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

摘要

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

今天，汽車空調(diào)通風系統(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。

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)的通風閥是由步進電機或直流電機驅動的。

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

意法半導體的智能功率驅動器集成一個SPI總線控制級和多項保護功能，在輸出級集成8個或6個半橋電路，能夠驅動采用多種配置的直流電機和步進電機，同時為兩個同步運轉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式電源模塊，用于控制一個外部升壓轉換器，使其能夠同時驅動4臺步進電機（雙極電機）或者不通過升壓轉換器依次驅動3臺步進電機。在直流電機應用環(huán)境中，這些器件可同步驅動zui多4臺直流電機或依次驅動7臺直流電機。

此外，兩個采用多路復用技術的電流監(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或熱風，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。

zui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)變得日益復雜，相關法規(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，多項改良技術增加了現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)的復雜程度。隨著空調(diào)系統(tǒng)向半自動空調(diào)和全自動化發(fā)展，人們預測手動空調(diào)的*將會逐步減少，但是，考慮到手動空調(diào)是經(jīng)濟轎車的解決方案，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)通風閥定位電機應用，意法半導體開發(fā)出兩款新的智能功率驅動器 L99MD01和L99MD02。 L99MD01通常用于空調(diào)解決方案，而L99MD02則滿足中檔空調(diào)系統(tǒng)的需求。

驅動通風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)的通風閥是由步進電機或直流電機來控制的，具體是哪種電機取決于系統(tǒng)的復雜性和客戶需求。

典型的通風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電機。采用步進電機的解決方案有一大缺陷：連接通風閥執(zhí)行器和電子氣候控制單元需要5條線。顯然，為快速且地調(diào)整溫度，需要增加通風閥和電機的數(shù)量，這勢必導致車上的線束變得龐大和雜亂。 采用LIN總線驅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汽車市場，為通風閥定位系統(tǒng)開發(fā)人員提供完整的保護功能和設計靈活性。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功能，能夠監(jiān)控所有的輸出。

采用L99MD01驅動步進電機

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

這個芯片為驅動通風閥的每臺步進電機節(jié)省兩條線，把線數(shù)從5條減到3條。此外，L99MD01還能驅動成本低廉的雙極繞組的步進電機，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)，半橋電路被轉換為全橋工作模式，準許雙向電流通過，通過兩個半橋驅動一臺步進電機的兩相。

此外，這個對稱電源向步進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動一臺雙極步進電機（如圖1所示）。

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

圖2:驅動雙極模式的步進電機節(jié)省電線和成本

采用L99MD0x系列產(chǎn)品驅動直流電機

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

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

圖3- L99MD01同時驅動4臺直流電機

圖4- L99MD01依次驅動7臺直流電機

L99MD02是一個精簡版的L99MD01。該產(chǎn)品的基本結構包括一個6路半橋驅動器，沒有外部升壓轉換器用SMPS模塊，目標應用鎖定在中檔汽車空調(diào)系統(tǒng)市場。

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

圖5- L99MD02依次驅動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。 。

利用意法半導體的驅動器和脈動電流算法，可以實現(xiàn)先進的無傳感器的通風閥位置檢測機制，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數(shù)和通風閥位置所需的信息。這兩個同步電流監(jiān)控線的信號被復用到不同的半橋輸出上，微控制器利用這些信號讀回負載電流，以識別工作正常和失效的條件。事實上，電流監(jiān)控(CM)引腳負責提供電機瞬間鏡像電流，同時通過SPI接口設置相關寄存器，為調(diào)整預計電流函數(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。直流部分提供與負載相關的信息，可用于估算電機的轉速。脈動電流與轉子繞組個數(shù)有關，如果管理得當，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數(shù)。

圖6：有/無電位計的直流電機驅動電路

產(chǎn)品特性與保護功能

該芯片內(nèi)置一個24位標準串行外設接口（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芯片狀態(tài)的診斷信息，根據(jù)應用要求調(diào)整不同的輸出。該產(chǎn)品整合了多項診斷功能，包括開路負載、超負載、溫度報警和熱關斷檢測。

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，才能使狀態(tài)寄存器內(nèi)相應位置位。插入濾波器的目的是提高驅動器的抗噪性能，降低微控制器軟件的復雜性。開路負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，超負載和熱關斷將禁用相應的輸出功能或關閉器件的電源。

兩款產(chǎn)品都內(nèi)置交叉電流保護功能，這是直流電機驅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，在關閉一條對角線方向的上一對開關管后，在導通另一條對角線上的開關管時施加一段延時，這個延時可以避免同一個橋臂上的上橋臂和下橋臂開關管同時導通。