汽車空調風門執行器的分類及應用

鄭碩文，李鄂勝，李 勇，陳如虎，鄭海法

（湖北開特汽車電子電器系統股份有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著科學技術和生活水平的不斷提高，人們對汽車內舒適性也提出越來越高的要求。空調執行器作為空氣流量分配風門的開啟角度及扭矩輸出的器件，在汽車空調執行機構中廣泛應用。

1 風門執行器在空調系統中的應用

風門執行器作為常見的空調控制系統，通過齒輪與空調上的模式盤或旋轉桿連接，帶動汽車空調風門進行開閉，從而分配空氣流量。HVAC風門運轉常用的有3大類：冷暖、模式、內外循環調節。

2 風門執行器的種類介紹

隨著汽車的快速發展，汽車空調風門執行器也有較大發展，目前各大主機廠常見的風門執行器均有適合自己的執行器外形及控制類型。

1）根據執行器的動力源不同，可將汽車空調風門執行器分為BDC直流汽車空調風門執行器、stepper步進、BLDC無刷汽車空調風門執行器。

2）根據驅動控制方式不同，可將汽車空調風門執行器分為模擬量DC控制汽車空調風門執行器和數字量LIN、CAN控制汽車空調風門執行器。

3）根據產品角度反饋信號的方式不同，可分為非接觸式和接觸式：接觸式分為PCB碳膜滑動電位器和集成式電位器，非接觸式分為霍爾角度傳感器、脈沖角度編碼傳感器等。

4）根據產品空調系統應用及安全防護的需求，可分為銅箔斷電設計、PTC過流保護設計、風門極限位置機械限位設計、運轉方向防差錯設計等。

根據以上應用、分類以及所需的技術條件結合成本、品質等多方面的考慮，不同汽車空調風門執行器在價格、角度控制精度、輸出力矩等方面均有不同。

3 汽車空調風門執行器的典型應用介紹

3.1 直流BDC風門執行器

3.1.1 360°正反轉汽車空調風門執行器停止時間控制方式

如圖1所示，執行器通過ECU控制汽車風門執行器運轉，當運轉到極限位置后，汽車空調海綿與風門機構進一步壓縮，ECU控制電源斷開，從而控制汽車空調風門執行器停止，使得執行器停到所需位置。

圖1 接線圖

電源連接電機正負兩極，通過外接電源控制信號控制電機正反轉。

優點：結構簡單，成本低，電路為開環電路。

缺點：ECU控制汽車空調風門執行器正常運轉，當發生堵轉時間過長時，汽車空調風門執行器及連桿、風門等壽命降低。

建議空調面板廠家在控制汽車空調風門執行器正常運轉過程中，汽車空調風門執行器運轉時間增加50%～80%，從而既能保證風門正常開閉，又能保證汽車空調風門執行器堵轉時間不至于太長，引起汽車空調風門執行器及汽車空調風門損壞。

3.1.2 銅箔斷電與防反接控制方式

銅箔斷電與防反接控制方式結合銅箔斷電、防反接兩種方式優點。采用銅箔斷電方式，當電路運行時，由于電路中運行至銅箔斷電位置時，形成斷電，從而防止角度輸出超出范圍，從而保護空調箱體風門。防反接控制方式通過二極管單向導通作用，當正常接線時，電路正常運行；當電路中發生反接時，電路停止工作，從而進一步保護空調箱體。

如圖2所示，5、6為一端分別連接電路板電路信號，另一端通過電機連接外接輸入信號，其中，當1與3連接時，由于二極管單向導通作用，僅1為高電位信號，3為低電位信號時，電路導通，執行器運轉至無銅箔位置停止；當2與3連接時，僅3為高電位信號，2為低電位信號時，電路導通，執行器運轉至無銅箔位置停止。在執行器運轉過程中，執行器中控制單元始終與3段銅箔連接，保證執行器始終能接收到外接信號，保證信號快速響應，防止電路產生異常。

圖2 電路原理圖

優點：結構簡單，成本低，銅箔斷電方式減少汽車空調風門執行器與汽車空調風門長時間堵轉的風險，防反接功能可在電路發生反接過程中，二極管單向導通作用使得電路斷電，從而保護汽車空調風門執行器與汽車空調風門。

缺點：控制精度不高，無法對汽車空調風門關閉進行精準定位。

建議空調面板廠家在控制汽車空調風門執行器運轉過程中，控制精度應設立在合理范圍內。

3.1.3 帶滑動碳膜電位器作為角度傳感器的執行器

碳膜反饋控制方式為目前最常見汽車空調風門運轉的控制方式，其原理為：由角度傳感器完成閉合控制邏輯，外接信號線共5根，分別是：電源正極、電源負極、GND、5V、信號線，電源正負極控制電機進行正反轉，GND、5V與電路連接，使得采集信號分別在0～5V內，通過外接信號線控制信號電路中電壓值，使得電路停止在所需的信號電壓位置。

如圖3所示，外接信號5與6分別連接電機正負極，控制電機正反轉；1與3分別連接電路信號GND與5V，2與電路信號反饋連接。

圖3 接線圖

通過控制信號接收到不同反饋電壓，當輸入信號給定所需要的電壓時，通過電機連接齒輪系運轉，控制輸出齒輪到達給定的電壓時停止，從而保證給定輸入電壓，輸出為所需位置，進而使得空調風門精準定位。

優點：控制汽車空調風門角度相對360°正反轉、銅箔斷電與防反接控制方式更高。

缺點：成本相對360°正反轉、銅箔斷電與防反接控制方式更高，要求電路板生產廠家控制精度要求更高，無保護風門結構。

建議空調面板廠家對空調精度設置在合理范圍內，要求輸出角度控制精度在3°以上。

3.1.4 集成式電位器控制方式

電位器碳膜反饋控制方式與普通碳膜反饋方式類似，不同之處為：將彈刷與電路板集成在一個整體嵌入輸出齒輪旋轉軸上。

優點：此種方式由于將電路板與彈刷嵌入一個整體，故控制精度更高。

缺點：由于開發模具較貴，成本高，故僅適用于產量較大、角度較固定方式控制電路。

建議空調面板廠家在設計電路板時，將角度空調設置成平臺化，可后期大批量生產，從而減少模具開發成本。

3.1.5 碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式

碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式結合銅箔斷電防反接控制方式和碳膜反饋控制方式優點，不僅可以實現給定反饋電壓，輸出所需位置，而且防止電路反接或運轉異常時，實現對風門機構的保護作用。

圖4為碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式原理圖，A與B分別為汽車空調風門執行器輸入端，通過給定電源控制電機正反轉，D與E分別為GND與+5V，C為反饋電壓信號端，C、D、E控制電路運轉，A與B連接銅箔斷電區域，電路中并聯2個二極管，通過二極管單向導通作用，使得電路中產生異常時，及時斷電，防止運轉過程中短路或其他堵轉引起的風門堵轉異常。

圖4 電氣原理圖

優點：集合碳膜反饋與銅箔斷電防反接方式兩者優點，避免電路反接引起的異常，控制精度相對較高。

缺點：元器件相對增多，成本相對增加。

建議面板廠家控制精度設置在合理范圍內。

3.2 步進電機汽車空調風門執行器

步進汽車空調風門執行器是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，汽車空調風門執行器的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給汽車空調風門執行器加一個脈沖信號，汽車空調風門執行器則轉過一個步距角。

步進汽車空調風門執行器通過控制脈沖頻率實現調速，從而達到調速的目的。如圖5所示，一個脈沖信號共4個節拍，分別是0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，正轉過程中，0節拍：3與6連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅰ節拍：3與4連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅱ節拍：1與4連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅲ節拍：1與6連接負極，2、5連接電壓正極。反轉過程中，0節拍：3與6連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅰ節拍：1與6連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅱ節拍：1與4連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅲ節拍：3與4連接負極，2、5連接電壓正極。步進電機一個節拍運轉18°，由于齒輪系傳動比為1∶360，當給定一個脈沖信號時，輸出齒輪運轉角度為18×4/360=0.2°，從而使得給定脈沖頻率實現汽車空調風門執行器調速，控制脈沖數就可以精確定位的目的。

圖5 步進汽車空調風門執行器調速原理

優點：控制精度相對較高，采用脈沖信號控制輸出角度。

缺點：輸出力矩較小，成本較高。

建議空調面板廠家將步進電機設計出平臺化，利于大批量生產降低成本。

3.3 無刷電機汽車空調風門執行器

無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感器按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流（即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產生位置傳感信號，經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。

優點：可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點。

缺點：控制較為復雜、成本較高、扭矩較小。

建議空調面板廠家采用合理方式控制無刷電機。

3.4 LIN、CAN通信及驅動的風門執行器

LIN總線通過串行通信、單線傳輸、單主多從結構、一條總線可連接多個節點等諸多優勢，目前高端汽車風門執行機構越來越普及。

CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設計規范要求有高位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。

東芝專為汽車空調風門執行器設計一款芯片，本文以常見的TB9056FNG單片機為例，介紹LIN通信及驅動的風門執行器。

如圖6所示，IG為電源輸入端，即12V電源端；GND為搭鐵端；BUS為LIN，即通信端。

圖6 TB9056FNG單片機

通過PIN 5連接BUS，即LIN通信輸入與輸出接口，保證信號正常連接，IG連接VCC，保證可正常驅動電路，MT2與MT1分別連接電機正負極，從而控制電機可正常正反轉，VPB連接電路中碳膜反饋裝置，通過輸出齒輪上彈刷與電路板碳膜位置相對滑動，采集反饋電壓信號，從而實現風門精準定位。

VREG為5V電源輸出端，VDD為CMOS電源輸入端，ID0、ID1、ID2、ID3分別為地址設置引腳，設置從機地址，當ID0、ID1、ID2、ID3同時搭鐵時，節點ID號設置為0，當ID0、ID1、ID2、ID3同時打開時，節點ID號設置為15，共16個節點。SEL0與SEL1為設置波特率，共3種設定，當SEL0與SEL1同時搭鐵時，波特率設置為2400；當SEL0搭鐵，SEL1打開時，波特率設置成9600；當SEL0與SEL1同時打開時，波特率設定為19200。TE為測試輸入，TO與T1為測試引腳。

3.5 霍爾傳感器、汽車空調風門執行器

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，廣泛應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。

優點：采用功率霍爾開關電路可以減小汽車功率較大的前照燈、空調和雨刮器在開關時產生浪涌電流，使機械式開關觸點產生電弧，產生較大的電磁干擾信號的影響。

缺點：由于增加芯片，加工偏高，市場還未普及。

建議空調面板廠家利用霍爾原理，將霍爾傳感器運用于空調控制中，將此種控制設計成平臺件，從而降低成本影響。

3.6 PTC過流保護設計、風門極限位置機械限位設計

PTC過流保護設計、風門極限位置機械限位設計均為風門設計中防護設計。PTC過流保護設計是在電路中增加過流保護裝置，避免風門執行器運轉中電流過大引起電機或風門異常；風門極限位置機械限位設計是在汽車風門執行器中增加限位裝置，采用機械位置保護風門執行器。

優點：采用PTC過流保護可避免風門運轉中電流過大引起電機或風門異常，風門極限位置設計采用機械位置保護風門執行器。

缺點：PTC過流保護增加電子元器件，成本較高，采用風門極限位置機械限位設計對電路中控制要求精度較高。

建議空調面板廠家結合二者優勢合理設計。

4 汽車空調風門執行器選型及應用注意事項

對于汽車空調風門執行器，不同控制方式對應不同價格、扭矩、轉速等，對于小扭矩汽車空調風門，建議采用步進汽車空調風門執行器方式控制；如果對風門控制精度要求較高，且需要采用通信協議來控制汽車空調風門執行器，且運用于高端車型，建議采用LIN通信風門執行器；如果對風門控制精度要求不高，但對汽車空調風門執行器價格要求較高，常運用于中低端車型，建議采用伺服汽車空調風門執行器碳膜反饋方式。不同汽車空調風門執行器控制方式各有優劣，需按實際要求選擇合適的控制方式。