淺析汽車空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

李建民

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

淺析汽車空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

李建民

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

∶文章簡要介了紹空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各組成部分的原理。主要說明了自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的控制器，傳感器，風(fēng)門執(zhí)行器及鼓風(fēng)機(jī)的控制。

∶發(fā)電機(jī)；整流二極管；電壓調(diào)節(jié)器；充電指示燈

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.091

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-263-03

引言

手動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)只能根據(jù)駕駛員自己所設(shè)定的工況去運(yùn)行，如風(fēng)量，出風(fēng)溫度，出風(fēng)模式等。而在汽車行駛中，太陽輻照強(qiáng)度的變化，室外溫度的變化，乘客散熱量的變化等都會(huì)直接影響車內(nèi)溫度，由于手動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)缺乏必要的檢測和控制裝置，故無法有效控制車內(nèi)溫度波動(dòng)。

隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步，乘員對(duì)車內(nèi)氣候舒適度的要求越來越高，手動(dòng)空調(diào)已無法滿足現(xiàn)有需求，直接推動(dòng)了自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用和普及。自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)可以通過多種傳感器實(shí)時(shí)檢測車內(nèi)外溫度、太陽輻射等，自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣方式、出風(fēng)溫度和壓縮機(jī)通斷等。減輕了駕駛員負(fù)擔(dān)，提升了車內(nèi)氣候的熱舒適性。

1、空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)與其他自動(dòng)控制系統(tǒng)類似，主要由控制裝置，檢測變送裝置，執(zhí)行裝置組成。其中，自動(dòng)空調(diào)控制器作為核心的控制裝置，負(fù)責(zé)空調(diào)各部件的實(shí)際控制；室外溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、陽光傳感器等構(gòu)成了主要的檢測變送裝置，主要為控制器提供實(shí)時(shí)的環(huán)境參數(shù)；溫度風(fēng)門電機(jī)擊、模式風(fēng)門電機(jī)，新回風(fēng)電機(jī)及鼓風(fēng)機(jī)則組成了主要的執(zhí)行裝置。如圖一所示，為典型自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)框圖：

圖1　自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)控制原理框圖

由圖1可以看出，自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)除與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)自帶的傳感器和執(zhí)行器關(guān)聯(lián)外，還可以通過CAN總線接收車速，水溫，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，以達(dá)到更精確的控制效果。

2、自動(dòng)空調(diào)控制器工作原理

自動(dòng)空調(diào)控制器作為空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，其功能的好壞將直接影響車內(nèi)溫度的控制效果。自動(dòng)控制器典型界面如圖2所示，有AUTO按鍵、溫度調(diào)節(jié)旋鈕、風(fēng)量調(diào)節(jié)旋鈕、出風(fēng)模式按鍵、進(jìn)氣模式按鍵、AC請(qǐng)求開關(guān)和LCD顯示屏等。

圖2　自動(dòng)空調(diào)控制器圖示

如圖3所示，一個(gè)完整的自動(dòng)空調(diào)控制器由主單片機(jī)、電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、風(fēng)門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鼓風(fēng)機(jī)控制電路、信號(hào)輸出電路（硬線）、CAN通信電路、LCD及指示燈顯示電路和按鍵及旋鈕采集電路等模塊組成。

圖3　自動(dòng)空調(diào)控制器主要電路結(jié)構(gòu)

在自動(dòng)控制模式下，當(dāng)用戶設(shè)定好所需溫度后，控制器將根據(jù)傳感器檢測到的各溫度和輻照強(qiáng)度信號(hào)，通過以下公式計(jì)算出在當(dāng)前環(huán)境工況下，為維持所需溫度空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)輸出的熱量：

式中，TSET為設(shè)定溫度；Tin為車內(nèi)溫度；

Tamb為車外溫度；Ts為太陽輻照強(qiáng)度；

K1、K2、K3、A、B、C為常數(shù)。

控制器根據(jù)計(jì)算后的Td值自動(dòng)控制溫度風(fēng)門開度。溫度風(fēng)門開度與Td值的關(guān)系如圖4所示。

圖4　溫度風(fēng)門開度與Td值關(guān)系

當(dāng)用戶設(shè)定最大制冷時(shí)，溫度風(fēng)門將固定在最小開度；當(dāng)設(shè)定最大制熱時(shí)，溫度風(fēng)門將固定在最大開度。

與溫度控制類似，控制器根據(jù)計(jì)算所得的Td值自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量。風(fēng)量與Td值關(guān)系如圖5所示。

特別的，在自動(dòng)控制時(shí)，當(dāng)用戶設(shè)定最大制冷時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)將以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行；設(shè)定最大制熱時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將比最大轉(zhuǎn)速低一檔，以保證制熱時(shí)的舒適性。

圖5　鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量與Td值關(guān)系

控制器在自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度風(fēng)門開度和鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，還會(huì)同步控制出風(fēng)模式的變化。且一般在吹面模式（VENT），吹面吹腳模式(VENT/FOOT)，吹腳模式(FOOT)三個(gè)模式中變化。出風(fēng)模式與Td值的關(guān)系如圖6所示。

圖6　出風(fēng)模式與Td值關(guān)系

3、自動(dòng)空調(diào)傳感器工作原理

一般，自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)傳感器主要有室外溫度傳感器，室內(nèi)溫度傳感器，光照傳感器，蒸發(fā)器溫度傳感器等。其中除光照傳感器采用光敏元件外，其余一般均采用NTC溫度傳感器。

NTC溫度傳感器其阻值隨溫度增高而變小，一般由不同的金屬（如鐵，鈷，鎳銅和鋅）氧化物制成，并以環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。圖7所示為一款室外溫度傳感器。

圖7　室外溫度傳感器

傳感器一般布置在具有定值電阻的分壓電路中（圖8所示），當(dāng)溫度傳感器阻值變化時(shí)，采集到得電壓信號(hào)也隨之改變，通過AD口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，由單片機(jī)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)阻值，最后通過查表法得到對(duì)應(yīng)的溫度。

圖8　溫度傳感器信號(hào)采集電路

陽光傳感器不同于空調(diào)系統(tǒng)其它傳感器，其一般采用的是光電二極管。此光電二極管利用光電效應(yīng)來測量陽光的輻照強(qiáng)度。當(dāng)在此二極管上加一個(gè)反向電壓，并且接受光線照射，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電流，該電流大小與光照強(qiáng)度成正比，傳感器將該電流再轉(zhuǎn)換為電壓發(fā)送給單片機(jī)。圖9為一款陽光傳感器及其對(duì)應(yīng)的輻照度曲線。

圖9　陽關(guān)傳感器及福照度曲線

除上述溫度和陽光傳感器外，部分高端車型還引入了空氣質(zhì)量傳感器、除霧傳感器，濕度傳感器等，進(jìn)一步提升乘員艙環(huán)境質(zhì)量。

4、自動(dòng)空調(diào)執(zhí)行器工作原理

自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行器主要有風(fēng)門電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)兩種。

目前風(fēng)門電機(jī)分伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種，應(yīng)用較多的是伺服電機(jī)，其具有控制精度高，驅(qū)動(dòng)扭矩大的優(yōu)點(diǎn)。一般，風(fēng)門電機(jī)有專門的驅(qū)動(dòng)芯片（圖10），單片機(jī)通過SPI的方式提供輸入信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)芯片直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖10　NCV7708B驅(qū)動(dòng)芯片

當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)內(nèi)部位置傳感器的電刷一起運(yùn)轉(zhuǎn)，控制器通過檢測電刷的反饋電壓來識(shí)別電機(jī)當(dāng)前位置，當(dāng)反饋電壓達(dá)到目標(biāo)電壓后，控制器即切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖11　伺服電機(jī)原理圖

上圖11為伺服電機(jī)的電路原理圖，其中P1，P3腳為伺服電機(jī)供電端，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，P2為位置傳感器碳膜+5V參考電壓供電端，P5為位置傳感器碳膜接地端，P6為位置傳感器電刷。

目前，自動(dòng)空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制多選用調(diào)速模塊來實(shí)現(xiàn)（圖12），調(diào)速模塊主要由MOSFET、散熱片和溫度熔斷器組成，一般布置在鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)口，便于調(diào)速模塊散熱，防止MOSFET因過熱而燒壞。

圖12　調(diào)速模塊

如圖13所示，為調(diào)速模塊工作原理圖，首先單片機(jī)經(jīng)過計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)風(fēng)量的PWM信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部的PI電路轉(zhuǎn)換為線性電壓后輸出給MOSFET柵極，通過MOSFET的柵極電壓來控制漏極電流，達(dá)到控制鼓風(fēng)機(jī)回路電流的目的。同時(shí)通過檢測漏極反饋電壓實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)端電壓的穩(wěn)定控制。

圖13　調(diào)速模塊工作原理

5、結(jié)論

本文介紹了乘用車自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，淺析了控制系統(tǒng)中空調(diào)控制器、傳感器、風(fēng)門電機(jī)及鼓風(fēng)機(jī)的工作原理，簡要說明了自動(dòng)控制器對(duì)溫度風(fēng)門、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量及模式風(fēng)門的自動(dòng)控制。

[1] 楊占鵬.汽車空調(diào)與氣候控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社，2009.5.

[2] 潘偉榮.汽車自動(dòng)空調(diào)技術(shù).華南理工大學(xué)出版社.2008.8.

Analysis of the air conditioning auto control system

Li Jianmin
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601)

This article simply introduces the structure and principle of the air conditioning auto control system. Mainly illustrates the controller，sensors,air door actuators and the control of blower.

air conditioning; controller; sensor; air door actuator; blower

∶U463.6

∶A

∶1671-7988 (2016)09-263-03

李建民（1990—），男，電氣設(shè)計(jì)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事空調(diào)研發(fā)。