汽车暖通空调系统：阀门控制

一个新的采用智能功率技术的车用暖通空调系统阀门驱动器

摘要

本文旨在于简要介绍汽车暖通空调系统的特点，并详细介绍如何使用一个智能功率驱动器控制通风阀的定位。

今天，汽车空调通风系统已经非常普及，市场对暖通空调系统的需求量已经与出厂汽车的数量相当。

暖通空调系统基本上可分为三类:手动空调、半自动空调和全自动空调。

这三种系统存在于不同的地区市场和汽车市场。

自动空调和半自动空调的通风阀是由步进电机或直流电机驱动的。

本文的目的是分析在先进暖通空调系统中使用意法半导体的智能功率器件驱动控制电动阀门有哪些特色和好处。

意法半导体的智能功率驱动器集成一个SPI总线控制级和多项保护功能，在输出级集成8个或6个半桥电路，能够驱动采用多种配置的直流电机和步进电机，同时为两个同步运转电机提供电流反馈功能。

在新推出的两款器件，其中一款集成一个开关式电源模块，用于控制一个外部升压转换器，使其能够同时驱动4台步进电机（双极电机）或者不通过升压转换器依次驱动3台步进电机。在直流电机应用环境中，这些器件可同步驱动最多4台直流电机或依次驱动7台直流电机。

此外，两个采用多路复用技术的电流监测功能能够检测电机电流。通过适合的外部硬件，可以管理这两个电流监测功能的信号，使这些驱动器能够支持无传感器式位置检测算法，从可以节省直流电机上的电位计。

前言

暖通空调(HVAC)系统能够向车厢输送冷风或热风，为乘客和驾驶员提供一个安全、舒适、轻松的环境，提高车窗和后视镜的玻璃的可视性，滤除车厢内的花粉、尘土和异味。

最近，我们看到小轿车对空调系统的需求大幅增长。为确保汽车乘坐起来如同家里的沙发一样舒适，空调系统变得日益复杂，相关法规也越来越多。事实上，现代空调系统将车内分为四个不同的区域，对每个区域进行独立的气候控制。因此，今天几乎找不到一个没有暖通空调系统的小轿车，空调系统的产量几乎等于小轿车的产量。

自从汽车开始安装空调的时候起，多项改良技术增加了现代空调系统的复杂程度。随着空调系统向半自动空调和全自动化发展，人们预测手动空调的市场占有率将会逐步减少，但是，考虑到手动空调是经济轿车的首选解决方案，我们可以断定，手动空调系统不会很快退市。为顺应汽车空调市场的发展趋势，满足汽车厂商对暖通空调系统的需求，针对空调系统通风阀定位电机应用，意法半导体开发出两款新的智能功率驱动器 L99MD01和L99MD02。 L99MD01通常用于高端空调解决方案，而L99MD02则满足中档空调系统的需求。

驱动通风阀控制器的新型智能功率芯片

空调系统可以分为三大类型:手动空调、半自动空调和全自动空调。自动空调系统的通风阀是由步进电机或直流电机来控制的，具体是哪种电机取决于系统的复杂性和客户需求。

典型的通风阀电机配置是利用内置电位计的直流电机执行位置检测功能；另一种控制方法是采用单极步进电机。采用步进电机的解决方案有一大缺陷：连接通风阀执行器和电子气候控制单元需要5条线。显然，为快速且精确地调整温度，需要增加通风阀和电机的数量，这势必导致车上的线束变得庞大和杂乱。 采用LIN总线驱动的机电控制方法是一个可行的解决方案，但是，成本的增加使这个解决方案仅适用于特别高档的小轿车。

 L99MD01和L99MD02能够满足客户的多项需求。这两个器件都定位于中高档汽车市场，为通风阀定位系统开发人员提供完整的保护功能和设计灵活性。这两款产品都是由SPI总线控制，整合了完整的诊断和保护功能，能够监控所有的输出。

采用L99MD01驱动步进电机

L99MD01是一款由6路半桥组成的车用驱动器，能够驱动步进电机和直流电机。
当被用作步进电机驱动器时，通过内置的开关式电源模块，配合外部升压转换器，这款芯片能够同时驱动4台步进电机，或者依次驱动3台步进电机。

这个芯片为驱动通风阀的每台步进电机节省两条线，把线数从5条减到3条。此外，L99MD01还能驱动成本低廉的双极绕组的步进电机，每相可以节省一个绕组，因此能够减少线缆数量。
                  
图1:L99MD01应用示意图

通过利用内置SMPS模块，可以实现一个直流-直流升压转换器，把电源电压提高一倍，取得一个对称电压电源(0V / Vs / 2xVs)，半桥电路被转换为全桥工作模式，准许双向电流通过，通过两个半桥驱动一台步进电机的两相。

此外，这个对称电源向步进电机的各相绕组供给双向电流，每相只需一条线，这意味着，如果所有电机都共用一条电源线，从控制单元引出两条线即可驱动一台双极步进电机（如图1所示）。

我们从图2可以看出采用L99MD01的步进电机驱动器设计在布线和成本方面的优点。

图2:驱动双极模式的步进电机节省电线和成本

采用L99MD0x系列产品驱动直流电机

相对于步进电机，直流电机成本更加低廉，是通风阀控制系统中最常用的控制电机。L99MD01和L99MD02两款产品都能用于驱动直流电机控制的通风阀定位系统。

在这两款产品中，L99MD01的功能和技术比较复杂，主要用于高端的汽车市场；该芯片整合了8个半桥电路，能够同时驱动4个直流电机或依次驱动7台直流电机，如图3和图4所示。

图3- L99MD01同时驱动4台直流电机

图4- L99MD01依次驱动7台直流电机

L99MD02是一个精简版的L99MD01。该产品的基本结构包括一个6路半桥驱动器，没有外部升压转换器用SMPS模块，目标应用锁定在中档汽车空调系统市场。

L99MD02拥有L99MD01的保护功能与特性，但是，只能同时驱动3个直流电机或依次驱动6台直流电机，如图5所示。

图5- L99MD02依次驱动3台直流电机

如前文所述，在采用直流电机的空调系统内，通风阀的位置由安装在电机内的电位计来检测。

这个简单的解决方案需要每个电位计连接一条电源线，每个电位计还要连接发动机控制单元。 。

利用意法半导体的驱动器和脉动电流算法，可以实现先进的无传感器的通风阀位置检测机制，这种方法的好处是无需安装电位计及相关的连线，从而有助于降低系统总体成本。事实上，通过将电流监测引脚发送的信号用作外部高/低通滤波器的输入，可以从脉动电流软件处理程序中提取检测电机转数和通风阀位置所需的信息。这两个同步电流监控线的信号被复用到不同的半桥输出上，微控制器利用这些信号读回负载电流，以识别工作正常和失效的条件。事实上，电流监控(CM)引脚负责提供电机瞬间镜像电流，同时通过SPI接口设置相关寄存器，为调整预计电流函数中的增益(1/250, 1/500,1/750, 1/1000)提供可能。

 现在我们讨论脉动电流计数器方法，通过从脉动电流中分离直流部分，可以过滤从CM引脚得到的信息。直流部分提供与负载相关的信息，可用于估算电机的转速。脉动电流与转子绕组个数有关，如果管理得当，脉动电流能够表示真正的换向信息。这个信号可用于产生一个脉冲序列，然后，微控制器读取这个脉冲序列，根据读取的信息计算电机转数。

图6：有/无电位计的直流电机驱动电路

产品特性与保护功能

该芯片内置一个24位标准串行外设接口（SPI），用于控制所有的输出引脚，管理芯片与微控制器的通信。事实上，芯片是通过SPI收发数据帧，向微控制器提供有关芯片状态的诊断信息，根据应用要求调整不同的输出。该产品整合了多项诊断功能，包括开路负载、超负载、温度报警和热关断检测。

所有这些诊断功能都在芯片内部过滤：所有条件都必须保持有效32µs，才能使状态寄存器内相应位置位。插入滤波器的目的是提高驱动器的抗噪性能，降低微控制器软件的复杂性。开路负载和温度报警仅用于信息提醒目的，不会改变输出状态；相反，超负载和热关断将禁用相应的输出功能或关闭器件的电源。

两款产品都内置交叉电流保护功能，这是直流电机驱动电路中的一个重要功能，在电机换向时尤为重要，这个功能的实质是，在关闭一条对角线方向的上一对开关管后，在导通另一条对角线上的开关管时施加一段延时，这个延时可以避免同一个桥臂上的上桥臂和下桥臂开关管同时导通。