采用步進電機簡化汽車供暖通風空調(diào)系統(tǒng)自動空氣再循環(huán)

大多數(shù)汽車供暖通風空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)中都會調(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)測幾項車廂空氣參數(shù)，通過空調(diào)器將空氣再循環(huán)至車廂，并將新鮮空氣進口限制為最小，同時踐行駕駛員或系統(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公里可能會消耗多達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再循環(huán)功能獲益最大。然而，配備先進發(fā)動機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，因為它對(節(jié)省)HVAC燃油消耗的貢獻相對高。預(yù)測顯示配有半自動或全自動HVAC系統(tǒng)汽車的百分比將逐年遞升。與此同時，引入二氧化碳(CO2)制冷劑導(dǎo)致產(chǎn)生對貼裝在車廂內(nèi)的額外傳感器的潛在要求。這些趨勢表示小型汽車和/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)電機驅(qū)動瓣(flapmotorization)的問題。

自動空氣再循環(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，就可以輕易計算出CO2濃度會在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)，從而補償“新鮮空氣進口”(見圖1)中的壓力和氣流速度(airspeed)變化。當駕駛速度變化時——如在市區(qū)中或臨近市區(qū)駕駛時，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率很高。氣流也會也隨著風機速度自動調(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)瓣致動器是小型電機閥，通過ECU內(nèi)驅(qū)動器的方式運轉(zhuǎn)。就穩(wěn)態(tài)控制算法而言，應(yīng)當在所有時候都知道瓣的位置，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)致動器位置，故需要非接觸式電機運轉(zhuǎn)以及無傳感器式位置反饋。

再循環(huán)瓣技術(shù)

運轉(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)在瓣促動器中使用的電機類型以及電機控制的細節(jié)和特性。我們現(xiàn)在就討論3種常用的電機類型。

有刷直流(BDC)電機采用成熟及相對廉價的技術(shù)制造，從驅(qū)動器到電機端子僅有兩條引線(wirelead)。如能夠通過兩個晶體管半橋提供雙向驅(qū)動，BDC電機控制就會簡單。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。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)成本的相當大部分。還需要著重指出的是，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(zhuǎn)，電刷老化就對配有再循環(huán)瓣的BDC電機的長期可靠性產(chǎn)生了壓力。

第二種類型是單極步進電機，每相有兩個繞組。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。在電機閥中選擇使用單極步進電機主要是由低成本驅(qū)動器集成電路(IC)或驅(qū)動電路(如4條低端驅(qū)動器電路)的供應(yīng)情況決定。單極方案的一項缺點是僅有半數(shù)的繞組隨時都儲有能量(基本上單極步進電機銅用量是運轉(zhuǎn)電機所需銅量的兩倍)。

第三種類型是雙極步進電機，每相有一個繞組。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。兩個繞組通過僅4條線與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)。雙極步進電機通常由雙全橋晶體管組合來驅(qū)動，每個繞組一個。與BDC及單極步進電機架構(gòu)相比，新的雙極步進電機促動器技術(shù)提供均衡的解決方案：更多系統(tǒng)優(yōu)勢(即提供特性和質(zhì)量的優(yōu)化組合)，而不會帶來系統(tǒng)總成本方面的損失，主要的原因是雙極步進電機本質(zhì)上包含“虛擬”傳感器，而且也可以通過監(jiān)測反電動勢(BEMF)或BEMF信號來推斷電機的運轉(zhuǎn)模式(如高速運轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)狀況等)。

虛擬傳感器的優(yōu)勢

以嵌入式停轉(zhuǎn)檢測算法為基礎(chǔ)的BEMF信號使系統(tǒng)能夠非常精確地檢測瓣的終點止動(end-stop)。通常在運轉(zhuǎn)期間特意實現(xiàn)終點止動，如當瓣在接近閉合(near-closed)位置運轉(zhuǎn)時。閉環(huán)特性(或僅是偽閉環(huán))涉及的是每隔一段時間特意轉(zhuǎn)入停轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后，停轉(zhuǎn)檢測功能就支持從完全閉合的瓣位置開始精確標記新位置。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)計的開環(huán)絕對定位的傳統(tǒng)方法相比更有優(yōu)勢。由于要確保在參考運行(referencingrun)中到達終點止動，這些方法要求驅(qū)動步進電機到達預(yù)估終點止動位置后還多運轉(zhuǎn)幾步。這導(dǎo)致電機運轉(zhuǎn)阻斷，出現(xiàn)相關(guān)可聽噪聲以機械和磁性元件老化問題。這樣一來，能在一個完整步內(nèi)檢測終點止動的器件就可以避免在停轉(zhuǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)噪聲和震動問題。單個完整步內(nèi)的停轉(zhuǎn)檢測還使轉(zhuǎn)子和定子磁場保持同步。這就避免由于定子交流磁場導(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)定的促動器轉(zhuǎn)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信號讓步進電機有可能通過專用自適應(yīng)速度電機驅(qū)動算法實現(xiàn)高速度要求的運行。這使步進電機能夠挑戰(zhàn)有刷直流電機促動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(zhuǎn)。步進電機以可能最快的速度運行，根據(jù)促動器和瓣特性(如負載)自動調(diào)配速度。在此自適應(yīng)速度運行期間，無傳感器停轉(zhuǎn)檢測可發(fā)揮作用，確保無誤差的定位。這些算法支持的速度高達每秒1000個完整步。

瓣促動器技術(shù)小結(jié)

表1綜合了我們討論的瓣促動器技術(shù)的“適用性”。有刷直流電機和單極步進電機都有它們的優(yōu)勢，但有也弱點。新的雙極步進電機技術(shù)看上去結(jié)合了前兩種技術(shù)之長，并符合所有提到的要求。
總結(jié)完促動器技術(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權(quán)重了。我們的觀察結(jié)論是：這三類促動器的系統(tǒng)級成本相若，但如果僅顧及電機驅(qū)動器本身的采購成本，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)動器IC

驅(qū)動配備上述技術(shù)的雙極步進電機的集成電路現(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)，兩個全H橋驅(qū)動雙極步進電機的兩相。ECU的微控制器(MCU)與IC借SPI接口及一套專用信號來通信。

驅(qū)動器中嵌入的電流轉(zhuǎn)換表為繞組施加恰當?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)運轉(zhuǎn)方向時才需要設(shè)定微控制器。此后，微控制器能夠通過僅發(fā)送“下一步”信號給IC，就可以依照電流轉(zhuǎn)換表步進。然后，電機驅(qū)動器承擔完全責任，產(chǎn)生全步、半步或正弦微步動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(zhuǎn)的速度。

能夠通過SPI總線的方式可以執(zhí)行和激活簡單又很有效的停轉(zhuǎn)檢測算法。這芯片還支持自適應(yīng)速度控制功能，用于在最高速度時閉合再循環(huán)瓣。這芯片還執(zhí)行了恰當?shù)脑\斷功能，用于檢測所有相關(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)誤差時警示微控制器。

結(jié)論

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