论文部分内容阅读
【摘要】介绍了适用于汽车无刷风机智能检测设备的设计。根据无刷风机的检测要求及接口，检测系统由PC机检测软件、以程控开关电源为核心的单片机检测系统二部分共同构成，文中对系统的检测方案、硬件构成与工作原理、程序流程图进行了详细的介绍。
【关键词】无刷风机；智能检测；程控开关电源
1.引言
由于无刷风机具有寿命长、电磁兼容性好、噪声低、风量稳定可调等特点，在中高级轿车中应用越来越多，而国内应用还处于起步阶段。汽车无刷风机内嵌MCU除完成电机控制算法外，还对系统的供电电压、工作温度和工作电流等参数进行监控，异常时对风机系统实施有效保护，以防失效或造成功率器件损坏。因此，在风机的检测过程中，除对风机接口信号、额定工作参数进行检测外，还需要对风机的保护电压进行检测。手工检测方法不仅成本高、效率低，而且检测结果的判定容易受到主观因素的影响。因此，研究汽车无刷风机智能检测设备具有现实的意义。
2.系统方案与原理
汽车空调无刷风机与汽车空调控制器一般采用PWM信号进行接口，个别采用LINE或CAN总线进行接口。本文所设计的检测设备以国产某车型的采用PWM接口的风机为检测对象，实现对其的智能检测。
2.1 检测参数
对于采用PWM接口的汽车空调无刷风机，接口线有12V电源正、12V电源地、PWM调速控制信号和PWM反馈信号。PWM调速控制信号的占空比范围为0%～100%，其定义为：10%-80%为线性调速范围，对应风机转速为1000-2600rpm，当占空比小于5±2%或大于97+2%时处于怠机停机状态。当风机怠机停机时反馈信号为高电平，当风机工作时，反馈信号的占空比50%、频率为转速两倍的方波，通过对反馈信号的监测可知风机的工作状态与转速。
检测系统除模拟汽车空调控制器向风机发送PWM调速控制信号和监测风机反馈信号外，还需对风机的以下参数进行检测[1]：
（1）风机的欠压（过压）保护参数。即风机进入欠压（过压）保护时的电压参数和风机由欠压（过压）状态恢复正常工作时的电压；
（2）风机在额定工作电压下的额定工作转速和额定工作电流；
（3）风机进入怠机停机时PWM信号的占空比，由怠速停机状态下进入工作状态的PWM占空比。
2.2 总体方案
系统需对风机的保护电压、工作状态、工作电流与电压进检测。保护电压的检测若采用手动可调稳压电源，一方面因过欠压保护状态至恢复工作的电压差较小，调压操作效率低；另一方面也无法实现智能化。因此考虑将程控开关电源与检测系统综合为一体，对工作电压和工作电流进行调节、监控与采集。
为使系统的操作界面美观、简洁、方便，同时便于系统的功能扩展，使检测结果能存入数据库中便于产品的生产过程记录和质量记录的追溯。系统拟采用图1所示的系统架构。
下位机由单片机系统构成，设有风机接口、程控开关电源及控制三大主模块。上位机为普通PC机，下位机通过USB接口与上位机连接。下位机完成信号采样和执行控制指令的功能，检测的控制逻辑、控制模型和检测结果分析由上位机实现，这样不仅可降低下位机的开发调试难度，而且有利于降低单片机的运算负荷，有利于提高程控开关电源的开关频率，也有利于检测控制逻辑的调整与优化，使人机界面容易设计，操作简单方便。
3.硬件设计
由于系统内设有程控开关电源，开关电源的控制、风机的控制及风机工作参数的采样共同由一片MCU完成，电路不可避免涉及强电和弱电两大部分。工作时，待检风机的状态为未知，系统必须充分考虑到故障风机可能对检测系统造成的影响，须对强电与弱电部分进行隔离，以免强电窜入弱电部分而造成上位机的损环或对操作人员造成危险。下位机的MCU采用ST公司推出的ARM系列STM32F103C6T6作为系统的主控，系统最高主频可达72MHz，内置12位A/D和6路专用于电机控制的互补输出PWM，特别适合作为电机或开关电源等的逆变控制。
3.1 辅助开关电源
系统工作或待机时需要多种电压的供电电源，这些电源分别为：3.3V的MCU电源、5V数字电路与模拟电路电源、15V的IGBT驱动电源和10V的辅助开关电源供电电源。经综合考虑，系统采用英飞凌的ICE3B0565构建反激式辅助开关电源[2]。辅助开关电源共设四个次级绕组，主绕组为15V的IGBT驱动电源，其余副边绕组的输出电压按10V设计。单片机所需的工作电压经LDO芯片稳压后得到。辅助开关电源的总输功率约为20W，磁芯选用EE22。
3.2 程控开关电源
汽车空调风机的额定工作电压为12V，正常工作电压范围为9～16V，一般风机最大工作电流可能达到25A。考虑到电源的容量冗余，程控电源的输出功率必须在500W以上。同时，由于功率器件IGBT开关频率和PID运算量的限制，开关电源的PWM频率为20kHz，系统采用全桥式开关电源，磁芯材料为PC40，尺寸为EE65。全桥开关变压器的计算[3]结果为原边匝数40匝，线径0.65mm，副边匝数为2匝，线径1.25mm，8根同绕，变压器的主副边匝比为18.9。输出电感采用与开关变压器相同型号的磁心，计算结果为电感量15uH，匝数为6匝，线径为1.25mm，8根同绕。
程控开关电源原理图如图2所示。功率器件采用仙童公司生产的IGBT智能功率模块FSBB20CH60[4]。图中的Q1、Q2、Q3和Q4连接到MCU TIM1的PWM输出口上。
程控开关电源的输出电流和电压采样采用Avago公司的高线性光藕器件HCNR201分别构成隔离电流采样电路和隔离电压采样电路[5]。
3.3 USB隔离接口设计
下位机与上位机通过USB接口实现，由于下位机的MCU用于风机控制、检测，且是程控开关电源的控制MCU。为简化MCU与IGBT模块的接口，提高控制信号的质量，MCU部分引脚、地与IBGT模块的驱动控制引脚、地直接连接，即MCU电源地与系统的强电地相连，因此下位机与上位机的USB必须进行隔离设计以防在极端条件下由于下位机系统故障或失效造成上位机的损坏。系统采用ADI公司推出的5kV隔离电压的全速/低速USB数字隔离器ADuM4160实现USB的隔离设计[6]。 3.4 风机检测接口设计
系统除对风机的工作电压和电流进行控制和采样外，还需对风机的PWM控制信号进行控制，对风机的反馈信号进行检测。控制信号的发出、反馈信号的采样与程控开关电源共用一片MCU。风机的工作电压为9～16V，而MCU与强电相联，必须进行接口的隔离，否则可能会因各种不可预测的原因造成造成对风机的损坏，甚至可能会威协到检测人员的安全。因此风机的PWM控制信号和风机的反馈信号必须进行隔离和电压转换处理，PWM控制信号和风机的反馈信号采用Sharp公司的PC817光藕实现隔离和接口电压转换。
4.软件设计
系统软件分为两部分，即上位机的Win-dows应用程序和下位机的MCU控制程序。
4.1 上位机程序
上位机程序属于Windows操作系统下的应用程序，程序采用Delphi开发工具编写，程序功能主要有：控制程序的用户界面、通讯模块和检测流程控制三大部分。
控制程序的用户界面主要完成风机状态、工作电流与电压、转速、检测的项目和检测结果的显示，以及操作人员对检测过程进行人工控制的各种按钮等。
通讯模块采用中断方式将上位机的指令打包后发给下位机，同时采用中断方式随时接收下位机发来的各种工作参数，然后将工作参数解包后传给用户界面部分进行显示、传给检测流程控制部分进行结果分析和流程控制。
检测流程控制根据检测流程各环节的控制参数通过通讯模块向下位机下传各种控制指令，下位机根据控制指令输出风机的工作电压、PWM控制信号等，同时对下位机发来的风机工作参数进行分析以判定风机是否工作正常或异常，及时将检测的结果发给用户界面部分进行显示，根据流程各环节的检测结果，控制检测环节的流转，从而实现检测流程的控制。
4.2 下位机程序
下位机程序根据不同的功能可分为：程控开关电源模块、USB通讯模块、风机控制模块和风机工作参数检测模块，其中程控开关电源模块是下位机程序的核心与重点。
风机控制模块完成向风机输出的控制参数主要有工作电压和控制PWM信号。模块根据上位机传来的检测指令向程控开关电源模块发送控制的目标电压指令，并设定程控开关电源的原边保护电流、输出保护电流等。风机的PWM控制信号由MCU的TIM3定时器工作于PWM模式自动产生，程序根据控制的需要设置PWM的占空比而改变风机的控制信号。
风机工作参数检测模块主要完成风机工作电压、工作电流、工作转速及风机是否运行的参数检测。工作电压与工作电流通过与程控开关电源模块的通讯而获得，风机是否工作及工作转速由MCU的TIM2口工作于输入捕获模式对反馈信号的频率与占空比采样而得。
系统应用TIM1输出程控开关电源的四路带死区的互补PWM信号以控制IGBT智能功能模块实现对全桥开关电源逆变部分的控制。TIM1工作于中央对齐模式产生PWM信号。A/D工作于注入采样模式，由TIM1的周期更新信号触发。当A/D完成采样后将产生中断，在中断中调用程控开关电源模块的主控制中断程序，主控制中断程序流程图如图3所示。
5.结果
系统实现后经测试验证，检测操作较先前的手动检测简单，结果判定客观准确，实现了检测流程的自动控制，检测效率显著提高。
参考文献
[1]胡冰乐.汽车无刷风机快速检测设备的研制[J].福建工程学院学报，2007（增刊）：123-125.
[2]Off-Line SMPS Current Mode Controller With Integrated 650V Startup Cell/Depletion CoolMOSTM[EB/OL].Infineon Technologies AG：http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/99584/INFINEON/ICE3B0565.html.
[3]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.
[4]FSBB20CH60CL Smart Power Module[EB/OL].Fairchild Semiconductor Corporation：http：//www.fairchildsemi.com/search/tree/power-management/motion-control/motion-spm-smart-power-modules/#N=10604&&Nao=20&&showAll=false&&infoN=10604.
[5]王全海，周俊华，王振华.基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计[J].今日电子，2010（4）：55-56.
[6]全速/低速5kV USB数字隔离器ADuM4160[EB/OL].Analog Devices，Inc：ADuM4160_cn.pdf&revisionDiffFlag=1&jpCnRevision=Rev C&enRevision=Rev D.
【关键词】无刷风机；智能检测；程控开关电源
1.引言
由于无刷风机具有寿命长、电磁兼容性好、噪声低、风量稳定可调等特点，在中高级轿车中应用越来越多，而国内应用还处于起步阶段。汽车无刷风机内嵌MCU除完成电机控制算法外，还对系统的供电电压、工作温度和工作电流等参数进行监控，异常时对风机系统实施有效保护，以防失效或造成功率器件损坏。因此，在风机的检测过程中，除对风机接口信号、额定工作参数进行检测外，还需要对风机的保护电压进行检测。手工检测方法不仅成本高、效率低，而且检测结果的判定容易受到主观因素的影响。因此，研究汽车无刷风机智能检测设备具有现实的意义。
2.系统方案与原理
汽车空调无刷风机与汽车空调控制器一般采用PWM信号进行接口，个别采用LINE或CAN总线进行接口。本文所设计的检测设备以国产某车型的采用PWM接口的风机为检测对象，实现对其的智能检测。
2.1 检测参数
对于采用PWM接口的汽车空调无刷风机，接口线有12V电源正、12V电源地、PWM调速控制信号和PWM反馈信号。PWM调速控制信号的占空比范围为0%～100%，其定义为：10%-80%为线性调速范围，对应风机转速为1000-2600rpm，当占空比小于5±2%或大于97+2%时处于怠机停机状态。当风机怠机停机时反馈信号为高电平，当风机工作时，反馈信号的占空比50%、频率为转速两倍的方波，通过对反馈信号的监测可知风机的工作状态与转速。
检测系统除模拟汽车空调控制器向风机发送PWM调速控制信号和监测风机反馈信号外，还需对风机的以下参数进行检测[1]：
（1）风机的欠压（过压）保护参数。即风机进入欠压（过压）保护时的电压参数和风机由欠压（过压）状态恢复正常工作时的电压；
（2）风机在额定工作电压下的额定工作转速和额定工作电流；
（3）风机进入怠机停机时PWM信号的占空比，由怠速停机状态下进入工作状态的PWM占空比。
2.2 总体方案
系统需对风机的保护电压、工作状态、工作电流与电压进检测。保护电压的检测若采用手动可调稳压电源，一方面因过欠压保护状态至恢复工作的电压差较小，调压操作效率低；另一方面也无法实现智能化。因此考虑将程控开关电源与检测系统综合为一体，对工作电压和工作电流进行调节、监控与采集。
为使系统的操作界面美观、简洁、方便，同时便于系统的功能扩展，使检测结果能存入数据库中便于产品的生产过程记录和质量记录的追溯。系统拟采用图1所示的系统架构。
下位机由单片机系统构成，设有风机接口、程控开关电源及控制三大主模块。上位机为普通PC机，下位机通过USB接口与上位机连接。下位机完成信号采样和执行控制指令的功能，检测的控制逻辑、控制模型和检测结果分析由上位机实现，这样不仅可降低下位机的开发调试难度，而且有利于降低单片机的运算负荷，有利于提高程控开关电源的开关频率，也有利于检测控制逻辑的调整与优化，使人机界面容易设计，操作简单方便。
3.硬件设计
由于系统内设有程控开关电源，开关电源的控制、风机的控制及风机工作参数的采样共同由一片MCU完成，电路不可避免涉及强电和弱电两大部分。工作时，待检风机的状态为未知，系统必须充分考虑到故障风机可能对检测系统造成的影响，须对强电与弱电部分进行隔离，以免强电窜入弱电部分而造成上位机的损环或对操作人员造成危险。下位机的MCU采用ST公司推出的ARM系列STM32F103C6T6作为系统的主控，系统最高主频可达72MHz，内置12位A/D和6路专用于电机控制的互补输出PWM，特别适合作为电机或开关电源等的逆变控制。
3.1 辅助开关电源
系统工作或待机时需要多种电压的供电电源，这些电源分别为：3.3V的MCU电源、5V数字电路与模拟电路电源、15V的IGBT驱动电源和10V的辅助开关电源供电电源。经综合考虑，系统采用英飞凌的ICE3B0565构建反激式辅助开关电源[2]。辅助开关电源共设四个次级绕组，主绕组为15V的IGBT驱动电源，其余副边绕组的输出电压按10V设计。单片机所需的工作电压经LDO芯片稳压后得到。辅助开关电源的总输功率约为20W，磁芯选用EE22。
3.2 程控开关电源
汽车空调风机的额定工作电压为12V，正常工作电压范围为9～16V，一般风机最大工作电流可能达到25A。考虑到电源的容量冗余，程控电源的输出功率必须在500W以上。同时，由于功率器件IGBT开关频率和PID运算量的限制，开关电源的PWM频率为20kHz，系统采用全桥式开关电源，磁芯材料为PC40，尺寸为EE65。全桥开关变压器的计算[3]结果为原边匝数40匝，线径0.65mm，副边匝数为2匝，线径1.25mm，8根同绕，变压器的主副边匝比为18.9。输出电感采用与开关变压器相同型号的磁心，计算结果为电感量15uH，匝数为6匝，线径为1.25mm，8根同绕。
程控开关电源原理图如图2所示。功率器件采用仙童公司生产的IGBT智能功率模块FSBB20CH60[4]。图中的Q1、Q2、Q3和Q4连接到MCU TIM1的PWM输出口上。
程控开关电源的输出电流和电压采样采用Avago公司的高线性光藕器件HCNR201分别构成隔离电流采样电路和隔离电压采样电路[5]。
3.3 USB隔离接口设计
下位机与上位机通过USB接口实现，由于下位机的MCU用于风机控制、检测，且是程控开关电源的控制MCU。为简化MCU与IGBT模块的接口，提高控制信号的质量，MCU部分引脚、地与IBGT模块的驱动控制引脚、地直接连接，即MCU电源地与系统的强电地相连，因此下位机与上位机的USB必须进行隔离设计以防在极端条件下由于下位机系统故障或失效造成上位机的损坏。系统采用ADI公司推出的5kV隔离电压的全速/低速USB数字隔离器ADuM4160实现USB的隔离设计[6]。 3.4 风机检测接口设计
系统除对风机的工作电压和电流进行控制和采样外，还需对风机的PWM控制信号进行控制，对风机的反馈信号进行检测。控制信号的发出、反馈信号的采样与程控开关电源共用一片MCU。风机的工作电压为9～16V，而MCU与强电相联，必须进行接口的隔离，否则可能会因各种不可预测的原因造成造成对风机的损坏，甚至可能会威协到检测人员的安全。因此风机的PWM控制信号和风机的反馈信号必须进行隔离和电压转换处理，PWM控制信号和风机的反馈信号采用Sharp公司的PC817光藕实现隔离和接口电压转换。
4.软件设计
系统软件分为两部分，即上位机的Win-dows应用程序和下位机的MCU控制程序。
4.1 上位机程序
上位机程序属于Windows操作系统下的应用程序，程序采用Delphi开发工具编写，程序功能主要有：控制程序的用户界面、通讯模块和检测流程控制三大部分。
控制程序的用户界面主要完成风机状态、工作电流与电压、转速、检测的项目和检测结果的显示，以及操作人员对检测过程进行人工控制的各种按钮等。
通讯模块采用中断方式将上位机的指令打包后发给下位机，同时采用中断方式随时接收下位机发来的各种工作参数，然后将工作参数解包后传给用户界面部分进行显示、传给检测流程控制部分进行结果分析和流程控制。
检测流程控制根据检测流程各环节的控制参数通过通讯模块向下位机下传各种控制指令，下位机根据控制指令输出风机的工作电压、PWM控制信号等，同时对下位机发来的风机工作参数进行分析以判定风机是否工作正常或异常，及时将检测的结果发给用户界面部分进行显示，根据流程各环节的检测结果，控制检测环节的流转，从而实现检测流程的控制。
4.2 下位机程序
下位机程序根据不同的功能可分为：程控开关电源模块、USB通讯模块、风机控制模块和风机工作参数检测模块，其中程控开关电源模块是下位机程序的核心与重点。
风机控制模块完成向风机输出的控制参数主要有工作电压和控制PWM信号。模块根据上位机传来的检测指令向程控开关电源模块发送控制的目标电压指令，并设定程控开关电源的原边保护电流、输出保护电流等。风机的PWM控制信号由MCU的TIM3定时器工作于PWM模式自动产生，程序根据控制的需要设置PWM的占空比而改变风机的控制信号。
风机工作参数检测模块主要完成风机工作电压、工作电流、工作转速及风机是否运行的参数检测。工作电压与工作电流通过与程控开关电源模块的通讯而获得，风机是否工作及工作转速由MCU的TIM2口工作于输入捕获模式对反馈信号的频率与占空比采样而得。
系统应用TIM1输出程控开关电源的四路带死区的互补PWM信号以控制IGBT智能功能模块实现对全桥开关电源逆变部分的控制。TIM1工作于中央对齐模式产生PWM信号。A/D工作于注入采样模式，由TIM1的周期更新信号触发。当A/D完成采样后将产生中断，在中断中调用程控开关电源模块的主控制中断程序，主控制中断程序流程图如图3所示。
5.结果
系统实现后经测试验证，检测操作较先前的手动检测简单，结果判定客观准确，实现了检测流程的自动控制，检测效率显著提高。
参考文献
[1]胡冰乐.汽车无刷风机快速检测设备的研制[J].福建工程学院学报，2007（增刊）：123-125.
[2]Off-Line SMPS Current Mode Controller With Integrated 650V Startup Cell/Depletion CoolMOSTM[EB/OL].Infineon Technologies AG：http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/99584/INFINEON/ICE3B0565.html.
[3]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.
[4]FSBB20CH60CL Smart Power Module[EB/OL].Fairchild Semiconductor Corporation：http：//www.fairchildsemi.com/search/tree/power-management/motion-control/motion-spm-smart-power-modules/#N=10604&&Nao=20&&showAll=false&&infoN=10604.
[5]王全海，周俊华，王振华.基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计[J].今日电子，2010（4）：55-56.
[6]全速/低速5kV USB数字隔离器ADuM4160[EB/OL].Analog Devices，Inc：ADuM4160_cn.pdf&revisionDiffFlag=1&jpCnRevision=Rev C&enRevision=Rev D.