汽車空調鼓風機pwm調速：一種汽車空調系統(tǒng)及其鼓風機的調速控制器的制造方法

　　一種汽車空調系統(tǒng)及其鼓風機的調速控制器的制造方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發(fā)明涉及汽車空調系統(tǒng)，尤其指對其汽車空調系統(tǒng)內鼓風機進行速度控制的調速控制器。

　　【背景技術】

　　[0002]汽車空調是汽車室內空氣調節(jié)的簡稱，用以調節(jié)車內的溫度、濕度、氣流速度及空氣潔凈度等空氣參數(shù)，為乘員提供清新舒適的車內環(huán)境。空調系統(tǒng)主要由壓縮機、鼓風機、冷凝器總成、蒸發(fā)器、加熱器、制冷管、暖風水管、傳感器、空調控制器(即空調ECU，ECU是Electronic Control Unit的簡寫)及空調控制面板等組成。

　　[0003]其中鼓風機是一個電機驅動的風扇，用于吸入空氣并強行使其通過蒸發(fā)器或加熱器，使空氣制冷或者制熱。在普通乘用車中較低端的采用手動調整方式，較高端汽車采用自動控制方式，通常乘用車空調用鼓風機功率在200-400W (瓦特)左右。目前鼓風機普遍采用直流電機，驅動方式主要有線性驅動方式和PWM(英文全稱:Pulse Width Modulat1n，中文全稱:脈沖寬度調制)驅動方式兩種。

　　[0004]常規(guī)的汽車空調中鼓風機調速，采用線性驅動方式，利用回路中阻值的大小來調節(jié)電壓，達到調節(jié)風機轉速目的。空調ECU生成線性控制電壓，通過功率半導體開關處于線性放大區(qū)，調節(jié)直流電機的驅動電流，電路結構簡單。缺點是功率開關處于線性放大區(qū)，導通電阻大，很多電源功率白白消耗，同時需要大面積的散熱片。

　　[0005]PWM驅動方式的特點是空調E⑶輸出一個PWM信號，如圖1所示，鼓風機I的一端連接至車載低壓蓄電池的正端B+，另一端連接至一功率開關Ql的上端，所述功率開關Ql的下端接地；其功率開關Ql的控制端接收空調ECU發(fā)出的PWM信號，通過調節(jié)PWM信號的占空比對通過鼓風機I的平均電流進行控制，功率開關Ql工作在飽和區(qū)，導通電阻很小，整體耗能低。目前PWM驅動方式有取代線性驅動方式的趨勢。然而，PWM方式驅動鼓風機I仍存在缺陷，通常乘用車鼓風機I最大電流在20A (安培)左右，驅動控制頻率的高階倍頻能量仍較大，處于汽車電子器件工作區(qū)間內，其PWM驅動信號頻繁通斷會引起電磁輻射，該電磁輻射會對車內其他電子器件造成影響。

　　[0006]雖然現(xiàn)有也有一些解決方案，比如采用降低PWM驅動信號的頻率，同時驅動電路端增加濾波電路。但上述做法均存在缺陷，比如頻率過低會導致鼓風機出風風量不均勻，濾波電路的增加也會導致額外的成本。

　　【發(fā)明內容】

　　[0007]為解決現(xiàn)有PWM方式驅動鼓風機時，大電流驅動信號頻繁通斷會引起電磁輻射，對車內電磁器件造成電磁干擾的問題，本發(fā)明實施例提供了一種汽車空調系統(tǒng)及其鼓風機的調速控制器。

　　[0008]本發(fā)明實施例一方面提供了一種鼓風機的調速控制器，包括處理單元和擴頻驅動單元；

　　[0009]所述處理單元，用于接收空調控制器發(fā)出的檔位信號，根據(jù)所述檔位信號生成檔位控制信號發(fā)送給所述擴頻驅動單元；并向所述擴頻驅動單元發(fā)送頻率控制信號；

　　[0010]所述擴頻驅動單元，用于根據(jù)所述檔位控制信號和所述頻率控制信號生成PWM驅動信號，并將所述PWM驅動信號發(fā)送給鼓風機的驅動開關；

　　[0011]其中，所述PWM驅動信號的占空比受所述檔位控制信號控制，所述PWM驅動信號的頻率受所述頻率控制信號控制，并以偽隨機信號調制的方式在中心頻率附近擺動。

　　[0012]本發(fā)明實施例公開的調速控制器，接收空調控制器輸出的檔位信號，根據(jù)預設數(shù)值調節(jié)PWM驅動信號的占空比，以實現(xiàn)對鼓風機的驅動。由于其在內部集成了擴頻驅動單元，以偽隨機信號調制的方式對控制信號進行擴頻調制，使擴頻調制后的PWM驅動信號的頻率在中心頻率附近一定范圍內擺動,鼓風機整體的電磁噪聲也隨著中心頻率擺動,可以有效降低平均噪聲，減少對車內其他電子器件的電磁干擾。該方案易于實施，成本較低。

　　[0013]優(yōu)選地，所述檔位信號為PWM檔位信號；所述調速控制器還包括一輸入捕捉器，所述輸入捕捉器接在所述處理單元與所述空調控制器之間，用于接收所述空調控制器發(fā)出的PWM檔位信號，采集所述PWM檔位信號的上升沿和下降沿，并將所述上升沿和下降沿發(fā)送給所述處理單元。采用該輸入捕捉器，可以有效采集空調控制器發(fā)出的PWM檔位信號的上升沿和下降沿，如此，處理單元可以從該輸入捕捉器獲得該PWM檔位信號的對應波形的占空比。

　　[0014]優(yōu)選地，所述處理單元包括:占空比計算模塊，用于根據(jù)所述上升沿和下降沿，計算獲得所述PWM檔位信號的占空比，并根據(jù)所述占空比，生成PWM檔位控制信號，發(fā)送給所述擴頻驅動單元；

　　[0015]頻率控制模塊，用于獲取存儲的頻率控制信號，并將其發(fā)送給所述擴頻驅動單元。

　　[0016]優(yōu)選地，所述調速控制器還包括一電壓反饋單元；所述電壓反饋單元連接在所述鼓風機的供電電源端與所述處理單元之間，用于檢測所述鼓風機端實時電壓；

　　[0017]所述處理單元還用于根據(jù)所述電壓反饋單元檢測的所述鼓風機的實時端電壓調節(jié)所述檔位控制信號。

　　[0018]采用該電壓反饋單元，可以實時監(jiān)測鼓風機的實時端電壓，處理單元根據(jù)鼓風機反饋的實時端電壓調節(jié)PWM驅動信號的占空比，保證在鼓風機的供電電源的電壓波動的情況下，鼓風機風量輸出仍能保持穩(wěn)定。

　　[0019]優(yōu)選地，所述擴頻驅動單元具體包括數(shù)模轉換器、DDS電路及驅動電路；

　　[0020]所述數(shù)模轉換器，用于接收所述處理單元輸出的檔位控制信號，并對所述檔位控制信號進行數(shù)模轉換獲得模擬控制信號；

　　[0021]所述DDS電路，用于接收所述處理單元發(fā)出的頻率控制信號，通過偽隨機信號調制獲得受所述頻率控制信號控制并在中心頻率附近擺動的頻率調制信號；

　　[0022]所述驅動電路，用于根據(jù)所述模擬控制信號及所述頻率調制信號，將所述模擬控制信號及所述頻率調制信號復合，獲得占空比受所述檔位控制信號控制、頻率在中心頻率附近擺動的PWM驅動信號，并將所述PWM驅動信號發(fā)送給所述驅動開關。

　　[0023]采用該種方式，可以通過簡單的電路搭建，即獲得所述占空比受所述檔位控制信號控制、頻率受所述頻率控制信號控制并在某一中心頻率附近擺動的PWM驅動信號。

　　[0024]優(yōu)選地，所述驅動電路為一比較器；所述比較器的同相輸入端連接至所述數(shù)模轉換器，所述反相輸入端連接至DDS電路，其輸出端連接至所述功率開關的控制端。采用該比較器，可以有效地將DDS電路生成的頻率可調的頻率調制信號與所述數(shù)模轉換器生成的模擬控制信號復合；形成所述占空比受所述檔位控制信號控制，頻率受所述頻率控制信號控制、在某一中心頻率附近擺動的PWM驅動信號。

　　[0025]優(yōu)選地，所述DDS電路包括相位累加器、正弦查值表、數(shù)模轉換器和低通濾波器；

　　[0026]所述DDS電路的輸出頻率fo由時鐘信號fc和頻率控制信號K共同決定，其關系如下公式:fo=fcXK/2N;其中，N為相位累加器的字長。

　　[0027]本發(fā)明實施例第二方面提供了一種汽車空調系統(tǒng)，包括空調控制器、調速控制器、鼓風機及功率開關；

　　[0028]所述鼓風機與功率開關串聯(lián)連接在供電電源上；所述調速控制器的輸入端連接至所述空調控制器，其輸出端連接至所述功率開關的控制端；

　　[0029]所述調速控制器包括處理單元和擴頻驅動單元；

　　[0030]所述處理單元，用于接收所述空調控制器發(fā)出的檔位信號，根據(jù)所述檔位信號生成檔位控制信號發(fā)送給所述擴頻驅動單元；并向所述擴頻驅動單元發(fā)送頻率控制信號；

　　[0031]所述擴頻驅動單元，用于根據(jù)所述檔位控制信號和頻率控制信號生成PWM驅動信號，并將所述PWM驅動信號發(fā)送給所述鼓風機的驅動開關；

　　[0032]其中，所述PWM驅動信號的占空比受所述檔位控制信號控制，所述PWM驅動信號的頻率受所述頻率控制信號控制，并以偽隨機信號調制的方式在中心頻率附近擺動。

　　[0033]采用本發(fā)明實施例提供的汽車空調系統(tǒng)，由于其在調速控制器內集成了一擴頻驅動單元，以偽隨機信號調制的方式對控制信號進行擴頻調制，使擴頻調制后的PWM驅動信號的頻率在中心頻率附近一定范圍內擺動，鼓風機整體的電磁噪聲也隨著中心頻率擺動，可以有效降低平均噪聲，減少對車內其他電子器件的電磁干擾。同時，保證了鼓

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　　PWM 調速模塊： 脈寬調制(PWM)?指用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制，?一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。以數(shù)字方式控制模擬電路，可以?幅度降?系統(tǒng)的成本和功耗

　　?S的空調鼓風機的風量太?，造成噪音也比較?。哪怕?最小風量也感覺風量太?。在車友的提示?決定用PWM調速模塊來改善空調風量。理論上來講PWM調速可以實現(xiàn)無級調速的。BMW，保時捷，?眾等車的鼓風機調速模塊都?PWM的。于?在TB上訂購?一個30A PWM的調速模塊。 拿到模塊以后先拆開看看里面的結構。6枚?功率管，兩個?濾波電容。還有一些分立元件。A/D轉換芯片等。改裝前測?一?噪音。?啟動車，只開風量。一檔風量噪音達到59分貝。最?風量噪音達到66分貝。

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　　【專家解說】：1.常規(guī)的汽車空調中鼓風機調速,采用串電阻的方式,利用回路中阻值的大小來調節(jié)電壓,達到調節(jié)風機轉速目的。一般低檔位串的阻值大,中檔位串的阻值小,高檔位不串電阻。這種方式原理比較簡單,零部件成本也低,維修方便。但調節(jié)范圍小,且很多電源功率白白消耗在電阻上。

　　2.新型的汽車空調中鼓風機調速多采用調速模塊,通過PWM控制功率管(三極管)的功率輸出變化,調整風機轉速。尤其在自動空調系統(tǒng)中,目前普遍采用空調控制單元(內含DSP芯片),空調工作時,DSP根據(jù)程序設置和車內反饋信號發(fā)指令調節(jié)PWM(脈寬調制器)的占空比,經光耦隔離轉換,用功率場效應管(MOSFET)作為主開關元件,通過改變開關元件的導通方式及通斷比來改變輸出電壓的大小,從而調節(jié)風機轉速。該電路主要由pwm脈沖波的產生,光耦隔離,驅動以及主開關元件等幾部分組成。

　　以下是單片機控制的直流PWM調速裝置的原理:

　　近年來,直流電動機的結構和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn),采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制(pulse width modulation,簡稱pwm)已成為直流電動機新的調速方式。這種調速方法具有開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點,更重要的是這種調速方式很容易在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn),因此具有很好的發(fā)展前景。采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制(pulse width modulation,簡稱pwm)已成為直流電動機新的調速方式。這種調速方法具有開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點,更重要的是這種調速方式很容易在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn),因此具有很好的發(fā)展前景。

　　pwm調速原理

　　pwm調速方法通常采用功率場效應管作為主開關元件,通過改變開關元件的導通方式及通斷比來

　　改變輸出電壓的大小與極性,如圖1所示。gd1與gd2是隔離放大的驅動元件,可以采用光電耦合隔離或變壓器隔離。vt1和vt2是主開關元件(圖1中是以mosfet為代表),vd1和vd2是兩個續(xù)流二極管,la是濾波電感。

　　當開關管mosfet的柵極輸入高電平時,開關管導通,直流電動機電樞繞組兩端有電壓ud,t1(s)后。柵極輸入變?yōu)榈碗娖?開關管截止,電動機電樞兩端電壓為0。t2(s)后,柵極輸出重新變?yōu)楦唠娖?開關管的動作重復前面的工作。這樣,對應著輸入的電平高低,直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2所示。電動機電樞繞組兩端的電壓平均值u0為:

　　u0=×ud=×ud=αt×ud

　　(αt:占空比,0≤αt≤1)

　　在pwm調速系統(tǒng)中占空比αt是一個重要參數(shù),在電源電壓ud不變的情況下,電樞端電壓的平均值取決于占空比αt的大小,改變αt的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調速的目的。

　　可以采用以下方法改變占空比αt的值。

　　(1) 定寬調頻法:保持t1不變,只改變t2,這樣使周期(或頻率)也隨之改變。

　　(2) 調寬調頻法:保持t2不變,只改變t1,這樣使周期(或頻率)也隨之改變。

　　(3) 定頻調寬法:保持周期t(或頻率)不變,同時改變t1和t2。

　　前兩種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期(或頻率),當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時,將會引起振蕩,因此常采用定頻調寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。

　　光耦部分起到隔離和電平轉換的作用,因為單片機輸出的是ttl電平(0~5v),而驅動部分采用的是ir2103,它的電源要求是10v~20v,電路中采用了12v電源,所以要求的輸入電平在0~12v之間。在此選用高速光耦6n136芯片。因為6n136的絕緣電壓是2500v(最小值);具有可兼容的ttl電路;邏輯低電平和邏輯高電平的傳輸延遲時間都是0.5μs(帶寬2mhz);供電電壓是-0.5v~15v,其耐壓和速度都符合電路的要求。

　　對于中小功率的電動機通常采用功率場效應管(metal oxide semiconductor field effect transistor,mosfet)作為主開關元件,mosfet是一種多電子導電的單極型電壓控制器件,具有開關速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點。目前功率場效應管的指標已經達到耐壓600v,電流70a,工作頻率100khz的水平,在開關電源、中小型功率的電機調速中得到廣泛的應用。

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汽車空調鼓風機pwm調速：汽車空調鼓風機是如何調速的？

　　2020-04-23 汽車維護與修理

　　鼓風機的控制電路主要有2種形式：調速電阻式和調速控制器式。

　　如圖1所示，通過改變鼓風機開關與調速電阻的接通方式可使鼓風機以4種不同的轉速工作。當鼓風機開關處于0位時，鼓風機不工作；當鼓風機開關處于1位時，鼓風機的電路中串聯(lián)了3個電阻，鼓風機低速運轉；當鼓風機開關處于2位時，鼓風機的電路中串聯(lián)了2個電阻，鼓風機中速運轉；當鼓風機開關處于3位時，鼓風機的電路中只串聯(lián)1個電阻，鼓風機中高速運轉；當鼓風機開關處于4位時，鼓風機的電路中不串聯(lián)電阻，鼓風機高速運轉。由以上原理可知，若調速電阻損壞，鼓風機處于4位時可以正常工作，處于1、2、3位時至少有一位不工作。

　　調速電阻一般安裝在蒸發(fā)器組件上，利用氣流進行冷卻，而為了避免電阻溫度因鼓風機堵轉而不斷上升，需要在電路中添加溫度保護開關（熔絲），以便在電阻溫度過高時及時切斷鼓風機電路。鼓風機開關裝在空調控制面板上，設置不同的擋位供調速用，在設置時，鼓風機開關可以控制鼓風機電源，也可以控制鼓風機搭鐵。這種控制方式的原理比較簡單，成本較低，維修方便，但調節(jié)范圍小，并且很多功率白白消耗在了調速電阻上。

　　如圖2所示，空調控制單元通過端子B向調速控制器發(fā)送PWM（脈沖寬度調制器）占空比信號，以改變鼓風機的工作電壓，從而改變鼓風機轉速。PWM占空比信號越大，鼓風機轉速越高，反之鼓風機轉速越低。空調控制單元通過端子A接收鼓風機工作時的電壓反饋信號，以反饋鼓風機的實際工作情況。采用PWM控制鼓風機轉速，可以實現(xiàn)鼓風機轉速的無級調節(jié)。在有些車型上還設有鼓風機高速繼電器，空調控制單元通過控制端子C搭鐵，使鼓風機高速運轉，這樣即使調速控制器損壞，鼓風機仍能高速運轉。

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