CN102545746B - 一种新型汽车空调风机调速器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机调速领域，特别涉及用于汽车空调风机的调速设备。目的是克服现有调速器体积大，电路结构复杂、无法无级调速、通用性差、保护功能不齐全的不足，而提出一种新型汽车空调风机调速器及其工作方法。本发明采用先进的ASIC技术，把所有功能均集成到一块硅片上并封装成芯片，采用这种芯片设计了一款新型汽车空调风机调速器。

Description

一种新型汽车空调风机调速器及其工作方法

技术领域

本发明属于电机调速领域，特别涉及用于汽车空调风机的调速设备。

背景技术

目前国内大部分汽车空调风机采用的是有刷直流电机串电阻的调速，无刷直流电机调速，变极调速。

文献“交流调速系统（第一版）（刘竞成.上海：上海交通大学出版社，1984.）”指出，串电阻调速方法是在直流单相电机的电驱回路中串接多个附加电阻，通过换挡开关改变串入的电阻数，从而改变电机电驱回路串入的电阻R，使电驱电流发生改变来实现电机调速的，这种调速方法效率低下，很大一部分功耗消耗在串入的电阻上，而且调节范围有限，只有固定的几个档，无法实现平滑连续的无级调速，串电阻调速的原理如图1所示。

文献“毛维杰，沈云宝.汽车空调无刷直流风机的驱动和保护【J】.汽车电器，1995（4）；8-10.”，“夏长亮.薛向党.汽车空调无刷直流电机设计研究【J】.微电机，1999（3）：7-8.”，“夏长亮.史婷娜.汽车空调用非桥式无刷直流电机仿真研究【J】.微电机，2001（3）：7-9.”介绍了无刷直流电动机调速系统在汽车空调风机中的应用。其驱动电路如图2所示。

在图2所示调速系统中，驱动电路采用三相星形非桥式线路，功率管选用MOSFET管，双管并联，R、C串联电路为缓冲电路，用来保护功率MOSFET管，转子位置信号由霍尔式位置传感器获得，3个霍尔元件沿圆周均布，位置传感器的旋转部分由磁体和非磁体组成一圆环，并与电机本体主转子同轴连接，当位置传感器转子的扇形片（非磁体）对准霍尔元件时，霍尔元件由于感应不到磁场而输出高电平，使由其控制的功率管导通，电源给相应的一组电驱绕组馈电，其他两相电驱绕组由于霍尔元件输出低电平而无法和电源接通。这样，随着电机主转子的转动，位置传感器转子扇形片也跟着转动，电驱绕组便一相一相地依次馈电，从而实现各绕组的换流，通过改变电驱绕组通电时间和加在其上的电压，即可实现电机调速，从而控制汽车空调风机的运行。但是这种调速装置电路结构相对复杂，所采用的元器件多，成本大大提高，通用性也差。

文献“阮明旺.多速电动机在拖动空调风机设备中的应用【J】.山东纺织科技，1995（4）：41-43.”指出有关变极调速在空调风机中的应用。通过设计相应的控制电路来控制变极多速三相异步电机在不同负载情况下分别在低速、中速和高速三个速度段下运行，从而起到调速并节能的作用。它包括主电路和控制电路两大部分，其中主电路主要由空气开关，互感器，接触器主触点及热继电器和YD系列变极多速三相异步电动机组成，控制电路主要由电源及运行状态指标，风机低速段，中速段和高速段运行四个控制部分组成，另外在回路中还有保护电路和测量电路，同样电路结构相对复杂，电机的结构也比较复杂，制造成本大大提高，更为严重的是只有低速段、中速段、高速段3个段，无法实现无级调速。

由此可见，目前国内大部分汽车的空调风机调速器体积大、电路复杂、无法无级调速，除此外，这些调速器通用性差，一款型号的调速器只能对几种相对固定型号的电机进行调速。

发明内容

本发明的目的是克服现有调速器体积大，电路结构复杂、无法无级调速、通用性差、保护功能不齐全的不足，而提出一种新型汽车空调风机调速器及其工作方法。本发明采用先进的ASIC技术，把所有功能均集成到一块硅片上并封装成芯片，采用这种芯片设计了一款新型汽车空调风机调速器。

具体技术方案如下：一种新型汽车空调风机调速器，包括电源保护电路、控制电路、功率电路和信号输入模块以及接口电路，其特征在于：上述电源保护电路包含电阻、电容、和肖特基二极管，所述电源保护电路的电容C10和C12并联，其中C12为极性电容，肖特基二极管D1与电容C13并联，电阻R3一端与C12的正极相连，电阻R3另一端与肖特基二极管D1负极相连，电容C12负极和肖特基二极管D1正极端接地；所述控制电路包括PWM信号处理模块、控制模块、输出驱动模块、反馈接口、温度检测模块、过压欠压检测模块和电源模块，上述各模块通过各个电压控制信号相互级联在一起，其中控制模块分别与反馈接口、PWM信号处理模块、输出驱动模块、温度检测模块连接和过压欠压检测模块连接，电源模块分别与PWM信号处理模块、温度检测模块、和过压欠压检测模块连接；所述功率电路包括功率开关管T1、反相串联的二极管D5和D7、相互并联的电容C9和C11、电阻R9和电容C15、以及第一1脚接口MOTOR1和第二1脚接口MOTOR2；所述第一1脚接口MOTOR1与电源BATT相连，所述第二1脚接口MOTOR2与功率开关管T1的D脚相连接，所述相互并联的电容C9和C11跨接于第一1脚接口和第二1脚接口之间，所述反相串联的二极管D5和D7跨接于功率管T1的D脚和G脚之间，所述的电容C15跨接于功率管T1的D脚和S脚之间，并且功率开关管T1的S脚与地相连接。

上述控制电路采用ASIC技术，把控制电路的各个模块集成于一块专用IC上，其型号为AA539B。

上述电源保护电路的二极管D1的型号是SMAJ18A，所述电容C12型号为X2.22V ZR，所述电容C10型号为1206B106K250NT；上述功率电路包含的功率开关管T1的型号是IRFBA1405P，二极管D5、D7的型号是SMAJ18A，电容C11、C15的型号是1206B106K250NT。

上述电源保护电路、控制电路和功率电路的所有元器件均采用贴片封装焊接在一块长宽分别为61.5mm和45.7mm的PCB板上，整个电路板高度为5.6mm，并通过第三5脚接口与外部电源、PWM信号及电机相连接。

所述调速器的散热部件采用一个长4.5cm、宽3cm、高2cm的铝合金散热器，且该铝合金散热器通过导热油脂和功率电路的功率开关管T1紧密结合在一起，并固定在一个塑料盒中。

一种新型汽车空调风机调速器的工作方法，具有以下步骤：

1）系统上电，进行下列判断：

a、供电电压是否在9.1v到16.9v之间；

b、PWM信号低电平是否小于2.3v，且高电平高于3.3v；

c、PWM信号频率是否在10Hz到25Hz之间；

d、温度是否在-30度到110度之间；

e、输入电源是否反接；

如果a、b、c、d和e中有一个不满足条件则关闭空调风机；

2）测出输入PWM信号的相关参数，计算出对应控制信号的相关参数，产生对应的控制信号；

3）控制信号输出给输出驱动模块；

4）由输出驱动模块驱动空调风机运转；

5）判断供电电压是否小于8.7v或者大于17.5v；如果满足条件则关闭空调风机，否则返回步骤1）进行下一个循环。

本发明的有益效果是：整个控制电路体积大大缩小，长、宽、高的尺寸分别为61.5mm、45.7mm、5.6mm，整个电路只有一块集成IC，一个功率管和一些贴片电阻，贴片电容和贴片二极管，一个5脚插拔接口焊接在一块PCB板上，结构非常简单；通过改变输入PWM信号的占空比，风机转速就可以线性地在0至最大速度间无级平滑的调节，达到了无级调速的目的；并且只要在控制电路所能提供的最大功率范围内，任何一款直流单相电机均可以采用这个调速器来调节转速，具有很强的通用性；同时还具有齐全的检测与保护功能，比如过压保护、欠压保护、输入PWM信号高低电平的检测、输入PWM信号频率的检测、温度检测与保护、电机转速的检测与稳定、供电电压的反接与保护。

附图说明

图1为现有技术中汽车空调风机串电阻的调速电路图。

图2为现有技术中汽车空调风机调速系统驱动电路图。

图3为本发明调速器的组成框图。

图4为图3中电源保护电路图。

图5为图3中控制电路的组成框图。

图6为图3中功率电路的原理图。

图7为本发明调速器工作方法示意图。

图8为本发明调速器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对发明作更详尽的说明。

请参阅图3，本发明汽车空调风机调速器主要由供电电路、电源保护电路、控制电路、信号输入模块、功率电路、反馈环路、接口电路构成。上述供电电路给控制电路和功率电路提供稳定的直流电压，电源保护电路主要是防止供电电压反接时烧坏控制电路而设计的，可以起到很好的保护作用，功率电路为电机提供足够的功率，使电机可以驱动负载正常工作，反馈环路是把相关输出信号反馈给控制电路，使整个系统可以高效稳定的工作，抗干扰能力大大提高，整个系统的输入控制信号为PWM信号，通过改变PWM信号的占空比线性的调节电机的转速，电源，信号及电机均通过第三5脚接口和调速器相连接。本发明调速器的电源保护电路、控制电路和功率电路的所有元器件均采用贴片封装焊接在一块长宽分别为61.5mm和45.7mm的PCB板上，整个电路板高度为5.6mm，并通过第三5脚接口与外部电源、PWM信号及电机相连接。本发明调速器的散热部件采用一个长4.5cm、宽3cm、高2cm的铝合金散热器，且该铝合金散热器通过导热油脂和功率电路的功率开关管T1紧密结合在一起，并固定在一个塑料盒中。

见图4，上述电源保护电路包含电阻、电容、和肖特基二极管，所述输入电源模块的电容C10和C12并联，其中C12为极性电容，肖特基二极管D1与电容C13并联，电阻R3一端与C12正极相连，电阻R3另一端与肖特基二极管D1负极相连，电容C12负极和肖特基二极管D1正极端接地，电源经过这个输入电源保护模块给控制模块供电。当电源反接于电阻和二极管的串联电路时，二极管导通，钳位在0.7V左右，那么POWSUP端的电压为-0.7V左右，不会把整个系统烧坏，起到了反接保护的作用。所述电源保护电路的二极管D1的型号是SMAJ18A，所述电容C12型号为X2.22V ZR，所述电容C10型号为1206B106K250NT。

见图5，上述控制电路内部包含了PWM信号处理模块、控制模块、反馈接口，输出驱动模块、温度检测模块、过压欠压检测模块和电源模块，其中控制模块分别与反馈接口、PWM信号处理模块、输出驱动模块、温度检测模块连接和过压欠压检测模块连接，电源模块分别与PWM信号处理模块、温度检测模块、和过压欠压检测模块连接。经信号输入模块输入的PWM信号通过PWM信号处理模块测出信号的各个参数，并以电压的形式传输给控制模块，控制模块通过各种分析和计算得到对应的输出信号，输出信号通过输出驱动电路即输出驱动模块，得到一个有驱动能力的控制信号，从而控制外部的功率电路来完成对电机转速的调节，温度检测模块可以实时的监测环境温度，当环境温度超出整个电路所能承受的范围后便会发出信号关闭整个系统，保障系统安全稳定的工作，过压欠压保护模块则实时监测输入的电压，过高过低均会发出对应的信号，保护电路和电机的安全，电源模块则是产生各种电压信号，为控制电路的各个模块供电。本发明控制电路采用ASIC技术，把控制部分的各个模块集成于一块专用IC上，其型号为AA539B。

见图6，上述功率电路包括功率开关管T1，反相串联的二极管D5和D7，相互并联的电容C9和C11，电阻R9和电容C15，第一1脚接口MOTOR1和第二1脚接口MOTOR2。所述第一1脚接口MOTOR1与电源BATT相连，所述第二1脚接口MOTOR2与功率开关管T1的D脚相连接，所述相互并联的电容C9和C11跨接于第一1脚接口和第二1脚接口之间，所述反相串联的二极管D5和D7跨接于功率管T1的D脚和G脚之间，所述的电容C15跨接于功率管T1的D脚和S脚之间，并且功率开关管T1的S脚与地相连接，实现了对电机的驱动控制。所述的功率电路包含的功率开关管T1的型号是IRFBA1405P，二极管D5、D7的型号是SMAJ18A，电容C11、C15的型号是1206B106K250NT。

见图7和图8，系统一上电，就会对供电电压值、PWM信号高低电平、PWM信号频率范围、环境温度、供电电压反接与否一一判断，只要有一个条件不满足，系统就关闭风机，然后继续循环到开始处作同样的判断，直到所有条件均满足了要求，才进入测PWM信号的相关参数并计算分析产生对应的控制信号环节，然后把控制信号传给输出驱动电路，控制风机的运转，在风机运转之后，判断供电电压是否低于8.7V或者高于17.5V，如果是则关闭风机重新开始先前的各项检测与计算，否则风机正常运转并重新开始先前的各项检测与计算，改变PWM信号的占空比，风机的转速就线性的变化，实现了无级调速的功能。以上就是整个系统的工作流程。

显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型汽车空调风机调速器，包括电源保护电路、控制电路、功率电路和信号输入模块以及接口电路，其特征在于：上述电源保护电路包含电阻、电容、和肖特基二极管，所述电源保护电路的电容C10和C12并联，其中C12为极性电容，肖特基二极管D1与电容C13并联，电阻R3一端与C12的正极相连，电阻R3另一端与肖特基二极管D1负极相连，电容C12的负极和肖特基二极管D1正极端接地；所述控制电路包括PWM信号处理模块、控制模块、输出驱动模块、反馈接口、温度检测模块、过压欠压检测模块和电源模块，上述各模块通过各个电压控制信号相互级联在一起，其中控制模块分别与反馈接口、PWM信号处理模块、输出驱动模块、温度检测模块连接和过压欠压检测模块连接，电源模块分别与PWM信号处理模块、温度检测模块、和过压欠压检测模块连接；所述功率电路包括功率开关管T1、反相串联的二极管D5和D7、相互并联的电容C9和C11、电阻R9和电容C15、以及第一1脚接口MOTOR1和第二1脚接口MOTOR2；所述第一1脚接口MOTOR1与电源BATT相连，所述第二1脚接口MOTOR2与功率开关管T1的D脚相连接，所述相互并联的电容C9和C11跨接于第一1脚接口和第二1脚接口之间，所述反相串联的二极管D5和D7跨接于功率管T1的D脚和G脚之间，所述的电容C15跨接于功率管T1的D脚和S脚之间，并且功率开关管T1的S脚与地相连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型汽车空调风机调速器，其特征在于：上述控制电路采用ASIC技术，把控制电路的各个模块集成于一块专用IC上，其型号为AA539B。

3.根据权利要求1所述的一种新型汽车空调风机调速器，其特征在于：上述电源保护电路的二极管D1的型号是SMAJ18A，所述电容C12型号为X2.22V ZR，所述电容C10型号为1206B106K250NT；上述功率电路包含的功率开关管T1的型号是IRFBA1405P，二极管D5、D7的型号是SMAJ18A，电容C11、C15的型号是1206B106K250NT。

4.根据权利要求1所述的一种新型汽车空调风机调速器，其特征在于：上述电源保护电路、控制电路和功率电路的所有元器件均采用贴片封装焊接在一块长宽分别为61.5mm和45.7mm的PCB板上，整个电路板高度为5.6mm，并通过第三5脚接口与外部电源、PWM信号及电机相连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型汽车空调风机调速器，其特征在于：所述调速器的散热部件采用一个长4.5cm、宽3cm、高2cm的铝合金散热器，且该铝合金散热器通过导热油脂和功率电路的功率开关管T1紧密结合在一起，并固定在一个塑料盒中。

6.根据权利要求1所述的一种新型汽车空调风机调速器的工作方法，具有以下步骤：

1）系统上电，进行下列判断：

a、供电电压是否在9.1v到16.9v之间；

b、PWM信号低电平是否小于2.3v，且高电平高于3.3v；

c、PWM信号频率是否在10Hz到25Hz之间；

d、温度是否在-30度到110度之间；

e、输入电源是否反接；

如果a、b、c、d和e中有一个不满足条件则关闭空调风机；

2）测出输入PWM信号的相关参数，计算出对应控制信号的相关参数，产生对应的控制信号；

3）控制信号输出给输出驱动模块；

4）由输出驱动模块驱动空调风机运转；

5）判断供电电压是否小于8.7v或者大于17.5v；如果满足条件则关闭空调风机，否则返回步骤1）进行下一个循环。

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