一種汽車空調伺服電機的驅動系統及方法＊

徐磊，辛聰，王明明

( 廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640)

前言

隨著國民經濟發展和消費升級，越來越多的汽車配備了自動空調系統，使之成為乘用車的主流配置[1]。自動空調的恒溫控制、出風模式以及內外氣自動切換等功能，都是通過相應風門的切換來實現的，而風門切換又是通過連接于其上的伺服電機來帶動的。伺服電機采用H橋驅動，可根據當前位置進行閉環控制，以精確達到目標位置。但在整車實際使用中，因整車電氣環境復雜，如線束 EMC干擾等問題，導致伺服電機位置的反饋精度有限。若控制方法不當，極易引起風門的反復抖動，一方面會造成異響，另一方面也可能引起空調各出風口的風量不一致，影響整車的商品性和舒適性[2]。本文在汽車空調自動控制系統的設計實踐中，通過觀察風門抖動現象、分析抖動的產生原因，結合某型號伺服電機的響應特點和控制要求，設計了一種能提高伺服電機穩定性的控制系統，并通過實驗對比測試，證實了該設計對避免風門伺服電機抖動的有效性。

1 伺服電機在汽車空調上的應用

1.1 伺服電機介紹

伺服電機（servo motor）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的電動機，它能將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，可以對位置、速度進行精確地控制。近年來，隨著磁性材料技術、傳感器技術、單片機以及控制算法的快速發展，直流伺服電機及其控制系統得到了極大的發展，在汽車產業中也體現出了巨大的應用價值[3]。直流伺服電機主要包含控制器、受控對象、傳感器和比較器，如圖1所示。控制器是電機系統工作的使能和控制部分；受控對象主要指電機的運動部分；傳感器將機械信號轉變為電信號反饋到輸入端；比較器將采集到的電信號與輸入信號比較后將比較結果傳送到控制器，控制器根據比較結果對電機進行負反饋調節，這樣整個系統就形成了一個閉環。直流伺服電機是一個閉環系統，與普通直流電機相比多了速度或位置的反饋裝置[4]。

圖1 伺服系統控制框圖

1.2 在汽車空調上的應用場景

直流伺服電機具有體積小、可靠性高、技術發展成熟、維護方便等優點，成為汽車各個機械驅動領域的理想配件。在汽車空調中廣泛采用直流伺服電機來驅動空調風門，包括混和風門、模式風門及內外氣風門等。混和風門用于調節流過蒸發器的冷風和暖風芯體的熱風的比例，從而調節出風口溫度；模式風門用于切換空調的出風口模式，一般包括吹臉、吹腳、除霜等模式，可根據用戶使用需求進行自動切換，比如某些車型可根據車內濕度自動開啟車窗除霜，或根據制冷/制熱需求，自動切換吹臉/吹腳模式；內外氣風門用于調節汽車空調的內外循環，某些車型可根據車內熱負荷、環境空氣質量或者車速條件等參數自動在內/外循環間切換。

2 H橋驅動電路的原理

H橋驅動電路一般由四個 MOS管構成，由于電路中MOS管與伺服電機的連接形狀很像英文字母“H”，因此得名。H橋驅動電路通過控制四個MOS管的有序導通，可以達到控制電機的正反轉的目的，并且通過與單片機配合使用，利用定頻調寬等方法產生PWM信號，可以達到平滑調速的效果[5]。如圖2所示為一種典型的直流電機H橋驅動電路。當Pin1為高電平、Pin2為低電平時，MOS管Q2、Q3導通，電流按箭頭方向流動，驅動電機正轉；當Pin1為低電平、Pin2為高電平時，MOS管Q1、Q4導通，電流按箭頭的反方向流動，驅動電機反轉；當 Pin1、Pin2同為高電平時，MOS管Q2、Q4導通，相當于伺服電機兩端同時接地，電機兩端沒有電壓差，且由于電機兩端通過MOS管Q2、Q4形成閉合回路，電機運動時產生的電磁感應反電動勢將形成感應電流，阻止電機的慣性運轉，可以起到很好地制動作用；同理，當Pin1、Pin2都為低電平時，MOS管Q1、Q3導通形成閉合回路，伺服電機被制動。H橋驅動電路中，同側MOS管不允許同時導通，防止電源與地短路而燒毀 MOS管。此外，橋臂上每個MOS管都配有一個寄生二極管，用于保護MOS管的S極與D極之間過壓。

圖2 H橋驅動電路

3 系統介紹

3.1 伺服電機規格

本汽車空調系統采用的某型號模式風門伺服電機電氣原理圖如圖3所示。該模式電機具有五檔，依次為吹面→吹面吹腳→吹腳→吹腳除霜→除霜。本文所用模式電機的Pin腳定義及不同模式反饋電壓值如表1所示。當Pin4為高電平，Pin5為低電平時，模式風門向吹面方向擺動；反之，當Pin4為低電平，Pin5為高電平時，模式風門向除霜方向擺動。該伺服電機集成一個滑動變阻器，滑動變阻器的滑動端與電機相連，當電機轉動時，滑動變阻器輸出的電阻值發生變化，從而使反饋電壓在0～5V之間變化，起到位置傳感器的作用。事先通過標定，得出模式風門在不同模式下的反饋電壓，以此作為該模式的目標位置反饋值。

圖3 某型號模式風門伺服電機原理圖

表1 某型號伺服電機規格參數

3.2 本設計硬件方案

根據上述汽車空調模式電機的特點，采用H橋驅動芯片來對其進行驅動。考慮到硬件平臺化，采用 ST公司的集成式直流電機驅動芯片 L99MD01XPTR來實現對空調風門伺服電機的控制，其電機驅動模塊的硬件框圖如圖 4所示。L99MD01XPTR是一款集成8個半橋的電機驅動芯片，每路輸出的驅動能力為0.8A，可同時驅動4個直流伺服電機實現正反轉，滿足一般汽車空調系統的使用要求。此外，該芯片無需外部繼電器或驅動模塊，可簡化線束，降低成本。電機驅動模塊與MCU之間采用24Bit SPI通信接口，減少對MCU管腳資源的占用，控制方式簡單，并能實現完善的診斷功能，包括伺服電機各Pin腳對電源短路、對地短路、開路和電機堵轉。

圖4 電機驅動模塊硬件框圖

3.3 本設計軟件方案

結合模式電機的特點與硬件設計方案，設計的模式電機控制軟件流程如圖5所示。相比一般控制方法而言，本設計增加了兩個閾值條件。只有當反饋電壓與目標電壓的差值＞上閾值時，伺服電機才根據當前位置與目標位置的偏差執行正轉或反轉；當該差值≤下閾值時，認為伺服電機轉動到目標位置，執行制動。通過選擇合適的上/下閾值，既能防止伺服電機頻繁抖動，又能提高其控制精度。通過對某型號乘用車的實車標定，確定上閾值為0.15V，下閾值為0.05V。

4 結果分析

根據上述設計流程進行模型化編程，生成代碼后刷寫到采用本硬件方案的 ECU上，搭載于某型號乘用車作為試驗組；并將未設置上、下兩個閾值的軟件編碼后刷寫到同型號乘用車上，作為對照組。通過實車路試，分別觀察試驗組和對照組的模式風門電機的穩定性表現。

通過試驗發現，試驗組模式風門電機在調節模式后可以快速地達到穩定，同時可以穩定至更高的精度區間，并且在整個路試過程中不會發生抖動；而對照組的模式風門電機在調節模式后需要更長的時間才能達到穩定，并且在穩定后隨著路試的進行亦可能發生抖動。通過對比試驗，證實本伺服電機的驅動方案對于提高汽車空調伺服電機的穩定性是有效的。

圖5 伺服電機控制軟件設計流程圖

5 結論

伺服電機由于體積小、可靠性高、維護方便等優點而廣泛應用于汽車自動空調系統中，本文提供了一種汽車空調伺服電機的驅動系統及控制方法，能有效地提高空調風門伺服電機的穩定性，并且該方案簡單可行，具有很強的實用性。

參考文獻

[1] 李建民.淺析汽車空調自動控制系統[J].汽車實用技術,2016,9∶263-265.

[2] 周學斌,田波,何理,等.汽車空調出風口出風量不一致的控制和優化[J].汽車電器, 2013, 6∶ 12-19.

[3] 袁沂輝.永磁無刷直流電機控制系統研究[D].武漢∶華中科技大學,2004.

[4] 張東清.一種直流伺服電機驅動器的設計[D].杭州∶杭州電子科技大學,2013.

[5] 隋美麗,夏征,龍建,等. 基于脈沖寬度調制的直流電機控制方法研究與設計[J].汽車實用技術, 2017, 8∶ 46-48.