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瞭解風門執行器以及在它們在汽車HVAC系統中的驅動因素

本文作者:德州儀器       點擊: 2019-06-28 11:15
前言:

無論在酷暑還是寒冬,乘客始終可以通過汽車的加熱和製冷系統享受到舒適的車內環境。在不同類別的車輛中,這些暖通空調(HVAC)系統的複雜性和自動化程度也各不相同。經濟型汽車可能需要駕駛員手動旋轉旋鈕來控制溫度,而在高端車輛中,則可以通過感測器同時自動控制車內的溫度以及空氣的濕度和品質。
 
空氣流動
無論何種類別的車輛,汽車HVAC系統都需要交換空氣,並在此過程中改變其溫度、濕度和品質。
 
讓我們來看一下空氣流動的原理。空氣可以從車廂外部或內部吸入系統。也可以通過蒸發器或換熱器進入HVAC系統以進行調節;經過調節的空氣分佈在整個車廂內,讓乘客腳部保暖,或者防止擋風玻璃起霧。
 
空氣流動的途徑有很多種:從外部到蒸發器再到擋風玻璃,或從內部到熱交換器再到車廂底部的通風口。那麼HVAC系統是如何控制空氣流動的方式呢?
 
圖1所示為HVAC系統的側視圖。關鍵元件用數位標記,箭頭指示空氣流動的方向。圖1中的部件4至8所示為風門執行器。橙色虛線表示風門移動的區域,而橙色實線代表風門。HVAC系統中的風門執行器的數量取決於系統的整體複雜性——屬於單區域還是多區域HVAC。
 
圖 1:由八個部件組成的汽車HVAC:1 =鼓風機,2 =蒸發器,3 =加熱器,4 =進氣風門,5,6和7 =空氣分配風門,8 =空氣混合風門
 
風門執行器
空氣通過管道在HVAC系統中流動;風門通過全部或部分打開或關閉管道的分段,控制空氣的流動方式。風門執行器(也稱為阻尼器)是移動風門的電氣設備。
 
汽車HVAC系統中有三類風門執行器:
• 進氣風門執行器(圖1中的部件4):該風門執行器控制調節空氣源——車外空氣或車內的再迴圈空氣。該風門執行器位置可由駕駛員使用再迴圈按鈕或由HVAC系統根據車內空氣品質感測器的資料進行控制。
• 空氣混合風門執行器(圖1中的部件8):該風門執行器將暖氣(熱交換器)和冷風(蒸發器)混合,以達到設定的空氣溫度。
• 空氣分配風門執行器(圖1中的部件5、6和7):該類風門執行器的數量根據車輛類別而不同,用於分配車廂內的空氣。
 
直流電機
哪些電氣設備負責驅動風門?正如空氣流動的控制方式有多種一樣,汽車製造商在驅動風門的電氣設備上也有多種選擇。包括帶有電位器的有刷直流電機用於感測風門的位置;使用反電動勢(反EMF)測量位置或通過計算步數測量位置的步進電機的三相無刷直流(BLDC)電機。這些直流電機通過不同尺寸的齒輪驅動風門。
 
更多選擇
選擇電機後,HVAC系統工程師還可以選擇驅動電機的架構。如前所述,風門執行器可以在本地或遠端控制。在本地控制中,控制電機的電子設備位於電機附近,即電機控制IC集成在電機所在的相同殼體中(見圖2中的風門執行器控制)。諸如局域互連網路(LIN)之類的通信協定控制電機,將風門驅動到特定位置。在遠端控制中,控制電機的電子設備位於遠離風門執行器的HVAC控制單元(見圖3)。HVAC控制單元上的電機驅動器和微控制器之間的通信可以通過串列外設介面(SPI)實現,甚至可以通過並行數位控制介面實現。德州儀器(TI)公司的DRV8912-Q1是一個通過SPI與微控制器連接的設備示例,用於遠端驅動風門執行器。
 
圖2和圖3說明了兩種可能的架構。圖2中的架構比圖3中的架構更複雜;然而,圖2中的架構提供了更大的設計可擴展性和靈活性。
 
圖2:風門執行器電機的遠端控制
 
圖3:風門執行器的集成電機驅動器
 
更多選擇
我們來看一下微控制器和電機驅動器控制積體電路之間的連接。HVAC系統設計人員在該連接上也有多種選擇。微控制器可以使用數位通信介面(如SPI)連接到電機驅動器,也可以使用控制線直接連接到電機驅動器。圖4和圖5說明了這些選擇。
 
圖4:使用SPI與電機驅動器通信的微控制器
 
圖5:直接控制電機驅動器的微控制器
 
簡化元件
用於BLDC和步進電機的驅動器電子元件比驅動有刷直流電機所需的電子元件更為複雜。若您選擇使用有刷直流電機來移動風門,則使用直接驅動風門電機的電機驅動器具有明顯的優勢——在硬體和軟體方面都更簡單。
 
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通過HMI瞭解如何使用汽車HVAC控制參考設計連接和控制多個風門電機。
 

 

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