李建民

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

淺析汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)

李建民

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

∶文章簡要介了紹空調(diào)自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各組成部分的原理。主要說明了自動空調(diào)系統(tǒng)的控制器，傳感器，風門執(zhí)行器及鼓風機的控制。

∶發(fā)電機；整流二極管；電壓調(diào)節(jié)器；充電指示燈

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.091

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-263-03

引言

手動空調(diào)系統(tǒng)只能根據(jù)駕駛員自己所設定的工況去運行，如風量，出風溫度，出風模式等。而在汽車行駛中，太陽輻照強度的變化，室外溫度的變化，乘客散熱量的變化等都會直接影響車內(nèi)溫度，由于手動空調(diào)系統(tǒng)缺乏必要的檢測和控制裝置，故無法有效控制車內(nèi)溫度波動。

隨著汽車技術的進步，乘員對車內(nèi)氣候舒適度的要求越來越高，手動空調(diào)已無法滿足現(xiàn)有需求，直接推動了自動空調(diào)系統(tǒng)的應用和普及。自動空調(diào)系統(tǒng)可以通過多種傳感器實時檢測車內(nèi)外溫度、太陽輻射等，自動控制鼓風機轉(zhuǎn)速、進氣方式、出風溫度和壓縮機通斷等。減輕了駕駛員負擔，提升了車內(nèi)氣候的熱舒適性。

1、空調(diào)自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空調(diào)自動控制系統(tǒng)與其他自動控制系統(tǒng)類似，主要由控制裝置，檢測變送裝置，執(zhí)行裝置組成。其中，自動空調(diào)控制器作為核心的控制裝置，負責空調(diào)各部件的實際控制；室外溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、陽光傳感器等構(gòu)成了主要的檢測變送裝置，主要為控制器提供實時的環(huán)境參數(shù)；溫度風門電機擊、模式風門電機，新回風電機及鼓風機則組成了主要的執(zhí)行裝置。如圖一所示，為典型自動空調(diào)控制系統(tǒng)框圖：

圖1　自動空調(diào)系統(tǒng)控制原理框圖

由圖1可以看出，自動空調(diào)系統(tǒng)除與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)自帶的傳感器和執(zhí)行器關聯(lián)外，還可以通過CAN總線接收車速，水溫，發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息，以達到更精確的控制效果。

2、自動空調(diào)控制器工作原理

自動空調(diào)控制器作為空調(diào)自動控制系統(tǒng)的核心，其功能的好壞將直接影響車內(nèi)溫度的控制效果。自動控制器典型界面如圖2所示，有AUTO按鍵、溫度調(diào)節(jié)旋鈕、風量調(diào)節(jié)旋鈕、出風模式按鍵、進氣模式按鍵、AC請求開關和LCD顯示屏等。

圖2　自動空調(diào)控制器圖示

如圖3所示，一個完整的自動空調(diào)控制器由主單片機、電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、風門電機驅(qū)動電路、鼓風機控制電路、信號輸出電路（硬線）、CAN通信電路、LCD及指示燈顯示電路和按鍵及旋鈕采集電路等模塊組成。

圖3　自動空調(diào)控制器主要電路結(jié)構(gòu)

在自動控制模式下，當用戶設定好所需溫度后，控制器將根據(jù)傳感器檢測到的各溫度和輻照強度信號，通過以下公式計算出在當前環(huán)境工況下，為維持所需溫度空調(diào)系統(tǒng)應輸出的熱量：

式中，TSET為設定溫度；Tin為車內(nèi)溫度；

Tamb為車外溫度；Ts為太陽輻照強度；

K1、K2、K3、A、B、C為常數(shù)。

控制器根據(jù)計算后的Td值自動控制溫度風門開度。溫度風門開度與Td值的關系如圖4所示。

圖4　溫度風門開度與Td值關系

當用戶設定最大制冷時，溫度風門將固定在最小開度；當設定最大制熱時，溫度風門將固定在最大開度。

與溫度控制類似，控制器根據(jù)計算所得的Td值自動控制鼓風機風量。風量與Td值關系如圖5所示。

特別的，在自動控制時，當用戶設定最大制冷時，鼓風機將以最大轉(zhuǎn)速運行；設定最大制熱時，鼓風機轉(zhuǎn)速將比最大轉(zhuǎn)速低一檔，以保證制熱時的舒適性。

圖5　鼓風機風量與Td值關系

控制器在自動調(diào)節(jié)溫度風門開度和鼓風機轉(zhuǎn)速時，還會同步控制出風模式的變化。且一般在吹面模式（VENT），吹面吹腳模式(VENT/FOOT)，吹腳模式(FOOT)三個模式中變化。出風模式與Td值的關系如圖6所示。

圖6　出風模式與Td值關系

3、自動空調(diào)傳感器工作原理

一般，自動空調(diào)系統(tǒng)傳感器主要有室外溫度傳感器，室內(nèi)溫度傳感器，光照傳感器，蒸發(fā)器溫度傳感器等。其中除光照傳感器采用光敏元件外，其余一般均采用NTC溫度傳感器。

NTC溫度傳感器其阻值隨溫度增高而變小，一般由不同的金屬（如鐵，鈷，鎳銅和鋅）氧化物制成，并以環(huán)氧樹脂進行封裝。圖7所示為一款室外溫度傳感器。

圖7　室外溫度傳感器

傳感器一般布置在具有定值電阻的分壓電路中（圖8所示），當溫度傳感器阻值變化時，采集到得電壓信號也隨之改變，通過AD口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，由單片機計算得到對應阻值，最后通過查表法得到對應的溫度。

圖8　溫度傳感器信號采集電路

陽光傳感器不同于空調(diào)系統(tǒng)其它傳感器，其一般采用的是光電二極管。此光電二極管利用光電效應來測量陽光的輻照強度。當在此二極管上加一個反向電壓，并且接受光線照射，就會產(chǎn)生一個反向電流，該電流大小與光照強度成正比，傳感器將該電流再轉(zhuǎn)換為電壓發(fā)送給單片機。圖9為一款陽光傳感器及其對應的輻照度曲線。

圖9　陽關傳感器及福照度曲線

除上述溫度和陽光傳感器外，部分高端車型還引入了空氣質(zhì)量傳感器、除霧傳感器，濕度傳感器等，進一步提升乘員艙環(huán)境質(zhì)量。

4、自動空調(diào)執(zhí)行器工作原理

自動空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行器主要有風門電機和鼓風機兩種。

目前風門電機分伺服電機和步進電機兩種，應用較多的是伺服電機，其具有控制精度高，驅(qū)動扭矩大的優(yōu)點。一般，風門電機有專門的驅(qū)動芯片（圖10），單片機通過SPI的方式提供輸入信號，由驅(qū)動芯片直接驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

圖10　NCV7708B驅(qū)動芯片

當電機運轉(zhuǎn)時會帶動內(nèi)部位置傳感器的電刷一起運轉(zhuǎn)，控制器通過檢測電刷的反饋電壓來識別電機當前位置，當反饋電壓達到目標電壓后，控制器即切斷驅(qū)動信號。

圖11　伺服電機原理圖

上圖11為伺服電機的電路原理圖，其中P1，P3腳為伺服電機供電端，控制電機的正反轉(zhuǎn)，P2為位置傳感器碳膜+5V參考電壓供電端，P5為位置傳感器碳膜接地端，P6為位置傳感器電刷。

目前，自動空調(diào)鼓風機風量控制多選用調(diào)速模塊來實現(xiàn)（圖12），調(diào)速模塊主要由MOSFET、散熱片和溫度熔斷器組成，一般布置在鼓風機風口，便于調(diào)速模塊散熱，防止MOSFET因過熱而燒壞。

圖12　調(diào)速模塊

如圖13所示，為調(diào)速模塊工作原理圖，首先單片機經(jīng)過計算輸出對應風量的PWM信號，經(jīng)過內(nèi)部的PI電路轉(zhuǎn)換為線性電壓后輸出給MOSFET柵極，通過MOSFET的柵極電壓來控制漏極電流，達到控制鼓風機回路電流的目的。同時通過檢測漏極反饋電壓實現(xiàn)鼓風機端電壓的穩(wěn)定控制。

圖13　調(diào)速模塊工作原理

5、結(jié)論

本文介紹了乘用車自動空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，淺析了控制系統(tǒng)中空調(diào)控制器、傳感器、風門電機及鼓風機的工作原理，簡要說明了自動控制器對溫度風門、鼓風機風量及模式風門的自動控制。

[1] 楊占鵬.汽車空調(diào)與氣候控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社，2009.5.

[2] 潘偉榮.汽車自動空調(diào)技術.華南理工大學出版社.2008.8.

Analysis of the air conditioning auto control system

Li Jianmin
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601)

This article simply introduces the structure and principle of the air conditioning auto control system. Mainly illustrates the controller，sensors,air door actuators and the control of blower.

air conditioning; controller; sensor; air door actuator; blower

∶U463.6

∶A

∶1671-7988 (2016)09-263-03

李建民（1990—），男，電氣設計工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事空調(diào)研發(fā)。