靠性、整體性能及成本控制的需求，本文設(shè)計(jì)了一種可靠性較高、經(jīng)濟(jì)成本較低的溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡精準(zhǔn)控制，為工業(yè)領(lǐng)域電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定技術(shù)支撐。

1 工作原理

溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的工作原理見圖1。

圖1 溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作原理圖

控制系統(tǒng)通過電源部分將供電系統(tǒng)的交流電通過LD0穩(wěn)壓到接電源電壓（VCC）和接入電路的電壓（VDD），其中220 V交流電和開關(guān)電源的+12 V電壓給調(diào)節(jié)電路的繼電器供電，穩(wěn)壓得到的VCC電壓給芯片微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）處理器、溫度傳感器采樣電路、LCD顯示電路和按鍵控制電路供電。閥門調(diào)節(jié)電路通過2個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)3種狀態(tài)，即控制電動(dòng)閥門的開啟、關(guān)閉和停止；溫度傳感器采樣電路通過2個(gè)溫度傳感器分別采集進(jìn)口、出口的水溫并傳遞給單片機(jī)MCU；MCU處理器計(jì)算兩溫度的差值ΔT并與設(shè)定的溫差ΔT0進(jìn)行比較，根據(jù)比較大小的結(jié)果判斷閥門的開啟與關(guān)閉；LCD顯示電路用來顯示設(shè)定溫差值、供水溫度和回水溫度的差值和時(shí)間。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

MCU是單片機(jī)處理器，其內(nèi)部已有復(fù)位電路，外部RESET的電容電阻起到濾波作用。VDD和VCC電源由+12 V經(jīng)穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓得到，外圍經(jīng)過電阻和二極管限流、電容電阻濾波。3個(gè)按鍵串聯(lián)電阻值的不同，發(fā)送給MCU處理器處理不同的采樣電壓信號(hào)，MCU處理器根據(jù)電壓信號(hào)，控制LCD顯示設(shè)定的溫差值。2個(gè)NPN三極管分別驅(qū)動(dòng)關(guān)閥繼電器和開閥繼電器，當(dāng)MCU處理器接收到溫度傳感器采集的溫度信號(hào)，計(jì)算出的溫差與設(shè)定溫差存在差值時(shí)，MCU處理器接三極管的引腳會(huì)輸出高電平，此時(shí)三極管導(dǎo)通，+12V的電源加在繼電器線圈上，使繼電器通電動(dòng)作，接觸器吸合，接通閥門電源，閥門開始啟動(dòng)。

2.1 電源模塊

電源模塊的電路圖見圖2。

圖2 電源模塊控制電路圖

交流輸入直流輸出的開關(guān)電源模塊為閥門調(diào)節(jié)模塊的開閥繼電器、關(guān)閥繼電器提供線圈電壓。供電系統(tǒng)將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為12 V 直流電后，經(jīng)穩(wěn)壓電路降壓至VDD 和VCC，為控制器各部分包括MCU 處理器、LCD 顯示、按鍵電路、溫度傳感器采樣電路提供工作電壓。同時(shí)，220 V交流電也為電動(dòng)閥體提供動(dòng)力。

2.2 MCU 處理器模塊

MCU處理器模塊的控制電路圖見圖3。微處理器MCU處理芯片，主要完成溫度信號(hào)的讀入和控制信號(hào)的輸出，檢測(cè)供水口溫度與出水口溫度的差值并與設(shè)定溫差進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)溫差小于設(shè)定溫差時(shí)，MCU處理器發(fā)出關(guān)閥信號(hào)給閥門調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行關(guān)閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閥門開度減小直至兩溫差的絕對(duì)值|(ΔT1－ΔT2)－ΔT0|＜0.5 ℃；當(dāng)計(jì)算溫差值大于設(shè)定溫差時(shí)，MCU處理器發(fā)出開閥信號(hào)給閥門調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行開閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閥門開度增大直至兩溫差的絕對(duì)值|(ΔT1－ΔT2)－ΔT0|＜0.5 ℃。同時(shí)，通過控制LCD顯示模塊，顯示輸出的溫度參數(shù)和控制器當(dāng)前的狀態(tài)。

圖3 MCU 處理器模塊的控制電路圖

2.3 按鍵控制模塊

本模塊包括3個(gè)按鍵，分別為確定鍵、上調(diào)溫差值鍵和下調(diào)溫差值鍵，按鍵控制模塊的電路設(shè)計(jì)圖見圖4。3個(gè)按鍵使用MCU處理器的一個(gè)AD采樣口，使用采樣電壓的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)引腳對(duì)3個(gè)按鍵的控制，可以節(jié)省MCU的引腳資源，方便以后的功能擴(kuò)展。3個(gè)按鍵配置合適的電阻值，使采樣的電壓有明顯差別。當(dāng)按下電阻R1的按鍵，MCU采集到一個(gè)電壓值V1，MCU發(fā)出信號(hào)，準(zhǔn)備接收上調(diào)或下調(diào)溫差值的信號(hào)；然后若按下電阻值R2的按鍵，MCU采樣到一個(gè)電壓值V2，設(shè)定的溫差值便會(huì)上調(diào)到一定的溫度數(shù)值，再次按下溫差值會(huì)再次上調(diào)相同的溫度數(shù)值，直至上調(diào)至所需要的溫差值，可按下R1的按鍵確定；若是按下電阻值R3按鍵，MCU采樣到電壓值V3，設(shè)定的溫差值會(huì)下調(diào)到一定溫度數(shù)值，再次按下溫差值會(huì)下調(diào)相同的溫度數(shù)值直至下調(diào)至所需的溫差值，按下R1的按鍵確定。

圖4 按鍵控制模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.4 閥門調(diào)節(jié)模塊

閥門調(diào)節(jié)模塊主要是采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)，設(shè)計(jì)的電路控制圖見圖5。MCU的IO口輸出控制信號(hào)接三極管基極，繼電器的線圈負(fù)端接三極管集電極，正端接電源，三極管發(fā)射極接地。三極管的集電極連接一個(gè)續(xù)流二極管起保護(hù)作用。當(dāng)MCU的I/O口給高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，執(zhí)行閥門打開或關(guān)閉動(dòng)作；當(dāng)MCU的I/O口給低電平時(shí)，三極管截止，繼電器斷開，不執(zhí)行動(dòng)作。

圖5 閥門調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)圖

2.5 溫度傳感器采樣模塊

溫度傳感器采樣模塊用于接收溫度傳感器發(fā)回的溫度信號(hào)，其設(shè)計(jì)電路見圖6。使用一塊多路復(fù)用器接收2個(gè)溫度傳感器的溫度信號(hào)，多路復(fù)用器作為選擇開關(guān)，通過片選端口選擇溫度傳感器。多路復(fù)用器的2個(gè)公共端，一端作為恒流源電路的輸入端，作為溫度采用的基準(zhǔn)，另一端通過放大器把采樣的溫度信號(hào)輸入到MCU的AD口，MCU處理器進(jìn)行信號(hào)處理。溫度傳感器采樣模塊的控制電路圖見圖7。

圖6 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)圖

圖7 溫度傳感器采集模塊控制電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程框圖見圖8。

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程框圖

通過按鍵（觸摸屏）輸入，設(shè)定第一溫差值T1，第二溫差設(shè)定值T2，其中2 ℃≤T1≤8 ℃，T2≥10 ℃。若MCU沒有檢測(cè)出空調(diào)末端設(shè)備控制器向溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制器發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)，重新設(shè)定第一溫差和第二溫差值，并再次判斷是否有啟動(dòng)信號(hào)；若MCU檢測(cè)出空調(diào)末端設(shè)備控制器向溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制器發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)，MCU則相應(yīng)的發(fā)出開閥信號(hào)并通過繼電器執(zhí)行開閥動(dòng)作，閥開至初始化開度。此時(shí)定義的初始化開度是指空調(diào)末端設(shè)備開啟后，溫差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥第一次開閥的開度保持位置。開閥至初始化開度后，MCU檢測(cè)是否收到接收到閥關(guān)閉的信號(hào)，若沒有收到閥門關(guān)閉信號(hào)，MCU判斷溫度檢測(cè)間隔時(shí)間t是否已到；若檢測(cè)間隔時(shí)間t已到，檢測(cè)MCU采集兩個(gè)溫度傳感器采集的供水溫度Ta和回水溫度Tb，若是檢測(cè)間隔時(shí)間t未到，返回到開閥值初始開度，重新檢測(cè)閥門關(guān)閉信號(hào)；若是接收到閥關(guān)閉信號(hào)，MCU發(fā)送關(guān)閥信號(hào)通過繼電器執(zhí)行關(guān)閥動(dòng)作，閥門全關(guān)，重新輸入設(shè)定值，進(jìn)行檢測(cè)。MCU檢測(cè)出間隔時(shí)間t到后，判斷回水溫度Tb減去供水溫度Tb的差值ΔTz是否大于第二設(shè)定溫差T2，若Tb－Ta＞T2，MCU輸出缺水保護(hù)信號(hào)發(fā)送給空調(diào)末端設(shè)備控制器。Tb－Ta＞T2，MCU判斷回水溫度Tb減去供水溫度Tb的差值ΔTz是否大于第一設(shè)定值T1，若Tb－Ta>T1，MCU輸出開閥信號(hào)，重新判斷是否接收閥關(guān)閉信號(hào)，若Tb－Ta＜T1，MCU輸出關(guān)閥信號(hào)，重新判斷是否接收閥門關(guān)閉信號(hào)。

4 結(jié)論

本控制器在設(shè)計(jì)中選擇了MCU單片機(jī)處理器，設(shè)計(jì)出了可靠的硬件電路，開發(fā)了專業(yè)的程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)水力平衡的精確控制。整個(gè)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本相對(duì)較低，且電路中3個(gè)按鍵僅占用一個(gè)I/O口，節(jié)省了MCU的資源，便于后期功能的擴(kuò)展升級(jí)。