采用步進(jìn)電機簡(jiǎn)化汽車(chē)供暖通風(fēng)空調系統自動(dòng)空氣再循環(huán)

大多數汽車(chē)供暖通風(fēng)空調(HVAC)系統中都會(huì )調理持續流入的新鮮空氣，將其注入車(chē)廂之中。通常駕駛員能夠選擇是否需要中斷新鮮空氣供應(再循環(huán))或者繼續(即保持新鮮空氣流入)。在再循環(huán)模式下，高端HVAC系統監測幾項車(chē)廂空氣參數，通過(guò)空調器將空氣再循環(huán)至車(chē)廂，并將新鮮空氣進(jìn)口限制為最小，同時(shí)踐行駕駛員或系統規范設定的參數。這樣的再循環(huán)能夠降低HVAC系統的燃油消耗達35%。根據氣候條件和駕駛循環(huán)(drivingcycle)，HVAC系統每100公里可能會(huì )消耗多達3升燃油。這顯示配備低端HVAC系統的大型汽車(chē)從增加自動(dòng)再循環(huán)功能獲益最大。然而，配備先進(jìn)發(fā)動(dòng)機且廢氣排放低的小型和中型汽車(chē)也能從智能空氣再循環(huán)瓣(flap)受益，因為它對(節省)HVAC燃油消耗的貢獻相對高。預測顯示配有半自動(dòng)或全自動(dòng)HVAC系統汽車(chē)的百分比將逐年遞升。與此同時(shí)，引入二氧化碳(CO2)制冷劑導致產(chǎn)生對貼裝在車(chē)廂內的額外傳感器的潛在要求。這些趨勢表示小型汽車(chē)和/或配有低規格HVAC系統的汽車(chē)將越來(lái)越多地再利用已有的CO2傳感器和其他新鮮空氣傳感器技術(shù)。雖然自動(dòng)再循環(huán)功能傳感器方面的問(wèn)題可能已經(jīng)解決，但仍要著(zhù)力解決一些有關(guān)電機驅動(dòng)瓣(flapmotorization)的問(wèn)題。

　　自動(dòng)空氣再循環(huán)控制系統

　　HVAC電子控制單元(ECU)閉合新鮮空氣調節的控制環(huán)路，操縱再循環(huán)瓣致動(dòng)器(見(jiàn)圖1)，從而在車(chē)廂內維持所需的CO2水平。循環(huán)瓣的運轉頻率是最大允許乘客數量、汽車(chē)內部最少空氣量以及所需CO2等級最大允許偏移(等參數)的函數。假定乘客數量為5人，車(chē)內空間為3m3，就可以輕易計算出CO2濃度會(huì )在30s內增加100×10-6。

　　空氣再循環(huán)控制環(huán)路主要要求低速干預(intervention)，從而補償“新鮮空氣進(jìn)口”(見(jiàn)圖1)中的壓力和氣流速度(airspeed)變化。當駕駛速度變化時(shí)——如在市區中或臨近市區駕駛時(shí)，這種現象出現的頻率很高。氣流也會(huì )也隨著(zhù)風(fēng)機速度自動(dòng)調節而變化，從而消除陽(yáng)光照射變化(原因有如彎路或由建筑物、樹(shù)木或云朵導致的間歇性陰影)的影響。

　　空氣再循環(huán)瓣致動(dòng)器是小型電機閥，通過(guò)ECU內驅動(dòng)器的方式運轉。就穩態(tài)控制算法而言，應當在所有時(shí)候都知道瓣的位置，故某種類(lèi)型的位置反饋就在所必需了。由于控制系統頻繁重調節致動(dòng)器位置，故需要非接觸式電機運轉以及無(wú)傳感器式位置反饋。

　　再循環(huán)瓣技術(shù)

　　運轉HVAC氣瓣(包括再循環(huán)瓣)的方案有幾種，它們的不同體現在瓣促動(dòng)器中使用的電機類(lèi)型以及電機控制的細節和特性。我們現在就討論3種常用的電機類(lèi)型。

　　有刷直流(BDC)電機采用成熟及相對廉價(jià)的技術(shù)制造，從驅動(dòng)器到電機端子僅有兩條引線(xiàn)(wirelead)。如能夠通過(guò)兩個(gè)晶體管半橋提供雙向驅動(dòng)，BDC電機控制就會(huì )簡(jiǎn)單。在要求位置反饋的案例(如空氣再循環(huán)瓣)中，需要增加位置傳感器?？捎玫膫鞲衅饔卸喾N，最常見(jiàn)的就是電位計。此傳感器與相關(guān)ECU繞線(xiàn)及電氣連接器的尺寸影響共同構成了系統成本的相當大部分。還需要著(zhù)重指出的是，電刷和換向器(commutator)是BDC電機的部件，最易于磨損。由于空氣再循環(huán)瓣需要頻繁運轉，電刷老化就對配有再循環(huán)瓣的BDC電機的長(cháng)期可靠性產(chǎn)生了壓力。

　　第二種類(lèi)型是單極步進(jìn)電機，每相有兩個(gè)繞組。這些繞組與ECU電氣相連，而且就像BDC電機方案(帶傳感器位置反饋)一樣，通常要求5條線(xiàn)。在電機閥中選擇使用單極步進(jìn)電機主要是由低成本驅動(dòng)器集成電路(IC)或驅動(dòng)電路(如4條低端驅動(dòng)器電路)的供應情況決定。單極方案的一項缺點(diǎn)是僅有半數的繞組隨時(shí)都儲有能量(基本上單極步進(jìn)電機銅用量是運轉電機所需銅量的兩倍)。

　　第三種類(lèi)型是雙極步進(jìn)電機，每相有一個(gè)繞組。與單極電機相比，這種方案在尺寸及重量方面較有優(yōu)勢，因為繞組中的銅用量大約只有電機特性相似的單極電機的一半。兩個(gè)繞組通過(guò)僅4條線(xiàn)與ECU電氣連接(比較之下，單極電機或帶有傳感器的BDC電機為5條線(xiàn))。雙極步進(jìn)電機通常由雙全橋晶體管組合來(lái)驅動(dòng)，每個(gè)繞組一個(gè)。與BDC及單極步進(jìn)電機架構相比，新的雙極步進(jìn)電機促動(dòng)器技術(shù)提供均衡的解決方案：更多系統優(yōu)勢(即提供特性和質(zhì)量的優(yōu)化組合)，而不會(huì )帶來(lái)系統總成本方面的損失，主要的原因是雙極步進(jìn)電機本質(zhì)上包含“虛擬”傳感器，而且也可以通過(guò)監測反電動(dòng)勢(BEMF)或BEMF信號來(lái)推斷電機的運轉模式(如高速運轉、停轉狀況等)。

虛擬傳感器的優(yōu)勢

　　以嵌入式停轉檢測算法為基礎的BEMF信號使系統能夠非常精確地檢測瓣的終點(diǎn)止動(dòng)(end-stop)。通常在運轉期間特意實(shí)現終點(diǎn)止動(dòng)，如當瓣在接近閉合(near-closed)位置運轉時(shí)。閉環(huán)特性(或僅是偽閉環(huán))涉及的是每隔一段時(shí)間特意轉入停轉狀態(tài)。然后，停轉檢測功能就支持從完全閉合的瓣位置開(kāi)始精確標記新位置。通過(guò)采取這種方式，即便是最小的開(kāi)瓣(flap-opening)也可以精確維持，且可重復實(shí)現，產(chǎn)生真正的比例控制。顯而易見(jiàn)，這種工作模式比利用基于步統計的開(kāi)環(huán)絕對定位的傳統方法相比更有優(yōu)勢。由于要確保在參考運行(referencingrun)中到達終點(diǎn)止動(dòng)，這些方法要求驅動(dòng)步進(jìn)電機到達預估終點(diǎn)止動(dòng)位置后還多運轉幾步。這導致電機運轉阻斷，出現相關(guān)可聽(tīng)噪聲以機械和磁性元件老化問(wèn)題。這樣一來(lái)，能在一個(gè)完整步內檢測終點(diǎn)止動(dòng)的器件就可以避免在停轉狀態(tài)下出現噪聲和震動(dòng)問(wèn)題。單個(gè)完整步內的停轉檢測還使轉子和定子磁場(chǎng)保持同步。這就避免由于定子交流磁場(chǎng)導致的轉子退磁滋生任何磁性元器件老化問(wèn)題，并幫助維持壽命周期內穩定的促動(dòng)器轉矩。

　　在瓣需要盡快地閉合的情況，如外部傳感器檢測到存在外部污染空氣時(shí)關(guān)閉再循環(huán)瓣，高速度要求的(speed-critical)定位至關(guān)重要。BEMF信號讓步進(jìn)電機有可能通過(guò)專(zhuān)用自適應速度電機驅動(dòng)算法實(shí)現高速度要求的運行。這使步進(jìn)電機能夠挑戰有刷直流電機促動(dòng)器的其中一項主要優(yōu)勢，也就是能夠在供電電壓和負載允許的情況下盡快地旋轉。步進(jìn)電機以可能最快的速度運行，根據促動(dòng)器和瓣特性(如負載)自動(dòng)調配速度。在此自適應速度運行期間，無(wú)傳感器停轉檢測可發(fā)揮作用，確保無(wú)誤差的定位。這些算法支持的速度高達每秒1000個(gè)完整步。

　　瓣促動(dòng)器技術(shù)小結

　　表1綜合了我們討論的瓣促動(dòng)器技術(shù)的“適用性”。有刷直流電機和單極步進(jìn)電機都有它們的優(yōu)勢，但有也弱點(diǎn)。新的雙極步進(jìn)電機技術(shù)看上去結合了前兩種技術(shù)之長(cháng)，并符合所有提到的要求。
總結完促動(dòng)器技術(shù)，就輪到一流HVAC系統制造商來(lái)調配所有這些功能的恰當權重了。我們的觀(guān)察結論是：這三類(lèi)促動(dòng)器的系統級成本相若，但如果僅顧及電機驅動(dòng)器本身的采購成本，可能最后汽車(chē)制造商要選擇次優(yōu)的方案了。

　　新的再循環(huán)瓣驅動(dòng)器IC

　　驅動(dòng)配備上述技術(shù)的雙極步進(jìn)電機的集成電路現已上市。圖2顯示的是這類(lèi)IC的典型框圖。此IC置于ECU內，兩個(gè)全H橋驅動(dòng)雙極步進(jìn)電機的兩相。ECU的微控制器(MCU)與IC借SPI接口及一套專(zhuān)用信號來(lái)通信。

　　驅動(dòng)器中嵌入的電流轉換表為繞組施加恰當的電流。僅在SPI寄存器定義繞組電流峰值、微步模式及預設運轉方向時(shí)才需要設定微控制器。此后，微控制器能夠通過(guò)僅發(fā)送“下一步”信號給IC，就可以依照電流轉換表步進(jìn)。然后，電機驅動(dòng)器承擔完全責任，產(chǎn)生全步、半步或正弦微步動(dòng)作所要求的電流波形。發(fā)送“下一步”脈沖的速度確定了電機運轉的速度。

　　能夠通過(guò)SPI總線(xiàn)的方式可以執行和激活簡(jiǎn)單又很有效的停轉檢測算法。這芯片還支持自適應速度控制功能，用于在最高速度時(shí)閉合再循環(huán)瓣。這芯片還執行了恰當的診斷功能，用于檢測所有相關(guān)誤差狀況，防止系統及IC受損。這IC包含中斷輸出引腳，用于在出現誤差時(shí)警示微控制器。

　　結論

　　本文討論了現有再循環(huán)瓣促動(dòng)器技術(shù)，分析了這類(lèi)再循環(huán)閥的工作要求。有刷直流電機促動(dòng)器和單極步進(jìn)電機促動(dòng)器都不符合某些技術(shù)要求。而結合了新穎驅動(dòng)器的雙極步進(jìn)電機閥提供可能是最優(yōu)的技術(shù)方案，符合未來(lái)空氣再循環(huán)閥的高質(zhì)量運行要求。