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(jīng)濟發(fā)展和消費升級，越來越多的汽車配備了自動空調(diào)系統(tǒng)，使之成為乘用車的主流配置[1]。自動空調(diào)的恒溫控制、出風模式以及內(nèi)外氣自動切換等功能，都是通過相應(yīng)風門的切換來實現(xiàn)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(qū)動，可根據(jù)當前位置進行閉環(huán)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(huán)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(diào)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(diào)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計實踐中，通過觀察風門抖動現(xiàn)象、分析抖動的產(chǎn)生原因，結(jié)合某型號伺服電機的響應(yīng)特點和控制要求，設(shè)計了一種能提高伺服電機穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)，并通過實驗對比測試，證實了該設(shè)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(diào)上的應(yīng)用

1.1 伺服電機介紹

伺服電機（servo motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的電動機，它能將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)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(shù)、傳感器技術(shù)、單片機以及控制算法的快速發(fā)展，直流伺服電機及其控制系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，在汽車產(chǎn)業(yè)中也體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)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?？刂破魇请姍C系統(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柗答伒捷斎攵?；比較器將采集到的電信號與輸入信號比較后將比較結(jié)果傳送到控制器，控制器根據(jù)比較結(jié)果對電機進行負反饋調(diào)節(jié)，這樣整個系統(tǒng)就形成了一個閉環(huán)。直流伺服電機是一個閉環(huán)系統(tǒng)，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(tǒng)控制框圖

1.2 在汽車空調(diào)上的應(yīng)用場景

直流伺服電機具有體積小、可靠性高、技術(shù)發(fā)展成熟、維護方便等優(yōu)點，成為汽車各個機械驅(qū)動領(lǐng)域的理想配件。在汽車空調(diào)中廣泛采用直流伺服電機來驅(qū)動空調(diào)風門，包括混和風門、模式風門及內(nèi)外氣風門等?；旌惋L門用于調(diào)節(jié)流過蒸發(fā)器的冷風和暖風芯體的熱風的比例，從而調(diào)節(jié)出風口溫度；模式風門用于切換空調(diào)的出風口模式，一般包括吹臉、吹腳、除霜等模式，可根據(jù)用戶使用需求進行自動切換，比如某些車型可根據(jù)車內(nèi)濕度自動開啟車窗除霜，或根據(jù)制冷/制熱需求，自動切換吹臉/吹腳模式；內(nèi)外氣風門用于調(diào)節(jié)汽車空調(diào)的內(nèi)外循環(huán)，某些車型可根據(jù)車內(nèi)熱負荷、環(huán)境空氣質(zhì)量或者車速條件等參數(shù)自動在內(nèi)/外循環(huán)間切換。

2 H橋驅(qū)動電路的原理

H橋驅(qū)動電路一般由四個 MOS管構(gòu)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(qū)動電路通過控制四個MOS管的有序?qū)?，可以達到控制電機的正反轉(zhuǎn)的目的，并且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[5]。如圖2所示為一種典型的直流電機H橋驅(qū)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(qū)動電機正轉(zhuǎn)；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(qū)動電機反轉(zhuǎn)；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(chǎn)生的電磁感應(yīng)反電動勢將形成感應(yīng)電流，阻止電機的慣性運轉(zhuǎn)，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(qū)動電路中，同側(cè)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(qū)動電路

3 系統(tǒng)介紹

3.1 伺服電機規(guī)格

本汽車空調(diào)系統(tǒng)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(zhuǎn)動時，滑動變阻器輸出的電阻值發(fā)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(guī)格參數(shù)

3.2 本設(shè)計硬件方案

根據(jù)上述汽車空調(diào)模式電機的特點，采用H橋驅(qū)動芯片來對其進行驅(qū)動。考慮到硬件平臺化，采用 ST公司的集成式直流電機驅(qū)動芯片 L99MD01XPTR來實現(xiàn)對空調(diào)風門伺服電機的控制，其電機驅(qū)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(qū)動芯片，每路輸出的驅(qū)動能力為0.8A，可同時驅(qū)動4個直流伺服電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，滿足一般汽車空調(diào)系統(tǒng)的使用要求。此外，該芯片無需外部繼電器或驅(qū)動模塊，可簡化線束，降低成本。電機驅(qū)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(xiàn)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(zhuǎn)。

圖4 電機驅(qū)動模塊硬件框圖

3.3 本設(shè)計軟件方案

結(jié)合模式電機的特點與硬件設(shè)計方案，設(shè)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(shè)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(jù)當前位置與目標位置的偏差執(zhí)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當該差值≤下閾值時，認為伺服電機轉(zhuǎn)動到目標位置，執(zhí)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(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)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(shè)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(wěn)定性表現(xiàn)。

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

圖5 伺服電機控制軟件設(shè)計流程圖

5 結(jié)論

伺服電機由于體積小、可靠性高、維護方便等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于汽車自動空調(diào)系統(tǒng)中，本文提供了一種汽車空調(diào)伺服電機的驅(qū)動系統(tǒng)及控制方法，能有效地提高空調(diào)風門伺服電機的穩(wěn)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(diào)自動控制系統(tǒng)[J].汽車實用技術(shù),2016,9∶263-265.

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[3] 袁沂輝.永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)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(qū)動器的設(shè)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(diào)制的直流電機控制方法研究與設(shè)計[J].汽車實用技術(shù), 2017, 8∶ 46-48.