汽車空調(diào)風門耐久試驗裝置設計

周倩瑤，杜冠廷，羅熠

(中汽檢測技術有限公司，國機智能科技有限公司，廣東廣州 510530)

0 引言

汽車空調(diào)風門機構主要包括溫度混合風門、模式風門、進氣風門，其中溫度混合風門和模式風門分別控制著冷熱風的分配比和空調(diào)吹面、吹腳、除霜等模式的風量[1]，基本每次駕駛都會用到。因此風門的精確控制及使用壽命是評價汽車空調(diào)系統(tǒng)的重要指標，需要通過耐久性試驗來驗證風門的設計要求。

耐久性試驗，即對空調(diào)風門執(zhí)行電機進行長時間的循環(huán)運轉，有主機廠甚至需要在高低溫環(huán)境下驗證壽命。每一次循環(huán)風門運行均應從一個極限位置到另一個極限位置，混合風門、模式風門、進氣風門控制方式基本一致。

1 設計方案實現(xiàn)

1.1 執(zhí)行電機原理及試驗難點分析

如圖1所示，風門控制電機的Pin4和Pin5的極性切換實現(xiàn)電機的正反轉。當Pin4為高電平、Pin5為低電平時，電機正轉；反之，當Pin4為低電平、Pin5為高電平時，電機反轉，從而實現(xiàn)風門的兩個極限位置功能。該電機還集成一個滑動變阻器，滑動變阻器的滑動端與電機相連。如在Pin1和Pin3兩端加載5 V的電壓，當電機轉動時，滑動變阻器輸出的電阻值發(fā)生變化，從而電機運轉過程中信號端電壓在0～5 V之間變化，實現(xiàn)不同位置的風門模式功能。

圖1 電機原理圖

通過分析電機和控制部件參數(shù)，耐久試驗的條件，應解決以下難點：(1)需要切換電機接線端電壓的極性來實現(xiàn)以及電機的正反轉；(2)試驗過程中需要檢測到風門轉動的位置，實現(xiàn)不同模式功能的控制，并在規(guī)定的位置下進行換向，滿足試驗要求；(3)試驗中如風門出現(xiàn)機械故障被卡住，會使電流突然增加，導致?lián)p壞電機的危險，因此耐久試驗裝置應可感知風門故障情況，在必要時自動斷電；(4)試驗裝置還需準確記錄樣品的具體壽命，如試驗中斷時應能記錄已經(jīng)完成的試驗循環(huán)次數(shù)；(5)達到要求的試驗次數(shù)后，試驗裝置能自動停機，提高控制精度；(6)依據(jù)客戶要求，當電機運行到極限或不同擋位位置時應暫停給定的時間，再繼續(xù)運轉。

因此，該裝置采用ACS712電流傳感器對電機轉動位置進行檢測及監(jiān)控，使用電驅(qū)模塊RZ7899對電機運行方式進行控制。ACS712用于監(jiān)控伺服電機位置傳感器的輸出量，設計采集范圍0～5 V，通過檢測電流模擬電壓量輸出，得到風門實時的運轉位置。而RZ7899芯片內(nèi)部是一個全橋控制電路，所以負載兩端的電壓正負極是可控的，接上風門執(zhí)行電機，通過控制芯片內(nèi)部電流的方向，實現(xiàn)電機的正反轉；同時可以接受PWM信號輸入、控制平均電壓、調(diào)節(jié)負載電流，使電機旋轉時達到平滑調(diào)速的效果，防止電機卡滯而燒毀的危險。

1.2 風門位置及故障感知

在風門電機的旋轉過程中，會改變與其相連的滑動電阻器的電阻值，從而使電路中電流發(fā)生變化。為精確控制電機，需要對電機運行電流進行檢測。系統(tǒng)采用了線性電流傳感器ACS712，其主要由靠近芯片表面的銅制的電流通路和精確的低偏置線性霍爾傳感器電路等組成，流經(jīng)銅制電流通路的電流所產(chǎn)生的磁場，能夠被片內(nèi)的霍爾IC感應并將其轉化為成比例的電壓[2]。ACS712有±5 A、±20 A、±30 A 3個不同規(guī)格的量程，其工作性能基本相同，只有檢測范圍的差別。ACS712輸出電壓與檢測電流關系的特性曲線如圖2所示。

圖2 ACS712輸出電壓與檢測電流的特性曲線(UCC=5 V)

在檢測范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓和檢測電流成正比，幾乎不受溫度的影響[2]。

設計中ACS712電路圖如圖3所示，被測電流從1、2端輸入，3、4端輸出，構成閉合回路，在7端輸出模擬電壓，完成了電流采集。且通過特性曲線可以知道，隨著電流的增加，會對應輸出與被檢測的直流或者交流電流呈線性關系的電壓，從而獲得對應風門電機的運行狀態(tài)，感知風門的具體位置。如模擬電壓出現(xiàn)非線性的異常情況，可以得知風門出現(xiàn)故障情況，此采集數(shù)據(jù)也可快速傳輸?shù)街骺刂破鳌?/p>

圖3 ACS712應用電路圖

1.3 風門位置控制的實現(xiàn)

一個汽車空調(diào)總成上一般不會超過4個風門執(zhí)行電機，設計中通過使用4個全橋驅(qū)動芯片RZ7899，實現(xiàn)了4個風門電機單獨驅(qū)動及正反轉往返運動，以完成耐久試驗。由于芯片內(nèi)部是一個全橋控制電路，所以這個負載兩端的電壓正負極是可控的，接上風門電機，即可使其正轉、倒轉、剎車等功能。

當橋式整流電路當中的4個晶體管封裝在一起時就構成了全橋電路，而全橋電路實際上就是常說的H橋電路。因為晶體管與電機的連接形狀酷似字母H，所以叫做“H”橋驅(qū)動電路。電路通過控制4個晶體管的有序?qū)ǎ瑥亩鴮崿F(xiàn)控制電機的正反轉，再通過與單片機配合使用，利用定頻調(diào)寬等方法產(chǎn)生PWM信號，可以達到平滑調(diào)速的效果[3]。如圖4所示，TA、TB構成一個半橋，TC、TD構成一個半橋。當TA和TD導通時，電流就從電源正極經(jīng)TA從左往右流過電機，再經(jīng)TD回到電源負極，如此一來，實現(xiàn)了電機的正轉；同理，當TC和TB導通時，電流將從右往左穿過電機，實現(xiàn)電機的反轉。若在TA、TC導通后，則電機慣性運轉產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運轉的反電勢，從而實現(xiàn)“剎車”功能。

圖4 H橋驅(qū)動電路圖

而RZ7899則是一款集成2個半橋的電機驅(qū)動芯片，解決傳統(tǒng)分立元件H橋電路驅(qū)動中可靠性低且體積大的缺點，接上電源、電機和控制信號就可以使用了。如圖5所示的連接電路，將4個RZ7899驅(qū)動芯片的FI、BI口接單片機STM32F103RCT6引腳，同時驅(qū)動4個直流電機或伺服電機的旋轉，基本滿足一個汽車空調(diào)系統(tǒng)試驗的需要。同時，主控制器STM32F103RCT6接收到ACS712電流傳感器的模擬電壓，實時對數(shù)據(jù)進行A/D轉換，實時確定風門狀況，為驅(qū)動電路提供可靠保證。

圖5 風門耐久控制主電路圖

1.4 軟件實現(xiàn)

主控制器STM32F103RCT6(伺服電機驅(qū)動模塊)包括4通道的電機驅(qū)動功能和72 MHz的數(shù)據(jù)處理、風門位置反饋(電位、脈沖)，閉環(huán)控制等處理速度，通過軟件編寫，與上位機進行人機交互，實現(xiàn)如圖6的系統(tǒng)功能。上位機同時對環(huán)境箱的狀態(tài)進行監(jiān)控，加以實現(xiàn)在高低溫環(huán)境里進行風門耐久試驗,如圖7所示。

圖6 風門耐久試驗系統(tǒng)功能圖

圖7 風門耐久試驗

2 結束語

基于單片機的控制原理，連接霍爾電流傳感器的采集電路，采用集成電路芯片來控制風門運轉實現(xiàn)耐久試驗的需求。詳細介紹了風門耐久試驗裝置的接線方式及控制原理，以證明該方法的正確性。此開發(fā)可根據(jù)串行接口的數(shù)量等單片機性能，在控制電機上具有擴展靈活性，以滿足不同風門數(shù)量的空調(diào)總成樣品進行試驗。