一個新的采用智能功率技術(shù)的車用暖通空調(diào)系統(tǒng)閥門驅(qū)動器

摘要

本文旨在于簡要介紹汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)的特點，并詳細(xì)介紹如何使用一個智能功率驅(qū)動器控制通風(fēng)閥的定位。

今天，汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)非常普及，市場對暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求量已經(jīng)與出廠汽車的數(shù)量相當(dāng)。

暖通空調(diào)系統(tǒng)基本上可分為三類:手動空調(diào)、半自動空調(diào)和全自動空調(diào)。

這三種系統(tǒng)存在于不同的地區(qū)市場和汽車市場。

自動空調(diào)和半自動空調(diào)的通風(fēng)閥是由步進(jìn)電機或直流電機驅(qū)動的。

本文的目的是分析在先進(jìn)暖通空調(diào)系統(tǒng)中使用意法半導(dǎo)體的智能功率器件驅(qū)動控制電動閥門有哪些特色和好處。

意法半導(dǎo)體的智能功率驅(qū)動器集成一個SPI總線控制級和多項保護(hù)功能，在輸出級集成8個或6個半橋電路，能夠驅(qū)動采用多種配置的直流電機和步進(jìn)電機，同時為兩個同步運轉(zhuǎn)電機提供電流反饋功能。

在新推出的兩款器件，其中一款集成一個開關(guān)式電源模塊，用于控制一個外部升壓轉(zhuǎn)換器，使其能夠同時驅(qū)動4臺步進(jìn)電機（雙極電機）或者不通過升壓轉(zhuǎn)換器依次驅(qū)動3臺步進(jìn)電機。在直流電機應(yīng)用環(huán)境中，這些器件可同步驅(qū)動最多4臺直流電機或依次驅(qū)動7臺直流電機。

此外，兩個采用多路復(fù)用技術(shù)的電流監(jiān)測功能能夠檢測電機電流。通過適合的外部硬件，可以管理這兩個電流監(jiān)測功能的信號，使這些驅(qū)動器能夠支持無傳感器式位置檢測算法，從可以節(jié)省直流電機上的電位計。

前言

暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)能夠向車廂輸送冷風(fēng)或熱風(fēng)，為乘客和駕駛員提供一個安全、舒適、輕松的環(huán)境，提高車窗和后視鏡的玻璃的可視性，濾除車廂內(nèi)的花粉、塵土和異味。

最近，我們看到小轎車對空調(diào)系統(tǒng)的需求大幅增長。為確保汽車乘坐起來如同家里的沙發(fā)一樣舒適，空調(diào)系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，相關(guān)法規(guī)也越來越多。事實上，現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)將車內(nèi)分為四個不同的區(qū)域，對每個區(qū)域進(jìn)行獨立的氣候控制。因此，今天幾乎找不到一個沒有暖通空調(diào)系統(tǒng)的小轎車，空調(diào)系統(tǒng)的產(chǎn)量幾乎等于小轎車的產(chǎn)量。

自從汽車開始安裝空調(diào)的時候起，多項改良技術(shù)增加了現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。隨著空調(diào)系統(tǒng)向半自動空調(diào)和全自動化發(fā)展，人們預(yù)測手動空調(diào)的市場占有率將會逐步減少，但是，考慮到手動空調(diào)是經(jīng)濟轎車的首選解決方案，我們可以斷定，手動空調(diào)系統(tǒng)不會很快退市。為順應(yīng)汽車空調(diào)市場的發(fā)展趨勢，滿足汽車廠商對暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求，針對空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)閥定位電機應(yīng)用，意法半導(dǎo)體開發(fā)出兩款新的智能功率驅(qū)動器 L99MD01和L99MD02。 L99MD01通常用于高端空調(diào)解決方案，而L99MD02則滿足中檔空調(diào)系統(tǒng)的需求。

驅(qū)動通風(fēng)閥控制器的新型智能功率芯片

空調(diào)系統(tǒng)可以分為三大類型:手動空調(diào)、半自動空調(diào)和全自動空調(diào)。自動空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)閥是由步進(jìn)電機或直流電機來控制的，具體是哪種電機取決于系統(tǒng)的復(fù)雜性和客戶需求。

典型的通風(fēng)閥電機配置是利用內(nèi)置電位計的直流電機執(zhí)行位置檢測功能；另一種控制方法是采用單極步進(jìn)電機。采用步進(jìn)電機的解決方案有一大缺陷：連接通風(fēng)閥執(zhí)行器和電子氣候控制單元需要5條線。顯然，為快速且精確地調(diào)整溫度，需要增加通風(fēng)閥和電機的數(shù)量，這勢必導(dǎo)致車上的線束變得龐大和雜亂。 采用LIN總線驅(qū)動的機電控制方法是一個可行的解決方案，但是，成本的增加使這個解決方案僅適用于特別高檔的小轎車。

 L99MD01和L99MD02能夠滿足客戶的多項需求。這兩個器件都定位于中高檔汽車市場，為通風(fēng)閥定位系統(tǒng)開發(fā)人員提供完整的保護(hù)功能和設(shè)計靈活性。這兩款產(chǎn)品都是由SPI總線控制，整合了完整的診斷和保護(hù)功能，能夠監(jiān)控所有的輸出。

采用L99MD01驅(qū)動步進(jìn)電機

L99MD01是一款由6路半橋組成的車用驅(qū)動器，能夠驅(qū)動步進(jìn)電機和直流電機。
當(dāng)被用作步進(jìn)電機驅(qū)動器時，通過內(nèi)置的開關(guān)式電源模塊，配合外部升壓轉(zhuǎn)換器，這款芯片能夠同時驅(qū)動4臺步進(jìn)電機，或者依次驅(qū)動3臺步進(jìn)電機。

這個芯片為驅(qū)動通風(fēng)閥的每臺步進(jìn)電機節(jié)省兩條線，把線數(shù)從5條減到3條。此外，L99MD01還能驅(qū)動成本低廉的雙極繞組的步進(jìn)電機，每相可以節(jié)省一個繞組，因此能夠減少線纜數(shù)量。
                  
圖1:L99MD01應(yīng)用示意圖

通過利用內(nèi)置SMPS模塊，可以實現(xiàn)一個直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器，把電源電壓提高一倍，取得一個對稱電壓電源(0V / Vs / 2xVs)，半橋電路被轉(zhuǎn)換為全橋工作模式，準(zhǔn)許雙向電流通過，通過兩個半橋驅(qū)動一臺步進(jìn)電機的兩相。

此外，這個對稱電源向步進(jìn)電機的各相繞組供給雙向電流，每相只需一條線，這意味著，如果所有電機都共用一條電源線，從控制單元引出兩條線即可驅(qū)動一臺雙極步進(jìn)電機（如圖1所示）。

我們從圖2可以看出采用L99MD01的步進(jìn)電機驅(qū)動器設(shè)計在布線和成本方面的優(yōu)點。

圖2:驅(qū)動雙極模式的步進(jìn)電機節(jié)省電線和成本

采用L99MD0x系列產(chǎn)品驅(qū)動直流電機

相對于步進(jìn)電機，直流電機成本更加低廉，是通風(fēng)閥控制系統(tǒng)中最常用的控制電機。L99MD01和L99MD02兩款產(chǎn)品都能用于驅(qū)動直流電機控制的通風(fēng)閥定位系統(tǒng)。

在這兩款產(chǎn)品中，L99MD01的功能和技術(shù)比較復(fù)雜，主要用于高端的汽車市場；該芯片整合了8個半橋電路，能夠同時驅(qū)動4個直流電機或依次驅(qū)動7臺直流電機，如圖3和圖4所示。

圖3- L99MD01同時驅(qū)動4臺直流電機

圖4- L99MD01依次驅(qū)動7臺直流電機

L99MD02是一個精簡版的L99MD01。該產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)包括一個6路半橋驅(qū)動器，沒有外部升壓轉(zhuǎn)換器用SMPS模塊，目標(biāo)應(yīng)用鎖定在中檔汽車空調(diào)系統(tǒng)市場。

L99MD02擁有L99MD01的保護(hù)功能與特性，但是，只能同時驅(qū)動3個直流電機或依次驅(qū)動6臺直流電機，如圖5所示。

圖5- L99MD02依次驅(qū)動3臺直流電機

如前文所述，在采用直流電機的空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)，通風(fēng)閥的位置由安裝在電機內(nèi)的電位計來檢測。

這個簡單的解決方案需要每個電位計連接一條電源線，每個電位計還要連接發(fā)動機控制單元。 。

利用意法半導(dǎo)體的驅(qū)動器和脈動電流算法，可以實現(xiàn)先進(jìn)的無傳感器的通風(fēng)閥位置檢測機制，這種方法的好處是無需安裝電位計及相關(guān)的連線，從而有助于降低系統(tǒng)總體成本。事實上，通過將電流監(jiān)測引腳發(fā)送的信號用作外部高/低通濾波器的輸入，可以從脈動電流軟件處理程序中提取檢測電機轉(zhuǎn)數(shù)和通風(fēng)閥位置所需的信息。這兩個同步電流監(jiān)控線的信號被復(fù)用到不同的半橋輸出上，微控制器利用這些信號讀回負(fù)載電流，以識別工作正常和失效的條件。事實上，電流監(jiān)控(CM)引腳負(fù)責(zé)提供電機瞬間鏡像電流，同時通過SPI接口設(shè)置相關(guān)寄存器，為調(diào)整預(yù)計電流函數(shù)中的增益(1/250, 1/500,1/750, 1/1000)提供可能。

 現(xiàn)在我們討論脈動電流計數(shù)器方法，通過從脈動電流中分離直流部分，可以過濾從CM引腳得到的信息。直流部分提供與負(fù)載相關(guān)的信息，可用于估算電機的轉(zhuǎn)速。脈動電流與轉(zhuǎn)子繞組個數(shù)有關(guān)，如果管理得當(dāng)，脈動電流能夠表示真正的換向信息。這個信號可用于產(chǎn)生一個脈沖序列，然后，微控制器讀取這個脈沖序列，根據(jù)讀取的信息計算電機轉(zhuǎn)數(shù)。

圖6：有/無電位計的直流電機驅(qū)動電路

產(chǎn)品特性與保護(hù)功能

該芯片內(nèi)置一個24位標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI），用于控制所有的輸出引腳，管理芯片與微控制器的通信。事實上，芯片是通過SPI收發(fā)數(shù)據(jù)幀，向微控制器提供有關(guān)芯片狀態(tài)的診斷信息，根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)整不同的輸出。該產(chǎn)品整合了多項診斷功能，包括開路負(fù)載、超負(fù)載、溫度報警和熱關(guān)斷檢測。

所有這些診斷功能都在芯片內(nèi)部過濾：所有條件都必須保持有效32µs，才能使?fàn)顟B(tài)寄存器內(nèi)相應(yīng)位置位。插入濾波器的目的是提高驅(qū)動器的抗噪性能，降低微控制器軟件的復(fù)雜性。開路負(fù)載和溫度報警僅用于信息提醒目的，不會改變輸出狀態(tài)；相反，超負(fù)載和熱關(guān)斷將禁用相應(yīng)的輸出功能或關(guān)閉器件的電源。

兩款產(chǎn)品都內(nèi)置交叉電流保護(hù)功能，這是直流電機驅(qū)動電路中的一個重要功能，在電機換向時尤為重要，這個功能的實質(zhì)是，在關(guān)閉一條對角線方向的上一對開關(guān)管后，在導(dǎo)通另一條對角線上的開關(guān)管時施加一段延時，這個延時可以避免同一個橋臂上的上橋臂和下橋臂開關(guān)管同時導(dǎo)通。