汽車空調(diào)風門執(zhí)行器的分類及應用

鄭碩文，李鄂勝，李 勇，陳如虎，鄭海法

（湖北開特汽車電子電器系統(tǒng)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著科學技術和生活水平的不斷提高，人們對汽車內(nèi)舒適性也提出越來越高的要求?？照{(diào)執(zhí)行器作為空氣流量分配風門的開啟角度及扭矩輸出的器件，在汽車空調(diào)執(zhí)行機構(gòu)中廣泛應用。

1 風門執(zhí)行器在空調(diào)系統(tǒng)中的應用

風門執(zhí)行器作為常見的空調(diào)控制系統(tǒng)，通過齒輪與空調(diào)上的模式盤或旋轉(zhuǎn)桿連接，帶動汽車空調(diào)風門進行開閉，從而分配空氣流量。HVAC風門運轉(zhuǎn)常用的有3大類：冷暖、模式、內(nèi)外循環(huán)調(diào)節(jié)。

2 風門執(zhí)行器的種類介紹

隨著汽車的快速發(fā)展，汽車空調(diào)風門執(zhí)行器也有較大發(fā)展，目前各大主機廠常見的風門執(zhí)行器均有適合自己的執(zhí)行器外形及控制類型。

1）根據(jù)執(zhí)行器的動力源不同，可將汽車空調(diào)風門執(zhí)行器分為BDC直流汽車空調(diào)風門執(zhí)行器、stepper步進、BLDC無刷汽車空調(diào)風門執(zhí)行器。

2）根據(jù)驅(qū)動控制方式不同，可將汽車空調(diào)風門執(zhí)行器分為模擬量DC控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器和數(shù)字量LIN、CAN控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器。

3）根據(jù)產(chǎn)品角度反饋信號的方式不同，可分為非接觸式和接觸式：接觸式分為PCB碳膜滑動電位器和集成式電位器，非接觸式分為霍爾角度傳感器、脈沖角度編碼傳感器等。

4）根據(jù)產(chǎn)品空調(diào)系統(tǒng)應用及安全防護的需求，可分為銅箔斷電設計、PTC過流保護設計、風門極限位置機械限位設計、運轉(zhuǎn)方向防差錯設計等。

根據(jù)以上應用、分類以及所需的技術條件結(jié)合成本、品質(zhì)等多方面的考慮，不同汽車空調(diào)風門執(zhí)行器在價格、角度控制精度、輸出力矩等方面均有不同。

3 汽車空調(diào)風門執(zhí)行器的典型應用介紹

3.1 直流BDC風門執(zhí)行器

3.1.1 360°正反轉(zhuǎn)汽車空調(diào)風門執(zhí)行器停止時間控制方式

如圖1所示，執(zhí)行器通過ECU控制汽車風門執(zhí)行器運轉(zhuǎn)，當運轉(zhuǎn)到極限位置后，汽車空調(diào)海綿與風門機構(gòu)進一步壓縮，ECU控制電源斷開，從而控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器停止，使得執(zhí)行器停到所需位置。

圖1 接線圖

電源連接電機正負兩極，通過外接電源控制信號控制電機正反轉(zhuǎn)。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，電路為開環(huán)電路。

缺點：ECU控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器正常運轉(zhuǎn)，當發(fā)生堵轉(zhuǎn)時間過長時，汽車空調(diào)風門執(zhí)行器及連桿、風門等壽命降低。

建議空調(diào)面板廠家在控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器正常運轉(zhuǎn)過程中，汽車空調(diào)風門執(zhí)行器運轉(zhuǎn)時間增加50%～80%，從而既能保證風門正常開閉，又能保證汽車空調(diào)風門執(zhí)行器堵轉(zhuǎn)時間不至于太長，引起汽車空調(diào)風門執(zhí)行器及汽車空調(diào)風門損壞。

3.1.2 銅箔斷電與防反接控制方式

銅箔斷電與防反接控制方式結(jié)合銅箔斷電、防反接兩種方式優(yōu)點。采用銅箔斷電方式，當電路運行時，由于電路中運行至銅箔斷電位置時，形成斷電，從而防止角度輸出超出范圍，從而保護空調(diào)箱體風門。防反接控制方式通過二極管單向?qū)ㄗ饔茫斦＝泳€時，電路正常運行；當電路中發(fā)生反接時，電路停止工作，從而進一步保護空調(diào)箱體。

如圖2所示，5、6為一端分別連接電路板電路信號，另一端通過電機連接外接輸入信號，其中，當1與3連接時，由于二極管單向?qū)ㄗ饔?，僅1為高電位信號，3為低電位信號時，電路導通，執(zhí)行器運轉(zhuǎn)至無銅箔位置停止；當2與3連接時，僅3為高電位信號，2為低電位信號時，電路導通，執(zhí)行器運轉(zhuǎn)至無銅箔位置停止。在執(zhí)行器運轉(zhuǎn)過程中，執(zhí)行器中控制單元始終與3段銅箔連接，保證執(zhí)行器始終能接收到外接信號，保證信號快速響應，防止電路產(chǎn)生異常。

圖2 電路原理圖

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，銅箔斷電方式減少汽車空調(diào)風門執(zhí)行器與汽車空調(diào)風門長時間堵轉(zhuǎn)的風險，防反接功能可在電路發(fā)生反接過程中，二極管單向?qū)ㄗ饔檬沟秒娐窋嚯?，從而保護汽車空調(diào)風門執(zhí)行器與汽車空調(diào)風門。

缺點：控制精度不高，無法對汽車空調(diào)風門關閉進行精準定位。

建議空調(diào)面板廠家在控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器運轉(zhuǎn)過程中，控制精度應設立在合理范圍內(nèi)。

3.1.3 帶滑動碳膜電位器作為角度傳感器的執(zhí)行器

碳膜反饋控制方式為目前最常見汽車空調(diào)風門運轉(zhuǎn)的控制方式，其原理為：由角度傳感器完成閉合控制邏輯，外接信號線共5根，分別是：電源正極、電源負極、GND、5V、信號線，電源正負極控制電機進行正反轉(zhuǎn)，GND、5V與電路連接，使得采集信號分別在0～5V內(nèi)，通過外接信號線控制信號電路中電壓值，使得電路停止在所需的信號電壓位置。

如圖3所示，外接信號5與6分別連接電機正負極，控制電機正反轉(zhuǎn)；1與3分別連接電路信號GND與5V，2與電路信號反饋連接。

圖3 接線圖

通過控制信號接收到不同反饋電壓，當輸入信號給定所需要的電壓時，通過電機連接齒輪系運轉(zhuǎn)，控制輸出齒輪到達給定的電壓時停止，從而保證給定輸入電壓，輸出為所需位置，進而使得空調(diào)風門精準定位。

優(yōu)點：控制汽車空調(diào)風門角度相對360°正反轉(zhuǎn)、銅箔斷電與防反接控制方式更高。

缺點：成本相對360°正反轉(zhuǎn)、銅箔斷電與防反接控制方式更高，要求電路板生產(chǎn)廠家控制精度要求更高，無保護風門結(jié)構(gòu)。

建議空調(diào)面板廠家對空調(diào)精度設置在合理范圍內(nèi)，要求輸出角度控制精度在3°以上。

3.1.4 集成式電位器控制方式

電位器碳膜反饋控制方式與普通碳膜反饋方式類似，不同之處為：將彈刷與電路板集成在一個整體嵌入輸出齒輪旋轉(zhuǎn)軸上。

優(yōu)點：此種方式由于將電路板與彈刷嵌入一個整體，故控制精度更高。

缺點：由于開發(fā)模具較貴，成本高，故僅適用于產(chǎn)量較大、角度較固定方式控制電路。

建議空調(diào)面板廠家在設計電路板時，將角度空調(diào)設置成平臺化，可后期大批量生產(chǎn)，從而減少模具開發(fā)成本。

3.1.5 碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式

碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式結(jié)合銅箔斷電防反接控制方式和碳膜反饋控制方式優(yōu)點，不僅可以實現(xiàn)給定反饋電壓，輸出所需位置，而且防止電路反接或運轉(zhuǎn)異常時，實現(xiàn)對風門機構(gòu)的保護作用。

圖4為碳膜反饋與銅箔斷電防反接控制方式原理圖，A與B分別為汽車空調(diào)風門執(zhí)行器輸入端，通過給定電源控制電機正反轉(zhuǎn)，D與E分別為GND與+5V，C為反饋電壓信號端，C、D、E控制電路運轉(zhuǎn)，A與B連接銅箔斷電區(qū)域，電路中并聯(lián)2個二極管，通過二極管單向?qū)ㄗ饔?，使得電路中產(chǎn)生異常時，及時斷電，防止運轉(zhuǎn)過程中短路或其他堵轉(zhuǎn)引起的風門堵轉(zhuǎn)異常。

圖4 電氣原理圖

優(yōu)點：集合碳膜反饋與銅箔斷電防反接方式兩者優(yōu)點，避免電路反接引起的異常，控制精度相對較高。

缺點：元器件相對增多，成本相對增加。

建議面板廠家控制精度設置在合理范圍內(nèi)。

3.2 步進電機汽車空調(diào)風門執(zhí)行器

步進汽車空調(diào)風門執(zhí)行器是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，汽車空調(diào)風門執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給汽車空調(diào)風門執(zhí)行器加一個脈沖信號，汽車空調(diào)風門執(zhí)行器則轉(zhuǎn)過一個步距角。

步進汽車空調(diào)風門執(zhí)行器通過控制脈沖頻率實現(xiàn)調(diào)速，從而達到調(diào)速的目的。如圖5所示，一個脈沖信號共4個節(jié)拍，分別是0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，正轉(zhuǎn)過程中，0節(jié)拍：3與6連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅰ節(jié)拍：3與4連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅱ節(jié)拍：1與4連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅲ節(jié)拍：1與6連接負極，2、5連接電壓正極。反轉(zhuǎn)過程中，0節(jié)拍：3與6連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅰ節(jié)拍：1與6連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅱ節(jié)拍：1與4連接負極，2、5連接電壓正極；Ⅲ節(jié)拍：3與4連接負極，2、5連接電壓正極。步進電機一個節(jié)拍運轉(zhuǎn)18°，由于齒輪系傳動比為1∶360，當給定一個脈沖信號時，輸出齒輪運轉(zhuǎn)角度為18×4/360=0.2°，從而使得給定脈沖頻率實現(xiàn)汽車空調(diào)風門執(zhí)行器調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位的目的。

圖5 步進汽車空調(diào)風門執(zhí)行器調(diào)速原理

優(yōu)點：控制精度相對較高，采用脈沖信號控制輸出角度。

缺點：輸出力矩較小，成本較高。

建議空調(diào)面板廠家將步進電機設計出平臺化，利于大批量生產(chǎn)降低成本。

3.3 無刷電機汽車空調(diào)風門執(zhí)行器

無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感器按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。

優(yōu)點：可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點。

缺點：控制較為復雜、成本較高、扭矩較小。

建議空調(diào)面板廠家采用合理方式控制無刷電機。

3.4 LIN、CAN通信及驅(qū)動的風門執(zhí)行器

LIN總線通過串行通信、單線傳輸、單主多從結(jié)構(gòu)、一條總線可連接多個節(jié)點等諸多優(yōu)勢，目前高端汽車風門執(zhí)行機構(gòu)越來越普及。

CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設計規(guī)范要求有高位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。

東芝專為汽車空調(diào)風門執(zhí)行器設計一款芯片，本文以常見的TB9056FNG單片機為例，介紹LIN通信及驅(qū)動的風門執(zhí)行器。

如圖6所示，IG為電源輸入端，即12V電源端；GND為搭鐵端；BUS為LIN，即通信端。

圖6 TB9056FNG單片機

通過PIN 5連接BUS，即LIN通信輸入與輸出接口，保證信號正常連接，IG連接VCC，保證可正常驅(qū)動電路，MT2與MT1分別連接電機正負極，從而控制電機可正常正反轉(zhuǎn)，VPB連接電路中碳膜反饋裝置，通過輸出齒輪上彈刷與電路板碳膜位置相對滑動，采集反饋電壓信號，從而實現(xiàn)風門精準定位。

VREG為5V電源輸出端，VDD為CMOS電源輸入端，ID0、ID1、ID2、ID3分別為地址設置引腳，設置從機地址，當ID0、ID1、ID2、ID3同時搭鐵時，節(jié)點ID號設置為0，當ID0、ID1、ID2、ID3同時打開時，節(jié)點ID號設置為15，共16個節(jié)點。SEL0與SEL1為設置波特率，共3種設定，當SEL0與SEL1同時搭鐵時，波特率設置為2400；當SEL0搭鐵，SEL1打開時，波特率設置成9600；當SEL0與SEL1同時打開時，波特率設定為19200。TE為測試輸入，TO與T1為測試引腳。

3.5 霍爾傳感器、汽車空調(diào)風門執(zhí)行器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器，廣泛應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

優(yōu)點：采用功率霍爾開關電路可以減小汽車功率較大的前照燈、空調(diào)和雨刮器在開關時產(chǎn)生浪涌電流，使機械式開關觸點產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號的影響。

缺點：由于增加芯片，加工偏高，市場還未普及。

建議空調(diào)面板廠家利用霍爾原理，將霍爾傳感器運用于空調(diào)控制中，將此種控制設計成平臺件，從而降低成本影響。

3.6 PTC過流保護設計、風門極限位置機械限位設計

PTC過流保護設計、風門極限位置機械限位設計均為風門設計中防護設計。PTC過流保護設計是在電路中增加過流保護裝置，避免風門執(zhí)行器運轉(zhuǎn)中電流過大引起電機或風門異常；風門極限位置機械限位設計是在汽車風門執(zhí)行器中增加限位裝置，采用機械位置保護風門執(zhí)行器。

優(yōu)點：采用PTC過流保護可避免風門運轉(zhuǎn)中電流過大引起電機或風門異常，風門極限位置設計采用機械位置保護風門執(zhí)行器。

缺點：PTC過流保護增加電子元器件，成本較高，采用風門極限位置機械限位設計對電路中控制要求精度較高。

建議空調(diào)面板廠家結(jié)合二者優(yōu)勢合理設計。

4 汽車空調(diào)風門執(zhí)行器選型及應用注意事項

對于汽車空調(diào)風門執(zhí)行器，不同控制方式對應不同價格、扭矩、轉(zhuǎn)速等，對于小扭矩汽車空調(diào)風門，建議采用步進汽車空調(diào)風門執(zhí)行器方式控制；如果對風門控制精度要求較高，且需要采用通信協(xié)議來控制汽車空調(diào)風門執(zhí)行器，且運用于高端車型，建議采用LIN通信風門執(zhí)行器；如果對風門控制精度要求不高，但對汽車空調(diào)風門執(zhí)行器價格要求較高，常運用于中低端車型，建議采用伺服汽車空調(diào)風門執(zhí)行器碳膜反饋方式。不同汽車空調(diào)風門執(zhí)行器控制方式各有優(yōu)劣，需按實際要求選擇合適的控制方式。