采用步进电机简化汽车供暖通风空调系统自动空气再循环

大多数汽车供暖通风空调(HVAC)系统中都会调理持续流入的新鲜空气，将其注入车厢之中。通常驾驶员能够选择是否需要中断新鲜空气供应(再循环)或者继续(即保持新鲜空气流入)。在再循环模式下，高端HVAC系统监测几项车厢空气参数，通过空调器将空气再循环至车厢，并将新鲜空气进口限制为最小，同时践行驾驶员或系统规范设定的参数。这样的再循环能够降低HVAC系统的燃油消耗达35%。根据气候条件和驾驶循环(drivingcycle)，HVAC系统每100公里可能会消耗多达3升燃油。这显示配备低端HVAC系统的大型汽车从增加自动再循环功能获益最大。然而，配备先进发动机且废气排放低的小型和中型汽车也能从智能空气再循环瓣(flap)受益，因为它对(节省)HVAC燃油消耗的贡献相对高。预测显示配有半自动或全自动HVAC系统汽车的百分比将逐年递升。与此同时，引入二氧化碳(CO2)制冷剂导致产生对贴装在车厢内的额外传感器的潜在要求。这些趋势表示小型汽车和/或配有低规格HVAC系统的汽车将越来越多地再利用已有的CO2传感器和其他新鲜空气传感器技术。虽然自动再循环功能传感器方面的问题可能已经解决，但仍要着力解决一些有关电机驱动瓣(flapmotorization)的问题。

　　自动空气再循环控制系统

　　HVAC电子控制单元(ECU)闭合新鲜空气调节的控制环路，操纵再循环瓣致动器(见图1)，从而在车厢内维持所需的CO2水平。循环瓣的运转频率是最大允许乘客数量、汽车内部最少空气量以及所需CO2等级最大允许偏移(等参数)的函数。假定乘客数量为5人，车内空间为3m3，就可以轻易计算出CO2浓度会在30s内增加100×10-6。

　　空气再循环控制环路主要要求低速干预(intervention)，从而补偿“新鲜空气进口”(见图1)中的压力和气流速度(airspeed)变化。当驾驶速度变化时——如在市区中或临近市区驾驶时，这种现象出现的频率很高。气流也会也随着风机速度自动调节而变化，从而消除阳光照射变化(原因有如弯路或由建筑物、树木或云朵导致的间歇性阴影)的影响。

　　空气再循环瓣致动器是小型电机阀，通过ECU内驱动器的方式运转。就稳态控制算法而言，应当在所有时候都知道瓣的位置，故某种类型的位置反馈就在所必需了。由于控制系统频繁重调节致动器位置，故需要非接触式电机运转以及无传感器式位置反馈。

　　再循环瓣技术

　　运转HVAC气瓣(包括再循环瓣)的方案有几种，它们的不同体现在瓣促动器中使用的电机类型以及电机控制的细节和特性。我们现在就讨论3种常用的电机类型。

　　有刷直流(BDC)电机采用成熟及相对廉价的技术制造，从驱动器到电机端子仅有两条引线(wirelead)。如能够通过两个晶体管半桥提供双向驱动，BDC电机控制就会简单。在要求位置反馈的案例(如空气再循环瓣)中，需要增加位置传感器。可用的传感器有多种，最常见的就是电位计。此传感器与相关ECU绕线及电气连接器的尺寸影响共同构成了系统成本的相当大部分。还需要着重指出的是，电刷和换向器(commutator)是BDC电机的部件，最易于磨损。由于空气再循环瓣需要频繁运转，电刷老化就对配有再循环瓣的BDC电机的长期可靠性产生了压力。

　　第二种类型是单极步进电机，每相有两个绕组。这些绕组与ECU电气相连，而且就像BDC电机方案(带传感器位置反馈)一样，通常要求5条线。在电机阀中选择使用单极步进电机主要是由低成本驱动器集成电路(IC)或驱动电路(如4条低端驱动器电路)的供应情况决定。单极方案的一项缺点是仅有半数的绕组随时都储有能量(基本上单极步进电机铜用量是运转电机所需铜量的两倍)。

　　第三种类型是双极步进电机，每相有一个绕组。与单极电机相比，这种方案在尺寸及重量方面较有优势，因为绕组中的铜用量大约只有电机特性相似的单极电机的一半。两个绕组通过仅4条线与ECU电气连接(比较之下，单极电机或带有传感器的BDC电机为5条线)。双极步进电机通常由双全桥晶体管组合来驱动，每个绕组一个。与BDC及单极步进电机架构相比，新的双极步进电机促动器技术提供均衡的解决方案：更多系统优势(即提供特性和质量的优化组合)，而不会带来系统总成本方面的损失，主要的原因是双极步进电机本质上包含“虚拟”传感器，而且也可以通过监测反电动势(BEMF)或BEMF信号来推断电机的运转模式(如高速运转、停转状况等)。

虚拟传感器的优势

　　以嵌入式停转检测算法为基础的BEMF信号使系统能够非常精确地检测瓣的终点止动(end-stop)。通常在运转期间特意实现终点止动，如当瓣在接近闭合(near-closed)位置运转时。闭环特性(或仅是伪闭环)涉及的是每隔一段时间特意转入停转状态。然后，停转检测功能就支持从完全闭合的瓣位置开始精确标记新位置。通过采取这种方式，即便是最小的开瓣(flap-opening)也可以精确维持，且可重复实现，产生真正的比例控制。显而易见，这种工作模式比利用基于步统计的开环绝对定位的传统方法相比更有优势。由于要确保在参考运行(referencingrun)中到达终点止动，这些方法要求驱动步进电机到达预估终点止动位置后还多运转几步。这导致电机运转阻断，出现相关可听噪声以机械和磁性元件老化问题。这样一来，能在一个完整步内检测终点止动的器件就可以避免在停转状态下出现噪声和震动问题。单个完整步内的停转检测还使转子和定子磁场保持同步。这就避免由于定子交流磁场导致的转子退磁滋生任何磁性元器件老化问题，并帮助维持寿命周期内稳定的促动器转矩。

　　在瓣需要尽快地闭合的情况，如外部传感器检测到存在外部污染空气时关闭再循环瓣，高速度要求的(speed-critical)定位至关重要。BEMF信号让步进电机有可能通过专用自适应速度电机驱动算法实现高速度要求的运行。这使步进电机能够挑战有刷直流电机促动器的其中一项主要优势，也就是能够在供电电压和负载允许的情况下尽快地旋转。步进电机以可能最快的速度运行，根据促动器和瓣特性(如负载)自动调配速度。在此自适应速度运行期间，无传感器停转检测可发挥作用，确保无误差的定位。这些算法支持的速度高达每秒1000个完整步。

　　瓣促动器技术小结

　　表1综合了我们讨论的瓣促动器技术的“适用性”。有刷直流电机和单极步进电机都有它们的优势，但有也弱点。新的双极步进电机技术看上去结合了前两种技术之长，并符合所有提到的要求。
总结完促动器技术，就轮到一流HVAC系统制造商来调配所有这些功能的恰当权重了。我们的观察结论是：这三类促动器的系统级成本相若，但如果仅顾及电机驱动器本身的采购成本，可能最后汽车制造商要选择次优的方案了。

　　新的再循环瓣驱动器IC

　　驱动配备上述技术的双极步进电机的集成电路现已上市。图2显示的是这类IC的典型框图。此IC置于ECU内，两个全H桥驱动双极步进电机的两相。ECU的微控制器(MCU)与IC借SPI接口及一套专用信号来通信。

　　驱动器中嵌入的电流转换表为绕组施加恰当的电流。仅在SPI寄存器定义绕组电流峰值、微步模式及预设运转方向时才需要设定微控制器。此后，微控制器能够通过仅发送“下一步”信号给IC，就可以依照电流转换表步进。然后，电机驱动器承担完全责任，产生全步、半步或正弦微步动作所要求的电流波形。发送“下一步”脉冲的速度确定了电机运转的速度。

　　能够通过SPI总线的方式可以执行和激活简单又很有效的停转检测算法。这芯片还支持自适应速度控制功能，用于在最高速度时闭合再循环瓣。这芯片还执行了恰当的诊断功能，用于检测所有相关误差状况，防止系统及IC受损。这IC包含中断输出引脚，用于在出现误差时警示微控制器。

　　结论

　　本文讨论了现有再循环瓣促动器技术，分析了这类再循环阀的工作要求。有刷直流电机促动器和单极步进电机促动器都不符合某些技术要求。而结合了新颖驱动器的双极步进电机阀提供可能是最优的技术方案，符合未来空气再循环阀的高质量运行要求。