汽车空调风门执行器的分类及应用

郑硕文，李鄂胜，李 勇，陈如虎，郑海法

（湖北开特汽车电子电器系统股份有限公司，湖北 武汉 430000）

随着科学技术和生活水平的不断提高，人们对汽车内舒适性也提出越来越高的要求。空调执行器作为空气流量分配风门的开启角度及扭矩输出的器件，在汽车空调执行机构中广泛应用。

1 风门执行器在空调系统中的应用

风门执行器作为常见的空调控制系统，通过齿轮与空调上的模式盘或旋转杆连接，带动汽车空调风门进行开闭，从而分配空气流量。HVAC风门运转常用的有3大类：冷暖、模式、内外循环调节。

2 风门执行器的种类介绍

随着汽车的快速发展，汽车空调风门执行器也有较大发展，目前各大主机厂常见的风门执行器均有适合自己的执行器外形及控制类型。

1）根据执行器的动力源不同，可将汽车空调风门执行器分为BDC直流汽车空调风门执行器、stepper步进、BLDC无刷汽车空调风门执行器。

2）根据驱动控制方式不同，可将汽车空调风门执行器分为模拟量DC控制汽车空调风门执行器和数字量LIN、CAN控制汽车空调风门执行器。

3）根据产品角度反馈信号的方式不同，可分为非接触式和接触式：接触式分为PCB碳膜滑动电位器和集成式电位器，非接触式分为霍尔角度传感器、脉冲角度编码传感器等。

4）根据产品空调系统应用及安全防护的需求，可分为铜箔断电设计、PTC过流保护设计、风门极限位置机械限位设计、运转方向防差错设计等。

根据以上应用、分类以及所需的技术条件结合成本、品质等多方面的考虑，不同汽车空调风门执行器在价格、角度控制精度、输出力矩等方面均有不同。

3 汽车空调风门执行器的典型应用介绍

3.1 直流BDC风门执行器

3.1.1 360°正反转汽车空调风门执行器停止时间控制方式

如图1所示，执行器通过ECU控制汽车风门执行器运转，当运转到极限位置后，汽车空调海绵与风门机构进一步压缩，ECU控制电源断开，从而控制汽车空调风门执行器停止，使得执行器停到所需位置。

图1 接线图

电源连接电机正负两极，通过外接电源控制信号控制电机正反转。

优点：结构简单，成本低，电路为开环电路。

缺点：ECU控制汽车空调风门执行器正常运转，当发生堵转时间过长时，汽车空调风门执行器及连杆、风门等寿命降低。

建议空调面板厂家在控制汽车空调风门执行器正常运转过程中，汽车空调风门执行器运转时间增加50%～80%，从而既能保证风门正常开闭，又能保证汽车空调风门执行器堵转时间不至于太长，引起汽车空调风门执行器及汽车空调风门损坏。

3.1.2 铜箔断电与防反接控制方式

铜箔断电与防反接控制方式结合铜箔断电、防反接两种方式优点。采用铜箔断电方式，当电路运行时，由于电路中运行至铜箔断电位置时，形成断电，从而防止角度输出超出范围，从而保护空调箱体风门。防反接控制方式通过二极管单向导通作用，当正常接线时，电路正常运行；当电路中发生反接时，电路停止工作，从而进一步保护空调箱体。

如图2所示，5、6为一端分别连接电路板电路信号，另一端通过电机连接外接输入信号，其中，当1与3连接时，由于二极管单向导通作用，仅1为高电位信号，3为低电位信号时，电路导通，执行器运转至无铜箔位置停止；当2与3连接时，仅3为高电位信号，2为低电位信号时，电路导通，执行器运转至无铜箔位置停止。在执行器运转过程中，执行器中控制单元始终与3段铜箔连接，保证执行器始终能接收到外接信号，保证信号快速响应，防止电路产生异常。

图2 电路原理图

优点：结构简单，成本低，铜箔断电方式减少汽车空调风门执行器与汽车空调风门长时间堵转的风险，防反接功能可在电路发生反接过程中，二极管单向导通作用使得电路断电，从而保护汽车空调风门执行器与汽车空调风门。

缺点：控制精度不高，无法对汽车空调风门关闭进行精准定位。

建议空调面板厂家在控制汽车空调风门执行器运转过程中，控制精度应设立在合理范围内。

3.1.3 带滑动碳膜电位器作为角度传感器的执行器

碳膜反馈控制方式为目前最常见汽车空调风门运转的控制方式，其原理为：由角度传感器完成闭合控制逻辑，外接信号线共5根，分别是：电源正极、电源负极、GND、5V、信号线，电源正负极控制电机进行正反转，GND、5V与电路连接，使得采集信号分别在0～5V内，通过外接信号线控制信号电路中电压值，使得电路停止在所需的信号电压位置。

如图3所示，外接信号5与6分别连接电机正负极，控制电机正反转；1与3分别连接电路信号GND与5V，2与电路信号反馈连接。

图3 接线图

通过控制信号接收到不同反馈电压，当输入信号给定所需要的电压时，通过电机连接齿轮系运转，控制输出齿轮到达给定的电压时停止，从而保证给定输入电压，输出为所需位置，进而使得空调风门精准定位。

优点：控制汽车空调风门角度相对360°正反转、铜箔断电与防反接控制方式更高。

缺点：成本相对360°正反转、铜箔断电与防反接控制方式更高，要求电路板生产厂家控制精度要求更高，无保护风门结构。

建议空调面板厂家对空调精度设置在合理范围内，要求输出角度控制精度在3°以上。

3.1.4 集成式电位器控制方式

电位器碳膜反馈控制方式与普通碳膜反馈方式类似，不同之处为：将弹刷与电路板集成在一个整体嵌入输出齿轮旋转轴上。

优点：此种方式由于将电路板与弹刷嵌入一个整体，故控制精度更高。

缺点：由于开发模具较贵，成本高，故仅适用于产量较大、角度较固定方式控制电路。

建议空调面板厂家在设计电路板时，将角度空调设置成平台化，可后期大批量生产，从而减少模具开发成本。

3.1.5 碳膜反馈与铜箔断电防反接控制方式

碳膜反馈与铜箔断电防反接控制方式结合铜箔断电防反接控制方式和碳膜反馈控制方式优点，不仅可以实现给定反馈电压，输出所需位置，而且防止电路反接或运转异常时，实现对风门机构的保护作用。

图4为碳膜反馈与铜箔断电防反接控制方式原理图，A与B分别为汽车空调风门执行器输入端，通过给定电源控制电机正反转，D与E分别为GND与+5V，C为反馈电压信号端，C、D、E控制电路运转，A与B连接铜箔断电区域，电路中并联2个二极管，通过二极管单向导通作用，使得电路中产生异常时，及时断电，防止运转过程中短路或其他堵转引起的风门堵转异常。

图4 电气原理图

优点：集合碳膜反馈与铜箔断电防反接方式两者优点，避免电路反接引起的异常，控制精度相对较高。

缺点：元器件相对增多，成本相对增加。

建议面板厂家控制精度设置在合理范围内。

3.2 步进电机汽车空调风门执行器

步进汽车空调风门执行器是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，汽车空调风门执行器的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给汽车空调风门执行器加一个脉冲信号，汽车空调风门执行器则转过一个步距角。

步进汽车空调风门执行器通过控制脉冲频率实现调速，从而达到调速的目的。如图5所示，一个脉冲信号共4个节拍，分别是0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，正转过程中，0节拍：3与6连接负极，2、5连接电压正极；Ⅰ节拍：3与4连接负极，2、5连接电压正极；Ⅱ节拍：1与4连接负极，2、5连接电压正极；Ⅲ节拍：1与6连接负极，2、5连接电压正极。反转过程中，0节拍：3与6连接负极，2、5连接电压正极；Ⅰ节拍：1与6连接负极，2、5连接电压正极；Ⅱ节拍：1与4连接负极，2、5连接电压正极；Ⅲ节拍：3与4连接负极，2、5连接电压正极。步进电机一个节拍运转18°，由于齿轮系传动比为1∶360，当给定一个脉冲信号时，输出齿轮运转角度为18×4/360=0.2°，从而使得给定脉冲频率实现汽车空调风门执行器调速，控制脉冲数就可以精确定位的目的。

图5 步进汽车空调风门执行器调速原理

优点：控制精度相对较高，采用脉冲信号控制输出角度。

缺点：输出力矩较小，成本较高。

建议空调面板厂家将步进电机设计出平台化，利于大批量生产降低成本。

3.3 无刷电机汽车空调风门执行器

无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感器按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

优点：可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。

缺点：控制较为复杂、成本较高、扭矩较小。

建议空调面板厂家采用合理方式控制无刷电机。

3.4 LIN、CAN通信及驱动的风门执行器

LIN总线通过串行通信、单线传输、单主多从结构、一条总线可连接多个节点等诸多优势，目前高端汽车风门执行机构越来越普及。

CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

东芝专为汽车空调风门执行器设计一款芯片，本文以常见的TB9056FNG单片机为例，介绍LIN通信及驱动的风门执行器。

如图6所示，IG为电源输入端，即12V电源端；GND为搭铁端；BUS为LIN，即通信端。

图6 TB9056FNG单片机

通过PIN 5连接BUS，即LIN通信输入与输出接口，保证信号正常连接，IG连接VCC，保证可正常驱动电路，MT2与MT1分别连接电机正负极，从而控制电机可正常正反转，VPB连接电路中碳膜反馈装置，通过输出齿轮上弹刷与电路板碳膜位置相对滑动，采集反馈电压信号，从而实现风门精准定位。

VREG为5V电源输出端，VDD为CMOS电源输入端，ID0、ID1、ID2、ID3分别为地址设置引脚，设置从机地址，当ID0、ID1、ID2、ID3同时搭铁时，节点ID号设置为0，当ID0、ID1、ID2、ID3同时打开时，节点ID号设置为15，共16个节点。SEL0与SEL1为设置波特率，共3种设定，当SEL0与SEL1同时搭铁时，波特率设置为2400；当SEL0搭铁，SEL1打开时，波特率设置成9600；当SEL0与SEL1同时打开时，波特率设定为19200。TE为测试输入，TO与T1为测试引脚。

3.5 霍尔传感器、汽车空调风门执行器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

优点：采用功率霍尔开关电路可以减小汽车功率较大的前照灯、空调和雨刮器在开关时产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号的影响。

缺点：由于增加芯片，加工偏高，市场还未普及。

建议空调面板厂家利用霍尔原理，将霍尔传感器运用于空调控制中，将此种控制设计成平台件，从而降低成本影响。

3.6 PTC过流保护设计、风门极限位置机械限位设计

PTC过流保护设计、风门极限位置机械限位设计均为风门设计中防护设计。PTC过流保护设计是在电路中增加过流保护装置，避免风门执行器运转中电流过大引起电机或风门异常；风门极限位置机械限位设计是在汽车风门执行器中增加限位装置，采用机械位置保护风门执行器。

优点：采用PTC过流保护可避免风门运转中电流过大引起电机或风门异常，风门极限位置设计采用机械位置保护风门执行器。

缺点：PTC过流保护增加电子元器件，成本较高，采用风门极限位置机械限位设计对电路中控制要求精度较高。

建议空调面板厂家结合二者优势合理设计。

4 汽车空调风门执行器选型及应用注意事项

对于汽车空调风门执行器，不同控制方式对应不同价格、扭矩、转速等，对于小扭矩汽车空调风门，建议采用步进汽车空调风门执行器方式控制；如果对风门控制精度要求较高，且需要采用通信协议来控制汽车空调风门执行器，且运用于高端车型，建议采用LIN通信风门执行器；如果对风门控制精度要求不高，但对汽车空调风门执行器价格要求较高，常运用于中低端车型，建议采用伺服汽车空调风门执行器碳膜反馈方式。不同汽车空调风门执行器控制方式各有优劣，需按实际要求选择合适的控制方式。