周倩瑤，杜冠廷，羅熠

(中汽檢測技術(shù)有限公司，國機(jī)智能科技有限公司，廣東廣州 510530)

0 引言

汽車空調(diào)風(fēng)門機(jī)構(gòu)主要包括溫度混合風(fēng)門、模式風(fēng)門、進(jìn)氣風(fēng)門，其中溫度混合風(fēng)門和模式風(fēng)門分別控制著冷熱風(fēng)的分配比和空調(diào)吹面、吹腳、除霜等模式的風(fēng)量[1]，基本每次駕駛都會用到。因此風(fēng)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(biāo)，需要通過耐久性試驗來驗證風(fēng)門的設(shè)計要求。

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

1 設(shè)計方案實現(xiàn)

1.1 執(zhí)行電機(jī)原理及試驗難點分析

如圖1所示，風(fēng)門控制電機(jī)的Pin4和Pin5的極性切換實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)Pin4為高電平、Pin5為低電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)Pin4為低電平、Pin5為高電平時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)風(fēng)門的兩個極限位置功能。該電機(jī)還集成一個滑動變阻器，滑動變阻器的滑動端與電機(jī)相連。如在Pin1和Pin3兩端加載5 V的電壓，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，滑動變阻器輸出的電阻值發(fā)生變化，從而電機(jī)運轉(zhuǎn)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(fēng)門模式功能。

圖1 電機(jī)原理圖

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

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

1.2 風(fēng)門位置及故障感知

在風(fēng)門電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(jī)，需要對電機(jī)運行電流進(jìn)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(yīng)并將其轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(gòu)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(yīng)輸出與被檢測的直流或者交流電流呈線性關(guān)系的電壓，從而獲得對應(yīng)風(fēng)門電機(jī)的運行狀態(tài)，感知風(fēng)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(fēng)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(yīng)用電路圖

1.3 風(fēng)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(fēng)門執(zhí)行電機(jī)，設(shè)計中通過使用4個全橋驅(qū)動芯片RZ7899，實現(xiàn)了4個風(fēng)門電機(jī)單獨驅(qū)動及正反轉(zhuǎn)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(fù)載兩端的電壓正負(fù)極是可控的，接上風(fēng)門電機(jī)，即可使其正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)、剎車等功能。

當(dāng)橋式整流電路當(dāng)中的4個晶體管封裝在一起時就構(gòu)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(jī)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)?，從而實現(xiàn)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，再通過與單片機(jī)配合使用，利用定頻調(diào)寬等方法產(chǎn)生PWM信號，可以達(dá)到平滑調(diào)速的效果[3]。如圖4所示，TA、TB構(gòu)成一個半橋，TC、TD構(gòu)成一個半橋。當(dāng)TA和TD導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)TA從左往右流過電機(jī)，再經(jīng)TD回到電源負(fù)極，如此一來，實現(xiàn)了電機(jī)的正轉(zhuǎn)；同理，當(dāng)TC和TB導(dǎo)通時，電流將從右往左穿過電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。若在TA、TC導(dǎo)通后，則電機(jī)慣性運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)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(jī)STM32F103RCT6引腳，同時驅(qū)動4個直流電機(jī)或伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實時確定風(fēng)門狀況，為驅(qū)動電路提供可靠保證。

圖5 風(fēng)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(jī)驅(qū)動模塊)包括4通道的電機(jī)驅(qū)動功能和72 MHz的數(shù)據(jù)處理、風(fēng)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(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，實現(xiàn)如圖6的系統(tǒng)功能。上位機(jī)同時對環(huán)境箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，加以實現(xiàn)在高低溫環(huán)境里進(jìn)行風(fēng)門耐久試驗,如圖7所示。

圖6 風(fēng)門耐久試驗系統(tǒng)功能圖

圖7 風(fēng)門耐久試驗

2 結(jié)束語

基于單片機(jī)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(fēng)門運轉(zhuǎn)實現(xiàn)耐久試驗的需求。詳細(xì)介紹了風(fēng)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(jī)性能，在控制電機(jī)上具有擴(kuò)展靈活性，以滿足不同風(fēng)門數(shù)量的空調(diào)總成樣品進(jìn)行試驗。