專利名稱：一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器及其工作方法
一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器及其工作方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機調(diào)速領(lǐng)域，特別涉及用于汽車空調(diào)風(fēng)機的調(diào)速設(shè)備。
技術(shù)背景
目前國內(nèi)大部分汽車空調(diào)風(fēng)機采用的是有刷直流電機串電阻的調(diào)速，無刷直流電機調(diào)速，變極調(diào)速。
文獻(xiàn)“交流調(diào)速系統(tǒng)(第一版)(劉競成.上海上海交通大學(xué)出版社，1984.) ”指出，串電阻調(diào)速方法是在直流單相電機的電驅(qū)回路中串接多個附加電阻，通過換擋開關(guān)改變串入的電阻數(shù)，從而改變電機電驅(qū)回路串入的電阻R，使電驅(qū)電流發(fā)生改變來實現(xiàn)電機調(diào)速的，這種調(diào)速方法效率低下，很大一部分功耗消耗在串入的電阻上，而且調(diào)節(jié)范圍有限， 只有固定的幾個檔，無法實現(xiàn)平滑連續(xù)的無級調(diào)速，串電阻調(diào)速的原理如圖1所示。
文獻(xiàn)“毛維杰，沈云寶.汽車空調(diào)無刷直流風(fēng)機的驅(qū)動和保護J.汽車電器， 1995(4) ；8-10. ”，“夏長亮.薛向黨.汽車空調(diào)無刷直流電機設(shè)計研究J.微電機， 1999(3) :7-8. ”，“夏長亮.史婷娜.汽車空調(diào)用非橋式無刷直流電機仿真研究J.微電機，2001(3) :7-9. ”介紹了無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)在汽車空調(diào)風(fēng)機中的應(yīng)用。其驅(qū)動電路如圖2所示。
在圖2所示調(diào)速系統(tǒng)中，驅(qū)動電路采用三相星形非橋式線路，功率管選用MOSFET 管，雙管并聯(lián)，R、C串聯(lián)電路為緩沖電路，用來保護功率MOSFET管，轉(zhuǎn)子位置信號由霍爾式位置傳感器獲得，3個霍爾元件沿圓周均布，位置傳感器的旋轉(zhuǎn)部分由磁體和非磁體組成一圓環(huán)，并與電機本體主轉(zhuǎn)子同軸連接，當(dāng)位置傳感器轉(zhuǎn)子的扇形片(非磁體)對準(zhǔn)霍爾元件時，霍爾元件由于感應(yīng)不到磁場而輸出高電平，使由其控制的功率管導(dǎo)通，電源給相應(yīng)的一組電驅(qū)繞組饋電，其他兩相電驅(qū)繞組由于霍爾元件輸出低電平而無法和電源接通。這樣，隨著電機主轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片也跟著轉(zhuǎn)動，電驅(qū)繞組便一相一相地依次饋電，從而實現(xiàn)各繞組的換流，通過改變電驅(qū)繞組通電時間和加在其上的電壓，即可實現(xiàn)電機調(diào)速，從而控制汽車空調(diào)風(fēng)機的運行。但是這種調(diào)速裝置電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所采用的元器件多，成本大大提高，通用性也差。
文獻(xiàn)“阮明旺.多速電動機在拖動空調(diào)風(fēng)機設(shè)備中的應(yīng)用J.山東紡織科技， 1995(4) :41-43. ”指出有關(guān)變極調(diào)速在空調(diào)風(fēng)機中的應(yīng)用。通過設(shè)計相應(yīng)的控制電路來控制變極多速三相異步電機在不同負(fù)載情況下分別在低速、中速和高速三個速度段下運行， 從而起到調(diào)速并節(jié)能的作用。它包括主電路和控制電路兩大部分，其中主電路主要由空氣開關(guān)，互感器，接觸器主觸點及熱繼電器和YD系列變極多速三相異步電動機組成，控制電路主要由電源及運行狀態(tài)指標(biāo)，風(fēng)機低速段，中速段和高速段運行四個控制部分組成，另外在回路中還有保護電路和測量電路，同樣電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，電機的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，制造成本大大提高，更為嚴(yán)重的是只有低速段、中速段、高速段3個段，無法實現(xiàn)無級調(diào)速。
由此可見，目前國內(nèi)大部分汽車的空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器體積大、電路復(fù)雜、無法無級調(diào)速，除此外，這些調(diào)速器通用性差，一款型號的調(diào)速器只能對幾種相對固定型號的電機進行調(diào)速。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有調(diào)速器體積大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無法無級調(diào)速、通用性差、保護功能不齊全的不足，而提出一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器及其工作方法。本發(fā)明采用先進的ASIC技術(shù)，把所有功能均集成到一塊硅片上并封裝成芯片，采用這種芯片設(shè)計了一款新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器。
具體技術(shù)方案如下一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器，包括電源保護電路、控制電路、功率電路和信號輸入模塊以及接口電路，其特征在于上述電源保護電路包含電阻、電容、和肖特基二極管，所述電源保護電路的電容ClO和C12并聯(lián)，其中C12為極性電容，肖特基二極管Dl與電容C13并聯(lián)，電阻R3 —端與C12相連，另一端與肖特基二極管Dl相連，電容C12和肖特基二極管Dl另一端接地；所述控制電路包括PWM信號處理模塊、控制模塊、 輸出驅(qū)動模塊、反饋接口、溫度檢測、過壓欠壓檢測模塊和電源模塊，上述各模塊通過各個電壓控制信號相互級聯(lián)在一起；所述功率電路包括功率開關(guān)管Tl、反相串聯(lián)的二極管D5和 D7、相互并聯(lián)的電容C9和C11、電阻R9和電容C15、以及第一 1腳接口 M0T0R1和第二 1腳接口 M0T0R2 ；所述第一 1腳接口 M0T0R1與電源BATT相連，所述第二 1腳接口 M0T0R2與功率開關(guān)管Tl的D腳相連接，所述相互并聯(lián)的電容C9和Cll跨接于第一 1腳接口和第二 1 腳接口之間，所述反相串聯(lián)的二極管D5和D7跨接于功率管Tl的D腳和G腳之間，所述的電容C15跨接于功率管Tl的D腳和S腳之間，并且功率開關(guān)管Tl的S腳與地相連接。
上述控制電路采用ASIC技術(shù)，把控制部分的各個模塊集成于一塊專用IC上，其型號為 AA539B。
上述電源保護電路的二極管Dl的型號是SMAJ18A，所述電容C12型號為X2.22V ZR，所述電容ClO型號為1206B106K250NT ；上述功率電路包含的功率開關(guān)管Tl的型號是 IRFBA1405P，二極管 D5、D7 的型號是 SMAJ18A,電容 C11、C15 的型號是 1206B106K250NT,電容 Cl 的型號是 0805 104K/100V。
上述電源保護電路、控制電路和功率電路的所有元器件均采用貼片封裝焊接在一塊長寬分別為61. 5mm和45. 7mm的PCB板上，整個電路板高度為5. 6mm,并通過第三5腳接口與外部電源、PWM信號及電機相連接。
本發(fā)明調(diào)速器的散熱部件采用一個長4. 5cm、寬3cm、高2cm的鋁合金散熱器，且該鋁合金散熱器通過導(dǎo)熱油脂和功率電路的功率開關(guān)管Tl緊密結(jié)合在一起，并固定在一個塑料盒中。
一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器的工作方法，具有以下步驟
1)系統(tǒng)上電，進行下列判斷
a、供電電壓在9. Iv到16. 9v之間嗎？
b、PWM信號低電平小于2. 3v，且高電平高于3. 3v嗎？
c、PWM信號頻率在IOHz到25Hz之間嗎？
d、溫度在-30度到110度之間嗎？
e、輸入電源反接嗎？
如果a、b、C、d和e中有一個不滿足條件則關(guān)閉空調(diào)風(fēng)機；
2)測出輸入PWM信號的相關(guān)參數(shù)，計算出對應(yīng)控制信號的相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號；
3)控制信號輸出給驅(qū)動電路；
4)由驅(qū)動電路驅(qū)動空調(diào)風(fēng)機運轉(zhuǎn)；
5)判斷供電電壓小于8. 7v或者大于17. 5v嗎？如果滿足條件則關(guān)閉空調(diào)風(fēng)機，否則返回步驟1)進行下一個循環(huán)。
本發(fā)明的有益效果是整個控制電路體積大大縮小，長、寬、高的尺寸分別為 61. 5mm、45. 7mm,5. 6mm,整個電路只有一塊集成IC，一個功率管和一些貼片電阻，貼片電容和貼片二極管，一個5腳插拔接口焊接在一塊PCB板上，結(jié)構(gòu)非常簡單；通過改變輸入PWM 信號的占空比，風(fēng)機轉(zhuǎn)速就可以線性地在0至最大速度間無級平滑的調(diào)節(jié)，達(dá)到了無級調(diào)速的目的；并且只要在控制電路所能提供的最大功率范圍內(nèi)，任何一款直流單相電機均可以采用這個調(diào)速器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，具有很強的通用性；同時還具有齊全的檢測與保護功能，比如過壓保護、欠壓保護、輸入PWM信號高低電平的檢測、輸入PWM信號頻率的檢測、溫度檢測與保護、電機轉(zhuǎn)速的檢測與穩(wěn)定、供電電壓的反接與保護。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中汽車空調(diào)風(fēng)機串電阻的調(diào)速電路圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)中汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路圖。
圖3為本發(fā)明調(diào)速器的組成框圖。
圖4為圖3中電源保護電路圖。
圖5為圖3中控制電路的組成框圖。
圖6為圖3中功率電路的原理圖。
圖7為本發(fā)明調(diào)速器工作方法示意圖。
圖8為本發(fā)明調(diào)速器的工作流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對發(fā)明作更詳盡的說明。
請參閱圖3，本發(fā)明汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器主要由供電電路、電源保護電路、控制電路、信號輸入模塊、功率電路、反饋環(huán)路、接口電路構(gòu)成。上述供電電路給控制電路和功率電路提供穩(wěn)定的直流電壓，電源保護電路主要是防止供電電壓反接時燒壞控制電路而設(shè)計的，可以起到很好的保護作用，功率電路為電機提供足夠的功率，使電機可以驅(qū)動負(fù)載正常工作，反饋環(huán)路是把相關(guān)輸出信號反饋給控制電路，使整個系統(tǒng)可以高效穩(wěn)定的工作，抗干擾能力大大提高，整個系統(tǒng)的輸入控制信號為PWM信號，通過改變PWM信號的占空比線性的調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，電源，信號及電機均通過第三5腳接口和調(diào)速器相連接。本發(fā)明調(diào)速器的電源保護電路、控制電路和功率電路的所有元器件均采用貼片封裝焊接在一塊長寬分別為 61. 5mm和45. 7mm的PCB板上，整個電路板高度為5. 6mm,并通過第三5腳接口與外部電源、 PWM信號及電機相連接。本發(fā)明調(diào)速器的散熱部件采用一個長4. 5cm、寬3cm、高2cm的鋁合金散熱器，且該鋁合金散熱器通過導(dǎo)熱油脂和功率電路的功率開關(guān)管Tl緊密結(jié)合在一起， 并固定在一個塑料盒中。
見圖4，上述電源保護電路包含電阻、電容、和肖特基二極管，所述輸入電源模塊的電容ClO和C12并聯(lián)，其中C12為極性電容，肖特基二極管Dl與電容C13并聯(lián)，電阻R3 — 端與C12相連，另一端與肖特基二極管Dl相連，電容C12和肖特基二極管Dl另一端接地， 電源經(jīng)過這個輸入電源保護模塊給控制模塊供電。當(dāng)電源反接于電阻和二極管的串聯(lián)電路時，二極管導(dǎo)通，鉗位在0. 7V左右，那么POWSUP端的電壓為-0. 7V左右，不會把整個系統(tǒng)燒壞，起到了反接保護的作用。所述電源保護電路的二極管Dl的型號是SMAJ18A，所述電容 C12型號為X2. 22V ZR，所述電容ClO型號為1206B106K250NT。
見圖5，上述控制電路內(nèi)部包含了 PWM信號處理模塊、控制模塊、反饋接口，輸出驅(qū)動電路、溫度檢測模塊、過壓欠壓檢測模塊和電源模塊。經(jīng)信號輸入模塊輸入的PWM信號通過PWM信號處理模塊測出信號的各個參數(shù)，并以電壓的形式傳輸給控制模塊，控制模塊通過各種分析和計算得到對應(yīng)的輸出信號，輸出信號通過輸出驅(qū)動電路，得到一個有驅(qū)動能力的控制信號，從而控制外部的功率電路來完成對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，溫度檢測模塊可以實時的監(jiān)測環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度超出整個電路所能承受的范圍后便會發(fā)出信號關(guān)閉整個系統(tǒng)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作，過壓欠壓保護模塊則實時監(jiān)測輸入的電壓，過高過低均會發(fā)出對應(yīng)的信號，保護電路和電機的安全，電源模塊則是產(chǎn)生各種電壓信號，為控制電路的各個模塊供電。本發(fā)明控制電路采用ASIC技術(shù)，把控制部分的各個模塊集成于一塊專用IC 上，其型號為AA539B。
見圖6，上述功率電路包括功率開關(guān)管Tl，反相串聯(lián)的二極管D5和D7，相互并聯(lián)的電容C9和C11，電阻R9和電容C15，第一 1腳接口 M0T0R1和第二 1腳接口 M0T0R2。所述第一 1腳接口 M0T0R1與電源BATT相連，所述第二 1腳接口 M0T0R2與功率開關(guān)管Tl的D 腳相連接，所述相互并聯(lián)的電容C9和Cll跨接于第一 1腳接口和第二 1腳接口之間，所述反相串聯(lián)的二極管D5和D7跨接于功率管Tl的D腳和G腳之間，所述的電容C15跨接于功率管Tl的D腳和S腳之間，并且功率開關(guān)管Tl的S腳與地相連接，實現(xiàn)了對電機的驅(qū)動控制。所述的功率電路包含的功率開關(guān)管Tl的型號是IRFBA1405P，二極管D5、D7的型號是 SMAJ18A,電容 Cll、C15 的型號是 1206B106K250NT,電容 Cl 的型號是 0805 104K/100V。
見圖7和圖8，系統(tǒng)一上電，就會對供電電壓值、PWM信號高低電平、PWM信號頻率范圍、環(huán)境溫度、供電電壓反接與否一一判斷，只要有一個條件不滿足，系統(tǒng)就關(guān)閉風(fēng)機，然后繼續(xù)循環(huán)到開始處作同樣的判斷，直到所有條件均滿足了要求，才進入測PWM信號的相關(guān)參數(shù)并計算分析產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號環(huán)節(jié)，然后把控制信號傳給輸出驅(qū)動電路，控制風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，在風(fēng)機運轉(zhuǎn)之后，判斷供電電壓是否低于8. 7V或者高于17. 5V，如果是則關(guān)閉風(fēng)機重新開始先前的各項檢測與計算，否則風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)并重新開始先前的各項檢測與計算， 改變PWM信號的占空比，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速就線性的變化，實現(xiàn)了無級調(diào)速的功能。以上就是整個系統(tǒng)的工作流程。
顯然，本發(fā)明的上述具體實施方式
僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發(fā)明確定的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器，包括電源保護電路、控制電路、功率電路和信號輸入模塊以及接口電路，其特征在于上述電源保護電路包含電阻、電容、和肖特基二極管，所述電源保護電路的電容ClO和C12并聯(lián)，其中C12為極性電容，肖特基二極管Dl與電容C13 并聯(lián)，電阻R3 —端與C12相連，另一端與肖特基二極管Dl相連，電容C12和肖特基二極管 Dl另一端接地；所述控制電路包括PWM信號處理模塊、控制模塊、輸出驅(qū)動模塊、反饋接口、 溫度檢測、過壓欠壓檢測模塊和電源模塊，上述各模塊通過各個電壓控制信號相互級聯(lián)在一起；所述功率電路包括功率開關(guān)管Tl、反相串聯(lián)的二極管D5和D7、相互并聯(lián)的電容C9和 C11、電阻R9和電容C15、以及第一 1腳接口 M0T0R1和第二 1腳接口 M0T0R2 ；所述第一 1腳接口 M0T0R1與電源BATT相連，所述第二 1腳接口 M0T0R2與功率開關(guān)管Tl的D腳相連接， 所述相互并聯(lián)的電容C9和Cll跨接于第一 1腳接口和第二 1腳接口之間，所述反相串聯(lián)的二極管D5和D7跨接于功率管Tl的D腳和G腳之間，所述的電容C15跨接于功率管Tl的 D腳和S腳之間，并且功率開關(guān)管Tl的S腳與地相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器，其特征在于上述控制電路采用ASIC技術(shù)，把控制部分的各個模塊集成于一塊專用IC上，其型號為AA539B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器，其特征在于上述電源保護電路的二極管Dl的型號是SMAJ18A，所述電容C12型號為X2. 22V ZR，所述電容ClO型號為1206B106K250NT ；上述功率電路包含的功率開關(guān)管Tl的型號是IRFBA1405P，二極管 D5、D7的型號是SMAJ18A,電容C1UC15的型號是1206B106K250NT,電容Cl的型號是0805 104K/100V。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器，其特征在于上述電源保護電路、控制電路和功率電路的所有元器件均采用貼片封裝焊接在一塊長寬分別為61. 5mm 和45. 7mm的PCB板上，整個電路板高度為5. 6mm，并通過第三5腳接口與外部電源、PWM信號及電機相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器，其特征在于本發(fā)明調(diào)速器的散熱部件采用一個長4. 5cm、寬3cm、高2cm的鋁合金散熱器，且該鋁合金散熱器通過導(dǎo)熱油脂和功率電路的功率開關(guān)管Tl緊密結(jié)合在一起，并固定在一個塑料盒中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器的工作方法，具有以下步驟1)系統(tǒng)上電，進行下列判斷a、供電電壓在9.Iv到16. 9v之間嗎？b、PWM信號低電平小于2.3v,且高電平高于3. 3v嗎？c、P麗信號頻率在IOHz到25Hz之間嗎？d、溫度在-30度到110度之間嗎？e、輸入電源反接嗎？如果a、b、c、d和e中有一個不滿足條件則關(guān)閉空調(diào)風(fēng)機；2)測出輸入PWM信號的相關(guān)參數(shù)，計算出對應(yīng)控制信號的相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號；3)控制信號輸出給驅(qū)動電路；4)由驅(qū)動電路驅(qū)動空調(diào)風(fēng)機運轉(zhuǎn)；5)判斷供電電壓小于8.7v或者大于17. 5v嗎？如果滿足條件則關(guān)閉空調(diào)風(fēng)機，否則返回步驟1)進行下一個循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電機調(diào)速領(lǐng)域，特別涉及用于汽車空調(diào)風(fēng)機的調(diào)速設(shè)備。目的是克服現(xiàn)有調(diào)速器體積大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無法無級調(diào)速、通用性差、保護功能不齊全的不足，而提出一種新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器及其工作方法。本發(fā)明采用先進的ASIC技術(shù)，把所有功能均集成到一塊硅片上并封裝成芯片，采用這種芯片設(shè)計了一款新型汽車空調(diào)風(fēng)機調(diào)速器。
文檔編號F04D27/00GK102545746SQ201210059930
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者孔令成, 張志華, 徐達(dá), 趙賢相, 駱長俊 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院, 常州先進制造技術(shù)研究所