采用步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)化汽車供暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)空氣再循環(huán)

大多數(shù)汽車供暖通風(fēng)空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)中都會(huì)調(diào)理持續(xù)流入的新鮮空氣，將其注入車廂之中。通常駕駛員能夠選擇是否需要中斷新鮮空氣供應(yīng)(再循環(huán))或者繼續(xù)(即保持新鮮空氣流入)。在再循環(huán)模式下，高端HVAC系統(tǒng)監(jiān)測(cè)幾項(xiàng)車廂空氣參數(shù)，通過空調(diào)器將空氣再循環(huán)至車廂，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(tǒng)規(guī)范設(shè)定的參數(shù)。這樣的再循環(huán)能夠降低HVAC系統(tǒng)的燃油消耗達(dá)35%。根據(jù)氣候條件和駕駛循環(huán)(drivingcycle)，HVAC系統(tǒng)每100公里可能會(huì)消耗多達(dá)3升燃油。這顯示配備低端HVAC系統(tǒng)的大型汽車從增加自動(dòng)再循環(huán)功能獲益最大。然而，配備先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)且廢氣排放低的小型和中型汽車也能從智能空氣再循環(huán)瓣(flap)受益，因?yàn)樗鼘?duì)(節(jié)省)HVAC燃油消耗的貢獻(xiàn)相對(duì)高。預(yù)測(cè)顯示配有半自動(dòng)或全自動(dòng)HVAC系統(tǒng)汽車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(dǎo)致產(chǎn)生對(duì)貼裝在車廂內(nèi)的額外傳感器的潛在要求。這些趨勢(shì)表示小型汽車和/或配有低規(guī)格HVAC系統(tǒng)的汽車將越來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題可能已經(jīng)解決，但仍要著力解決一些有關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)瓣(flapmotorization)的問題。

　　自動(dòng)空氣再循環(huán)控制系統(tǒng)

　　HVAC電子控制單元(ECU)閉合新鮮空氣調(diào)節(jié)的控制環(huán)路，操縱再循環(huán)瓣致動(dòng)器(見圖1)，從而在車廂內(nèi)維持所需的CO2水平。循環(huán)瓣的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是最大允許乘客數(shù)量、汽車內(nèi)部最少空氣量以及所需CO2等級(jí)最大允許偏移(等參數(shù))的函數(shù)。假定乘客數(shù)量為5人，車內(nèi)空間為3m3，就可以輕易計(jì)算出CO2濃度會(huì)在30s內(nèi)增加100×10-6。

　　空氣再循環(huán)控制環(huán)路主要要求低速干預(yù)(intervention)，從而補(bǔ)償“新鮮空氣進(jìn)口”(見圖1)中的壓力和氣流速度(airspeed)變化。當(dāng)駕駛速度變化時(shí)——如在市區(qū)中或臨近市區(qū)駕駛時(shí)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率很高。氣流也會(huì)也隨著風(fēng)機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)而變化，從而消除陽光照射變化(原因有如彎路或由建筑物、樹木或云朵導(dǎo)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(jī)閥，通過ECU內(nèi)驅(qū)動(dòng)器的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。就穩(wěn)態(tài)控制算法而言，應(yīng)當(dāng)在所有時(shí)候都知道瓣的位置，故某種類型的位置反饋就在所必需了。由于控制系統(tǒng)頻繁重調(diào)節(jié)致動(dòng)器位置，故需要非接觸式電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及無傳感器式位置反饋。

　　再循環(huán)瓣技術(shù)

　　運(yùn)轉(zhuǎn)HVAC氣瓣(包括再循環(huán)瓣)的方案有幾種，它們的不同體現(xiàn)在瓣促動(dòng)器中使用的電機(jī)類型以及電機(jī)控制的細(xì)節(jié)和特性。我們現(xiàn)在就討論3種常用的電機(jī)類型。

　　有刷直流(BDC)電機(jī)采用成熟及相對(duì)廉價(jià)的技術(shù)制造，從驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)端子僅有兩條引線(wirelead)。如能夠通過兩個(gè)晶體管半橋提供雙向驅(qū)動(dòng)，BDC電機(jī)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，最常見的就是電位計(jì)。此傳感器與相關(guān)ECU繞線及電氣連接器的尺寸影響共同構(gòu)成了系統(tǒng)成本的相當(dāng)大部分。還需要著重指出的是，電刷和換向器(commutator)是BDC電機(jī)的部件，最易于磨損。由于空氣再循環(huán)瓣需要頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)，電刷老化就對(duì)配有再循環(huán)瓣的BDC電機(jī)的長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生了壓力。

　　第二種類型是單極步進(jìn)電機(jī)，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(jī)方案(帶傳感器位置反饋)一樣，通常要求5條線。在電機(jī)閥中選擇使用單極步進(jìn)電機(jī)主要是由低成本驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)或驅(qū)動(dòng)電路(如4條低端驅(qū)動(dòng)器電路)的供應(yīng)情況決定。單極方案的一項(xiàng)缺點(diǎn)是僅有半數(shù)的繞組隨時(shí)都儲(chǔ)有能量(基本上單極步進(jìn)電機(jī)銅用量是運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)所需銅量的兩倍)。

　　第三種類型是雙極步進(jìn)電機(jī)，每相有一個(gè)繞組。與單極電機(jī)相比，這種方案在尺寸及重量方面較有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槔@組中的銅用量大約只有電機(jī)特性相似的單極電機(jī)的一半。兩個(gè)繞組通過僅4條線與ECU電氣連接(比較之下，單極電機(jī)或帶有傳感器的BDC電機(jī)為5條線)。雙極步進(jìn)電機(jī)通常由雙全橋晶體管組合來驅(qū)動(dòng)，每個(gè)繞組一個(gè)。與BDC及單極步進(jìn)電機(jī)架構(gòu)相比，新的雙極步進(jìn)電機(jī)促動(dòng)器技術(shù)提供均衡的解決方案：更多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)(即提供特性和質(zhì)量的優(yōu)化組合)，而不會(huì)帶來系統(tǒng)總成本方面的損失，主要的原因是雙極步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上包含“虛擬”傳感器，而且也可以通過監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)或BEMF信號(hào)來推斷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式(如高速運(yùn)轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)狀況等)。

虛擬傳感器的優(yōu)勢(shì)

　　以嵌入式停轉(zhuǎn)檢測(cè)算法為基礎(chǔ)的BEMF信號(hào)使系統(tǒng)能夠非常精確地檢測(cè)瓣的終點(diǎn)止動(dòng)(end-stop)。通常在運(yùn)轉(zhuǎn)期間特意實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)止動(dòng)，如當(dāng)瓣在接近閉合(near-closed)位置運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入停轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后，停轉(zhuǎn)檢測(cè)功能就支持從完全閉合的瓣位置開始精確標(biāo)記新位置。通過采取這種方式，即便是最小的開瓣(flap-opening)也可以精確維持，且可重復(fù)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生真正的比例控制。顯而易見，這種工作模式比利用基于步統(tǒng)計(jì)的開環(huán)絕對(duì)定位的傳統(tǒng)方法相比更有優(yōu)勢(shì)。由于要確保在參考運(yùn)行(referencingrun)中到達(dá)終點(diǎn)止動(dòng)，這些方法要求驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)到達(dá)預(yù)估終點(diǎn)止動(dòng)位置后還多運(yùn)轉(zhuǎn)幾步。這導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)阻斷，出現(xiàn)相關(guān)可聽噪聲以機(jī)械和磁性元件老化問題。這樣一來，能在一個(gè)完整步內(nèi)檢測(cè)終點(diǎn)止動(dòng)的器件就可以避免在停轉(zhuǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)噪聲和震動(dòng)問題。單個(gè)完整步內(nèi)的停轉(zhuǎn)檢測(cè)還使轉(zhuǎn)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(dǎo)致的轉(zhuǎn)子退磁滋生任何磁性元器件老化問題，并幫助維持壽命周期內(nèi)穩(wěn)定的促動(dòng)器轉(zhuǎn)矩。

　　在瓣需要盡快地閉合的情況，如外部傳感器檢測(cè)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(hào)讓步進(jìn)電機(jī)有可能通過專用自適應(yīng)速度電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)高速度要求的運(yùn)行。這使步進(jìn)電機(jī)能夠挑戰(zhàn)有刷直流電機(jī)促動(dòng)器的其中一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)，也就是能夠在供電電壓和負(fù)載允許的情況下盡快地旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)以可能最快的速度運(yùn)行，根據(jù)促動(dòng)器和瓣特性(如負(fù)載)自動(dòng)調(diào)配速度。在此自適應(yīng)速度運(yùn)行期間，無傳感器停轉(zhuǎn)檢測(cè)可發(fā)揮作用，確保無誤差的定位。這些算法支持的速度高達(dá)每秒1000個(gè)完整步。

　　瓣促動(dòng)器技術(shù)小結(jié)

　　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(jī)和單極步進(jìn)電機(jī)都有它們的優(yōu)勢(shì)，但有也弱點(diǎn)。新的雙極步進(jìn)電機(jī)技術(shù)看上去結(jié)合了前兩種技術(shù)之長(zhǎng)，并符合所有提到的要求。
總結(jié)完促動(dòng)器技術(shù)，就輪到一流HVAC系統(tǒng)制造商來調(diào)配所有這些功能的恰當(dāng)權(quán)重了。我們的觀察結(jié)論是：這三類促動(dòng)器的系統(tǒng)級(jí)成本相若，但如果僅顧及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本身的采購成本，可能最后汽車制造商要選擇次優(yōu)的方案了。

　　新的再循環(huán)瓣驅(qū)動(dòng)器IC

　　驅(qū)動(dòng)配備上述技術(shù)的雙極步進(jìn)電機(jī)的集成電路現(xiàn)已上市。圖2顯示的是這類IC的典型框圖。此IC置于ECU內(nèi)，兩個(gè)全H橋驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)電機(jī)的兩相。ECU的微控制器(MCU)與IC借SPI接口及一套專用信號(hào)來通信。

　　驅(qū)動(dòng)器中嵌入的電流轉(zhuǎn)換表為繞組施加恰當(dāng)?shù)碾娏?。僅在SPI寄存器定義繞組電流峰值、微步模式及預(yù)設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)方向時(shí)才需要設(shè)定微控制器。此后，微控制器能夠通過僅發(fā)送“下一步”信號(hào)給IC，就可以依照電流轉(zhuǎn)換表步進(jìn)。然后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器承擔(dān)完全責(zé)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。

　　能夠通過SPI總線的方式可以執(zhí)行和激活簡(jiǎn)單又很有效的停轉(zhuǎn)檢測(cè)算法。這芯片還支持自適應(yīng)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(zhí)行了恰當(dāng)?shù)脑\斷功能，用于檢測(cè)所有相關(guān)誤差狀況，防止系統(tǒng)及IC受損。這IC包含中斷輸出引腳，用于在出現(xiàn)誤差時(shí)警示微控制器。

　　結(jié)論

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