電子風(fēng)扇控制器硬件開發(fā)研究

張世強 ，李洋，馬榮澤，紀少波，程勇

(山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東濟南 250061)

0 引言

汽車發(fā)動機工作過程中，需要對高溫工作的部件進行冷卻。發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)包括水泵、冷卻風(fēng)扇以及水溫感應(yīng)器等組件。在汽車整車行駛的過程中，發(fā)動機各組件可依靠行駛速度帶來的氣流進行散熱，此時風(fēng)扇一般不工作；當(dāng)汽車慢速行駛、原地運行或發(fā)動機溫度過高時，則需要風(fēng)扇轉(zhuǎn)動來幫助散熱。汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇由最初的固定風(fēng)扇，經(jīng)歷了硅油離合器驅(qū)動風(fēng)扇以及電子控制型硅油離合器驅(qū)動風(fēng)扇等過程[1]。電子風(fēng)扇最早于1989年提出[2-3]，相對于傳統(tǒng)風(fēng)扇，電子風(fēng)扇能夠獨立于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速自主運行，其冷卻能力連續(xù)平滑可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)按需冷卻，且電子風(fēng)扇能夠有效降低發(fā)動機的功率損失和低溫運行時的磨損[4]。因此近年來電子風(fēng)扇受到人們的關(guān)注和研究。

針對電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，胡巧聲等[5]基于熱管理系統(tǒng)冷卻傳熱的理論分析，編寫出電子風(fēng)扇無極調(diào)控程序，實現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速智能控制。陳樂和王三剛[6]指出，在傳統(tǒng)汽車上，由于汽車車載電源電壓較小，電子風(fēng)扇功率受限，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍不廣；但是新能源汽車的發(fā)展突破了這一限制，使得電子風(fēng)扇在新能源汽車中逐漸普及。除了新能源汽車的發(fā)展，汽車技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展及創(chuàng)新，也使得電子控制在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)代汽車逐步進入了計算機控制的時代，并朝著智能控制的方向發(fā)展[7-8]。電子風(fēng)扇控制器是電子風(fēng)扇系統(tǒng)中的核心部件，其性能優(yōu)劣會直接影響電子風(fēng)扇的使用效果，本文作者提出了一種汽車電子風(fēng)扇控制器的設(shè)計方案，并通過實車實驗對控制器的功能進行了驗證。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電子風(fēng)扇控制器中含微處理器，能夠?qū)邮盏降男盘栠M行分析，從而確定車輛所處的工況條件，在此基礎(chǔ)上通過查表等方式便可得到該工況下電子風(fēng)扇的目標轉(zhuǎn)速，進而通過控制器發(fā)出PWM信號控制電子風(fēng)扇按照目標轉(zhuǎn)速運行。除此之外，控制器還應(yīng)具備診斷故障功能，即能夠監(jiān)控傳感器或風(fēng)扇電機的運行狀態(tài)信息，在發(fā)生故障時采用相應(yīng)的措施來應(yīng)對故障，并且將故障情況通過顯示程序反饋給駕駛員。

通過分析電子風(fēng)扇系統(tǒng)的運行過程，可以確定電子風(fēng)扇控制器的主要功能如下：模擬信號處理及采集、開關(guān)量信號輸入、PWM信號輸出、開關(guān)量信號輸出、顯示功能、通信功能及看門狗復(fù)位功能等。因此電子風(fēng)扇控制器中的電路包括電源電路、微處理器及外圍電路、模擬信號處理電路、開關(guān)量信號輸入處理電路、PWM信號輸出處理電路、CAN通信電路、看門狗復(fù)位功能電路以及顯示電路8個部分。

2 電路設(shè)計

2.1 電源電路的設(shè)計

電子風(fēng)扇控制器中各個用電器件需要的電壓為5 V，而其供電電壓在24 V左右波動，因此電源電路的作用是在供電電壓發(fā)生變化的情況下，能夠給控制器中各器件輸出穩(wěn)定的5 V電壓。對于控制器電源電路，對電路中各用電器件的功耗進行計算，結(jié)果可知電路中所有器件都正常工作的狀態(tài)下，電路中所需要的電流在100 mA以下，根據(jù)這一需求，可采用英飛凌(Infineon)公司生產(chǎn)的TLE4275電源芯片進行電源電路設(shè)計。該芯片最大輸出電流為450 mA，理論上可以滿足供電需求。但是在實際使用的過程中，電源芯片存在發(fā)熱的問題，經(jīng)過對電路和芯片的分析，認為這是由于電源供電電壓為24 V，而輸出電壓為5 V，在電源芯片內(nèi)部損耗了近20 V的電壓導(dǎo)致的芯片發(fā)熱。

由于TLE4275芯片功率不夠，將之替換為LM2596，LM2596是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，有3.3、5、12 V固定輸出產(chǎn)品和輸出電壓可調(diào)產(chǎn)品，其輸出電壓調(diào)整范圍為1.2～37 V，誤差在±4%左右；其最大負載電流可達3 A，最高輸入電壓可達40 V，并且有TTL電平控制關(guān)斷功能以及超溫關(guān)斷各電流限制保護功能，大大提高了其安全性和穩(wěn)定性[9]。此外，在電源電路中存在瞬態(tài)高能量沖擊，因此在電源部分增加了瞬態(tài)抑制二極管來提高系統(tǒng)可靠性，為了防止電源反接導(dǎo)致破壞控制器內(nèi)部器件，在電源電路中增加了防反接二極管，從而保護電路。采用LM2596設(shè)計的電源電路如圖1所示。

2.2 微處理器及外圍電路設(shè)計

根據(jù)對微處理器資源的分析，結(jié)合微處理器在汽車中應(yīng)用的發(fā)展以及目前汽車電子產(chǎn)品中應(yīng)用較多的微處理器型號，選用飛思卡爾(Freescale)公司所生產(chǎn)的48引腳的S9S08DZ60單片機作為該控制器的微處理器[10]。該單片機的FLASH存儲器容量為60 kB，片內(nèi)帶有2 kB在線可編程EEPROM內(nèi)存；該單片機支持內(nèi)部時鐘源和外部時鐘源，能實現(xiàn)PLL和FLL等多種時鐘工作方式。此外，該單片機的片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)資源，為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供了有力支持，其中包括2個差分模擬比較器、24個通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、8個PWM通道、CAN局域網(wǎng)總線、3中串口通信接口(SPI、SCI、IIC)以及多個通用IO口。內(nèi)部還集成了A/D轉(zhuǎn)換和CAN總線電路，簡化了外圍電路設(shè)計。圖2為單片機的引腳分布及各引腳使用情況。

圖2 單片機引腳分布及定義

微處理器工作時需要的外圍電路包括單片機供電電路、復(fù)位電路、晶振電路以及程序下載及調(diào)試電路4個部分。供電電路能夠為所有的I/O緩沖器電路和內(nèi)部穩(wěn)壓器供電，供電電路中還包括兩個獨立的電容器(安裝在電源管腳上)，其中一個是大容量電解電容器(如10 μF鉭電容器)，為整個系統(tǒng)提供大容量電荷存儲；另一個電容是0.1 μF的陶瓷旁路電容器，安裝在離MCU電源管腳盡可能近的地方，用以抑制高頻噪聲。S9S08DZ60系列有兩組電源管腳和一組模擬電源管腳，模擬電源管腳引入的電源為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊供電，所有管腳都必須有一個旁路電容器來抑制噪聲。單片機的復(fù)位通過RESET引腳實現(xiàn)，其中帶有內(nèi)置的上拉器件。為了便于實現(xiàn)單片機程序的調(diào)試，該管腳通常連接到標準的6腳后臺調(diào)試接頭，以保證開發(fā)系統(tǒng)可以直接復(fù)位MCU系統(tǒng)。此外，為了便于系統(tǒng)的測試，增加了一個到地線的開關(guān)(拉低復(fù)位管腳從而強制進行復(fù)位)來實現(xiàn)手動復(fù)位。晶振能夠為單片機提供運行所需的基本的時鐘信號，是單片機系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。當(dāng)單片機復(fù)位完成時，開始使用MCG(多功能時鐘生成器)模塊提供時鐘信號，該電子風(fēng)扇控制器采用的是外界晶振。

程序下載及調(diào)試電路用于實現(xiàn)程序的下載及調(diào)試，如圖3所示。BKGD管腳在進行復(fù)位過程中作為模式選擇功能管腳。在復(fù)位信號上升沿后，該管腳立即用作后臺調(diào)試管腳，用于后臺調(diào)試通信。當(dāng)該管腳沒有連接設(shè)備時，單片機會在復(fù)位的上升沿進入正常操作模式；當(dāng)有一個調(diào)試系統(tǒng)連接到6腳標準后臺調(diào)試頭上，它將在復(fù)位的上升沿將BKGD保持在低位，從而強迫MCU進入活動后臺調(diào)試模式。在此之后BKGD管腳用于同后臺調(diào)試控制器(BDC)按照一定協(xié)議進行通信。由于其通信速度與總線時鐘速率一樣快，故不可以將大電容器件連接到BKGD/MS管腳，以防干擾后臺調(diào)試串行通信。

圖3 程序下載及調(diào)試電路

2.3 模擬信號處理電路設(shè)計

該系統(tǒng)中用到了PTC和NTC熱敏電阻傳感器，故開發(fā)的電子風(fēng)扇控制器需要處理這兩種模擬信號。

在實際應(yīng)用中，電子風(fēng)扇控制器應(yīng)用的車型采用哪種類型的溫度傳感器是不確定的，因此該電路需要用盡可能少的電子元件實現(xiàn)兼顧兩種傳感器信號的功能。而在控制器的接插件處，不論接的是哪種類型的傳感器，在硬件電路不變的情況下，都能進行相應(yīng)處理，在這一前提下，進行了對模擬信號處理電路的設(shè)計。

PTC及NTC傳感器信號處理電路的原理圖如圖4所示。雖然兩種傳感器信號特性不同，但不管輸入哪種類型的電阻信號都是通過+In1和GND兩個腳輸入的：如果輸入為三線制PTC電阻傳感器，則將其一線連接至+In1，另外相連的兩線連至GND；如果輸入為NTC傳感器，則將其兩根引線分別連至+In1和GND。如果輸入PTC傳感器，則經(jīng)過惠斯通電橋及差分運放處理后進入單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的一路采集通道中；如果輸入為NTC傳感器，則通過R2作為上拉電阻，將NTC傳感器電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，并經(jīng)過RC低通濾波后直接送入另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中。實際使用過程中根據(jù)現(xiàn)場所采用的傳感器類型給控制器下發(fā)控制參數(shù)即可告知控制器當(dāng)前輸入傳感器的類型，通過不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采集通道即可實現(xiàn)不同類型傳感器信號的采集。通過這種方式可以實現(xiàn)在不同的應(yīng)用場合下，只是通過給控制器配置參數(shù)即可適應(yīng)滿足各種傳感器的測試要求，而不再需要修改硬件電路，方便了系統(tǒng)的拓展應(yīng)用。

圖4 溫度信號處理電路

2.4 開關(guān)量信號輸入處理電路設(shè)計

電子風(fēng)扇控制器的輸入信號包括8路風(fēng)扇電機的狀態(tài)信號、1路啟動信號和1路風(fēng)扇反轉(zhuǎn)控制信號，共10路開關(guān)量信號，且10路信號的電壓都與系統(tǒng)采用的24 V電壓相同，而微處理器只能處理5 V電平的開關(guān)量信號，因此需要設(shè)計將24 V電平轉(zhuǎn)化為5 V電平的電平轉(zhuǎn)換電路。

電路如圖5所示。在轉(zhuǎn)換電路中，采用了三極管，通過其開關(guān)作用實現(xiàn)輸入信號的電平轉(zhuǎn)換。此外，為了提高抗干擾性能，采用了電容對輸入的信號進行濾波處理。輸入的10路開關(guān)量信號都經(jīng)過相同的電路進行處理。

圖5 開關(guān)量輸入信號處理電路

2.5 PWM信號輸出處理電路設(shè)計

PWM信號輸出與開關(guān)量輸入相反，即需要將單片機發(fā)出的5 V電平信號轉(zhuǎn)化為24 V電平信號，其電路圖如圖6所示。單片機若輸出低電平，三極管便會處于截止狀態(tài)，向外輸出24 V高電平；單片機若輸出5 V電平，三極管導(dǎo)通，向外輸出接近0 V的低電平。8路PWM輸出信號及1路風(fēng)扇反轉(zhuǎn)控制信號采用相同的電路。

圖6 PWM信號輸出處理電路設(shè)計

2.6 CAN通信電路設(shè)計

電子風(fēng)扇控制器內(nèi)部采用的微處理器片內(nèi)自帶CAN總線控制器，為了能夠與總線上的其他節(jié)點連接還需要CAN總線接口芯片，在此采用TJA1040芯片作為CAN總線收發(fā)器[11]。并在該芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計了CAN總線通訊電路，如圖7所示。在TJA1040的CANH、CANL端與地之間并聯(lián)2個68 pF的小電容，以濾除總線上的高頻干擾，防止電磁輻射。在TJA1040的CANH、CANL端與CAN總線之間各串聯(lián)1個60 Ω的電阻，以限制電流，保護TJA1040免受過流沖擊。在TJA1040電源端與地之間加入1個10時0 nF的去耦電容，以降低干擾。

圖7 CAN總線通信電路

2.7 看門狗復(fù)位功能電路設(shè)計

電子風(fēng)扇控制器在工作過程中會受到整車中各干擾源的影響，為了防止系統(tǒng)由于受到干擾而死機，采用看門狗芯片設(shè)計了復(fù)位電路，電路原理圖如圖8所示。在此看門狗芯片采用了MAX705，該芯片為CMOS監(jiān)控電路，能夠監(jiān)控電源電壓及微處理器的工作狀態(tài)，將多種功能集成到一片8腳封裝的小芯片內(nèi)，大大減小了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和元器件數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)可靠性。該芯片的片內(nèi)看門狗定時器用于監(jiān)控主控單片機的活動，如果在1.6 s內(nèi)芯片的WDI端沒有收到來自單片機的觸發(fā)信號，且WDI為非高阻態(tài)，則芯片給主控單片機發(fā)出復(fù)位信號，令主控單片機復(fù)位，防止主控單片機由于干擾出現(xiàn)死機的問題，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

圖8 看門狗復(fù)位電路

2.8 顯示電路設(shè)計

顯示電路可以實時反饋控制器的工作狀態(tài)，為駕駛員的操作提供參考信息。結(jié)合顯示內(nèi)容及顯示電路的布置位置，顯示電路采用兩位數(shù)碼管結(jié)構(gòu)，共有16根控制線，為此采用具備16通道等電流數(shù)碼管驅(qū)動芯片MBI5024實現(xiàn)兩位數(shù)碼管的顯示控制。MBI5024的等電流輸出值不受輸出端負載電壓影響，當(dāng)采用5 V供電時，等電流的范圍為3～45 mA，通過外接電阻設(shè)定電流輸出值；各通道的電流輸出值差異小，可以控制在3%以內(nèi)，保證數(shù)碼管的各碼段顯示的亮度一致。

MBI5024采用串行通信的方式傳遞顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送需要3根引腳實現(xiàn)，分別為：(1)時鐘引腳：在時鐘引腳的上升沿將數(shù)據(jù)發(fā)出；(2)數(shù)據(jù)引腳：傳遞發(fā)送的數(shù)據(jù)；(3)使能引腳：當(dāng)使能引腳為高電平時，串行數(shù)據(jù)輸入至MBI5024的鎖存器，當(dāng)使能引腳轉(zhuǎn)換為低電平時，將鎖存器中的數(shù)據(jù)進行顯示。根據(jù)MBI5024的工作原理可知，顯示功能的實現(xiàn)需要在控制器電路上有數(shù)據(jù)發(fā)送電路發(fā)出數(shù)據(jù)，在顯示板電路上有數(shù)據(jù)接收電路。數(shù)據(jù)發(fā)送電路結(jié)構(gòu)簡單，將上述3根引腳通過上拉電阻上拉至5 V電源，以提高其驅(qū)動能力即可。

顯示板的接收電路原理圖如圖9所示，微處理器發(fā)送的3個信號達到顯示板后首先通過低通濾波處理，消除干擾的影響。3個信號送入MBI5024芯片中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。通過電阻R4調(diào)整16個輸出通道的電流大小，將16個輸出通道分別連至兩位數(shù)碼管的控制引腳實現(xiàn)不同內(nèi)容的顯示。為了提高可靠性，MBI5024的電源輸入端采用了二極管實現(xiàn)反接保護，此外電源端采用去耦電容提高工作可靠性。

圖9 顯示板電路原理圖

3 電路制版圖及實物

在完成了各個電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過Protel軟件進行了原理圖和制版圖的設(shè)計[12]。

經(jīng)過上述功能分析、硬件資源分析、電路原理圖及制版圖設(shè)計后，對設(shè)計的制版圖進行了加工，對加工的電路進行了焊接和調(diào)試，加工完畢的控制器及顯示裝置的制版圖及實物圖如圖10所示。

圖10 控制器及顯示裝置的制版圖及實物圖

4 控制器實車測試

電子風(fēng)扇控制器設(shè)計完成后，在汽車試驗場電子風(fēng)扇配車后的實際效果進行了考評。實驗用車為南京依維柯生產(chǎn)的躍進C500中卡，并且對汽車進行了低、中、高3種不同載質(zhì)量的實車實驗，原車配裝了電磁離合器風(fēng)扇，根據(jù)實驗需要進行了電子風(fēng)扇的改裝，采用了兩組風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，汽車圖片以及電子風(fēng)扇控制器實物及安裝位置如圖11所示。

圖11 實測對象及電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)

根據(jù)實車條件進行了各部件的安裝，在駕駛室的前擋風(fēng)玻璃附近安裝控制器的顯示屏，在適當(dāng)位置固定CAN接口卡；加裝溫度傳感器測試水溫信號，為電子風(fēng)扇控制器的控制提供控制基準；在油路中串接油耗儀用于測試整車的油耗，各部件的安裝示意圖如圖12所示。

圖12 顯示裝置及測試設(shè)備

根據(jù)交通部719營運貨車燃料消耗量限值及測量方法征求意見稿進行了實驗方案的設(shè)計[13]，實驗工況主要包括等速、加速及怠速工況的油耗測試。電子風(fēng)扇控制策略采用：起轉(zhuǎn)溫度為90 ℃，起始轉(zhuǎn)速為40%的線性控制。通過實驗對比了依維柯中卡在高、中、低3種負載下，采用原車電磁離合風(fēng)扇與電子風(fēng)扇的油耗情況，對比結(jié)果如圖13所示。測試結(jié)果表明開發(fā)的電子風(fēng)扇控制在配車使用時相對原車配備的電磁離合器而言，在各測試工況下都具有較好的節(jié)油效果。

圖13 電子風(fēng)扇與電子離合風(fēng)扇油耗對比

5 結(jié)論

(1)文中根據(jù)汽車電子風(fēng)扇運行過程的特點，提出了一種電子風(fēng)扇控制器的功能需求及硬件設(shè)計方案。

(2)根據(jù)電子風(fēng)扇控制器的功能需求，設(shè)計了微處理器及外圍電路、模擬信號處理電路、PWM信號輸出處理電路、CAN通信電路等8個功能模塊電路，實現(xiàn)了電子風(fēng)扇的運行控制。

(3)對開發(fā)的控制器進行了實車測試，測試結(jié)果表明，與電磁離合器風(fēng)扇相比，電子風(fēng)扇在各測試工況下都能夠起到較好的節(jié)油效果。