摘要：本文重点引见了自动空气再循环阀的零碎要求和运转条件，并回忆了现有执行机构与这些要求的兼容性。在比拟现有技术时，可以清楚地看到包括双极步进电机的空气再循环风门执行器与其他电机类型的执行器相比具有关键优势。它显示了详细的双极性步进电机驱动技术如何在总体零碎本钱最小化的状况下进步整个零碎的功能。本文论述了电机驱动器集成电路的可用性和次要特点，可以对这些新型执行器停止初级控制。
引见 汽车暖通空调市场曾经成熟，但依然遭到高端创新的影响。燃油经济性，温馨性和平安性是改动的次要动力。在复杂的HVAC零碎中，新颖空气的延续流入被调理并带入舱内。空气经过一些通风口分开汽车。典型地，驾驶员可以经过手动控制功用来选择能否需求中缀新颖空气（再循环）（新颖空气翻开）。
在再循环形式中，高端HVAC零碎监测多个机舱空气参数，经过空调单元将空气再循环回到机舱中，并且将新颖空气出口限制到最小，同时满足由驾驶员和/或零碎的规格。
在实际上[1]，这种自动再循环可以将HVAC零碎的燃料耗费增加35％。依据气候条件和驾驶循环，HVAC零碎每百公里耗费高达3升的燃油[1]。这标明装备了低端HVAC零碎的大型汽车将从添加自动循环功用中获益最多。但是，小型和中型汽车曾经先进的发起机与低CO 2排放量也将从智能空气再循环瓣受害，由于HVAC燃油耗费的奉献是比拟高的。
预测显示，装备半自动或全自动暖通空调零碎的汽车比例将同比增长。同时，CO 2制冷剂的引入招致能够要求在机舱中装置额定的传感器。这些趋向意味着CO 2曾经可用和IAQ（室内空气质量）的传感器技术将越来越多地在小型车和/或与低规格HVAC零碎的汽车被反复运用。
虽然自动再循环功用的传感器方面能够曾经处理，但依然需求处理围绕机动化成绩的一些任务。本文将重点引见再循环功用，零碎要求，风门执行器和该执行器的驱动。
空气再循环零碎 气候控制零碎是古代汽车中功耗较大的消费者之一。特别是紧缩机在运转时耗费数千瓦的功率。

增加气候控制零碎能耗的办法之一是进步紧缩机效率。但是，更重要的节能办法是增加紧缩机的&ldquo活动工夫&rdquo。为了做到这一点，我们需求向紧缩机制冷剂流向下游，并确认紧缩机运转进程中真正发作的状况。
HVAC零碎的效率在很大水平上取决于供给到蒸发器的制冷剂量。先前曾经提出用由线性步进电机控制的机电阀取代机械收缩阀[2]以更好地控制制冷剂的活动。或许，蒸发器上的气流的均匀温度可以降低（假如蒸发器暴露于较冷的气流，则需求较小的制冷剂流量，这意味着紧缩机活性降低）。流过蒸发器的空气的温度较低可以经过在很大水平上重新运用曾经被冷却的机舱空气而不是来自车辆内部的较暖空气来完成。正确数量的新颖空气和机舱空气的这种混合可以经过自动再循环阀来执行。这种再循环功用是HVAC零碎全体能效的一个关键要素，必需特别留意确保在汽车运用寿命时期正确和优化运转。如今让我们看看不同的零碎元素和重要的参数和要求的再循环功用。
传感器 自顺应空气再循环零碎将需求继续监测机舱空气的质量。缺乏足够的新颖空气会招致不适，头痛和疲倦，并且由于驾驶员没有立刻留意到这种状况，能够会招致潜在的风险状况。人类新颖空气消费的次要目标之一是O 2的增加和CO 2和H 2 O 的添加。目前，CO 2传感器技术可由多个一级和二级制造商取得，而O 2或H 2O传感器也可以用于感测机舱空气成分的变化。这些外部空气质量传感器不同于内部空气质量传感器，其侧重于检测净化的空气并避免其进入机舱。良好的自顺应空气再循环零碎的最低要求是基于室内空气质量的闭环控制。除了受控的 - 但依然可以承受的 - 新颖空气的增加，能够会察看到湿度的细微添加。但是，这次要取决于外部和内部条件，HVAC零碎参数，机舱容积和乘主人数。无论如何，由于外部空气将在蒸发器上循环，因而会继续枯燥。从这个察看，
蒸发器 来自蒸发器的冷凝水将需求高质量的排水和与加热器芯体的良好别离。这是为了避免水分重新蒸发（这会添加舱内湿度）。此外，为了防止蒸发器中的细菌和臭味再循环，应思索蒸发器上的自动消毒零碎（如紫外线灯）。请留意，这也适用于没有自动再循环的HVAC零碎。
用户界面 明天的ON / OFF再循环风门的用户界面通常是一个按钮。按下相反的按钮几次，再循环风门翻开或封闭，而LED指示风门的形态。经过添加第二个LED，可以进入并指示称为&ldquo自动再循环&rdquo的第三形态。这第二个LED将只需求最小的仪表板空间，并没有其他硬件的变化。
电子控制单元 电子控制单元（ECU）基于来自传感器的读数和预设值来操作再循环功用。ECU封闭新颖空气调理的控制回路并操作再循环风门致动器（图2）以坚持所需的CO 2程度。循环风门的运转频率是最大允许乘员人数，轿厢内空气的最小风量和最大允许偏离所需CO 2程度的函数。很容易计算出，3 立方米内的5人在30秒内将使二氧化碳浓度添加100ppm。

空气再循环控制回路次要需求低速干涉以补偿&ldquo新颖空气出口&rdquo中的压力和空速变化 （图2）。当驾驶速度变化时，例如在城市中或城市左近，这常常发作。当鼓风机吸入侧的压力随鼓风机速度变化时，经过新颖空气入口的气流也会改动。为了取得最佳的控制效果，（低乐音）鼓风机经过蒸发器惹起可变气流，以补偿阳光的动摇（例如由于弯曲的路途或由修建物，树木或云层惹起的间歇性暗影）。后果，经过进气口的可变的新颖空气量需求与CO 2的恒定产量相婚配由寓居者。在现有软件周期的执行工夫内，可以容易地调整再循环襟翼设置的延续但迟缓的调整。但是，软件算法自身将需求特别的关注，由于确保在任何状况下为驾驶员提供正确数量的新颖空气是平安的。
皮瓣执行器 空气再循环风门执行器是一个小型电动阀门，经过ECU外部的驱动器停止操作。襟翼的功用是控制将流入机舱的内部空气量。这个量的计量是绝对复杂的，并经过一个阻尼器或一个蝶形阀来处置。关于波动的控制算法，襟翼的地位应该一直晓得，所以某种地位反应是必需的。由于控制零碎常常重新调整执行机构的地位，所以需求接触较少的电机操作和无传感器地位反应。上面更详细地讨论襟翼致动器的要求。
再循环阀门执行器次要操作条件和要求 风门执行器位于暖通空调零碎中，由于空气管道的缘由，该零碎曾经相当轻巧。与大少数汽车零碎一样，执行器的分量和尺寸也是重要的参数。通常，执行器由塑料外壳，带衔接器和加速零碎的电动机以及有时地位传感器组成。由于所触及的资料不同，影响执行重视量和尺寸的要素很多。多年来，公司曾经找到了将所需的电机转矩与传动比停止均衡的办法，并针对给定功用优化了执行机构的分量和尺寸。虽然如此，还是有一些改良的空间，尤其是在地位传感器的撤除和新电机技术的引入方面。
低噪声是另一个重要的思索要素，由于执行器在直接流入乘客舱的气流中运转。此外，皮瓣延续运转（常常给予新的目的地位），并且声响乐音在整个运用寿命中不会显着添加。
地位更新率取决于使用顺序软件的循环工夫，例如每隔几秒钟。在这些地位更新之间，虽然施加了任何内部扭矩（例如来自公路上的颠簸或添加的风速气压），执行机构依然坚持其最初地位。这意味着执行机构应该可以在外力的作用下坚持地位（坚持力矩） - 最理想的是以最小的电流耗费。
执行器还需求足够弱小，以便在一段工夫内运转一次，以抵抗诸如起点挡板之类的妨碍物。再循环风门通常在&ldquo封闭&rdquo或接近&ldquo封闭&rdquo 地位。假定一个暖通空调零碎是为一辆可以运载五团体的汽车而设计的。进气口的设计可以提供足够的新颖空气，以均匀速度温馨地驾驶一切人。但是，均匀车辆运用率只比一个略高。思索到在高速时添加的空气压力，变得清楚的是，大局部工夫，襟翼操作的范围将在其全部范围的前20％内。
这对执行机构的机械和电气波动性提出了一个质量要求：它需求足够波动，以便在绝对无限的地位范围内延续运动，而不会降低电机，传感器或齿轮的功能。其他需求思索的要素是执行机构的操作应该具有较低的EMC排放，执行机构的本钱，ECU中所需的驱动器本钱和ECU与执行机构之间的接线本钱应该尽能够低能够。
如今让我们看看一些可用的HVAC襟翼致动器技术，并讨论它们适用于自动再循环襟翼。
可用的再循环皮瓣技术 有几种处理方案可用于挪动暖通空调风门片，包括再循环风门片。它们在襟翼执行机构中运用的电机类型以及电机控制的细节和特征各不相反。
有刷直流电机 有刷DC（BDC）电机是外部换向的电动机，当电压施加到其两个端子时，该电动机旋转。它不需求控制器来切换电机绕组中的电流。BDC电机的绕组换向是机械完成的。称为换向器的分段铜套位于BDC电机的轴上。随着电机转动，碳刷滑过换向器，与不同的局部接触。这些局部衔接到不同的转子绕组上 因而，当在电刷两端施加电压时，电机外部会发生静态磁场。BDC电机采用成熟且绝对廉价的技术制造。只要两根导线从驱动器引出到电机端子。控制BDC电机很复杂 例如 双向驱动可以经过两个晶体管半桥完成。假如需求地位反应 - 与空气再循环风门一样 - 需求添加一个地位传感器。存在各种传感器，最罕见的是霍尔效应传感器和电位计。该传感器（例如图3所示的电位计）以及相关的ECU接线以及电衔接器尺寸的影响构成了零碎本钱的重要局部。

其他 - 通常受专利维护的技术也存在（例如脉冲计数），这些技术在没有传感器的状况下任务，但是关于电机驱动器和控制算法而言更复杂。异样重要的是要留意，电刷和换向器是最容易磨损的BDC电机的一局部。由于需求频繁地操作空气再循环风门，因而电刷的劣化对装备有BDC电机的再循环风门的临时机械牢靠性形成了压力。BDC电机中的刷式换向原理也意味着将高电流延续疾速地切换到高理性负载，这会招致换向器发生火花。诸如这些的电弧以宽频带范围内的电场方式发射电磁辐射
步进电机 步进电机是一种将整个旋转分红整数个步骤的同步电动机。它是无刷的，因而不容易呈现与刷子换向相关的机械磨损。步进电机有一个固定数量的&ldquo相&rdquo。等于布置在中心齿轮形铁片四周的&ldquo锯齿形&rdquo电磁铁的数量。电磁体由控制电磁体四周的电绕组中的电压或电流的内部电路供能。运用适宜的电磁铁鼓励方案，电机可以准确转动。
单极步进电机：单极步进电机每相有两个绕组。这些绕组如图4所示与ECU电衔接，并且与BDC电机处理方案（带有传感器地位反应）一样，通常需求五根电线。在电动阀门中运用单极步进电机的选择次要取决于低本钱驱动器IC或驱动电路的可用性 例如4个低端驱动电路。与BDC电机一样，它们通常存在于中低端车辆的（半）自动HVAC零碎中。单极办法的一个缺陷是，在任何时分只要一半的绕组数量被鼓励（根本上，单极步进电机的运转量是挪动电机所需的铜量的两倍）。

双极步进电机：双极步进电机每相有一个绕组。与单极电机相比，由于绕组中铜的数量大约是具有相似电机特性的双极电机的一半，因而具有尺寸和分量方面的优势。这是双极步进电机架构的一个重要优点，由于它使工程师可以以最小的体积和分量完成最佳的动力经济性。如图5所示，两个绕组与ECU电衔接，所以通常只需求四根电线用于电机操作（与单极步进电机或具有传感器的BDC电机相比）。双极性步进电机通常由双全桥晶体管组合驱动，每个绕组一个。用于机电一体化风门执行器的契合汽车要求的双极性步进电机已存在多年，并在高端HVAC零碎中运用。这些电机如今可以重新用于图5所示驱动配置的公用低本钱空气再循环阀。这里步进电机驱动器位于ECU外部，经过四根电线衔接到无传感器执行器。

步进电机驱动技术 先进的步进电机驱动技术曾经被开收回来，以依据诸如声学和电噪声发生以及临时牢靠性等要素优化执行器操作。与传统架构相比，新型双极步进电机驱动器技术提供了一个平衡的处理方案：更多的零碎优势（即功用和质量的优化组合），而不会形成零碎总体本钱的损失。
微步进 步进电机的根本运动是经过以交替开/关方式切换鼓励电磁体的绕组来完成的。这被称为&ldquo完好的&rdquo步骤 由于它将转子一个接一个齿或一步一步地对准定子。这是一个粗略的操作形式，能够会招致零碎振动，从而添加操作进程中的乐音。另一个能够的影响是步骤丧失（即步骤被跳过）。没有适当的设计，这意味着零碎不再晓得执行器确实切地位。这些效果可以经过以微步进形式操作步进电机来防止或许至多失掉缓解，这意味着绕组以这样的方式被一同鼓励，使得电机经由多个子地位或许微步挪动到步进地位。
无传感器，闭环操作 大少数步进电机驱动器操作方案运用开环原理，并且由于零碎中短少反应，步进电机必需超尺寸以防止在一切零碎相关状况下的不被留意的步骤损失（这是功用的，例如电机负载）。经过运用无传感器步进损失检测的闭环办法，可以增加超尺寸。步进电机固有地包括一个&ldquo虚拟&rdquo 传感器 可以经过监测反电机械力或bemf信号来增加电机的运转形式（运转速度，失速形态等）。
牢靠的起点检测和准确的比例控制：空调襟翼控制执行器也可以受害于这种bemf传感器功用。基于bemf信号的嵌入式失速检测算法的步进电机驱动器允许零碎十分准确地检测HVAC空气分配通道中的襟翼的止挡。通常在运动进程中无意识地到达这个起点 - 例如当瓣在接近闭合的地位操作时。由于错误的操作或小的机械公差，也能够发作碰撞。通常需求超越一千个完好步骤才干将翻盖从完全翻开地位挪动到完全封闭地位。由于执行器外部的齿轮构造以及导气管的热收缩和阀瓣四周的机械公差，执行器的全行程可以改动几十个完好的步骤。如今看法到流过简直封闭的翻板的空气量是翻板地位的非线性函数是很重要的。后果，关于控制大批气流的挡板，可以看到绝对较大的气流误差。因而，为了准确和完全按比例控制经过HVAC导管的空气量，必需采用自顺应闭环算法。闭环方面（或许仅仅是伪闭环）是偶然成心堕入停滞形态的。然后失速检测允许从全关襟翼地位开端精确地标志新的地位。经过这样做，即便是最小的翻板启齿也可以被准确地坚持偏重复地到达，从而发生真正的比例控制。很显然，这种任务形式绝对于应用基于计数步骤的开环相对定位的传统办法提供了优势。由于这些办法无法重重生成参考地位，因而需求防止任何永世性的地位偏移基本缘由（如过载条件下的步骤丧失），从而招致超尺寸的，因而次优的零碎。其他办法（没有失速检测）关于确切的起点中止地位的地位绝对较为自觉。因而，为了确保在参考运转中到达了起点挡块，这些办法需求在估计的起点地位之外多步驱动步进电机。这招致电机梗塞，随同着噪声，机械和磁性磨损。为了保证临时的牢靠性，需求特殊类型的执行器，这存在于这种操作形式中的机械振动。如今，一个全步检测起点中止的安装将会防止失速状况下的乐音和振动。在一个完好的步骤内的失速检测也可以使转子和定子磁场坚持同步。这样就防止了由于定子交流磁场惹起的转子退磁而招致的磁损耗风险，并且有助于在整个运用寿命时期坚持波动的执行器转矩。
自顺应速度控制：在需求尽快封闭挡板的状况下，速度临界定位十分重要：例如，当内部传感器检测到内部空气遭到净化时，封闭再循环挡板。反电动势信号经过公用的自顺应速度电机驱动算法使步进电机的速度临界运转成为能够。这允许步进电机应战有刷直流电机执行器的次要优点之一，特别是可以像电源电压和负载一样疾速旋转。步进电机以尽能够最快的速度运转，自动调整速度以顺应执行器和襟翼特性（例如负载）。在这种自顺应速度运转时期，无传感器失速检测是可操作的，保证了无误差的定位。
共振防止：bemf信号被证明是十分有用的，不只用于失速检测和自顺应速度控制，还用于处理共振成绩。处理谐振成绩的第一个难点是适宜的传感器不能容易地衔接到零碎。第二个困难是装置的传感器不应该改动电机轴的质量或摩擦力，由于这会改动被测量的共振行为。如今，假如经过&ldquo嵌入式虚拟传感器&rdquo察看共振行为和相关的旋转运动，这个成绩就很容易处理。请参阅[3]理解更多信息。
皮瓣执行器技术摘要 表1总结了&ldquo合适运用&rdquo？的襟翼执行器技术的讨论。电刷直流和单极步进电机都有其优点，但也显示出缺乏之处。双极步进电机技术似乎提供了一举两得，并与一切审查要求兼容。

由一级暖通空调零碎制造商决议为一切这些功用分配正确的权重。察看：三种执行器类型的零碎级本钱是可比拟的，但是假如只思索电机驱动器自身的购置本钱，那么汽车制造商能够会失掉一个次优化的处理方案。
驱动集成电路 依据上述第5节所述技术驱动双极性步进电机的集成电路如今曾经上市。这种IC的典型框图如图6所示。该IC放置在ECU外部，两个全H桥驱动双极性步进电机的两相。ECU的微控制器经过SPI接口和一组公用信号与IC通讯。嵌入在驱动器中的电流转换器表将正确的电流施加到绕组。微控制器只需设置一次S蓬勃发展的行业不仅给从业者提供了巨大的发展机遇，也带来了全新的挑战。PI存放器，即定义绕组电流峰值，微步形式和默许挪动方向。在此之后，微步可以经过只使用&ldquo下一个&rdquo 信号到IC（见图6中的NXT引脚）。电动机驱动器则承当全部责任，并生成全步，半步或正弦微步运动所需的电流波形。使用&ldquo下一个&rdquo的速度 脉冲定义了电机运动的速度，而&ldquo方向&rdquo形态 （见图6中的DIR引脚）定义了电机旋转的方向。

一个复杂而高效的失速检测算法被完成，并且可以经过SPI总线来激活。为了完成更初级的控制，无传感器功用提供了电机bemf采样，可以经过SPI通讯读取。然后可以运用所搜集的样本，例如用于以最大速度封闭再循环襟翼的自顺应速度控制算法。
暖通空调零碎的电子设备需求遭到维护，以免受汽车使用中能够呈现的压力和错误情况的影响。因而，施行适当的诊断功用来检测一切相关的错误情况并避免零碎和IC损坏。IC有一个中缀输入引脚，用于在发作错误时正告单片机（见图6中的ERRB）。
结论 自动空气再循环阀可以有助于中小型汽车的燃油经济性。曾经思索到这种再循环阀的操作要求讨论了现有的襟翼致动器技术。有刷直流电机驱动器和单极步进电机驱动器显示与某些技术要求不兼容。双极性步进电机阀与新型驱动器相结合，可提供最佳的技术处理方案，以满足将来空气再循环阀的呼吁行业者在政府部门出台相关政策标准的之前，从业者一定要规范自己的行为准则健康有序的快速发展。高质量操作要求。
参考 Thomas EJ Heckenberger，Peter Kroner，Marcus Weinbrenner，Ralf Manski，Andreas Kemle和John Tepas：&ldquo空调零碎对降低汽车功耗的奉献&rdquo，2008年10月20 - 22日，密歇根州底特律市Convergence 。
Bart De Cock：&ldquoLIN机电一体化使用于HVAC收缩阀&rdquo，欧洲机电一体化会议，法国巴黎，2009年6月24日和25日。
Christiam Gasparini和Johannes Vorenholt：&ldquo采用AMIS-3052x / NCV7052x评价套件的步进电机共振测量设置&rdquo，，AND8371 / D，2009年2月。
词汇表 暖通空调：暖通空调
IAQ：室内空气质量
IC：集成电路
ECU：电子控制单元
UV：紫外线（光）
LED：发光二极管
BDC：刷直流（电机）
EMC：电磁兼容性
AC：交流电
Bemf：背电机械力
SPI：串行外设接口
EXV：收缩阀
LP：高压
HP：高压

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