汽车双闭环直流风扇调速系统设计及应用

吴成加，赵圣宝

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

汽车双闭环直流风扇调速系统设计及应用

吴成加，赵圣宝

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

介绍一种汽车双闭环直流风扇调速系统，由微处理器产生PWM信号来实现直流风扇速度调节，通过改变PWM脉冲的频率和占空比，实现电流和温度双闭环水冷系统无级调速；并通过过载保护设计,确保电路安全，延长汽车风扇的使用寿命,从而增强散热效果和提高能量的利用率。

汽车直流风扇；PWM信号；双闭环控制；调速系统

1 目前存在的问题

汽车发动机冷却风扇是保证发动机正常工作和影响汽车节能减排的重要部件。目前，汽车冷却系统散热多采用电磁吸盘或电子式直流风扇来进行温度调节。电磁吸盘式散热系统通过温控开关控制风扇的电磁线圈通断，使得发动机温度变化与风扇起停实现自动控制。但这种控制方式精度较低，因为首先风扇动作对温度变化的响应有明显滞后；其次风扇固定盘吸合后随传动盘全速转动，不能随着发动机工作温度的变化驱动风扇进行均匀降温，随着发动机转速的增加，风量的增加幅度要大于发热量上升的幅度。而普遍使用的电子式风扇多数属于高/低速直流风扇，一般只有高/低速两种工作状态，调速方式一般为串并联或电阻式调速，这种调速方式不能实现风扇的转速按照需求供给。汽车发动机散热器冷却风扇所耗功率约占发动机总功率的5%～8%，这一数值十分可观。但大量的试验指出，水冷系只有25%的时间需要风扇工作，而在冬季风扇只有5%的工作时间是有意义的，其他时间风扇所消耗的功率纯属浪费。因此，解决水冷系统风扇的有效工作问题是节能的重要途径[1]。

目前汽车冷却系统已经不仅仅专注于“防止发动机过热”，而且将目光放到了“如何合理利用发动机的热”。通过更加精密的控制手段，使得整个冷却系统在行驶过程中适时提供恰当的冷却能力，在防止发动机过热的同时，还应节省油耗[2-3]。本文介绍一种双闭环汽车直流风扇调速系统，采用PWM（Pulse Width Modulation）进行控制,优点是PWM电动风扇可以实现无级变速，能够根据水冷系统的温度自动调节风扇转速并实现电流闭环和温度闭环控制，从而实现风量的精密调节，节能环保，节省油耗。

2 直流风扇的PWM调速

2.1 调速系统的闭环调节

直流电机风扇有变频调速和变压调速两种方式。变频电机的转速只与设定的频率有关，可实现恒定速度控制，风扇的稳定性与可靠性较高[4-5]。在有些控制系统中，可根据被测设备的温度变化自动调节转速，其控制过程是利用温度传感器测量被散热设备的温度，并将其数值反馈给风扇控制单元，控制单元根据所设定的温度-转速特性曲线调节转速。这种控制方式既能有效地保护被测设备，也可以在温度较低时减少耗电量。变压调速是通过在电机回路中串入电阻来改变电枢上的电压，或者使用PTC电阻来实现自动调速，有相当部分的电能消耗在串联电阻上，电阻的功耗较大，同时调速范围也比较窄。近年来，随着电子技术的发展，电子闭环调速方式越来越多地在汽车直流电机电子调速方面得到了应用。

双闭环直流调速汽车水冷系统，采用PWM调速方式，通过微处理器或硬件方式产生一个频率或占空比可变的PWM方波信号，驱动场效应管[6-7]。主要由单片机、驱动电路、场效应管、直流风扇电机、电流检测电路、温度检测电路等组成。在电机工作时，为了充分利用电机的允许过载能力，始终保持电流为允许的最大值，实现最大的转矩输出，在场效应管的源极与地之间，串联一个电流采样回路，电流检测电路与单片机、直流风扇电机构成电流闭环调节系统。直流电机工作时，电流检测电路实时检测流过电枢的电流，当检测到电流超过电机最大电流受限制条件时，单片机自动降低PWM波输出的占空比，使电流回到正常值，当输出过流或短路时，通过一个硬件互锁电路，自动关断PWM输出，防止电枢因过流造成损坏。同时，由一个温度检测电路与单片机、直流风扇电机构成温度闭环调节系统；单片机检测到水冷系统的温度，并进行运算，最终输出一个可变的占空比方波，改变了直流电机的电压，使电机的转速改变，改变其冷却效果，形成温度闭环调节系统。

所设计的电流/温度双闭环直流电机水冷调节系统，其硬件采用Freescale 8位单片机MC9S08DZ60系列8位HCS08微处理器，主要用于需要融合CAN(Controller Area Network)网络和内嵌的EEPROM的应用中，40-MHz HCS08 CPU（20 MHz总线），支持最多32个中断/复位源，支持两种超低功耗停止模式；丰富的片上资源包括ADC、ACMPx、MSCAN、SCIx、SPI、IIC、TPMx、RTC等功能模块，它有助于帮助用户降低成本，增强产品的性能并提高产品的质量[8]。MC9S08DZ60微处理器的PWM信号输出端通过驱动电路与MOSFET场效应管连接；MOSFET场效应管连接风扇电机，驱动MOSFET场效应管需要给它提供一个COMS电平，且场效应管的栅极与源极之间的门电压需要10～20 V，才能保证场效应管可靠导通。MC9S08DZ60单片机输出的PWM信号，其幅值为5 V方波，这就需要在单片机与场效应管之间增加一个图腾柱驱动电路。由于MOS管具有很大的输入电容，要想让MOS管导通得快关断得快，对输入电容的充电放电能力就要大，即驱动电路必须具有在很短时间内流过大电流的能力。图1是一个集成化的MOSFET图腾柱驱动电路示意图。图腾柱驱动的原理是由两个三极管做推挽运动，来实现电流放大电路，用于驱动MOS管或IGBT管，提供足够的灌电流和拉电流,以保证场效应管可靠的导通和截止。

图1 PWM驱动电路

图2 直流风扇电机驱动电路

2.2 直流风扇的电流闭环

如图2所示，经过PWM驱动电路放大后的方波信号，其电压幅值约为15 V。该信号加载到场效应管D1的栅极，控制D1的导通和截止，当D1导通时，有电流流过直流风扇电机M1,改变电枢的磁场强度和转矩,从而实现电机调速。

当直流风扇电机由于某些原因导致负载电流过大或堵转后，电流急剧上升，如果不及时关断输出，就会造成场效应管或电机烧毁的事故。为了防止这种现象出现，设计时需要在场效应管D1和地之间接入一个电流采样电阻来检测回路电流,如图2所示。由于直流风扇的工作电流较大，为避免电阻上的功耗过大，采样电阻可采用阻值为毫欧级的康铜丝电阻来替代普通电阻。如某型号直流风扇电机正常工作时电流为7.8 A，取其保护值按不大于1.3倍计算，即10 A，当回路电流达到该值时，康铜丝电阻两端的压降IV为100 mV。如图3所示，检测到的电压被送到差分放大器U1中，经过放大后的电压再送到电压比较器U2的反向输入端，电压比较器的同相输入端电压由分压电阻R5、R6进行分压，调整R5或R6的参数，可改变U2同相输入端的参考电压。正常情况下，电压比较器U2的参考点电压大于反向输入端点电压，当电流的电流增大到限定的电流值时，康铜丝电阻1R3上的电压上升，并经过差分放大器放大，最终使电压比较器U2的反向输入电压上升，当反向输入电压高于参考电压时，电压比较器输出一个低信号给后级硬件电路，关断PWM输入信号，同时将过流信号传递给单片机,保护了电机和场效应管的安全工作。

图3 电流检测及限流电路

2.3 直流风扇的温度闭环

为了实现直流风扇电机根据当前冷却系统的水温实现闭环调速，需要在循环的水路中安装一个或多个水温传感器用来检测温度。水温传感器采用铜外壳，用环氧树脂进行封装，内置一个负温度系数热敏电阻（NTC热敏电阻）。其电阻值随温度上升电阻呈指数关系减小,通过一个螺纹密封于水冷系统的三通管道中，用于检测水温。当水温发生改变时，水温传感器中热敏电阻阻值的变化被单片机（MC9S08DZ60微处理器）采样，并进行运算，最终得到当前的水温，再由单片机根据当前的水温，计算当前的PWM输出占空比，来调节风扇的转速，实现温度闭环[9]。

水温占空比输出按照以下方式进行,根据所用的直流风扇的温度-转速特性曲线，设置不同的水温控制点X1，X2，…Xn，当前温度为X,输出占空比P与水温X之间的关系式如下：

式中，B为水温低于设定温度时的起始占空比阀值；Kn为第n个阀值后的系数。

3 应用效果

为了测试系统的应用效果，采用Freescale 8位单片机MC9S08DZ60搭建测试平台。PWM驱动采用场效应开关驱动电路TC4427，开关管采用英飞凌公司的场效应管IPB80N03S4L，其输入阻抗高，导通内阻低，可在很小的电流和很低的电压下工作。在按上述方法搭建好的测试平台上进行实验，在PWM输出占空比从0%～25%之间发生变化时，形成的磁场强度和起动扭矩不足，风扇会出现无法运转或颤动现象。在PWM输出的频率较低时，也会发生输出占空比与转速之间的跟随性不好的现象，占空比在逐级加大的过程中，风扇有“嗒嗒”电流声。风扇开始起动后转速很低。风扇在PWM值50%～90%之间转速变化不明显，到100%才突然加大到最高转速。只有输出频率达到几千赫兹以后，占空比在逐级加大的过程中，转速随占空比变化快、跟随性很好。

将PWM的载波频率设置为6 kHz，根据温度反馈值实时调整PWM的占空比。随着温度升高，相应PWM占空比增大，观察风扇回路电压及电流情况，在不同占空比下，其转速与电流(虚线)或电压（实线）的关系曲线如图4所示，风扇转速实测数据如表1所示。

图4 不同占空比下的风扇运行特性

表1 不同占空比下的电流及输出变化

由表1数据可以看出，占空比增大，风扇转速升高，加载到风扇电机上的电压和电流也逐渐增大，其输出功率也相应发生变化，风扇转速能够平滑地跟随该调速方法，使得风扇在不同温度下功率得以适时调整。

在试验过程中，模拟发动机的工况，对冷却水路进行加热，最高温度控制在70℃左右，在闭环模式下工作，对输出的占空比及不同工况下的参数进行记录，连续工作4 h，其总耗电量约为0.295 3 kW·h，具体数据如表2所示。

表2 温度闭环模式下的测试数据

目前常用的直流电机在电磁线圈直接控制的方式下，风扇电机相当于全输出，此时加到风扇电机上的电压为直流24 V，电流约为8 A，连续工作4 h，其总耗电量约为0.768 kW·h。而同样的运行工况，采用PWM双闭环模式后，其功耗只相当于前者的38.5%，节能效果显著。该种风扇调速方法能根据当前水温实现精确的控制，在工作过程中，风扇速度的变换通过改变PWM的占空即可实现，可以实现无级变速；风扇的输出根据发动机当前的水温来调节送风量，做到需要多少风量给多少风量，实现风量的精确控制，并且在车辆熄火后还可以持续运转一段时间，降低发动机水温，防止过热。

4 结束语

本文论述了车用水冷系统直流电机风扇的调速方法、PWM驱动电路设计及过流保护方法，着重介绍了使用单片机采集水温，并根据输出占空比P与水温X之间的关系式，调整PWM输出，对风扇进行电流和温度双闭环调速，以及通过电流检测，实现对场效应管和电机的过流保护。并搭建了直流风扇调速系统试验平台，对控制系统进行台架验证，提升了水冷系统的散热效率，通过智能化控制，实现节能降噪的效果。

[1]刘晓晴，胡军.电动冷却风扇低能耗、低噪声大客车的研发[J].客车技术与研究，2007，29（6）：19:22.

[2]直流风扇电机的基本工作原理[N/OL].http://bbs.faneol. net/viewthread.php?tid=327.

[3]章祝华.无刷直流风扇的原理及常见故障[J].电脑学习，2004（6）：51-52.

[4]基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统[N/OL].http: //www.docin.com/p-226390157.html.

[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统:运动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2006.

[6]李萍，历红，朱涛.双闭环可逆直流脉宽调速系统设计[J].电机技术，2013（4）：19-22.

[7]张玉峰，刘海宽，王树臣.PWM直流调速系统的研究[J].沈阳工业大学学报，2001（3）.

[8]MC9S08DZ60 Datasheet（PDF）-Freescale Semiconductor，Inc [Z].Freescale Company，2006，Jun.

[9]马锋，叶伟.具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统及控制方法:201410274484.9[P].2014-06-18.

修改稿日期：2016-08-09

Design and Application of VehicleDouble-closed Loop D.C.Fan Speed Control System

Wu Chengjia,ZhaoShengbao
（Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230051,China）

The authors introduce a double-closed loop D.C.fan speed control system,which the PWMsignal is generated bythe microprocessor toimplement the D.C.fan speed regulation,bychangingthe frequencyand dutyratioof PWMpulse,the temperature and current double-closed loop water cooling system stepless speed regulation is realized.Through the design of overload protection,they ensure the circuit safety,prolong the service life of the vehicle fan,and therebyenhance the coolingeffect and improve the utilization rate ofthe energy.

vehicle D.C.fan;PWMsignal;double-closed loop control;speed control system

U463.83+8

B

1006-3331（2016）06-0033-04

吴成加（1971-），男，高级工程师；主要从事新能源汽车电驱动及控制系统核心零部件关键技术研究。