汽車無刷風(fēng)機(jī)智能檢測(cè)設(shè)備的研制

福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 胡冰樂 周偉杰

1.引言

由于無刷風(fēng)機(jī)具有壽命長(zhǎng)、電磁兼容性好、噪聲低、風(fēng)量穩(wěn)定可調(diào)等特點(diǎn)，在中高級(jí)轎車中應(yīng)用越來越多，而國(guó)內(nèi)應(yīng)用還處于起步階段。汽車無刷風(fēng)機(jī)內(nèi)嵌MCU除完成電機(jī)控制算法外，還對(duì)系統(tǒng)的供電電壓、工作溫度和工作電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，異常時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)施有效保護(hù)，以防失效或造成功率器件損壞。因此，在風(fēng)機(jī)的檢測(cè)過程中，除對(duì)風(fēng)機(jī)接口信號(hào)、額定工作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)外，還需要對(duì)風(fēng)機(jī)的保護(hù)電壓進(jìn)行檢測(cè)。手工檢測(cè)方法不僅成本高、效率低，而且檢測(cè)結(jié)果的判定容易受到主觀因素的影響。因此，研究汽車無刷風(fēng)機(jī)智能檢測(cè)設(shè)備具有現(xiàn)實(shí)的意義。

2.系統(tǒng)方案與原理

汽車空調(diào)無刷風(fēng)機(jī)與汽車空調(diào)控制器一般采用PWM信號(hào)進(jìn)行接口，個(gè)別采用LINE或CAN總線進(jìn)行接口。本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備以國(guó)產(chǎn)某車型的采用PWM接口的風(fēng)機(jī)為檢測(cè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的智能檢測(cè)。

2.1 檢測(cè)參數(shù)

對(duì)于采用PWM接口的汽車空調(diào)無刷風(fēng)機(jī)，接口線有12V電源正、12V電源地、PWM調(diào)速控制信號(hào)和PWM反饋信號(hào)。PWM調(diào)速控制信號(hào)的占空比范圍為0%～100%，其定義為：10%-80%為線性調(diào)速范圍，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000-2600rpm，當(dāng)占空比小于5±2%或大于97+2%時(shí)處于怠機(jī)停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)機(jī)怠機(jī)停機(jī)時(shí)反饋信號(hào)為高電平，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，反饋信號(hào)的占空比50%、頻率為轉(zhuǎn)速兩倍的方波，通過對(duì)反饋信號(hào)的監(jiān)測(cè)可知風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)與轉(zhuǎn)速。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 程控開關(guān)電源原理圖

檢測(cè)系統(tǒng)除模擬汽車空調(diào)控制器向風(fēng)機(jī)發(fā)送PWM調(diào)速控制信號(hào)和監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)反饋信號(hào)外，還需對(duì)風(fēng)機(jī)的以下參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)[1]：

(1)風(fēng)機(jī)的欠壓(過壓)保護(hù)參數(shù)。即風(fēng)機(jī)進(jìn)入欠壓(過壓)保護(hù)時(shí)的電壓參數(shù)和風(fēng)機(jī)由欠壓(過壓)狀態(tài)恢復(fù)正常工作時(shí)的電壓；

(2)風(fēng)機(jī)在額定工作電壓下的額定工作轉(zhuǎn)速和額定工作電流；

(3)風(fēng)機(jī)進(jìn)入怠機(jī)停機(jī)時(shí)PWM信號(hào)的占空比，由怠速停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)入工作狀態(tài)的PWM占空比。

2.2 總體方案

系統(tǒng)需對(duì)風(fēng)機(jī)的保護(hù)電壓、工作狀態(tài)、工作電流與電壓進(jìn)檢測(cè)。保護(hù)電壓的檢測(cè)若采用手動(dòng)可調(diào)穩(wěn)壓電源，一方面因過欠壓保護(hù)狀態(tài)至恢復(fù)工作的電壓差較小，調(diào)壓操作效率低；另一方面也無法實(shí)現(xiàn)智能化。因此考慮將程控開關(guān)電源與檢測(cè)系統(tǒng)綜合為一體，對(duì)工作電壓和工作電流進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)控與采集。

為使系統(tǒng)的操作界面美觀、簡(jiǎn)潔、方便，同時(shí)便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，使檢測(cè)結(jié)果能存入數(shù)據(jù)庫中便于產(chǎn)品的生產(chǎn)過程記錄和質(zhì)量記錄的追溯。系統(tǒng)擬采用圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)。

下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)有風(fēng)機(jī)接口、程控開關(guān)電源及控制三大主模塊。上位機(jī)為普通PC機(jī)，下位機(jī)通過USB接口與上位機(jī)連接。下位機(jī)完成信號(hào)采樣和執(zhí)行控制指令的功能，檢測(cè)的控制邏輯、控制模型和檢測(cè)結(jié)果分析由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣不僅可降低下位機(jī)的開發(fā)調(diào)試難度，而且有利于降低單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷，有利于提高程控開關(guān)電源的開關(guān)頻率，也有利于檢測(cè)控制邏輯的調(diào)整與優(yōu)化，使人機(jī)界面容易設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單方便。

圖3 程控開關(guān)電源模塊的主控制中斷程序流程圖

3.硬件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有程控開關(guān)電源，開關(guān)電源的控制、風(fēng)機(jī)的控制及風(fēng)機(jī)工作參數(shù)的采樣共同由一片MCU完成，電路不可避免涉及強(qiáng)電和弱電兩大部分。工作時(shí)，待檢風(fēng)機(jī)的狀態(tài)為未知，系統(tǒng)必須充分考慮到故障風(fēng)機(jī)可能對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)造成的影響，須對(duì)強(qiáng)電與弱電部分進(jìn)行隔離，以免強(qiáng)電竄入弱電部分而造成上位機(jī)的損環(huán)或?qū)Σ僮魅藛T造成危險(xiǎn)。下位機(jī)的MCU采用ST公司推出的ARM系列STM32F103C6T6作為系統(tǒng)的主控，系統(tǒng)最高主頻可達(dá)72MHz，內(nèi)置12位A/D和6路專用于電機(jī)控制的互補(bǔ)輸出PWM，特別適合作為電機(jī)或開關(guān)電源等的逆變控制。

3.1 輔助開關(guān)電源

系統(tǒng)工作或待機(jī)時(shí)需要多種電壓的供電電源，這些電源分別為：3.3V的MCU電源、5V數(shù)字電路與模擬電路電源、15V的IGBT驅(qū)動(dòng)電源和10V的輔助開關(guān)電源供電電源。經(jīng)綜合考慮，系統(tǒng)采用英飛凌的ICE3B0565構(gòu)建反激式輔助開關(guān)電源[2]。輔助開關(guān)電源共設(shè)四個(gè)次級(jí)繞組，主繞組為15V的IGBT驅(qū)動(dòng)電源，其余副邊繞組的輸出電壓按10V設(shè)計(jì)。單片機(jī)所需的工作電壓經(jīng)LDO芯片穩(wěn)壓后得到。輔助開關(guān)電源的總輸功率約為20W，磁芯選用EE22。

3.2 程控開關(guān)電源

汽車空調(diào)風(fēng)機(jī)的額定工作電壓為12V，正常工作電壓范圍為9～16V，一般風(fēng)機(jī)最大工作電流可能達(dá)到25A?？紤]到電源的容量冗余，程控電源的輸出功率必須在500W以上。同時(shí)，由于功率器件IGBT開關(guān)頻率和PID運(yùn)算量的限制，開關(guān)電源的PWM頻率為20kHz，系統(tǒng)采用全橋式開關(guān)電源，磁芯材料為PC40，尺寸為EE65。全橋開關(guān)變壓器的計(jì)算[3]結(jié)果為原邊匝數(shù)40匝，線徑0.65mm，副邊匝數(shù)為2匝，線徑1.25mm，8根同繞，變壓器的主副邊匝比為18.9。輸出電感采用與開關(guān)變壓器相同型號(hào)的磁心，計(jì)算結(jié)果為電感量15uH，匝數(shù)為6匝，線徑為1.25mm，8根同繞。

程控開關(guān)電源原理圖如圖2所示。功率器件采用仙童公司生產(chǎn)的IGBT智能功率模塊FSBB20CH60[4]。圖中的Q1、Q2、Q3和Q4連接到MCU TIM1的PWM輸出口上。

程控開關(guān)電源的輸出電流和電壓采樣采用Avago公司的高線性光藕器件HCNR201分別構(gòu)成隔離電流采樣電路和隔離電壓采樣電路[5]。

3.3 USB隔離接口設(shè)計(jì)

下位機(jī)與上位機(jī)通過USB接口實(shí)現(xiàn)，由于下位機(jī)的MCU用于風(fēng)機(jī)控制、檢測(cè)，且是程控開關(guān)電源的控制MCU。為簡(jiǎn)化MCU與IGBT模塊的接口，提高控制信號(hào)的質(zhì)量，MCU部分引腳、地與IBGT模塊的驅(qū)動(dòng)控制引腳、地直接連接，即MCU電源地與系統(tǒng)的強(qiáng)電地相連，因此下位機(jī)與上位機(jī)的USB必須進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)以防在極端條件下由于下位機(jī)系統(tǒng)故障或失效造成上位機(jī)的損壞。系統(tǒng)采用ADI公司推出的5kV隔離電壓的全速/低速USB數(shù)字隔離器ADuM4160實(shí)現(xiàn)USB的隔離設(shè)計(jì)[6]。

3.4 風(fēng)機(jī)檢測(cè)接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)除對(duì)風(fēng)機(jī)的工作電壓和電流進(jìn)行控制和采樣外，還需對(duì)風(fēng)機(jī)的PWM控制信號(hào)進(jìn)行控制，對(duì)風(fēng)機(jī)的反饋信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。控制信號(hào)的發(fā)出、反饋信號(hào)的采樣與程控開關(guān)電源共用一片MCU。風(fēng)機(jī)的工作電壓為9～16V，而MCU與強(qiáng)電相聯(lián)，必須進(jìn)行接口的隔離，否則可能會(huì)因各種不可預(yù)測(cè)的原因造成造成對(duì)風(fēng)機(jī)的損壞，甚至可能會(huì)威協(xié)到檢測(cè)人員的安全。因此風(fēng)機(jī)的PWM控制信號(hào)和風(fēng)機(jī)的反饋信號(hào)必須進(jìn)行隔離和電壓轉(zhuǎn)換處理，PWM控制信號(hào)和風(fēng)機(jī)的反饋信號(hào)采用Sharp公司的PC817光藕實(shí)現(xiàn)隔離和接口電壓轉(zhuǎn)換。

4.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為兩部分，即上位機(jī)的Windows應(yīng)用程序和下位機(jī)的MCU控制程序。

4.1 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序?qū)儆赪indows操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序，程序采用Delphi開發(fā)工具編寫，程序功能主要有：控制程序的用戶界面、通訊模塊和檢測(cè)流程控制三大部分。

控制程序的用戶界面主要完成風(fēng)機(jī)狀態(tài)、工作電流與電壓、轉(zhuǎn)速、檢測(cè)的項(xiàng)目和檢測(cè)結(jié)果的顯示，以及操作人員對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行人工控制的各種按鈕等。

通訊模塊采用中斷方式將上位機(jī)的指令打包后發(fā)給下位機(jī)，同時(shí)采用中斷方式隨時(shí)接收下位機(jī)發(fā)來的各種工作參數(shù)，然后將工作參數(shù)解包后傳給用戶界面部分進(jìn)行顯示、傳給檢測(cè)流程控制部分進(jìn)行結(jié)果分析和流程控制。

檢測(cè)流程控制根據(jù)檢測(cè)流程各環(huán)節(jié)的控制參數(shù)通過通訊模塊向下位機(jī)下傳各種控制指令，下位機(jī)根據(jù)控制指令輸出風(fēng)機(jī)的工作電壓、PWM控制信號(hào)等，同時(shí)對(duì)下位機(jī)發(fā)來的風(fēng)機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行分析以判定風(fēng)機(jī)是否工作正?；虍惓?，及時(shí)將檢測(cè)的結(jié)果發(fā)給用戶界面部分進(jìn)行顯示，根據(jù)流程各環(huán)節(jié)的檢測(cè)結(jié)果，控制檢測(cè)環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的控制。

4.2 下位機(jī)程序

下位機(jī)程序根據(jù)不同的功能可分為：程控開關(guān)電源模塊、USB通訊模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊和風(fēng)機(jī)工作參數(shù)檢測(cè)模塊，其中程控開關(guān)電源模塊是下位機(jī)程序的核心與重點(diǎn)。

風(fēng)機(jī)控制模塊完成向風(fēng)機(jī)輸出的控制參數(shù)主要有工作電壓和控制PWM信號(hào)。模塊根據(jù)上位機(jī)傳來的檢測(cè)指令向程控開關(guān)電源模塊發(fā)送控制的目標(biāo)電壓指令，并設(shè)定程控開關(guān)電源的原邊保護(hù)電流、輸出保護(hù)電流等。風(fēng)機(jī)的PWM控制信號(hào)由MCU的TIM3定時(shí)器工作于PWM模式自動(dòng)產(chǎn)生，程序根據(jù)控制的需要設(shè)置PWM的占空比而改變風(fēng)機(jī)的控制信號(hào)。

風(fēng)機(jī)工作參數(shù)檢測(cè)模塊主要完成風(fēng)機(jī)工作電壓、工作電流、工作轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行的參數(shù)檢測(cè)。工作電壓與工作電流通過與程控開關(guān)電源模塊的通訊而獲得，風(fēng)機(jī)是否工作及工作轉(zhuǎn)速由MCU的TIM2口工作于輸入捕獲模式對(duì)反饋信號(hào)的頻率與占空比采樣而得。

系統(tǒng)應(yīng)用TIM1輸出程控開關(guān)電源的四路帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM信號(hào)以控制IGBT智能功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋開關(guān)電源逆變部分的控制。TIM1工作于中央對(duì)齊模式產(chǎn)生PWM信號(hào)。A/D工作于注入采樣模式，由TIM1的周期更新信號(hào)觸發(fā)。當(dāng)A/D完成采樣后將產(chǎn)生中斷，在中斷中調(diào)用程控開關(guān)電源模塊的主控制中斷程序，主控制中斷程序流程圖如圖3所示。

5.結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，檢測(cè)操作較先前的手動(dòng)檢測(cè)簡(jiǎn)單，結(jié)果判定客觀準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)流程的自動(dòng)控制，檢測(cè)效率顯著提高。

[1]胡冰樂.汽車無刷風(fēng)機(jī)快速檢測(cè)設(shè)備的研制[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007(增刊):123-125.

[2]Off-Line SMPS Current Mode Controller With Integrated 650V Startup Cell/Depletion CoolMOSTM[EB/OL].Infineon Technologies AG:http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/99584/INFINEON/ICE3B0565.html.

[3]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[4]FSBB20CH60CL Smart Power Module[EB/OL].Fairchild Semiconductor Corporation:http://www.fairchildsemi.com/search/tree/power-management/motion-control/motion-spm-smartpower-modules/#N=10604&&Nao=20&&showAll=false&&inf oN=10604.

[5]王全海,周俊華,王振華.基于高線性光耦HCNR201的電壓電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J].今日電子,2010(4):55-56.

[6]全速/低速5kV USB數(shù)字隔離器ADuM4160[EB/OL].Analog Devices,Inc:ADuM4160_cn.pdf&revisionDiffFlag=1&jpCnRevision=Rev C&enRevision=Rev D.