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汽车|一种汽车空调伺服电机的驱动系统及方法


来源 |汽车热管理之家
摘要：汽车自动空调的恒温、模式等功能的控制都是通过风门切换来实现的 ， 而风门的切换又是通过连接于其上的伺服电机带动的 。 由于整车电气环境复杂 ， 风门伺服电机的控制极易发生反复抖动 ， 从而产生异响 ， 影响整车 NVH性能 。 文章提出了一种提高伺服电机稳定性的系统方案及驱动方法 ， 并通过实验测试 ， 证实了该设计能有效地避免风门伺服电机的抖动 。
前言
随着国民经济发展和消费升级 ， 越来越多的汽车配备了自动空调系统 ， 使之成为乘用车的主流配置卩] 。 自动空调的恒温控制、出风模式以及内外气自动切换等功能 ， 都是通过相应风门的切换来实现的 ， 而风门切换又是通过连接于其上的伺服电机来带动的 。 伺服电机采用H桥驱动 ， 可根据当前位置进行闭环控制 ， 以精确达到目标位置 。 但在整车实际使用中 ， 因整车电气环境复杂 ， 如线束EMC干扰等问题 ， 导致伺服电机位置的反馈精度有限 。 若控制方法不当 ， 极易引起风门的反复抖动 ， 一方面会造成异响 ， 另一方面也可能引起空调各出风囗的风量不一致 ， 影响整车的商品性和舒适性 [2] 。 本文在汽车空调自动控制系统的设计实践中 ， 通过观察风门抖动现象、分析抖动的产生原因 ， 结合某型号伺服电机的响应特点和控制要求 ， 设计了一种能提高伺服电机稳定性的控制系统 ， 并通过实验对比测试 ， 证实了该设计对避免风门伺服电机抖动的有效性 。
1 伺服电机在汽车空调上的应用
1.1 伺服电机介绍
伺服电机(servo motor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的电动机 ， 它能将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象 ， 可以对位置、速度进行精确地控制 。 近年来 ， 随着磁性材料技术、传感器技术、单片机以及控制算法的快速发展 ， 直流伺服电机及其控制系统得到了极大的发展 ， 在汽车产业中也体现出了巨大的应用价值卩] 。 直流伺服电机主要包含控制器、受控对象、传感器和比较器 ， 如图1所示 。 控制器是电机系统工作的使能和控制部分；受控对象主要指电机的运动部分；传感器将机械信号转变为电信号反馈到输入端；比较器将采集到的电信号与输入信号比较后将比较结果传送到控制器 ， 控制器根据比较结果对电机进行负反馈调节 ， 这样整个系统就形成了一个闭环 。 直流伺服电机是一个闭环系统 ， 与普通直流电机相比多了速度或位置的反馈装置[4] 。
汽车|一种汽车空调伺服电机的驱动系统及方法
本文插图

1.2 在汽车空调上的应用场景
直流伺服电机具有体积小、可靠性高、技术发展成熟维护方便等优点 ， 成为汽车各个机械驱动领域的理想配件 。 在汽车空调中广泛采用直流伺服电机来驱动空调风门 ， 包括混和风门、模式风门及内外气风门等 。 混和风门用于调节流过蒸发器的冷风和暖风芯体的热风的比例 ， 从而调节出风口温度；模式风门用于切换空调的出风口模式 ， 一般包括吹脸、吹脚、除霜等模式 ， 可根据用户使用需求进行自动切换 ， 比如某些车型可根据车内湿度自动开启车窗除霜 ， 或根据制冷／制热需求 ， 自动切换吹脸/吹脚模式；内外气风门用于调节汽车空调的内外循环 ， 某些车型可根据车内热负荷、环境空气质量或者车速条件等参数自动在内/外循环间切换 。
2 H桥驱动电路的原理
H桥驱动电路一般由四个MOS管构成 ， 由于电路中 MOS管与伺服电机的连接形状很像英文字母"H",因此得名 。 H桥驱动电路通过控制四个MOS管的有序导通 ， 可以达到控制电机的正反转的目的 ， 并且通过与单片机配合使用 ， 利用定频调宽等方法产生PWM信号 ， 可以达到平滑调速的效果[5] 。 如图2所示为一种典型的直流电机H桥驱动电路 。 当Pini为高电平、Pin2为低电平时 ， MOS管Q2、Q3导通 ， 电流按箭头方向流动 ， 驱动电机正转；当Pini为低电平、Pin2 为高电平时 ， MOS管QI、Q4导通 ， 电流按箭头的反方向流动 ， 驱动电机反转：当Pinl、Pin2同为高电平时 ， MOS管 Q2、Q4导通 ， 相当于伺服电机两端同时接地 ， 电机两端没有电压差 ， 且由于电机两端通过MOS管Q2、Q4形成闭合回路 ， 电机运动时产生的电磁感应反电动势将形成感应电流 ， 阻止电机的惯性运转 ， 可以起到很好地制动作用：同理 ， 当Pini、Pin2都为低电平时 ， MOS管QI、Q3导通形成闭合回路 ， 伺服电机被制动 。 H桥驱动电路中 ， 同侧MOS管不允许同时导通 ， 防止电源与地短路而烧毁MOS管 。 此外 ， 桥臂上每个MOS管都配有一个寄生二极管 ， 用于保护MOS管的s极与D极之间过压 。


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