通过优化控制电路参数解决鼓风机异响问题的研究

赵旭林

摘  要：汽车上常见的鼓风机为直流有刷电机，其运行噪声与驱动电压的纹波有关。为了解决某款汽车鼓风机的异响问题，在分析鼓风机负反馈控制电路原理的基础上，对电路进行仿真计算，确定通过优化MCU输出的PWM信号频率、滤波电路的电容以及积分电路的电容，可以降低鼓风机驱动电压的纹波。最后，通过试验结果证明优化控制电路参数可以明显降低鼓风机驱动电压的纹波，并解决鼓风机异响问题。

关键词：鼓风机异响;负反馈控制电路;电压纹波

中图分类号：TM571.2       文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2020）06-0019-04

Abstract： The blower in the car is DC brush motor. Its operating noise is related to the ripple of the driving voltage. In order to solve the abnormal noise problem of car blower， it analyzed the principle of the negative feedback control circuit of the blower and simulated the circuit. The result of simulation indicated it is effective to reduce the ripple of the blower drive voltage by optimization PWM signal frequency， filter capacitor and integral capacitance. At last， it proved the fact of optimize the control circuit parameters can significantly reduce the blower drive voltage ripple and solve the blower abnormal noise problem by experiment.

Key Words： Blower Abnormal Noise; Negative Feedback Control Circuit; Voltage Ripple

1    引言

噪声、振動和声振粗糙度（简称NVH）是评价汽车品质的一个重要指标。鼓风机作为汽车空调系统的重要部件，具有向乘员舱输送空气的功能，用户能够直接感知其运行噪音，鼓风机相关NVH问题的用户投诉时有发生。某款整车试制阶段，鼓风机工作过程发出连续异响，NVH评分不合格。针对该问题，本文在分析鼓风机控制电路原理和仿真计算的基础上，对鼓风机负反馈控制电路元器件参数进行优化，降低了鼓风机驱动电压的纹波，从而解决鼓风机异响问题，使整车的NVH性能达到了设计目标。

2    鼓风机控制系统介绍

目前汽车上常见的鼓风机为直流有刷电机，通常采用负反馈控制方法，鼓风机的速度与加载在鼓风机两端的电压正相关，鼓风机正端直接连蓄电池（电压基本不变），所以只需要调整负端的电压就可以控制鼓风机的速度。如图1所示，为鼓风机控制系统硬件框图，由空调控制器、调速模块和鼓风机3部分组成。

控制系统方框图如图2所示，鼓风机负端电压作为被控制量，MCU根据鼓风机的风速档位给定电压值输入到运算放大器的负端，鼓风机负端电压通过反馈电阻网络分压后接到运算放大器的正端，两个电压进行比较后的误差电压，通过运算放大器和调速模块放大后，调节鼓风机的运行状态。根据运算放大器的虚断特性，运算放大器的正端电压和负端电压相等，所以运算放大器负端设定一个电压值，通过负反馈电路的动态调节，经过一段时间的动态调节后，鼓风机负端电压会调整到目标值。

因为空调控制器使用的MCU内部没有集成DAC资源，从降低硬件成本考虑，采用MCU输出频率固定、占空比可变的PWM信号，经过3级RC滤波后变成稳定的模拟电压，作为给定电压值。

3    问题描述

某款汽车在试验阶段，打开空调后，试验工程师能够听到鼓风机连续异响，NVH性能评分不及格（得分仅4分，满分10分，6分以上及格）。如图3所示，使用示波器测试鼓风机负端的电压波形，发现电压波动混杂频率400Hz峰峰值1.36V的纹波电压，调速模块控制端的电压同样存在频率400Hz，峰峰值为0.15V的电压纹波。

4    理论分析

从鼓风机控制系统的原理进行分析，推测问题原因可能是控制电路参数设置不合理，输出到鼓风机调速模块的控制电压纹波较大，该纹波电压经过调速模块放大后，导致鼓风机两端电压剧烈波动，鼓风机的速度不稳从而发出异响。

鼓风机控制电路中3级RC滤波电路对MCU输出的PWM信号进行滤波，如图4所示，在输入高电平时，滤波电容充电储存能量，输入零电平时，滤波电容放电，电容从零电压初始条件充电到接近高电平的时间大约为5R0×C0，电容从充满电的初始条件（电压为高电平），放电到接近零电平的时间也约5R0×C0。

周期性PWM信号输入到RC滤波电路，如果PWM信号的周期小于10R0×C0，每个周期内电容不会充电到高电平状态，也不会放电到零电平状态，PWM信号会被RC滤波电容平滑为近似三角波的波形（如图5所示），且PWM信号的周期与10R0×C0的比值越小，经过RC滤波后的电压信号峰峰值越小。

通常1级RC滤波对PWM信号的平滑滤波作用有限，所以鼓风机控制电路采用3级RC滤波，3级RC滤波的工作原理与1级RC滤波类似。另外，积分电容对运算放大器正端和负端的偏差也有一定的平滑作用，可以对运算放大器负端的电压纹波进行滤波。通过上面的分析可以得到如下结论：

（1）在滤波电路元器件参数固定的条件，增大PWM信号频率，即减小PWM信号的周期，可以降低鼓风机负端驱动电压的纹波;

（2）在PWM信号频率固定的条件，增加RC滤波电路电容和电阻的值，可以降低鼓风机负端驱动电压的纹波;

（3）增加积分电容的值也可以降低鼓风机负端驱动电压的纹波;

5    仿真计算

为了进一步定量分析鼓风机控制电路元器件参数与电压纹波的关系，使用TI-TINA软件工具，搭建如图6所示仿真模型，对电路参数进行优化。使用电压源VG1模拟MCU，生成PWM信号，滤波电路、运放和调速模块使用器件供应商提供的仿真模型，鼓风机用10mH电感和2Ω的电阻串联近似等效。

下面的仿真过程中，如没有特殊说明，电路参数的默认值如下：

（1）PWM频率fPWM=500Hz;

（2）RC滤波电路，滤波电阻R1=R2=R3=20K ，C1=C2=C3=10nF;

（3）积分电容C4=10nF;

5.1   PWM信号频率的影响

PWM信号的频率分别设置为500Hz、1kHz、1.5kHz，仿真结果如图7所示，鼓风机的电压纹波分别为3.45V、1.24V和0.61V。

5.2   滤波电路参数的影响

滤波电路的电阻R1、R2和R3设置为20K，电容C1、C2、C3分别设置为10nF、47nF、100nF，電路仿真计算结果如图8所示，鼓风机的电压纹波分别为3.42V、0.43V和0.12V。

5.3   积分电容的影响

积分电容C4分别设置为1nF、10nF、100nF，仿真计算结果如图9所示，鼓风机的电压纹波分别为5.2V、3.4V和0.73V。

6    电路参数优化及验证

通过理论分析和仿真计算证明，提高PWM信号频率、增大滤波电容、增大积分电容都可以降低鼓风机负端电压的纹波。MCU输出PWM频率调整为1KHz，并适当调整电路中滤波电容和积分电容的值，测试鼓风机负端的纹波电压波形如图10所示，纹波电压的值减小为0.48V，与电路参数优化之前的测试结果比较，纹波电压减小了0.88V，鼓风机的异响也消失了，NVH评分由4分提高到8分，可以满足整车NVH性能的要求。

7    结论

鼓风机的异响问题与鼓风机的驱动电压纹波有关，通过理论分析、仿真计算和试验证明增加MCU输出的PWM信号频率、增大滤波电路的电容以及增大积分电路的电容，可以明显降低鼓风机驱动电压的纹波，并解决鼓风机异响问题。

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