通過優(yōu)化控制電路參數(shù)解決鼓風(fēng)機(jī)異響問題的研究

趙旭林

摘 ?要：汽車上常見的鼓風(fēng)機(jī)為直流有刷電機(jī)，其運(yùn)行噪聲與驅(qū)動(dòng)電壓的紋波有關(guān)。為了解決某款汽車鼓風(fēng)機(jī)的異響問題，在分析鼓風(fēng)機(jī)負(fù)反饋控制電路原理的基礎(chǔ)上，對(duì)電路進(jìn)行仿真計(jì)算，確定通過優(yōu)化MCU輸出的PWM信號(hào)頻率、濾波電路的電容以及積分電路的電容，可以降低鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的紋波。最后，通過試驗(yàn)結(jié)果證明優(yōu)化控制電路參數(shù)可以明顯降低鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的紋波，并解決鼓風(fēng)機(jī)異響問題。

關(guān)鍵詞：鼓風(fēng)機(jī)異響;負(fù)反饋控制電路;電壓紋波

中圖分類號(hào)：TM571.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）06-0019-04

Abstract： The blower in the car is DC brush motor. Its operating noise is related to the ripple of the driving voltage. In order to solve the abnormal noise problem of car blower， it analyzed the principle of the negative feedback control circuit of the blower and simulated the circuit. The result of simulation indicated it is effective to reduce the ripple of the blower drive voltage by optimization PWM signal frequency， filter capacitor and integral capacitance. At last， it proved the fact of optimize the control circuit parameters can significantly reduce the blower drive voltage ripple and solve the blower abnormal noise problem by experiment.

Key Words： Blower Abnormal Noise; Negative Feedback Control Circuit; Voltage Ripple

1 ? ?引言

噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（簡稱NVH）是評(píng)價(jià)汽車品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。鼓風(fēng)機(jī)作為汽車空調(diào)系統(tǒng)的重要部件，具有向乘員艙輸送空氣的功能，用戶能夠直接感知其運(yùn)行噪音，鼓風(fēng)機(jī)相關(guān)NVH問題的用戶投訴時(shí)有發(fā)生。某款整車試制階段，鼓風(fēng)機(jī)工作過程發(fā)出連續(xù)異響，NVH評(píng)分不合格。針對(duì)該問題，本文在分析鼓風(fēng)機(jī)控制電路原理和仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)負(fù)反饋控制電路元器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低了鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的紋波，從而解決鼓風(fēng)機(jī)異響問題，使整車的NVH性能達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 ? ?鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)介紹

目前汽車上常見的鼓風(fēng)機(jī)為直流有刷電機(jī)，通常采用負(fù)反饋控制方法，鼓風(fēng)機(jī)的速度與加載在鼓風(fēng)機(jī)兩端的電壓正相關(guān)，鼓風(fēng)機(jī)正端直接連蓄電池（電壓基本不變），所以只需要調(diào)整負(fù)端的電壓就可以控制鼓風(fēng)機(jī)的速度。如圖1所示，為鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖，由空調(diào)控制器、調(diào)速模塊和鼓風(fēng)機(jī)3部分組成。

控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示，鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端電壓作為被控制量，MCU根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)速檔位給定電壓值輸入到運(yùn)算放大器的負(fù)端，鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端電壓通過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后接到運(yùn)算放大器的正端，兩個(gè)電壓進(jìn)行比較后的誤差電壓，通過運(yùn)算放大器和調(diào)速模塊放大后，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)算放大器的虛斷特性，運(yùn)算放大器的正端電壓和負(fù)端電壓相等，所以運(yùn)算放大器負(fù)端設(shè)定一個(gè)電壓值，通過負(fù)反饋電路的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，經(jīng)過一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后，鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端電壓會(huì)調(diào)整到目標(biāo)值。

因?yàn)榭照{(diào)控制器使用的MCU內(nèi)部沒有集成DAC資源，從降低硬件成本考慮，采用MCU輸出頻率固定、占空比可變的PWM信號(hào)，經(jīng)過3級(jí)RC濾波后變成穩(wěn)定的模擬電壓，作為給定電壓值。

3 ? ?問題描述

某款汽車在試驗(yàn)階段，打開空調(diào)后，試驗(yàn)工程師能夠聽到鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)異響，NVH性能評(píng)分不及格（得分僅4分，滿分10分，6分以上及格）。如圖3所示，使用示波器測(cè)試鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端的電壓波形，發(fā)現(xiàn)電壓波動(dòng)混雜頻率400Hz峰峰值1.36V的紋波電壓，調(diào)速模塊控制端的電壓同樣存在頻率400Hz，峰峰值為0.15V的電壓紋波。

4 ? ?理論分析

從鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，推測(cè)問題原因可能是控制電路參數(shù)設(shè)置不合理，輸出到鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊的控制電壓紋波較大，該紋波電壓經(jīng)過調(diào)速模塊放大后，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)兩端電壓劇烈波動(dòng)，鼓風(fēng)機(jī)的速度不穩(wěn)從而發(fā)出異響。

鼓風(fēng)機(jī)控制電路中3級(jí)RC濾波電路對(duì)MCU輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，如圖4所示，在輸入高電平時(shí)，濾波電容充電儲(chǔ)存能量，輸入零電平時(shí)，濾波電容放電，電容從零電壓初始條件充電到接近高電平的時(shí)間大約為5R0×C0，電容從充滿電的初始條件（電壓為高電平），放電到接近零電平的時(shí)間也約5R0×C0。

周期性PWM信號(hào)輸入到RC濾波電路，如果PWM信號(hào)的周期小于10R0×C0，每個(gè)周期內(nèi)電容不會(huì)充電到高電平狀態(tài)，也不會(huì)放電到零電平狀態(tài)，PWM信號(hào)會(huì)被RC濾波電容平滑為近似三角波的波形（如圖5所示），且PWM信號(hào)的周期與10R0×C0的比值越小，經(jīng)過RC濾波后的電壓信號(hào)峰峰值越小。

通常1級(jí)RC濾波對(duì)PWM信號(hào)的平滑濾波作用有限，所以鼓風(fēng)機(jī)控制電路采用3級(jí)RC濾波，3級(jí)RC濾波的工作原理與1級(jí)RC濾波類似。另外，積分電容對(duì)運(yùn)算放大器正端和負(fù)端的偏差也有一定的平滑作用，可以對(duì)運(yùn)算放大器負(fù)端的電壓紋波進(jìn)行濾波。通過上面的分析可以得到如下結(jié)論：

（1）在濾波電路元器件參數(shù)固定的條件，增大PWM信號(hào)頻率，即減小PWM信號(hào)的周期，可以降低鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端驅(qū)動(dòng)電壓的紋波;

（2）在PWM信號(hào)頻率固定的條件，增加RC濾波電路電容和電阻的值，可以降低鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端驅(qū)動(dòng)電壓的紋波;

（3）增加積分電容的值也可以降低鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端驅(qū)動(dòng)電壓的紋波;

5 ? ?仿真計(jì)算

為了進(jìn)一步定量分析鼓風(fēng)機(jī)控制電路元器件參數(shù)與電壓紋波的關(guān)系，使用TI-TINA軟件工具，搭建如圖6所示仿真模型，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。使用電壓源VG1模擬MCU，生成PWM信號(hào)，濾波電路、運(yùn)放和調(diào)速模塊使用器件供應(yīng)商提供的仿真模型，鼓風(fēng)機(jī)用10mH電感和2Ω的電阻串聯(lián)近似等效。

下面的仿真過程中，如沒有特殊說明，電路參數(shù)的默認(rèn)值如下：

（1）PWM頻率fPWM=500Hz;

（2）RC濾波電路，濾波電阻R1=R2=R3=20K ，C1=C2=C3=10nF;

（3）積分電容C4=10nF;

5.1 ? PWM信號(hào)頻率的影響

PWM信號(hào)的頻率分別設(shè)置為500Hz、1kHz、1.5kHz，仿真結(jié)果如圖7所示，鼓風(fēng)機(jī)的電壓紋波分別為3.45V、1.24V和0.61V。

5.2 ? 濾波電路參數(shù)的影響

濾波電路的電阻R1、R2和R3設(shè)置為20K，電容C1、C2、C3分別設(shè)置為10nF、47nF、100nF，電路仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示，鼓風(fēng)機(jī)的電壓紋波分別為3.42V、0.43V和0.12V。

5.3 ? 積分電容的影響

積分電容C4分別設(shè)置為1nF、10nF、100nF，仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示，鼓風(fēng)機(jī)的電壓紋波分別為5.2V、3.4V和0.73V。

6 ? ?電路參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

通過理論分析和仿真計(jì)算證明，提高PWM信號(hào)頻率、增大濾波電容、增大積分電容都可以降低鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端電壓的紋波。MCU輸出PWM頻率調(diào)整為1KHz，并適當(dāng)調(diào)整電路中濾波電容和積分電容的值，測(cè)試鼓風(fēng)機(jī)負(fù)端的紋波電壓波形如圖10所示，紋波電壓的值減小為0.48V，與電路參數(shù)優(yōu)化之前的測(cè)試結(jié)果比較，紋波電壓減小了0.88V，鼓風(fēng)機(jī)的異響也消失了，NVH評(píng)分由4分提高到8分，可以滿足整車NVH性能的要求。

7 ? ?結(jié)論

鼓風(fēng)機(jī)的異響問題與鼓風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓紋波有關(guān)，通過理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)證明增加MCU輸出的PWM信號(hào)頻率、增大濾波電路的電容以及增大積分電路的電容，可以明顯降低鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的紋波，并解決鼓風(fēng)機(jī)異響問題。

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