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无线电电子与电气工程百科全书 汽车发动机冷却风扇的比例控制。 无线电电子电气工程百科全书
所提出的装置允许您从控制发动机冷却系统风扇的继电器原理“温度高于正常值-开，低于正常值-关”切换到比例控制，据作者称，比例控制更有利对于发动机。 现在，随着冷却剂温度升高，风扇转子速度线性增加。 如今，在许多汽车发动机中，冷却风扇都是电力驱动的，但大多数情况下是通过继电器原理进行控制的。 这种控制只有一个优点——易于实施。 有一个带触点输出的温度传感器就足够了，可以直接或通过中间继电器控制风扇电机。 这种方法的主要缺点是风扇开启后散热器出口处冷却液的温度急剧下降。 全功率运行的风扇可将散热器出口处的冷却液温度降低 15 ... 25 о有或更多。 进入发动机冷却套后，显着冷却的液体会对热表面造成热冲击，从而对发动机的运行产生负面影响。 为了使其操作舒适，需要将冷却剂的温度保持在接近制造商推荐的最佳温度，并且原则上应排除突然的温度波动（热冲击）。 在某些配备机械驱动冷却风扇的车辆上，这是通过粘性联轴器将风扇连接到发动机曲轴来实现的。 它根据冷却剂的温度改变传输到风扇轴的扭矩。 这可以稳定温度。 所提出的装置是用于电动风扇的粘性联轴器的电子模拟。 它根据冷却液的温度自动调节旋转速度。 该器件通过汽车车载网络运行，电压为 10 ... 18 V，可控制最大电流消耗高达 20 A 或高达 30 A 的风扇，前提是散热器面积为功率元素增加。 设备自身的电流消耗不超过几毫安。 最低转速时风扇开启温度和风扇转速达到最大时的温度值以0,1的分辨率设置 о对微控制器进行编程时使用C。 如果冷却液温度传感器发生故障，设备会进入紧急模式，使发动机能够安全行驶到维修店。 该装置的方案如图1所示。 18. 数字传感器 DS20B1 (BKXNUMX) 测量温度。 使用该传感器无需对制造的设备进行校准，并提高了其可重复性。
ATtiny2313A-PU (DD1) 微控制器从传感器读取温度信息，该微控制器由内部 RC 发生器的 1 MHz 脉冲提供时钟。 它与温度成比例地调节风扇电机的电源电压，从而调节其转子的速度。 电机接收脉冲电压，其恒定分量决定转速，取决于占空比（脉冲持续时间与其重复周期的比率）。 该程序将八位二进制数加载到工作于 PWM 模式的微控制器定时器的比较寄存器中来设置占空比。 微控制器产生的脉冲控制场效应晶体管VT1上的电源开关的操作，从而关闭和打开来自车辆车载网络的风扇电机的供电电路。 在这种情况下，施加到电机的电压的恒定分量等于 你=你0 (N/255) 其中 U0 - 车载网络电压，V； N 是加载到微控制器寄存器中的数字。 可以按步骤 ΔU = U 进行更改0 / 255。 板载网络电压为 12 V ΔU≈0,05 V，可让您几乎平滑地调节风扇速度。 为了确保关键晶体管 VT1 在瞬态模式下可靠运行，微控制器通过 TC4420EPA (DA1) 驱动器对其进行控制。 现代场效应晶体管具有非常低的开路电阻（几毫欧），即使不使用散热器也能够切换大电流。 然而，场效应晶体管的大输入电容（对于功能强大的器件而言可达数千皮法）在开关过程中会充电和放电。 这个时间越长，控制信号源的输出阻抗就越大。 不好的是，在对电容充电的过程中，场效应晶体管处于活动模式，其沟道电阻相当高。 因此，在开关期间，晶体管晶体会释放大量功率，这可能导致其过热和不可逆的损坏。 对抗这种现象的唯一方法是加快充电过程。 为此，场效应晶体管通过具有低输出阻抗并提供大（高达几安培）脉冲充电-放电电流的专用放大器（驱动器）进行控制。 这确保了 FET 输入电容的快速充电，从而最大限度地缩短其在活动模式下运行的持续时间，并降低其功耗。 电阻器 R4 在微控制器启动期间将驱动器输入逻辑保持为低电平，只要其所有输出保持在高阻抗状态。 这消除了此时晶体管VT1不必要的打开。 二极管VD1消除晶体管VT1闭合时风扇电机绕组中出现的自感电动势脉冲。 在操作过程中，微控制器程序不断监控温度传感器的存在和可操作性。 如果没有与其连接，则进入紧急操作模式。 在此模式下，无论冷却液温度如何，风扇都会全功率开启33秒，然后同时关闭。 当然，这远不是冷却发动机的最佳方法，但它可以防止发动机在没有冷却的情况下完全失效。 通过包含 HL1 LED 来指示向紧急模式的转换。 如果与传感器的通信故障是暂时的，恢复后，设备将切换到正常运行。 用于风扇控制的微控制器程序包含以下初始数据作为常量： -T分钟 = 87 - 冷却液温度， оC、此时风扇应以最低转速开始工作； 如您所知，用于控制冷却风扇运行的工业传感器有两个主要参数 - 开启温度和关闭温度。 应将它们选为 T最大 和T分钟。 N1 的值必须设置为使得风扇电机上的电压的恒定分量等于其启动电压 U特. 问题在于，风扇的技术数据中不习惯标明脱离电压，因此作者在文献或文档中找不到该参数的值。 它必须通过实验来确定。 该技术很简单 - 通过向电机施加电压，找到轴开始缓慢（一两秒内转动）但稳定旋转的值。 对于大多数标称电源电压为 12 V 的直流电机，启动电压范围为 3...5 V。 启动程序时，单片机根据 T 的值最大Ť分钟 N1 计算 Dn - 加载的代码定时器比较寄存器的值对温度的依赖性所需的陡度： Dn = (255 - N1)/(T最大 -T分钟). 然后程序的主循环开始。 首先，检查与温度传感器的通信，如果没有，则过渡到紧急操作。 该程序每秒执行一次这样的检查。 如果下次检查显示传感器正在工作，则恢复正常操作。 当传感器良好时，它会测量当前冷却液温度 T。如果低于 T分钟，程序关闭风扇，否则使用公式计算控制代码所需的值 N = (T - T分钟) Dn+N1。 与此成比例地，将设置为电机供电的电压的占空因数，从而设置其转子的旋转频率。 结果，发动机上恒定负载下的冷却剂温度保持恒定。 负载变化时，温度在区间 T 内小幅波动分钟...T最大. 该设备的所有部件（BK1 传感器和 HL1 LED 除外）均放置在 58x65 mm 的印刷电路板上，其图纸如图 2 所示。 3，以及元素的排列 - 如图所示。 XNUMX.
微电路直接焊接到板上，无需面板，在高振动条件下不宜使用这种方式。 该板具有图中未显示的接触焊盘 SCK、RST、VCC、MISO、MOSI、GND，在微控制器编程期间将编程器的同名电线焊接到这些接触焊盘上。 在这种情况下，编程期间的开发板和编程器应由同一电源的+5V（VCC）供电。 该板设计用于接受 1206 尺寸的电阻器和电容器进行表面安装。 Diode SR2040（URL：files.rct.ru/pdf/diode/5261755198365.pdf） - 采用两引脚 TO220AC 封装。 它与 IRF3808 晶体管一起使用导热膏固定在公共散热器上，冷却表面积约为 60 cmXNUMX2. 将晶体管5或二极管固定到散热器1以及将整个组件固定到印刷电路板2的原理如图4所示。 4.二极管通过云母垫片与散热器隔离，并通过绝缘套（图中未示出绝缘元件）与固定螺钉3和金属套XNUMX隔离。 二极管和晶体管外壳之间是散热器与电路板的第三个连接点。 这里也用螺钉和套筒固定。
风扇电机电流流过的电路板所有印制导线必须覆盖一层厚度至少为 0,7 ... 1 mm 的焊料，并且电源线的横截面必须确保通过该电流的。 建议将 HL1 LED 放置在汽车内部，以便驾驶员获得有关设备当前操作模式的最新信息。 DS18B20 (VK1) 传感器应放置在标准冷却液温度接触式传感器的外壳中，必须首先拆除外壳中的所有“填充物”。 这种本体也可以由黄铜加工而成，同时保持总体尺寸和连接尺寸。 DS18B20 传感器在外壳中的放置如图 5 所示。 4.将连接器1焊接到其端子上的传感器3放置在外壳5的空腔中，使得其上涂有一层导热膏XNUMX的顶部接触空腔的底部。
之后，用耐热密封剂填充空腔。 连接器1的触点必须具有防腐涂层，防溅，牢固地固定配合部分，防止其因振动而脱落。 安装准备好的传感器代替常规传感器。 组装好的电路板被放置在一个尺寸合适的盒子中，该盒子位于汽车的发动机舱内。 外壳上设有通风口。 ATtiny2313A 微控制器可以替换为另一 AVR 系列，该系列至少具有一个 8 位和一个 16 位定时器以及至少 2KB 的程序存储器。 当然，更换微控制器将需要重新编译程序，并且可能需要更改印刷电路板的布局。 您可以使用另一种类似的驱动器，例如 MAX4420EPA，而不是同相 TC4420EPA 低侧驱动器。 肖特基势垒二极管SR2040可用同类二极管替代，允许反向电压至少为25V，允许正向电流至少为风扇工作电流。 但不建议使用反向电压超过40V的肖特基二极管，因为这种二极管正向压降较大，会导致散热增加。 应选择具有绝缘栅极和 n 型沟道的 IRF3808 场效应晶体管的替代品，其在 100°C 温度下具有可接受的直接漏极电流 2,5 ... 3 倍风扇工作电流，并具有开路沟道电阻风扇工作电流高达 20 A - 不超过 10 mΩ，以及 20 ... 30 A - 不超过 7 mΩ。 允许的漏源电压必须至少为 25 V，栅源电压必须至少为 20 V。 仅当前面提到的所附程序版本中的初始数据与所需数据不符时，由可维修部件正确组装的设备才需要调整。 在这种情况下，需要在程序的源代码中进行更正，在Bascom AVR开发环境中重新编译，并加载到微控制器内存中，而不是文章所附的Cooler-test.hex文件，即生成的HEX文件。 如果风扇电机的启动电压未知，可以通过实验确定。 为此，您需要将我开发的调试程序加载到微控制器的内存中，而不是工作程序。 本文附带的 Cooler-test.hex 文件包含其代码。 微控制器配置的编程方式与工作程序和测试程序相同，如图 6 所示。 XNUMX、显示AVRISP mkII编程器配置设置窗口。
电源打开后 3 秒，Cooler-test 程序开始控制风扇，逐渐从 55 步增加到 95 步，每步 5 个单位，该代码设置为风扇供电的脉冲电压的占空比。 这大致对应于该电压的直流分量从三伏到五伏的变化。 每个阶段的持续时间为 10 秒，在此期间风扇和 HL1 LED 亮起，并暂停 5 秒，在此期间风扇断电且 LED 熄灭。 LED 连续五次短闪表示程序结束。 通过观察LED，很容易判断风扇在什么阶段开始转动，并确定N1的值，将其写入主程序。 通过断开温度传感器上的连接器来检查设备在紧急模式下的运行情况。 在这种情况下，风扇应打开并以间歇模式全功率运行（33 秒 - 运行，33 秒 - 暂停）。 LED HL1 应点亮。 其所需的亮度通过选择电阻器R3来设置。 微控制器程序可以在 ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/11/fan.zip 下载。 作者：A. Savchenko, pos。 莫斯科州泽列诺格拉茨基
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