通過優化控制電路參數解決鼓風機異響問題的研究

趙旭林

摘 ?要：汽車上常見的鼓風機為直流有刷電機，其運行噪聲與驅動電壓的紋波有關。為了解決某款汽車鼓風機的異響問題，在分析鼓風機負反饋控制電路原理的基礎上，對電路進行仿真計算，確定通過優化MCU輸出的PWM信號頻率、濾波電路的電容以及積分電路的電容，可以降低鼓風機驅動電壓的紋波。最后，通過試驗結果證明優化控制電路參數可以明顯降低鼓風機驅動電壓的紋波，并解決鼓風機異響問題。

關鍵詞：鼓風機異響;負反饋控制電路;電壓紋波

中圖分類號：TM571.2 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2020）06-0019-04

Abstract： The blower in the car is DC brush motor. Its operating noise is related to the ripple of the driving voltage. In order to solve the abnormal noise problem of car blower， it analyzed the principle of the negative feedback control circuit of the blower and simulated the circuit. The result of simulation indicated it is effective to reduce the ripple of the blower drive voltage by optimization PWM signal frequency， filter capacitor and integral capacitance. At last， it proved the fact of optimize the control circuit parameters can significantly reduce the blower drive voltage ripple and solve the blower abnormal noise problem by experiment.

Key Words： Blower Abnormal Noise; Negative Feedback Control Circuit; Voltage Ripple

1 ? ?引言

噪聲、振動和聲振粗糙度（簡稱NVH）是評價汽車品質的一個重要指標。鼓風機作為汽車空調系統的重要部件，具有向乘員艙輸送空氣的功能，用戶能夠直接感知其運行噪音，鼓風機相關NVH問題的用戶投訴時有發生。某款整車試制階段，鼓風機工作過程發出連續異響，NVH評分不合格。針對該問題，本文在分析鼓風機控制電路原理和仿真計算的基礎上，對鼓風機負反饋控制電路元器件參數進行優化，降低了鼓風機驅動電壓的紋波，從而解決鼓風機異響問題，使整車的NVH性能達到了設計目標。

2 ? ?鼓風機控制系統介紹

目前汽車上常見的鼓風機為直流有刷電機，通常采用負反饋控制方法，鼓風機的速度與加載在鼓風機兩端的電壓正相關，鼓風機正端直接連蓄電池（電壓基本不變），所以只需要調整負端的電壓就可以控制鼓風機的速度。如圖1所示，為鼓風機控制系統硬件框圖，由空調控制器、調速模塊和鼓風機3部分組成。

控制系統方框圖如圖2所示，鼓風機負端電壓作為被控制量，MCU根據鼓風機的風速檔位給定電壓值輸入到運算放大器的負端，鼓風機負端電壓通過反饋電阻網絡分壓后接到運算放大器的正端，兩個電壓進行比較后的誤差電壓，通過運算放大器和調速模塊放大后，調節鼓風機的運行狀態。根據運算放大器的虛斷特性，運算放大器的正端電壓和負端電壓相等，所以運算放大器負端設定一個電壓值，通過負反饋電路的動態調節，經過一段時間的動態調節后，鼓風機負端電壓會調整到目標值。

因為空調控制器使用的MCU內部沒有集成DAC資源，從降低硬件成本考慮，采用MCU輸出頻率固定、占空比可變的PWM信號，經過3級RC濾波后變成穩定的模擬電壓，作為給定電壓值。

3 ? ?問題描述

某款汽車在試驗階段，打開空調后，試驗工程師能夠聽到鼓風機連續異響，NVH性能評分不及格（得分僅4分，滿分10分，6分以上及格）。如圖3所示，使用示波器測試鼓風機負端的電壓波形，發現電壓波動混雜頻率400Hz峰峰值1.36V的紋波電壓，調速模塊控制端的電壓同樣存在頻率400Hz，峰峰值為0.15V的電壓紋波。

4 ? ?理論分析

從鼓風機控制系統的原理進行分析，推測問題原因可能是控制電路參數設置不合理，輸出到鼓風機調速模塊的控制電壓紋波較大，該紋波電壓經過調速模塊放大后，導致鼓風機兩端電壓劇烈波動，鼓風機的速度不穩從而發出異響。

鼓風機控制電路中3級RC濾波電路對MCU輸出的PWM信號進行濾波，如圖4所示，在輸入高電平時，濾波電容充電儲存能量，輸入零電平時，濾波電容放電，電容從零電壓初始條件充電到接近高電平的時間大約為5R0×C0，電容從充滿電的初始條件（電壓為高電平），放電到接近零電平的時間也約5R0×C0。

周期性PWM信號輸入到RC濾波電路，如果PWM信號的周期小于10R0×C0，每個周期內電容不會充電到高電平狀態，也不會放電到零電平狀態，PWM信號會被RC濾波電容平滑為近似三角波的波形（如圖5所示），且PWM信號的周期與10R0×C0的比值越小，經過RC濾波后的電壓信號峰峰值越小。

通常1級RC濾波對PWM信號的平滑濾波作用有限，所以鼓風機控制電路采用3級RC濾波，3級RC濾波的工作原理與1級RC濾波類似。另外，積分電容對運算放大器正端和負端的偏差也有一定的平滑作用，可以對運算放大器負端的電壓紋波進行濾波。通過上面的分析可以得到如下結論：

（1）在濾波電路元器件參數固定的條件，增大PWM信號頻率，即減小PWM信號的周期，可以降低鼓風機負端驅動電壓的紋波;

（2）在PWM信號頻率固定的條件，增加RC濾波電路電容和電阻的值，可以降低鼓風機負端驅動電壓的紋波;

（3）增加積分電容的值也可以降低鼓風機負端驅動電壓的紋波;

5 ? ?仿真計算

為了進一步定量分析鼓風機控制電路元器件參數與電壓紋波的關系，使用TI-TINA軟件工具，搭建如圖6所示仿真模型，對電路參數進行優化。使用電壓源VG1模擬MCU，生成PWM信號，濾波電路、運放和調速模塊使用器件供應商提供的仿真模型，鼓風機用10mH電感和2Ω的電阻串聯近似等效。

下面的仿真過程中，如沒有特殊說明，電路參數的默認值如下：

（1）PWM頻率fPWM=500Hz;

（2）RC濾波電路，濾波電阻R1=R2=R3=20K ，C1=C2=C3=10nF;

（3）積分電容C4=10nF;

5.1 ? PWM信號頻率的影響

PWM信號的頻率分別設置為500Hz、1kHz、1.5kHz，仿真結果如圖7所示，鼓風機的電壓紋波分別為3.45V、1.24V和0.61V。

5.2 ? 濾波電路參數的影響

濾波電路的電阻R1、R2和R3設置為20K，電容C1、C2、C3分別設置為10nF、47nF、100nF，電路仿真計算結果如圖8所示，鼓風機的電壓紋波分別為3.42V、0.43V和0.12V。

5.3 ? 積分電容的影響

積分電容C4分別設置為1nF、10nF、100nF，仿真計算結果如圖9所示，鼓風機的電壓紋波分別為5.2V、3.4V和0.73V。

6 ? ?電路參數優化及驗證

通過理論分析和仿真計算證明，提高PWM信號頻率、增大濾波電容、增大積分電容都可以降低鼓風機負端電壓的紋波。MCU輸出PWM頻率調整為1KHz，并適當調整電路中濾波電容和積分電容的值，測試鼓風機負端的紋波電壓波形如圖10所示，紋波電壓的值減小為0.48V，與電路參數優化之前的測試結果比較，紋波電壓減小了0.88V，鼓風機的異響也消失了，NVH評分由4分提高到8分，可以滿足整車NVH性能的要求。

7 ? ?結論

鼓風機的異響問題與鼓風機的驅動電壓紋波有關，通過理論分析、仿真計算和試驗證明增加MCU輸出的PWM信號頻率、增大濾波電路的電容以及增大積分電路的電容，可以明顯降低鼓風機驅動電壓的紋波，并解決鼓風機異響問題。

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