一种汽车空调伺服电机的驱动系统及方法＊

2018-05-24徐磊辛聪王明明

汽车实用技术 2018年2期

徐磊，辛聪，王明明

( 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 510640)

前言

随着国民经济发展和消费升级，越来越多的汽车配备了自动空调系统，使之成为乘用车的主流配置[1]。自动空调的恒温控制、出风模式以及内外气自动切换等功能，都是通过相应风门的切换来实现的，而风门切换又是通过连接于其上的伺服电机来带动的。伺服电机采用H桥驱动，可根据当前位置进行闭环控制，以精确达到目标位置。但在整车实际使用中，因整车电气环境复杂，如线束 EMC干扰等问题，导致伺服电机位置的反馈精度有限。若控制方法不当，极易引起风门的反复抖动，一方面会造成异响，另一方面也可能引起空调各出风口的风量不一致，影响整车的商品性和舒适性[2]。本文在汽车空调自动控制系统的设计实践中，通过观察风门抖动现象、分析抖动的产生原因，结合某型号伺服电机的响应特点和控制要求，设计了一种能提高伺服电机稳定性的控制系统，并通过实验对比测试，证实了该设计对避免风门伺服电机抖动的有效性。

1 伺服电机在汽车空调上的应用

1.1 伺服电机介绍

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的电动机，它能将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，可以对位置、速度进行精确地控制。近年来，随着磁性材料技术、传感器技术、单片机以及控制算法的快速发展，直流伺服电机及其控制系统得到了极大的发展，在汽车产业中也体现出了巨大的应用价值[3]。直流伺服电机主要包含控制器、受控对象、传感器和比较器，如图1所示。控制器是电机系统工作的使能和控制部分；受控对象主要指电机的运动部分；传感器将机械信号转变为电信号反馈到输入端；比较器将采集到的电信号与输入信号比较后将比较结果传送到控制器，控制器根据比较结果对电机进行负反馈调节，这样整个系统就形成了一个闭环。直流伺服电机是一个闭环系统，与普通直流电机相比多了速度或位置的反馈装置[4]。

图1 伺服系统控制框图

1.2 在汽车空调上的应用场景

直流伺服电机具有体积小、可靠性高、技术发展成熟、维护方便等优点，成为汽车各个机械驱动领域的理想配件。在汽车空调中广泛采用直流伺服电机来驱动空调风门，包括混和风门、模式风门及内外气风门等。混和风门用于调节流过蒸发器的冷风和暖风芯体的热风的比例，从而调节出风口温度；模式风门用于切换空调的出风口模式，一般包括吹脸、吹脚、除霜等模式，可根据用户使用需求进行自动切换，比如某些车型可根据车内湿度自动开启车窗除霜，或根据制冷/制热需求，自动切换吹脸/吹脚模式；内外气风门用于调节汽车空调的内外循环，某些车型可根据车内热负荷、环境空气质量或者车速条件等参数自动在内/外循环间切换。

2 H桥驱动电路的原理

H桥驱动电路一般由四个 MOS管构成，由于电路中MOS管与伺服电机的连接形状很像英文字母“H”，因此得名。H桥驱动电路通过控制四个MOS管的有序导通，可以达到控制电机的正反转的目的，并且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[5]。如图2所示为一种典型的直流电机H桥驱动电路。当Pin1为高电平、Pin2为低电平时，MOS管Q2、Q3导通，电流按箭头方向流动，驱动电机正转；当Pin1为低电平、Pin2为高电平时，MOS管Q1、Q4导通，电流按箭头的反方向流动，驱动电机反转；当 Pin1、Pin2同为高电平时，MOS管Q2、Q4导通，相当于伺服电机两端同时接地，电机两端没有电压差，且由于电机两端通过MOS管Q2、Q4形成闭合回路，电机运动时产生的电磁感应反电动势将形成感应电流，阻止电机的惯性运转，可以起到很好地制动作用；同理，当Pin1、Pin2都为低电平时，MOS管Q1、Q3导通形成闭合回路，伺服电机被制动。H桥驱动电路中，同侧MOS管不允许同时导通，防止电源与地短路而烧毁 MOS管。此外，桥臂上每个MOS管都配有一个寄生二极管，用于保护MOS管的S极与D极之间过压。

图2 H桥驱动电路

3 系统介绍

3.1 伺服电机规格

本汽车空调系统采用的某型号模式风门伺服电机电气原理图如图3所示。该模式电机具有五档，依次为吹面→吹面吹脚→吹脚→吹脚除霜→除霜。本文所用模式电机的Pin脚定义及不同模式反馈电压值如表1所示。当Pin4为高电平，Pin5为低电平时，模式风门向吹面方向摆动；反之，当Pin4为低电平，Pin5为高电平时，模式风门向除霜方向摆动。该伺服电机集成一个滑动变阻器，滑动变阻器的滑动端与电机相连，当电机转动时，滑动变阻器输出的电阻值发生变化，从而使反馈电压在0～5V之间变化，起到位置传感器的作用。事先通过标定，得出模式风门在不同模式下的反馈电压，以此作为该模式的目标位置反馈值。

图3 某型号模式风门伺服电机原理图

表1 某型号伺服电机规格参数

3.2 本设计硬件方案

根据上述汽车空调模式电机的特点，采用H桥驱动芯片来对其进行驱动。考虑到硬件平台化，采用 ST公司的集成式直流电机驱动芯片 L99MD01XPTR来实现对空调风门伺服电机的控制，其电机驱动模块的硬件框图如图 4所示。L99MD01XPTR是一款集成8个半桥的电机驱动芯片，每路输出的驱动能力为0.8A，可同时驱动4个直流伺服电机实现正反转，满足一般汽车空调系统的使用要求。此外，该芯片无需外部继电器或驱动模块，可简化线束，降低成本。电机驱动模块与MCU之间采用24Bit SPI通信接口，减少对MCU管脚资源的占用，控制方式简单，并能实现完善的诊断功能，包括伺服电机各Pin脚对电源短路、对地短路、开路和电机堵转。

图4 电机驱动模块硬件框图

3.3 本设计软件方案

结合模式电机的特点与硬件设计方案，设计的模式电机控制软件流程如图5所示。相比一般控制方法而言，本设计增加了两个阈值条件。只有当反馈电压与目标电压的差值＞上阈值时，伺服电机才根据当前位置与目标位置的偏差执行正转或反转；当该差值≤下阈值时，认为伺服电机转动到目标位置，执行制动。通过选择合适的上/下阈值，既能防止伺服电机频繁抖动，又能提高其控制精度。通过对某型号乘用车的实车标定，确定上阈值为0.15V，下阈值为0.05V。

4 结果分析

根据上述设计流程进行模型化编程，生成代码后刷写到采用本硬件方案的 ECU上，搭载于某型号乘用车作为试验组；并将未设置上、下两个阈值的软件编码后刷写到同型号乘用车上，作为对照组。通过实车路试，分别观察试验组和对照组的模式风门电机的稳定性表现。

通过试验发现，试验组模式风门电机在调节模式后可以快速地达到稳定，同时可以稳定至更高的精度区间，并且在整个路试过程中不会发生抖动；而对照组的模式风门电机在调节模式后需要更长的时间才能达到稳定，并且在稳定后随着路试的进行亦可能发生抖动。通过对比试验，证实本伺服电机的驱动方案对于提高汽车空调伺服电机的稳定性是有效的。