汽车空调风门耐久试验装置设计

周倩瑶，杜冠廷，罗熠

(中汽检测技术有限公司，国机智能科技有限公司，广东广州 510530)

0 引言

汽车空调风门机构主要包括温度混合风门、模式风门、进气风门，其中温度混合风门和模式风门分别控制着冷热风的分配比和空调吹面、吹脚、除霜等模式的风量[1]，基本每次驾驶都会用到。因此风门的精确控制及使用寿命是评价汽车空调系统的重要指标，需要通过耐久性试验来验证风门的设计要求。

耐久性试验，即对空调风门执行电机进行长时间的循环运转，有主机厂甚至需要在高低温环境下验证寿命。每一次循环风门运行均应从一个极限位置到另一个极限位置，混合风门、模式风门、进气风门控制方式基本一致。

1 设计方案实现

1.1 执行电机原理及试验难点分析

如图1所示，风门控制电机的Pin4和Pin5的极性切换实现电机的正反转。当Pin4为高电平、Pin5为低电平时，电机正转；反之，当Pin4为低电平、Pin5为高电平时，电机反转，从而实现风门的两个极限位置功能。该电机还集成一个滑动变阻器，滑动变阻器的滑动端与电机相连。如在Pin1和Pin3两端加载5 V的电压，当电机转动时，滑动变阻器输出的电阻值发生变化，从而电机运转过程中信号端电压在0～5 V之间变化，实现不同位置的风门模式功能。

图1 电机原理图

通过分析电机和控制部件参数，耐久试验的条件，应解决以下难点：(1)需要切换电机接线端电压的极性来实现以及电机的正反转；(2)试验过程中需要检测到风门转动的位置，实现不同模式功能的控制，并在规定的位置下进行换向，满足试验要求；(3)试验中如风门出现机械故障被卡住，会使电流突然增加，导致损坏电机的危险，因此耐久试验装置应可感知风门故障情况，在必要时自动断电；(4)试验装置还需准确记录样品的具体寿命，如试验中断时应能记录已经完成的试验循环次数；(5)达到要求的试验次数后，试验装置能自动停机，提高控制精度；(6)依据客户要求，当电机运行到极限或不同挡位位置时应暂停给定的时间，再继续运转。

因此，该装置采用ACS712电流传感器对电机转动位置进行检测及监控，使用电驱模块RZ7899对电机运行方式进行控制。ACS712用于监控伺服电机位置传感器的输出量，设计采集范围0～5 V，通过检测电流模拟电压量输出，得到风门实时的运转位置。而RZ7899芯片内部是一个全桥控制电路，所以负载两端的电压正负极是可控的，接上风门执行电机，通过控制芯片内部电流的方向，实现电机的正反转；同时可以接受PWM信号输入、控制平均电压、调节负载电流，使电机旋转时达到平滑调速的效果，防止电机卡滞而烧毁的危险。

1.2 风门位置及故障感知

在风门电机的旋转过程中，会改变与其相连的滑动电阻器的电阻值，从而使电路中电流发生变化。为精确控制电机，需要对电机运行电流进行检测。系统采用了线性电流传感器ACS712，其主要由靠近芯片表面的铜制的电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成，流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC感应并将其转化为成比例的电压[2]。ACS712有±5 A、±20 A、±30 A 3个不同规格的量程，其工作性能基本相同，只有检测范围的差别。ACS712输出电压与检测电流关系的特性曲线如图2所示。

图2 ACS712输出电压与检测电流的特性曲线(UCC=5 V)

在检测范围内，传感器的输出电压和检测电流成正比，几乎不受温度的影响[2]。

设计中ACS712电路图如图3所示，被测电流从1、2端输入，3、4端输出，构成闭合回路，在7端输出模拟电压，完成了电流采集。且通过特性曲线可以知道，随着电流的增加，会对应输出与被检测的直流或者交流电流呈线性关系的电压，从而获得对应风门电机的运行状态，感知风门的具体位置。如模拟电压出现非线性的异常情况，可以得知风门出现故障情况，此采集数据也可快速传输到主控制器。

图3 ACS712应用电路图

1.3 风门位置控制的实现

一个汽车空调总成上一般不会超过4个风门执行电机，设计中通过使用4个全桥驱动芯片RZ7899，实现了4个风门电机单独驱动及正反转往返运动，以完成耐久试验。由于芯片内部是一个全桥控制电路，所以这个负载两端的电压正负极是可控的，接上风门电机，即可使其正转、倒转、刹车等功能。

当桥式整流电路当中的4个晶体管封装在一起时就构成了全桥电路，而全桥电路实际上就是常说的H桥电路。因为晶体管与电机的连接形状酷似字母H，所以叫做“H”桥驱动电路。电路通过控制4个晶体管的有序导通，从而实现控制电机的正反转，再通过与单片机配合使用，利用定频调宽等方法产生PWM信号，可以达到平滑调速的效果[3]。如图4所示，TA、TB构成一个半桥，TC、TD构成一个半桥。当TA和TD导通时，电流就从电源正极经TA从左往右流过电机，再经TD回到电源负极，如此一来，实现了电机的正转；同理，当TC和TB导通时，电流将从右往左穿过电机，实现电机的反转。若在TA、TC导通后，则电机惯性运转产生的电势将被短路，形成阻碍运转的反电势，从而实现“刹车”功能。

图4 H桥驱动电路图

而RZ7899则是一款集成2个半桥的电机驱动芯片，解决传统分立元件H桥电路驱动中可靠性低且体积大的缺点，接上电源、电机和控制信号就可以使用了。如图5所示的连接电路，将4个RZ7899驱动芯片的FI、BI口接单片机STM32F103RCT6引脚，同时驱动4个直流电机或伺服电机的旋转，基本满足一个汽车空调系统试验的需要。同时，主控制器STM32F103RCT6接收到ACS712电流传感器的模拟电压，实时对数据进行A/D转换，实时确定风门状况，为驱动电路提供可靠保证。

图5 风门耐久控制主电路图

1.4 软件实现

主控制器STM32F103RCT6(伺服电机驱动模块)包括4通道的电机驱动功能和72 MHz的数据处理、风门位置反馈(电位、脉冲)，闭环控制等处理速度，通过软件编写，与上位机进行人机交互，实现如图6的系统功能。上位机同时对环境箱的状态进行监控，加以实现在高低温环境里进行风门耐久试验,如图7所示。

图6 风门耐久试验系统功能图

图7 风门耐久试验

2 结束语

基于单片机的控制原理，连接霍尔电流传感器的采集电路，采用集成电路芯片来控制风门运转实现耐久试验的需求。详细介绍了风门耐久试验装置的接线方式及控制原理，以证明该方法的正确性。此开发可根据串行接口的数量等单片机性能，在控制电机上具有扩展灵活性，以满足不同风门数量的空调总成样品进行试验。