汽車空調(diào)控制平臺化構(gòu)建

郭艷，李建民，陳昌瑞

汽車空調(diào)控制平臺化構(gòu)建

郭艷，李建民，陳昌瑞

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601 )

針對汽車空調(diào)控制器種類繁多且無法通用的特點，提出構(gòu)建空調(diào)控制器平臺的策略。通過構(gòu)建控制器控制模塊，實現(xiàn)控制器設(shè)計的簡單化，減少控制器設(shè)計成本和時間，實現(xiàn)產(chǎn)品的通用，最終完成產(chǎn)品的平臺化建設(shè)的目標(biāo)。

空調(diào)控制器；平臺化；通用

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-19-04

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們生活水平快速提高，現(xiàn)在，汽車空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車類產(chǎn)品中的必備裝置。汽車空調(diào)是汽車系統(tǒng)中較大的一個總成部件，又是車內(nèi)四大環(huán)境（音響，照明，儀表，空調(diào)）之一，因此，空調(diào)對整個汽車來說是一個非常重要的部件，其性能的好壞也是評價一個汽車優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

目前針對空調(diào)控制器的設(shè)計開發(fā)主要是依托于空調(diào)系統(tǒng)廠家，不同的廠商設(shè)計的空調(diào)控制器在結(jié)構(gòu)上都存在一定的差異，而這些差異主要是外觀造型和安裝結(jié)構(gòu)方面的，其內(nèi)部控制電路原理基本相同，而且為實現(xiàn)這些相同功能的控制邏輯不同廠商使用的電路結(jié)構(gòu)也存在一定的差異，定義的有效信號也不盡相同。

通過分析空調(diào)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將空調(diào)控制器的功能定義規(guī)范化，實現(xiàn)控制功能模塊的建立，為空調(diào)控制器的平臺化構(gòu)建打下基礎(chǔ)。有了規(guī)范化的空調(diào)控制器結(jié)構(gòu)，就可以省去控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，簡化了設(shè)計流程，有效的監(jiān)控空調(diào)控制器的設(shè)計問題，建立成熟，規(guī)范的空調(diào)控制器平臺。

1 空調(diào)控制器結(jié)構(gòu)組成

從傳統(tǒng)的機械操縱方式到電動操控方式再到全自動空調(diào)控制方式的不斷進步，整體上提高了汽車空調(diào)的綜合性能。未來汽車空調(diào)控制系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)化和功能集成化方向發(fā)展。現(xiàn)在，空調(diào)系統(tǒng)一般采用多傳感器作為系統(tǒng)輸入，由 ECU實現(xiàn)自動控制，可將車內(nèi)的溫濕度、空氣流速、冷凝風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)機風(fēng)量等自動控制在最佳狀態(tài)，系統(tǒng)可比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)約能耗 30%左右。

空調(diào)控制系統(tǒng)由傳感器、控制器（控制面板）和執(zhí)行器組成。傳感器包括：車內(nèi)溫度傳感器、車外環(huán)境溫度傳感器、蒸發(fā)箱溫度傳感器、光照傳感器等。執(zhí)行器包括：風(fēng)門執(zhí)行器（如溫度風(fēng)門執(zhí)行器、中央風(fēng)門執(zhí)行器、除霜風(fēng)門執(zhí)行器、循環(huán)風(fēng)門執(zhí)行器等）、風(fēng)機調(diào)速模塊、壓縮機離合器開關(guān)、暖水閥等。

圖1 自動空調(diào)控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

各部件功能簡介如下：

（1）溫度傳感器：檢測汽車內(nèi)部、外部及蒸發(fā)箱等各處的溫度，將實時環(huán)境溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺鳛榭刂戚斎?，輸入控制器?/p>

（2）光照傳感器：檢測光照強度，并將其轉(zhuǎn)變成電信號，輸入控制器，作為控制輸入。

（3）各風(fēng)門執(zhí)行器：按照控制器的控制輸出要求，及時準(zhǔn)確地使風(fēng)門打開或關(guān)閉或維持某一特定角度，并將位置信號反饋給控制器。

（4）風(fēng)機調(diào)速模塊：根據(jù)控制器控制信號要求實時調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速（風(fēng)量）。

（5）空調(diào)壓縮機離合器：根據(jù)控制器要求結(jié)合或斷開，控制壓縮機制冷或不制冷。

（6）暖水閥：按照控制器要求打開或關(guān)閉發(fā)動機循環(huán)水回路，以控制空調(diào)系統(tǒng)制熱或不制熱。

（7）CAN 通訊接口：用于發(fā)動機冷卻水溫度信號下載與空調(diào)系統(tǒng)故障信號上傳。

2 空調(diào)控制器模塊解析

2.1 系統(tǒng)的基本功能要求

（1）具有工作指示及夜間照明指示。

（2）操作送風(fēng)模式按鍵，模式風(fēng)門執(zhí)行器動作，出風(fēng)狀態(tài)與控制面板顯示一致。

（3）操作內(nèi)循環(huán)模式按鍵，循環(huán)風(fēng)門執(zhí)行器動作，進風(fēng)狀態(tài)與控制面板顯示一致。

（4）操作溫度設(shè)定按鍵，設(shè)定溫度隨之發(fā)生變化，自動空調(diào)根據(jù)溫度設(shè)定自動控制混合風(fēng)門執(zhí)行器、壓縮機等工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，以改變和維持駕駛艙內(nèi)溫度。

（5）按溫度調(diào)節(jié)鍵‘+’表示溫度設(shè)置加，按溫度調(diào)節(jié)鍵‘-’表示溫度設(shè)置減，按一下溫度設(shè)置加（減）鍵，設(shè)置溫度加（減）1℃，長按該鍵設(shè)置溫度連續(xù)上升（下降）。

（6）操作風(fēng)力調(diào)節(jié)按鍵，風(fēng)量相應(yīng)改變，風(fēng)機風(fēng)速共分9 級。

（7）按下除霜鍵，系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，風(fēng)機自動升為最高級數(shù)，進風(fēng)方式處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)。

（8）按下 A/C 鍵，啟動壓縮機工作，屏幕顯示雪花標(biāo)志。

（9）按下 AUTO 鍵，系統(tǒng)處于自動工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定溫度與室內(nèi)溫差變化時，系統(tǒng)自動確定送風(fēng)級數(shù)、送風(fēng)狀態(tài)。按下 A/C 鍵，除霜鍵或者設(shè)置溫度 LO、HI，系統(tǒng)自動退出 AUTO 模式。

（10）記憶功能。系統(tǒng)斷電，然后再次通電，系統(tǒng)的工作狀態(tài)與關(guān)機前的一致。

（11）空調(diào)系統(tǒng)故障查詢：長按 OFF 鍵（時間小于 5秒），溫度顯示區(qū)顯示故障代碼，連續(xù)按下 OFF 鍵，可查詢多個故障，連續(xù) 5 秒不按 OFF 鍵，則退出故障查詢方式。

（12）按 OFF 鍵，系統(tǒng)進入關(guān)機狀態(tài)，按任意鍵系統(tǒng)開機。

2.2 功能模塊

控制器主要由數(shù)據(jù)采集輸入模塊、控制信號輸出模塊、CAN 通訊模塊和信息顯示模塊四大部分組成。采集模塊作為數(shù)據(jù)輸入部分，檢測汽車駕駛艙內(nèi)的溫度、車外環(huán)境溫度、光照強度等信息，將其轉(zhuǎn)化成電信號輸入 MCU；輸出控制模塊負責(zé)將數(shù)據(jù)進行存儲和運算，并通過執(zhí)行器輸出；顯示模塊將溫度參數(shù)及各種運行信息顯示出來，是重要的人機界面。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 MCU（微控制器）選擇

PIC單片機的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)，由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。PIC的取指和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu),當(dāng)一條指令被執(zhí)行時，允許下一條指令同時被取出，這樣就實現(xiàn)了單周期指令，只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。

2.2.2 溫度測量

在汽車空調(diào)控制中，溫度信號是整個系統(tǒng)進行計算的根據(jù)。如果溫度測量不準(zhǔn)，控制系統(tǒng)的精度就無從談起。所以溫度采集環(huán)節(jié)直接關(guān)系到控制性能的好壞。通常用來測量溫度的元器件有熱電偶、金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏元件等。溫度檢測與控制系統(tǒng)采用負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），溫度特性曲線如圖 2.2所示，溫度采集電路原理如圖3 所示。

圖3 NTC 溫度的特性曲線

如下圖所示，使用電阻 R5、R8 進行分壓，R6 與 C11、C12 組成濾波網(wǎng)絡(luò)。電壓輸出范圍計算：根據(jù)電阻變化范圍，計算出輸出電壓范圍是 4.46V～0.14V。輸出電壓經(jīng)過濾波后接到處理器的 ADC 接口。

圖4 溫度采集電路原理

2.2.3 光照強度測量

常用的光照傳感器均為光敏原件，如光敏電阻、光敏二極管或者光敏三極管等。光敏電阻接受陽光照射后其阻值會變小，光敏二極管和三極管的硅 PN 結(jié)受到光照后產(chǎn)生的光電效應(yīng)，檢測光照強度電路原理圖如圖5所示，當(dāng)光照強度發(fā)生變化時模擬信號采樣端口的電壓隨之發(fā)生變化。

圖5 光照強度測量電路原理圖

2.2.4 按鍵接口設(shè)計

按鍵（鍵盤）是微型計算機系統(tǒng)最常用的輸入設(shè)備，在硬件電路設(shè)計上，它是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，用戶可以通過按鍵向控制面板輸入或設(shè)定。鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有使用靈活、結(jié)構(gòu)簡單等特點，因此被廣泛應(yīng)用于單片機系統(tǒng)。

圖6 鍵盤結(jié)構(gòu)圖

2.2.5 風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動

本設(shè)計中，溫度風(fēng)門、中央風(fēng)門、除霜風(fēng)門和循環(huán)風(fēng)門均采用直流伺服電機驅(qū)動，風(fēng)門位置反饋采用電位器形式，執(zhí)行機構(gòu)電路原理圖如圖7所示。

風(fēng)門執(zhí)行器固定到空調(diào)殼體上，執(zhí)行器的輸出軸通過一個連桿機構(gòu)與風(fēng)門軸相連接，當(dāng)執(zhí)行器輸出軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時帶動風(fēng)門軸一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)風(fēng)門的啟閉。

當(dāng)風(fēng)門需要調(diào)節(jié)時，MCU 向執(zhí)行器驅(qū)動電路發(fā)出指令，驅(qū)動執(zhí)行器開始 CW 或CCW 方向運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓以 PWM 的形式施加到伺服電機的端子間，伺服電機的運轉(zhuǎn)帶動反饋電位器同步動作，電位器的輸出電壓隨之變化，并通過 AD 口送入 MCU，以確定風(fēng)門運轉(zhuǎn)是否到位。

圖7 執(zhí)行機構(gòu)電路原理圖

圖8 電機驅(qū)動及電流檢測電路原理

2.2.6 MOS 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路原理如下圖9所示：

圖9 為控制器提供所需的相應(yīng)控制電壓

2.2.7 壓縮機控制

壓縮機電磁離合器的工作電壓為 24V，由于離合器的工作電流較大，一般可達 3A左右，故選用 DC-SSR 固態(tài)繼電器作為驅(qū)動芯片。固態(tài)繼電器是

一種無觸點開關(guān)器件，是用小信號控制大功率負載的一種電子開關(guān)，具有體積小、無噪音、無火花、無電磁干擾、無污染、可靠性高、穩(wěn)定性好、開關(guān)速度快、抗干擾能力強、輸出輸入完全隔離等諸多優(yōu)點。硬件設(shè)計中，通過單片機的I/O 接口控制繼電器的通斷，達到控制壓縮機啟停的目的，硬件原理如圖10所示。圖中在負載 L1 的兩端并接了一個續(xù)流二極管 D2，以減小負載啟停時的瞬間感應(yīng)電流沖擊。

圖10 壓縮機控制原理圖

2.2.8 鼓風(fēng)機控制

鼓風(fēng)機調(diào)速模塊控制端直接由 MCU 的 PWM 輸出直接驅(qū)動，隨著占空比的增加，加載在鼓風(fēng)機兩端的直流電壓也增加。鼓風(fēng)機全速工作電壓 24V。

3 結(jié)論

通過對控制器內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)的解析和總結(jié)，實現(xiàn)控制器功能邏輯的規(guī)范和同一，將控制器控制模塊單獨分離出來，制作為一個穩(wěn)定的設(shè)計元素，可以被以后新車型控制器所借用，而不必每次耗費人力物力來重新設(shè)計。使用現(xiàn)成的技術(shù)，不僅可以大大簡化控制器的設(shè)計過程，而且還可以減少，新的控制器出現(xiàn)問題的數(shù)量，為我們提供一個良好的控制器平臺。甚至說，通過這個過程，可以積累我們的知識，提升我們的技術(shù)素養(yǎng)。

[1] 肖鴻光.汽車空調(diào)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.11 ∶1～10.

[2] 聞芳.當(dāng)前汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢探究[J].黑龍江科技信息,2010.10.

[3] Masatoshi Mitsuiu. Improvement of refrigerant flow control method in automotive air-conditioners. SAE Trans,1987(96) section l∶167～178.IEEE, December 1990∶1590～1591.

Build the platform of air conditioning controller

Guo Yan, Li Jianmin, Chen Changrui
（Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601）

Considering the operation of there are too many kinds of air conditioning controller and all of them can't be used by each other. We can put forward a strategy about building an air conditioning controller platform. By the way to build the module of air conditioning controller ,the process for designing will be simplified. The coast and time can be saved and will realize the product can be current.Finally we can complete the goal of building controller platform.

air conditioning controller; platform; Control Strategy; current

U463.6

A

1671-7988 (2017)16-19-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.008

郭艷，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。