鄭碩文，李鄂勝，李 勇，陳如虎，鄭海法

（湖北開(kāi)特汽車電子電器系統(tǒng)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車內(nèi)舒適性也提出越來(lái)越高的要求?？照{(diào)執(zhí)行器作為空氣流量分配風(fēng)門的開(kāi)啟角度及扭矩輸出的器件，在汽車空調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。

1 風(fēng)門執(zhí)行器在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

風(fēng)門執(zhí)行器作為常見(jiàn)的空調(diào)控制系統(tǒng)，通過(guò)齒輪與空調(diào)上的模式盤(pán)或旋轉(zhuǎn)桿連接，帶動(dòng)汽車空調(diào)風(fēng)門進(jìn)行開(kāi)閉，從而分配空氣流量。HVAC風(fēng)門運(yùn)轉(zhuǎn)常用的有3大類：冷暖、模式、內(nèi)外循環(huán)調(diào)節(jié)。

2 風(fēng)門執(zhí)行器的種類介紹

隨著汽車的快速發(fā)展，汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器也有較大發(fā)展，目前各大主機(jī)廠常見(jiàn)的風(fēng)門執(zhí)行器均有適合自己的執(zhí)行器外形及控制類型。

1）根據(jù)執(zhí)行器的動(dòng)力源不同，可將汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器分為BDC直流汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器、stepper步進(jìn)、BLDC無(wú)刷汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器。

2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制方式不同，可將汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器分為模擬量DC控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器和數(shù)字量LIN、CAN控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器。

3）根據(jù)產(chǎn)品角度反饋信號(hào)的方式不同，可分為非接觸式和接觸式：接觸式分為PCB碳膜滑動(dòng)電位器和集成式電位器，非接觸式分為霍爾角度傳感器、脈沖角度編碼傳感器等。

4）根據(jù)產(chǎn)品空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用及安全防護(hù)的需求，可分為銅箔斷電設(shè)計(jì)、PTC過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)、風(fēng)門極限位置機(jī)械限位設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方向防差錯(cuò)設(shè)計(jì)等。

根據(jù)以上應(yīng)用、分類以及所需的技術(shù)條件結(jié)合成本、品質(zhì)等多方面的考慮，不同汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器在價(jià)格、角度控制精度、輸出力矩等方面均有不同。

3 汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器的典型應(yīng)用介紹

3.1 直流BDC風(fēng)門執(zhí)行器

3.1.1 360°正反轉(zhuǎn)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器停止時(shí)間控制方式

如圖1所示，執(zhí)行器通過(guò)ECU控制汽車風(fēng)門執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)到極限位置后，汽車空調(diào)海綿與風(fēng)門機(jī)構(gòu)進(jìn)一步壓縮，ECU控制電源斷開(kāi)，從而控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器停止，使得執(zhí)行器停到所需位置。

圖1 接線圖

電源連接電機(jī)正負(fù)兩極，通過(guò)外接電源控制信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，電路為開(kāi)環(huán)電路。

缺點(diǎn)：ECU控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器及連桿、風(fēng)門等壽命降低。

建議空調(diào)面板廠家在控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加50%～80%，從而既能保證風(fēng)門正常開(kāi)閉，又能保證汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器堵轉(zhuǎn)時(shí)間不至于太長(zhǎng)，引起汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器及汽車空調(diào)風(fēng)門損壞。

3.1.2 銅箔斷電與防反接控制方式

銅箔斷電與防反接控制方式結(jié)合銅箔斷電、防反接兩種方式優(yōu)點(diǎn)。采用銅箔斷電方式，當(dāng)電路運(yùn)行時(shí)，由于電路中運(yùn)行至銅箔斷電位置時(shí)，形成斷電，從而防止角度輸出超出范圍，從而保護(hù)空調(diào)箱體風(fēng)門。防反接控制方式通過(guò)二極管單向?qū)ㄗ饔?，?dāng)正常接線時(shí)，電路正常運(yùn)行；當(dāng)電路中發(fā)生反接時(shí)，電路停止工作，從而進(jìn)一步保護(hù)空調(diào)箱體。

如圖2所示，5、6為一端分別連接電路板電路信號(hào)，另一端通過(guò)電機(jī)連接外接輸入信號(hào)，其中，當(dāng)1與3連接時(shí)，由于二極管單向?qū)ㄗ饔?，僅1為高電位信號(hào)，3為低電位信號(hào)時(shí)，電路導(dǎo)通，執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)至無(wú)銅箔位置停止；當(dāng)2與3連接時(shí)，僅3為高電位信號(hào)，2為低電位信號(hào)時(shí)，電路導(dǎo)通，執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)至無(wú)銅箔位置停止。在執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，執(zhí)行器中控制單元始終與3段銅箔連接，保證執(zhí)行器始終能接收到外接信號(hào)，保證信號(hào)快速響應(yīng)，防止電路產(chǎn)生異常。

圖2 電路原理圖

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，銅箔斷電方式減少汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器與汽車空調(diào)風(fēng)門長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，防反接功能可在電路發(fā)生反接過(guò)程中，二極管單向?qū)ㄗ饔檬沟秒娐窋嚯?，從而保護(hù)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器與汽車空調(diào)風(fēng)門。

缺點(diǎn)：控制精度不高，無(wú)法對(duì)汽車空調(diào)風(fēng)門關(guān)閉進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

建議空調(diào)面板廠家在控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，控制精度應(yīng)設(shè)立在合理范圍內(nèi)。

3.1.3 帶滑動(dòng)碳膜電位器作為角度傳感器的執(zhí)行器

碳膜反饋控制方式為目前最常見(jiàn)汽車空調(diào)風(fēng)門運(yùn)轉(zhuǎn)的控制方式，其原理為：由角度傳感器完成閉合控制邏輯，外接信號(hào)線共5根，分別是：電源正極、電源負(fù)極、GND、5V、信號(hào)線，電源正負(fù)極控制電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，GND、5V與電路連接，使得采集信號(hào)分別在0～5V內(nèi)，通過(guò)外接信號(hào)線控制信號(hào)電路中電壓值，使得電路停止在所需的信號(hào)電壓位置。

如圖3所示，外接信號(hào)5與6分別連接電機(jī)正負(fù)極，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；1與3分別連接電路信號(hào)GND與5V，2與電路信號(hào)反饋連接。

圖3 接線圖

通過(guò)控制信號(hào)接收到不同反饋電壓，當(dāng)輸入信號(hào)給定所需要的電壓時(shí)，通過(guò)電機(jī)連接齒輪系運(yùn)轉(zhuǎn)，控制輸出齒輪到達(dá)給定的電壓時(shí)停止，從而保證給定輸入電壓，輸出為所需位置，進(jìn)而使得空調(diào)風(fēng)門精準(zhǔn)定位。

優(yōu)點(diǎn)：控制汽車空調(diào)風(fēng)門角度相對(duì)360°正反轉(zhuǎn)、銅箔斷電與防反接控制方式更高。

缺點(diǎn)：成本相對(duì)360°正反轉(zhuǎn)、銅箔斷電與防反接控制方式更高，要求電路板生產(chǎn)廠家控制精度要求更高，無(wú)保護(hù)風(fēng)門結(jié)構(gòu)。

建議空調(diào)面板廠家對(duì)空調(diào)精度設(shè)置在合理范圍內(nèi)，要求輸出角度控制精度在3°以上。

3.1.4 集成式電位器控制方式

電位器碳膜反饋控制方式與普通碳膜反饋方式類似，不同之處為：將彈刷與電路板集成在一個(gè)整體嵌入輸出齒輪旋轉(zhuǎn)軸上。

優(yōu)點(diǎn)：此種方式由于將電路板與彈刷嵌入一個(gè)整體，故控制精度更高。

缺點(diǎn)：由于開(kāi)發(fā)模具較貴，成本高，故僅適用于產(chǎn)量較大、角度較固定方式控制電路。

建議空調(diào)面板廠家在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，將角度空調(diào)設(shè)置成平臺(tái)化，可后期大批量生產(chǎn)，從而減少模具開(kāi)發(fā)成本。

3.1.5 碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式

碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式結(jié)合銅箔斷電防反接控制方式和碳膜反饋控制方式優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)給定反饋電壓，輸出所需位置，而且防止電路反接或運(yùn)轉(zhuǎn)異常時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)門機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用。

圖4為碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式原理圖，A與B分別為汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器輸入端，通過(guò)給定電源控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，D與E分別為GND與+5V，C為反饋電壓信號(hào)端，C、D、E控制電路運(yùn)轉(zhuǎn)，A與B連接銅箔斷電區(qū)域，電路中并聯(lián)2個(gè)二極管，通過(guò)二極管單向?qū)ㄗ饔茫沟秒娐分挟a(chǎn)生異常時(shí)，及時(shí)斷電，防止運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中短路或其他堵轉(zhuǎn)引起的風(fēng)門堵轉(zhuǎn)異常。

圖4 電氣原理圖

優(yōu)點(diǎn)：集合碳膜反饋與銅箔斷電防反接方式兩者優(yōu)點(diǎn)，避免電路反接引起的異常，控制精度相對(duì)較高。

缺點(diǎn)：元器件相對(duì)增多，成本相對(duì)增加。

建議面板廠家控制精度設(shè)置在合理范圍內(nèi)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器

步進(jìn)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器加一個(gè)脈沖信號(hào)，汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。

步進(jìn)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。如圖5所示，一個(gè)脈沖信號(hào)共4個(gè)節(jié)拍，分別是0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，正轉(zhuǎn)過(guò)程中，0節(jié)拍：3與6連接負(fù)極，2、5連接電壓正極；Ⅰ節(jié)拍：3與4連接負(fù)極，2、5連接電壓正極；Ⅱ節(jié)拍：1與4連接負(fù)極，2、5連接電壓正極；Ⅲ節(jié)拍：1與6連接負(fù)極，2、5連接電壓正極。反轉(zhuǎn)過(guò)程中，0節(jié)拍：3與6連接負(fù)極，2、5連接電壓正極；Ⅰ節(jié)拍：1與6連接負(fù)極，2、5連接電壓正極；Ⅱ節(jié)拍：1與4連接負(fù)極，2、5連接電壓正極；Ⅲ節(jié)拍：3與4連接負(fù)極，2、5連接電壓正極。步進(jìn)電機(jī)一個(gè)節(jié)拍運(yùn)轉(zhuǎn)18°，由于齒輪系傳動(dòng)比為1∶360，當(dāng)給定一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，輸出齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)角度為18×4/360=0.2°，從而使得給定脈沖頻率實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位的目的。

圖5 步進(jìn)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器調(diào)速原理

優(yōu)點(diǎn)：控制精度相對(duì)較高，采用脈沖信號(hào)控制輸出角度。

缺點(diǎn)：輸出力矩較小，成本較高。

建議空調(diào)面板廠家將步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)出平臺(tái)化，利于大批量生產(chǎn)降低成本。

3.3 無(wú)刷電機(jī)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感器按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開(kāi)關(guān)電路提供。

優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、無(wú)換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：控制較為復(fù)雜、成本較高、扭矩較小。

建議空調(diào)面板廠家采用合理方式控制無(wú)刷電機(jī)。

3.4 LIN、CAN通信及驅(qū)動(dòng)的風(fēng)門執(zhí)行器

LIN總線通過(guò)串行通信、單線傳輸、單主多從結(jié)構(gòu)、一條總線可連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)等諸多優(yōu)勢(shì)，目前高端汽車風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)越來(lái)越普及。

CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。

東芝專為汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器設(shè)計(jì)一款芯片，本文以常見(jiàn)的TB9056FNG單片機(jī)為例，介紹LIN通信及驅(qū)動(dòng)的風(fēng)門執(zhí)行器。

如圖6所示，IG為電源輸入端，即12V電源端；GND為搭鐵端；BUS為L(zhǎng)IN，即通信端。

圖6 TB9056FNG單片機(jī)

通過(guò)PIN 5連接BUS，即LIN通信輸入與輸出接口，保證信號(hào)正常連接，IG連接VCC，保證可正常驅(qū)動(dòng)電路，MT2與MT1分別連接電機(jī)正負(fù)極，從而控制電機(jī)可正常正反轉(zhuǎn)，VPB連接電路中碳膜反饋裝置，通過(guò)輸出齒輪上彈刷與電路板碳膜位置相對(duì)滑動(dòng)，采集反饋電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)門精準(zhǔn)定位。

VREG為5V電源輸出端，VDD為CMOS電源輸入端，ID0、ID1、ID2、ID3分別為地址設(shè)置引腳，設(shè)置從機(jī)地址，當(dāng)ID0、ID1、ID2、ID3同時(shí)搭鐵時(shí)，節(jié)點(diǎn)ID號(hào)設(shè)置為0，當(dāng)ID0、ID1、ID2、ID3同時(shí)打開(kāi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)ID號(hào)設(shè)置為15，共16個(gè)節(jié)點(diǎn)。SEL0與SEL1為設(shè)置波特率，共3種設(shè)定，當(dāng)SEL0與SEL1同時(shí)搭鐵時(shí)，波特率設(shè)置為2400；當(dāng)SEL0搭鐵，SEL1打開(kāi)時(shí)，波特率設(shè)置成9600；當(dāng)SEL0與SEL1同時(shí)打開(kāi)時(shí)，波特率設(shè)定為19200。TE為測(cè)試輸入，TO與T1為測(cè)試引腳。

3.5 霍爾傳感器、汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：采用功率霍爾開(kāi)關(guān)電路可以減小汽車功率較大的前照燈、空調(diào)和雨刮器在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)的影響。

缺點(diǎn)：由于增加芯片，加工偏高，市場(chǎng)還未普及。

建議空調(diào)面板廠家利用霍爾原理，將霍爾傳感器運(yùn)用于空調(diào)控制中，將此種控制設(shè)計(jì)成平臺(tái)件，從而降低成本影響。

3.6 PTC過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)、風(fēng)門極限位置機(jī)械限位設(shè)計(jì)

PTC過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)、風(fēng)門極限位置機(jī)械限位設(shè)計(jì)均為風(fēng)門設(shè)計(jì)中防護(hù)設(shè)計(jì)。PTC過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)是在電路中增加過(guò)流保護(hù)裝置，避免風(fēng)門執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)中電流過(guò)大引起電機(jī)或風(fēng)門異常；風(fēng)門極限位置機(jī)械限位設(shè)計(jì)是在汽車風(fēng)門執(zhí)行器中增加限位裝置，采用機(jī)械位置保護(hù)風(fēng)門執(zhí)行器。

優(yōu)點(diǎn)：采用PTC過(guò)流保護(hù)可避免風(fēng)門運(yùn)轉(zhuǎn)中電流過(guò)大引起電機(jī)或風(fēng)門異常，風(fēng)門極限位置設(shè)計(jì)采用機(jī)械位置保護(hù)風(fēng)門執(zhí)行器。

缺點(diǎn)：PTC過(guò)流保護(hù)增加電子元器件，成本較高，采用風(fēng)門極限位置機(jī)械限位設(shè)計(jì)對(duì)電路中控制要求精度較高。

建議空調(diào)面板廠家結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)合理設(shè)計(jì)。

4 汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器選型及應(yīng)用注意事項(xiàng)

對(duì)于汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器，不同控制方式對(duì)應(yīng)不同價(jià)格、扭矩、轉(zhuǎn)速等，對(duì)于小扭矩汽車空調(diào)風(fēng)門，建議采用步進(jìn)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器方式控制；如果對(duì)風(fēng)門控制精度要求較高，且需要采用通信協(xié)議來(lái)控制汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器，且運(yùn)用于高端車型，建議采用LIN通信風(fēng)門執(zhí)行器；如果對(duì)風(fēng)門控制精度要求不高，但對(duì)汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器價(jià)格要求較高，常運(yùn)用于中低端車型，建議采用伺服汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器碳膜反饋方式。不同汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器控制方式各有優(yōu)劣，需按實(shí)際要求選擇合適的控制方式。