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無線電子工学および電気工学の百科事典 車のエンジン冷却ファンの比例制御。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / 自動車。 電子デバイス 提案された装置を使用すると、エンジン冷却システムのファンを制御する「温度が標準より高い - オン、標準より低い - オフ」というリレー原理から、著者によれば、より有利な比例制御に切り替えることができます。エンジン用。 ここで、冷却剤の温度が上昇すると、ファンローターの速度は直線的に増加します。 現在、多くの自動車エンジンの冷却ファンは電気的に駆動されていますが、ほとんどの場合、リレー原理によって制御されています。 このような制御には、実装が容易であるという利点が XNUMX つだけあります。 ファンモーターを直接または中間リレーを介して制御する接点出力付きの温度センサーがあれば十分です。 この方法の主な欠点は、ファンがオンになった後にラジエーター出口の冷却剤の温度が急激に低下することです。 ファンがフルパワーで動作すると、ラジエター出口の冷却液の温度が 15 ～ 25 ℃下がります。 оまたはそれ以上。 エンジン冷却ジャケットに入ると、大幅に冷却された液体が高温の表面に熱衝撃を与え、エンジンの動作に悪影響を及ぼします。 快適な運転のためには、冷却水の温度をメーカーが推奨する最適温度付近に維持することが望ましく、急激な温度変動（熱衝撃）は原則として排除する必要があります。 機械駆動の冷却ファンを備えた一部の車両では、ビスコカップリングを介してファンをエンジンのクランクシャフトに接続することでこれを実現しています。 冷却水の温度に応じてファン軸に伝わるトルクを変化させます。 これにより温度が安定します。 提案されたデバイスは、電動ファンのビスコカップリングの電子的類似物です。 冷却水の温度に応じて回転数を自動調整します。 このデバイスは、自動車のオンボード ネットワークから 10 ～ 18 V の電圧で動作し、ヒートシンク領域が広い場合に限り、最大 20 A または最大 30 A の最大消費電流でファンを制御できます。パワー要素が増えています。 デバイス自体の消費電流は数ミリアンペアを超えません。 最低回転数でのファンのスイッチオン温度とファンの回転数が最高に達する温度の値を0,1の分解能で設定します。 оマイクロコントローラーをプログラミングする場合は C。 冷却水温度センサーが故障した場合、デバイスは緊急モードになり、エンジンは安全に修理工場まで運転できるようになります。 デバイスのスキームを図に示します。 1. デジタル センサー DS18B20 (BK1) が温度を測定します。 このセンサーを使用すると、製造されたデバイスのキャリブレーションの必要がなくなり、その再現性が向上します。
温度情報は、ATtiny2313A-PU (DD1) マイクロコントローラによってセンサから読み取られ、内部 RC 発生器からの 1 MHz パルスによってクロックされます。 温度に比例してファン モーターの供給電圧を制御し、その結果ローターの速度も制御します。 モーターはパルス電圧を受け取ります。回転速度を決定するその一定成分は、デューティ サイクル (パルスの持続時間とパルスの繰り返し周期の比) によって決まります。 プログラムは、PWM モードで動作するマイクロコントローラー タイマーの比較レジスタにロードされた XNUMX ビット XNUMX 進数を使用してデューティ サイクルを設定します。 マイクロコントローラーによって生成されたパルスは、電界効果トランジスタ VT1 の電源スイッチの動作を制御し、車両の車載ネットワークからのファン モーターの電源回路を開閉します。 この場合、モーターに印加される電圧の定数成分は次のようになります。 U = U0 (N/255) ここで U0 - オンボードネットワークの電圧、V; N は、マイクロコントローラーのレジスターにロードされる番号です。 ΔU = U ステップで変更可能0 / 255。 オンボードネットワークの電圧が 12 V ΔU ≈ 0,05 V であるため、ファン速度をほぼスムーズに調整できます。 過渡モードでのキー トランジスタ VT1 の信頼性の高い動作を保証するために、マイクロコントローラーは TC4420EPA (DA1) ドライバーを通じて制御します。 最新の電界効果トランジスタは、非常に低いオープンチャネル抵抗 (数ミリオーム) を備えているため、ヒートシンクを使用しなくてもかなりの電流を切り替えることができます。 ただし、電界効果トランジスタの大きな入力容量は、強力なデバイスでは数千ピコファラッドに達し、スイッチング中に充電および放電されます。 これに時間がかかるほど、制御信号源の出力インピーダンスは大きくなります。 問題は、容量を再充電する過程で電界効果トランジスタがアクティブモードになり、そのチャネルの抵抗が非常に高くなるということです。 したがって、スイッチング時間中に、トランジスタ結晶内で大量の電力が放出され、過熱や不可逆的な損傷を引き起こす可能性があります。 この現象に対処する唯一の方法は、再充電プロセスを高速化することです。 これを行うために、電界効果トランジスタは、出力インピーダンスが低く、大きな (最大数アンペア) パルス状の充放電電流を供給する専用のアンプ (ドライバー) を通じて制御されます。 これにより、FET の入力容量が高速に再充電されるため、アクティブ モードでの動作時間が最小限に抑えられ、FET での消費電力が削減されます。 抵抗 R4 は、マイクロコントローラの起動中、すべての出力がハイ インピーダンス状態にある限り、ドライバ入力ロジックを Low に保ちます。 これにより、このときのトランジスタＶＴ１の不必要なオープンがなくなる。 ダイオード VD1 は、トランジスタ VT1 を閉じる瞬間にファン モーターの巻線で発生する自己誘導 EMF パルスを除去します。 動作中、マイクロコントローラープログラムは温度センサーの存在と動作性を常に監視します。 接続がない場合は緊急動作モードになります。 このモードでは、冷却剤の温度に関係なく、ファンは 33 秒間フルパワーでオンになり、その後同じ時間オフになります。 もちろん、これはエンジンを冷却する最善の方法とは言えませんが、冷却がない場合の完全な故障を防ぐことができます。 緊急モードへの移行は、HL1 LED の組み込みによって通知されます。 センサーとの通信障害が一時的なものであった場合、復旧後は通常動作に切り替わります。 ファン制御用のマイコンプログラムには、以下の初期データが定数として含まれています。 - T分 = 87 - クーラント温度、 оC、ファンが最低速度で動作し始める速度。 ご存知のとおり、冷却ファンの動作を制御するように設計された産業用センサーには、オン温度とオフ温度という XNUMX つの主要なパラメーターがあります。 それらは T として選択されるべきですマックス とT分。 N1 の値は、ファン モーターの電圧の一定成分が開始電圧 U と等しくなるように設定する必要があります。tr. 問題は、ファンの技術データに遮断電圧を示すのが慣例ではないため、著者はこのパラメータの値を文献やドキュメントで見つけることができなかったことです。 それは実験的に決定する必要がありました。 手法は簡単です。モーターに電圧を印加することによって、シャフトがゆっくりと (12 ～ 3 秒で回転し始めます)、ただし安定して回転し始める値を見つけます。 公称電源電圧が 5 V のほとんどの DC モーターの場合、ピックアップ電圧は XNUMX ～ XNUMX V の範囲になります。 プログラムを開始すると、マイクロコントローラーは、Tの値に基づいてマックス、T分 N1 は D を計算します。n - ロードされたコードタイマー比較レジスタの値の温度依存性の必要な急峻度: Dn =（255- N1)/(Tマックス - T分). 次に、プログラムのメインループが始まります。 まず第一に、温度センサーとの通信のチェックがあり、温度センサーがない場合は緊急動作に移行します。 プログラムはこのようなチェックを毎秒実行します。 次回のチェックでセンサーが動作していることが判明した場合は、通常の動作に戻ります。 センサーが良好な場合、現在の冷却水温度 T を測定します。温度が T より低い場合は、分、プログラムはファンをオフにし、それ以外の場合は、次の式を使用して制御コードの必要な値を計算します。 N = (T - T分）Dn+N1。 それに比例して、モーターに供給する電圧のデューティファクター、つまりローターの回転周波数が設定されます。 その結果、エンジンの負荷が一定のときの冷却水の温度は一定に維持されます。 負荷が変動すると、温度は間隔 T 内で小さな制限内で変動します。分...Tマックス. BK1 センサーと HL1 LED を除くデバイスのすべての部品は、58x65 mm のプリント基板上に配置されています。その図面を図に示します。 2、および要素の配置 - 図。 3.
超小型回路はパネルなしで基板に直接はんだ付けされるため、振動の多い状況ではパネルを使用するのは望ましくありません。 ボードには、図には示されていないコンタクト パッド SCK、RST、VCC、MISO、MOSI、GND があり、マイクロコントローラーのプログラミング中にプログラマからの同じ名前のワイヤが半田付けされます。 この場合、プログラミング中のボードとプログラマには、同じ電源から +5 V (VCC) が供給される必要があります。 このボードは、表面実装用の 1206 サイズの抵抗器とコンデンサを受け入れるように設計されています。 ダイオード SR2040 (URL: files.rct.ru/pdf/diode/5261755198365.pdf) - 220 ピン TO3808AC パッケージ。 IRF60トランジスタとともに、約XNUMXcmの冷却表面積を持つ共通のヒートシンク上に熱伝導性ペーストを使用して固定されています2. トランジスタ5またはダイオードをヒートシンク1に固定し、アセンブリ全体をプリント回路基板2に固定する原理を図に示します。 ダイオードは、マイカガスケットによってヒートシンクから絶縁され、絶縁スリーブによって固定ネジ４および金属スリーブ３から絶縁されている（絶縁要素は図には示されていない）。 ダイオードとトランジスタのケースの間に、ヒートシンクを基板に取り付ける 4 番目の点があります。 こちらもネジとスリーブで固定されています。
ファン モーターの電流が流れる基板のすべてのプリント導体は、少なくとも 0,7 ... 1 mm の厚さのはんだ層で覆う必要があり、電源ワイヤの断面は確実に通過する必要があります。この流れの。 ドライバーがデバイスの現在の動作モードに関する最新情報を入手できるように、HL1 LED を車内に配置することをお勧めします。 DS18B20 (VK1) センサーは、標準の接触冷媒温度センサーからハウジング内に配置する必要があります。最初にすべての「詰め物」を取り除く必要があります。 このような本体は、全体および接続寸法を維持しながら真鍮から機械加工することもできます。 ハウジング内の DS18B20 センサーの配置を図に示します。 端子にはんだ付けされたコネクタ１を備えたセンサ４は、熱伝導性ペースト５の層が塗布されたその上部がキャビティの底部に接触するようにハウジングキャビティ３内に配置される。
その後、キャビティ内に耐熱シーラントを充填します。 コネクタ 1 は、コンタクトの防食コーティングが施され、防滴性があり、振動によって嵌合部が外れないように嵌合部分を確実に固定する必要があります。 用意したセンサーを通常のセンサーの代わりに取り付けます。 組み立てられたボードは、車のエンジンルームにある適切な寸法のケースに入れられます。 ケースには通気口が設けられています。 ATtiny2313A マイクロコントローラは、少なくとも 8 つの 16 ビットおよび 2 つの XNUMX ビット タイマと少なくとも XNUMXKB のプログラム メモリを備えた別の AVR ファミリに置き換えることができます。 当然のことながら、マイクロコントローラーを交換するにはプログラムを再コンパイルする必要があり、場合によってはプリント基板のレイアウトを変更する必要があります。 非反転TC4420EPAローサイドドライバの代わりに、MAX4420EPAなどの別の同様のドライバを使用できます。 ショットキーバリアダイオード SR2040 は、許容逆電圧が 25 V 以上、許容順電流がファンの動作電流以上である同様のダイオードと置き換えることができます。 ただし、逆電圧が 40 V を超えるショットキー ダイオードは推奨されません。そのようなダイオードの順方向電圧降下が大きくなると、熱放散が増加するためです。 絶縁ゲートと n 型チャネルを備えた IRF3808 電界効果トランジスタの代替品は、100 °C の温度でファン動作電流の 2,5 ～ 3 倍の許容可能な直流ドレイン電流と、オープン チャネル抵抗を備えたものを選択する必要があります。ファン動作電流が最大 20 A の場合 - 10 mΩ 以下、20 ～ 30 A - 7 mΩ 以下。 許容ドレイン・ソース間電圧は少なくとも 25 V、ゲート・ソース間電圧は少なくとも 20 V である必要があります。 保守可能な部品から正しく組み立てられたデバイスは、前述した添付バージョンのプログラムの初期データが必要なデータに対応していない場合にのみ調整が必要になります。 この場合、プログラムのソース コードを修正し、Bascom AVR 開発環境で再コンパイルし、記事に添付されている Cooler-test.hex ファイル (結果として得られる HEX ファイル) の代わりにマイクロコントローラー メモリにロードする必要があります。 ファンモーターの始動電圧が不明な場合は、実験的に決定できます。 これを行うには、作業プログラムの代わりに、私が開発したデバッグ プログラムをマイクロコントローラーのメモリにロードする必要があります。 記事に添付されている Cooler-test.hex ファイルには、そのコードが含まれています。 マイクロコントローラーの構成は、図に従って作業プログラムとテスト プログラムに対して同じ方法でプログラムされます。 図6は、AVRISP mkIIプログラマー構成セットアップウィンドウを示しています。
電源がオンになってから 3 秒後、クーラーテスト プログラムはファンの制御を開始し、ファンに供給するインパルス電圧のデューティ サイクルを設定するコードを 55 単位の 95 ステップから 5 ステップまで徐々に増やします。 これは、この電圧の DC 成分の 10 ボルトから 1 ボルトの変化にほぼ対応します。 各段階の継続時間は 5 秒で、その間ファンと HLXNUMX LED がオンになり、XNUMX 秒の休止期間があり、その間ファンの電源が切られ、LED がオフになります。 プログラムの終了は、LED の XNUMX 回の短い点滅によって通知されます。 LED を観察することで、ファンがどの段階で回転し始めたかを簡単に判断でき、メインプログラムに書き込む必要がある N1 の値を決定することができます。 緊急モードでのデバイスの動作は、温度センサーからコネクタを外すことによって確認されます。 この場合、ファンがオンになり、断続モード (33 秒 - 動作、33 秒 - 一時停止) でフルパワーで動作する必要があります。 LED HL1 が点灯するはずです。 希望の明るさは、抵抗 R3 を選択することによって設定されます。 マイクロコントローラ プログラムは、ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/11/fan.zip からダウンロードできます。 著者: A. Savchenko, pos. ゼレノグラツキー、モスクワ地方
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