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步进电机使自动HVAC空气再循环变得简单

摘要:本文重点介绍了自动空气再循环阀的系统要求和运行条件,并回顾了现有执行机构与这些要求的兼容性。在比较现有技术时,可以清楚地看到包含双极步进电机的空气再循环风门执行器与其他电机类型的执行器相比具有关键优势。它显示了具体的双极性步进电机驱动技术如何在总体系统成本最小化的情况下提高整个系统的性能。本文阐述了电机驱动器集成电路的可用性和主要特点,可以对这些新型执行器进行高级控制。

介绍

汽车暖通空调市场已经成熟,但仍然受到高端创新的影响。燃油经济性,舒适性和安全性是改变的主要动力。在简单的HVAC系统中,新鲜空气的连续流入被调节并带入舱内。空气通过一些通风口离开汽车。典型地,驾驶员可以通过手动控制功能来选择是否需要中断新鲜空气(再循环)(新鲜空气打开)。
在再循环模式中,高端HVAC系统监测多个机舱空气参数,通过空调单元将空气再循环回到机舱中,并且将新鲜空气进口限制到最小,同时满足由驾驶员和/或系统的规格。
在理论上[1],这种自动再循环可以将HVAC系统的燃料消耗减少35%。根据气候条件和驾驶循环,HVAC系统每百公里消耗高达3升的燃油[1]。这表明配备了低端HVAC系统的大型汽车将从增加自动循环功能中获益最多。然而,小型和中型汽车已经先进的发动机与低CO 2排放量也将从智能空气再循环瓣受益,因为HVAC燃油消耗的贡献是比较高的。
预测显示,配备半自动或全自动暖通空调系统的汽车比例将同比增长。同时,CO 2制冷剂的引入导致可能要求在机舱中安装额外的传感器。这些趋势意味着CO 2已经可用和IAQ(室内空气质量)的传感器技术将越来越多地在小型车和/或与低规格HVAC系统的汽车被重复使用。
虽然自动再循环功能的传感器方面可能已经解决,但仍然需要解决围绕机动化问题的一些工作。本文将重点介绍再循环功能,系统要求,风门执行器和该执行器的驱动。

空气再循环系统

气候控制系统是现代汽车中功耗较大的消费者之一。特别是压缩机在运行时消耗数千瓦的功率。
HVAC系统减少气候控制系统能耗的方法之一是提高压缩机效率。然而,更重要的节能方法是减少压缩机的“活动时间”。为了做到这一点,我们需要向压缩机制冷剂流向下游,并确认压缩机运行过程中真正发生的情况。
HVAC系统的效率在很大程度上取决于供应到蒸发器的制冷剂量。先前已经提出用由线性步进电机控制的机电阀取代机械膨胀阀[2]以更好地控制制冷剂的流动。或者,蒸发器上的气流的平均温度可以降低(如果蒸发器暴露于较冷的气流,则需要较小的制冷剂流量,这意味着压缩机活性降低)。流过蒸发器的空气的温度较低可以通过在很大程度上重新使用已经被冷却的机舱空气而不是来自车辆外部的较暖空气来实现。正确数量的新鲜空气和机舱空气的这种混合可以通过自动再循环阀来执行。这种再循环功能是HVAC系统整体能效的一个关键因素,必须特别注意确保在汽车使用寿命期间正确和优化运行。现在让我们看看不同的系统元素和重要的参数和要求的再循环功能。

传感器

自适应空气再循环系统将需要持续监测机舱空气的质量。缺乏足够的新鲜空气会导致不适,头痛和困倦,并且因为驾驶员没有立即注意到这种情况,可能会导致潜在的危险情况。人类新鲜空气消费的主要指标之一是O 2的减少和CO 2和H 2 O 的增加。目前,CO 2传感器技术可由多个一级和二级制造商获得,而O 2或H 2O传感器也可以用于感测机舱空气成分的变化。这些内部空气质量传感器不同于外部空气质量传感器,其侧重于检测污染的空气并防止其进入机舱。良好的自适应空气再循环系统的最低要求是基于室内空气质量的闭环控制。除了受控的 - 但仍然可以接受的 - 新鲜空气的减少,可能会观察到湿度的轻微增加。然而,这主要取决于内部和外部条件,HVAC系统参数,机舱容积和乘客人数。无论如何,由于内部空气将在蒸发器上循环,因此会持续干燥。从这个观察,

蒸发器

来自蒸发器的冷凝水将需要高质量的排水和与加热器芯体的良好分离。这是为了防止水分重新蒸发(这会增加舱内湿度)。此外,为了避免蒸发器中的细菌和臭味再循环,应考虑蒸发器上的主动消毒系统(如紫外线灯)。请注意,这也适用于没有自动再循环的HVAC系统。

用户界面

今天的ON / OFF再循环风门的用户界面通常是一个按钮。按下相同的按钮几次,再循环风门打开或关闭,而LED指示风门的状态。通过添加第二个LED,可以进入并指示称为“自动再循环”的第三状态。这第二个LED将只需要最小的仪表板空间,并没有其他硬件的变化。

电子控制单元

电子控制单元(ECU)基于来自传感器的读数和预设值来操作再循环功能。ECU关闭新鲜空气调节的控制回路并操作再循环风门致动器(图2)以保持所需的CO 2水平。循环风门的运行频率是最大允许乘员人数,轿厢内空气的最小风量和最大允许偏离所需CO 2水平的函数。很容易计算出,3 立方米内的5人在30秒内将使二氧化碳浓度增加100ppm。
自动再循环系统空气再循环控制回路主要需要低速干预以补偿“新鲜空气进口”中的压力和空速变化 (图2)。当驾驶速度变化时,例如在城市中或城市附近,这经常发生。当鼓风机吸入侧的压力随鼓风机速度变化时,通过新鲜空气入口的气流也会改变。为了获得最佳的控制效果,(低噪音)鼓风机通过蒸发器引起可变气流,以补偿阳光的波动(例如由于蜿蜒的道路或由建筑物,树木或云层引起的间歇性阴影)。结果,通过进气口的可变的新鲜空气量需要与CO 2的恒定产量相匹配由居住者。在现有软件周期的执行时间内,可以容易地调整再循环襟翼设置的连续但缓慢的调整。然而,软件算法本身将需要特别的关注,因为确保在任何情况下为驾驶员提供正确数量的新鲜空气是安全的。

皮瓣执行器

空气再循环风门执行器是一个小型电动阀门,通过ECU内部的驱动器进行操作。襟翼的功能是控制将流入机舱的外部空气量。这个量的计量是相对简单的,并通过一个阻尼器或一个蝶形阀来处理。对于稳定的控制算法,襟翼的位置应该始终知道,所以某种位置反馈是必须的。由于控制系统经常重新调整执行机构的位置,所以需要接触较少的电机操作和无传感器位置反馈。下面更详细地讨论襟翼致动器的要求。

再循环阀门执行器主要操作条件和要求

风门执行器位于暖通空调系统中,由于空气管道的原因,该系统已经相当笨重。与大多数汽车系统一样,执行器的重量和尺寸也是重要的参数。通常,执行器由塑料外壳,带连接器和减速系统的电动机以及有时位置传感器组成。由于所涉及的材料不同,影响执行器重量和尺寸的因素很多。多年来,公司已经找到了将所需的电机转矩与传动比进行平衡的方法,并针对给定功能优化了执行机构的重量和尺寸。尽管如此,还是有一些改进的空间,尤其是在位置传感器的拆除和新电机技术的引入方面。
低噪声是另一个重要的考虑因素,因为执行器在直接流入乘客舱的气流中运行。此外,皮瓣连续运转(经常给予新的目标位置),并且声音噪音在整个使用寿命中不会显着增加。
位置更新率取决于应用程序软件的循环时间,例如每隔几秒钟。在这些位置更新之间,尽管施加了任何外部扭矩(例如来自公路上的颠簸或增加的风速气压),执行机构仍然保持其最后位置。这意味着执行机构应该能够在外力的作用下保持位置(保持力矩) - 最理想的是以最小的电流消耗。
执行器还需要足够强大,以便在一段时间内运行一次,以抵抗诸如终点挡板之类的障碍物。再循环风门通常在“关闭”或接近“关闭” 位置。假设一个暖通空调系统是为一辆能够运载五个人的汽车而设计的。进气口的设计可以提供足够的新鲜空气,以平均速度舒适地驾驶所有人。但是,平均车辆使用率只比一个略高。考虑到在高速时增加的空气压力,变得清楚的是,大部分时间,襟翼操作的范围将在其全部范围的前20%内。
这对执行机构的机械和电气稳定性提出了一个质量要求:它需要足够稳定,以便在相对有限的位置范围内连续运动,而不会降低电机,传感器或齿轮的性能。其他需要考虑的因素是执行机构的操作应该具有较低的EMC排放,执行机构的成本,ECU中所需的驱动器成本和ECU与执行机构之间的接线成本应该尽可能低可能。
现在让我们看看一些可用的HVAC襟翼致动器技术,并讨论它们适用于自动再循环襟翼。

可用的再循环皮瓣技术

有几种解决方案可用于移动暖通空调风门片,包括再循环风门片。它们在襟翼执行机构中使用的电机类型以及电机控制的细节和特征各不相同。

有刷直流电机

有刷DC(BDC)电机是内部换向的电动机,当电压施加到其两个端子时,该电动机旋转。它不需要控制器来切换电机绕组中的电流。BDC电机的绕组换向是机械完成的。称为换向器的分段铜套位于BDC电机的轴上。随着电机转动,碳刷滑过换向器,与不同的部分接触。这些部分连接到不同的转子绕组上; 因此,当在电刷两端施加电压时,电机内部会产生动态磁场。BDC电机采用成熟且相对廉价的技术制造。只有两根导线从驱动器引出到电机端子。控制BDC电机很简单; 例如 双向驱动可以通过两个晶体管半桥实现。如果需要位置反馈 - 与空气再循环风门一样 - 需要增加一个位置传感器。存在各种传感器,最常见的是霍尔效应传感器和电位计。该传感器(例如图3所示的电位计)以及相关的ECU接线以及电连接器尺寸的影响构成了系统成本的重要部分。
带有传感器的刷式直流襟翼执行器其他 - 通常受专利保护的技术也存在(例如脉冲计数),这些技术在没有传感器的情况下工作,但是对于电机驱动器和控制算法而言更复杂。同样重要的是要注意,电刷和换向器是最容易磨损的BDC电机的一部分。由于需要频繁地操作空气再循环风门,因此电刷的劣化对配备有BDC电机的再循环风门的长期机械可靠性造成了压力。BDC电机中的刷式换向原理也意味着将高电流连续快速地切换到高感性负载,这会导致换向器产生火花。诸如这些的电弧以宽频带范围内的电场形式发射电磁辐射;

步进电机

步进电机是一种将整个旋转分成整数个步骤的同步电动机。它是无刷的,因此不容易出现与刷子换向相关的机械磨损。步进电机有一个固定数量的“相”。等于布置在中心齿轮形铁片周围的“锯齿形”电磁铁的数量。电磁体由控制电磁体周围的电绕组中的电压或电流的外部电路供能。使用合适的电磁铁激励方案,电机可以精确转动。
单极步进电机:单极步进电机每相有两个绕组。这些绕组如图4所示与ECU电连接,并且与BDC电机解决方案(带有传感器位置反馈)一样,通常需要五根电线。在电动阀门中使用单极步进电机的选择主要取决于低成本驱动器IC或驱动电路的可用性; 例如4个低端驱动电路。与BDC电机一样,它们通常存在于中低端车辆的(半)自动HVAC系统中。单极方法的一个缺点是,在任何时候只有一半的绕组数量被激励(基本上,单极步进电机的运行量是移动电机所需的铜量的两倍)。
单极步进皮瓣执行器双极步进电机:双极步进电机每相有一个绕组。与单极电机相比,由于绕组中铜的数量大约是具有类似电机特性的双极电机的一半,因此具有尺寸和重量方面的优势。这是双极步进电机架构的一个重要优点,因为它使工程师能够以最小的体积和重量实现最佳的能源经济性。如图5所示,两个绕组与ECU电连接,所以通常只需要四根电线用于电机操作(与单极步进电机或具有传感器的BDC电机相比)。双极性步进电机通常由双全桥晶体管组合驱动,每个绕组一个。用于机电一体化风门执行器的符合汽车要求的双极性步进电机已存在多年,并在高端HVAC系统中使用。这些电机现在可以重新用于图5所示驱动配置的专用低成本空气再循环阀。这里步进电机驱动器位于ECU内部,通过四根电线连接到无传感器执行器。
双极步进皮瓣执行器

步进电机驱动技术

先进的步进电机驱动技术已经被开发出来,以根据诸如声学和电噪声产生以及长期可靠性等因素优化执行器操作。与传统架构相比,新型双极步进电机驱动器技术提供了一个均衡的解决方案:更多的系统优势(即功能和质量的优化组合),而不会造成系统总体成本的损失。

微步进

步进电机的基本运动是通过以交替开/关方式切换激励电磁体的绕组来实现的。这被称为“完整的”步骤 因为它将转子一个接一个齿或一步一步地对准定子。这是一个粗略的操作模式,可能会导致系统振动,从而增加操作过程中的噪音。另一个可能的影响是步骤丢失(即步骤被跳过)。没有适当的设计,这意味着系统不再知道执行器的确切位置。这些效果可以通过以微步进模式操作步进电机来避免或者至少得到缓解,这意味着绕组以这样的方式被一起激励,使得电机经由多个子位置或者微步移动到步进位置。

无传感器,闭环操作

大多数步进电机驱动器操作方案使用开环原理,并且由于系统中缺少反馈,步进电机必须超尺寸以避免在所有系统相关情况下的不被注意的步骤损失(这是功能的,例如电机负载)。通过使用无传感器步进损失检测的闭环方法,可以减少超尺寸。步进电机固有地包含一个“虚拟” 传感器; 可以通过监测反电机械力或bemf信号来减少电机的运行模式(运行速度,失速状态等)。
可靠的终点检测和精确的比例控制:空调襟翼控制执行器也可以受益于这种bemf传感器功能。基于bemf信号的嵌入式失速检测算法的步进电机驱动器允许系统非常精确地检测HVAC空气分配通道中的襟翼的止挡。通常在运动过程中有意识地达到这个终点 - 例如当瓣在接近闭合的位置操作时。由于错误的操作或小的机械公差,也可能发生碰撞。通常需要超过一千个完整步骤才能将翻盖从完全打开位置移动到完全关闭位置。由于执行器内部的齿轮结构以及导气管的热膨胀和阀瓣周围的机械公差,执行器的全行程可以改变几十个完整的步骤。现在认识到流过几乎关闭的翻板的空气量是翻板位置的非线性函数是很重要的。结果,对于控制少量气流的挡板,可以看到相对较大的气流误差。因此,为了精确和完全按比例控制通过HVAC导管的空气量,必须采用自适应闭环算法。闭环方面(或者仅仅是伪闭环)是偶尔故意陷入停滞状态的。然后失速检测允许从全关襟翼位置开始准确地标记新的位置。通过这样做,即使是最小的翻板开口也能够被精确地保持并重复地达到,从而产生真正的比例控制。很显然,这种工作模式相对于利用基于计数步骤的开环绝对定位的传统方法提供了优势。由于这些方法无法重新生成参考位置,因此需要避免任何永久性的位置偏移根本原因(如过载条件下的步骤丢失),从而导致超尺寸的,因此次优的系统。其他方法(没有失速检测)对于确切的终点停止位置的位置相对较为盲目。因此,为了确保在参考运行中达到了终点挡块,这些方法需要在预计的终点位置之外多步驱动步进电机。这导致电机堵塞,伴随着噪声,机械和磁性磨损。为了保证长期的可靠性,需要特殊类型的执行器,这存在于这种操作模式中的机械振动。现在,一个全步检测终点停止的装置将会避免失速情况下的噪音和振动。在一个完整的步骤内的失速检测也可以使转子和定子磁场保持同步。这样就避免了由于定子交流磁场引起的转子退磁而导致的磁损耗风险,并且有助于在整个使用寿命期间保持稳定的执行器转矩。
自适应速度控制:在需要尽快关闭挡板的情况下,速度临界定位非常重要:例如,当外部传感器检测到外部空气受到污染时,关闭再循环挡板。反电动势信号通过专用的自适应速度电机驱动算法使步进电机的速度临界运行成为可能。这允许步进电机挑战有刷直流电机执行器的主要优点之一,特别是能够像电源电压和负载一样快速旋转。步进电机以尽可能最快的速度运行,自动调整速度以适应执行器和襟翼特性(例如负载)。在这种自适应速度运行期间,无传感器失速检测是可操作的,保证了无误差的定位。
共振避免:bemf信号被证明是非常有用的,不仅用于失速检测和自适应速度控制,还用于解决共振问题。解决谐振问题的第一个难点是合适的传感器不能容易地连接到系统。第二个困难是安装的传感器不应该改变电机轴的质量或摩擦力,因为这会改变被测量的共振行为。现在,如果通过“嵌入式虚拟传感器”观察共振行为和相关的旋转运动,这个问题就很容易解决。请参阅[3]了解更多信息。

皮瓣执行器技术摘要

表1总结了“适合使用”?的襟翼执行器技术的讨论。电刷直流和单极步进电机都有其优点,但也显示出不足之处。双极步进电机技术似乎提供了两全其美,并与所有审查要求兼容。
执行器技术摘要由一级暖通空调系统制造商决定为所有这些功能分配正确的权重。观察:三种执行器类型的系统级成本是可比较的,但是如果只考虑电机驱动器本身的购买成本,那么汽车制造商可能会得到一个次优化的解决方案。

驱动集成电路

根据上述第5节所述技术驱动双极性步进电机的集成电路现在已经上市。这种IC的典型框图如图6所示。该IC放置在ECU内部,两个全H桥驱动双极性步进电机的两相。ECU的微控制器通过SPI接口和一组专用信号与IC通信。嵌入在驱动器中的电流转换器表将正确的电流施加到绕组。微控制器只需设置一次SPI寄存器,即定义绕组电流峰值,微步模式和默认移动方向。在此之后,微步可以通过只应用“下一个” 信号到IC(见图6中的NXT引脚)。电动机驱动器则承担全部责任,并生成全步,半步或正弦微步运动所需的电流波形。应用“下一个”的速度 脉冲定义了电机运动的速度,而“方向”状态 (见图6中的DIR引脚)定义了电机旋转的方向。
双极性步进电机驱动器IC(NCV70501) - 方框图一个简单而高效的失速检测算法被实现,并且可以通过SPI总线来激活。为了实现更高级的控制,无传感器功能提供了电机bemf采样,可以通过SPI通信读取。然后可以使用所收集的样本,例如用于以最大速度关闭再循环襟翼的自适应速度控制算法。
暖通空调系统的电子设备需要受到保护,以免受汽车应用中可能出现的压力和错误状况的影响。因此,实施适当的诊断功能来检测所有相关的错误状况并防止系统和IC损坏。IC有一个中断输出引脚,用于在发生错误时警告单片机(见图6中的ERRB)。

结论

自动空气再循环阀可以有助于中小型汽车的燃油经济性。已经考虑到这种再循环阀的操作要求讨论了现有的襟翼致动器技术。有刷直流电机驱动器和单极步进电机驱动器显示与某些技术要求不兼容。双极性步进电机阀与新型驱动器相结合,可提供最佳的技术解决方案,以满足未来空气再循环阀的高质量操作要求。

参考

Thomas EJ Heckenberger,Peter Kroner,Marcus Weinbrenner,Ralf Manski,Andreas Kemle和John Tepas:“空调系统对降低汽车功耗的贡献”,2008年10月20 - 22日,密歇根州底特律市Convergence 。
Bart De Cock:“LIN机电一体化应用于HVAC膨胀阀”,欧洲机电一体化会议,法国巴黎,2009年6月24日和25日。
Christiam Gasparini和Johannes Vorenholt:“采用AMIS-3052x / NCV7052x评估套件的步进电机共振测量设置”,www.onsemi.com,AND8371 / D,2009年2月。

词汇表

暖通空调:暖通空调
IAQ:室内空气质量
IC:集成电路
ECU:电子控制单元
UV:紫外线(光)
LED:发光二极管
BDC:刷直流(电机)
EMC:电磁兼容性
AC:交流电
Bemf:背电机械力
SPI:串行外设接口
EXV:膨胀阀
LP:低压
HP:高压

(责任编辑:ioter)

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