汽车空调碳膜式伺服电机线性度测试分析

谷中昌，高卫杰，岳秀麟

（豫新汽车热管理科技有限公司，河南 新乡 453003）

1 引言

随着科技不断的发展，汽车的配置也在不断升级，自动空调已经普及［1］。在汽车空调系统中，碳膜式伺服电机作为一个执行器已被广泛应用，碳膜式伺服电机输出轴结构直接或者通过连杆、齿轮等机构连接来切换风门，使风门停留在理想位置，来保证风量分配的要求，如执行器碳膜线性度不好，则会造成角度与电压的对应关系不准，导致输出臂偏位，从而导致风门闭合不严、开启不完全或者风量分配不合理等缺陷，因此，碳膜式伺服电机输出线性度决定了伺服电机整个性能的好坏，也影响着整个HVAC空调性能及舒适性。

从碳膜式伺服电机原理分析，提出了采用编码器采集输出数据，通过算法优化，设计出一套检测设备，用于检测伺服电机的线性度，并判断是否满足要求，防止不良品流入市场，对实际生产应用具有指导意义。

2 碳膜式伺服电机原理

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机的位置精度非常准确，能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出［2］。

汽车空调风门伺服电机的组成可分为四大部分，即控制部分：微控制器及相关控制元器件；传动部分：涡轮、蜗杆、大小传动齿轮、输出齿轮、连杆；壳体部分：上壳体、下壳体；驱动部分：直流电机［3］。

本汽车空调采用的某型号碳膜式伺服电机电气原理图如图1所示。当引脚5接正极，引脚6接负极，直流电机正转，反之，直流电机反转，可以用来切换不同的模式状态。引脚1、2、3组成一个滑动变阻器，即PCB板上镀一层碳膜，反馈电压0～5V，直流电机旋转时，通过连接电机轴上的滑片在碳膜上滑动，用来反馈滑片所处的位置电压，来判断电机旋转的角度。本电机对应的反馈电压区间为0～5V，相对应的角度范围为0°～180°。

图1 碳膜式伺服电机电气原理图

3 伺服电机线性度测试方法分析

3.1 测试设备

本设备由3部分组成：电机固定装置、编码器、控制部分。编码器采用欧姆龙增量旋转编码器E6B2-CWZ6C，分辨率3600P／R，输出角度精度可达0.1°，电机输出轴直接驱动编码器，通过编码器反馈的脉冲来计算电机旋转的实际角度。测试系统总体框图如图2所示。

图2 系统总体框图

3.2 程序设计

结合碳膜式伺服电机的原理及测试设备，主程序设计流程如图3所示。

图3 主程序设计流程图

3.3 数据分析

数据分析主要包含三方面：伺服电机反馈电压数据的处理、编码器波形的数据处理、线性度误差的计算。

由于采集到伺服电机反馈电压会存在波动，需要对电压值进行优化处理。

欧姆龙编码器有两相产生PWM波，A相和B相存在一个90°的相位差，因此可以判断编码器旋转方向；在进行波形采集的时候，可以充分采集A相和B相的波形数量，如果相同区间采集到的波形数一致，则说明编码器工作正常，否则异常，从而达到监测的目的。

编码器旋转一周会产生3600个脉冲，故一个脉冲代表旋转360／3600=0.1°，因此可以计算出编码器旋转的角度，即伺服电机实际旋转的角度。

线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提。在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比称为线性度，该值越小，表明线性特性越好。拟合直线一般是通过最小二乘法绘制出来的直线。

根据上述流程图进行程序编程，并设计出检测设备，某型号模式伺服电机要求线性度误差为±2%，测试结果见表1。通过测试发现，此测试方法比传统的角度传感器测试方法更精确，误差更小。通过MATLAB软件采用最小二乘法对试验数据进行拟合，线性曲线图如图4所示，实测曲线均在误差±2%之内。

表1 数据采集测试结果

图4 线性曲线图

4 总结

伺服电机中PCB板中的碳膜线性度存在一定误差，再加上齿轮传动机构等装配误差，造成伺服电机的输出线性度误差增加，因此针对伺服电机的输出线性度提出了一种测试方法。此方法检测精度高，能够有效、快速地检测出不符合标准的伺服电机，避免不良品流入市场，并且该方法简单可行，具有很强的实用性。