Пропорциональное управление вентилятором охлаждения двигателя автомобиля. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Автомобиль. Электронные устройства

Комментарии к статье

Предлагаемое устройство позволяет перейти от релейного принципа управления вентилятором системы охлаждения двигателя "температура выше нормы - включен, ниже нормы - выключен" к более, по мнению автора, благоприятному для двигателя пропорциональному управлению. Теперь с ростом температуры охлаждающей жидкости частота вращения ротора вентилятора линейно увеличивается.

Сегодня во многих автомобильных двигателях вентилятор охлаждения имеет электрический привод, но управляют им в большинстве случаев по релейному принципу. Такое управление имеет только одно достоинство - простоту реализации. Достаточно иметь датчик температуры с контактным выходом, непосредственно или через промежуточное реле управляющий электродвигателем вентилятора.

Основной недостаток этого метода - резкое снижение температуры охлаждающей жидкости на выходе радиатора после включения вентилятора. Работающий на полную мощность вентилятор понижает температуру охлаждающей жидкости на выходе радиатора на 15...25 ^оС и более. Поступая в рубашку охлаждения двигателя, существенно охлажденная жидкость наносит термоудар по горячим поверхностям, что негативно сказывается на работе двигателя. Для его комфортной работы температуру охлаждающей жидкости желательно поддерживать близкой к оптимальной, рекомендуемой заводом-изготовителем, а резкие скачки температуры (термоудары) должны быть исключены в принципе.

На части автомобилей, имеющих механический привод вентилятора охлаждения, это достигнуто соединением вентилятора с коленчатым валом двигателя через виско-муфту. Она изменяет передаваемый на вал вентилятора крутящий момент в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Это стабилизирует температурный режим.

Предлагаемое устройство представляет собой электронный аналог виско-муфты для вентилятора с электрическим приводом. Оно автоматически регулирует частоту его вращения в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.

Устройство работает от бортсети автомобиля при напряжении в ней 10...18 В и может управлять вентилятором с максимальным потребляемым током до 20 А или до 30 А при условии увеличения площади теплоотвода силовых элементов. Собственное потребление тока устройством не превышает нескольких миллиампер. Значения температуры включения вентилятора с минимальной частотой вращения и температуры, при которой частота вращения вентилятора достигает максимума, задают с дискретностью 0,1 ^оС при программировании микроконтроллера.

При отказе датчика температуры охлаждающей жидкости устройство переходит в аварийный режим, позволяющий безопасно для двигателя доехать до ремонтной мастерской.

Схема устройства изображена на рис. 1. Измеряет температуру цифровой датчик DS18B20 (BK1). Применение этого датчика позволяет отказаться от калибровки изготовленного устройства и улучшает его повторяемость.

Рис. 1. Схема устройства (нажмите для увеличения)

Информацию о температуре считывает с датчика микроконтроллер ATtiny2313A-PU (DD1), который тактируется импульсами частотой 1 МГц от внутреннего RC-генератора. Пропорционально температуре он регулирует напряжение питания двигателя вентилятора и, следовательно, частоту вращения его ротора. На двигатель поступает импульсное напряжение, постоянная составляющая которого, определяющая частоту вращения, зависит от коэффициента заполнения (отношения длительности импульсов к периоду их повторения). Коэффициент заполнения программа задает восьмиразрядными двоичными числами, загружаемыми в регистр сравнения работающего в режиме ШИМ таймера микроконтроллера.

Сформированные микроконтроллером импульсы управляют работой силового ключа на полевом транзисторе VT1, замыкающего и размыкающего цепь питания двигателя вентилятора от бортовой сети автомобиля. При этом постоянная составляющая приложенного к двигателю напряжения равна

U = U₀ (N / 255), где U₀ - напряжение в бортсети, В; N - число, загруженное в регистр микроконтроллера.

Ее можно изменять с шагом ΔU = U₀ / 255.

При напряжении в бортсети 12 В ΔU≈0,05 В, что позволяет регулировать частоту вращения вентилятора практически плавно.

Для обеспечения надежной работы ключевого транзистора VT1 в переходных режимах микроконтроллер управляет им через драйвер TC4420EPA (DA1). Современные полевые транзисторы, имея очень малое сопротивление открытого канала (единицы миллиом), способны коммутировать значительный ток даже без применения теплоотвода. Однако большая входная емкость полевого транзистора, доходящая у мощных приборов до нескольких тысяч пикофарад, в процессе его переключения заряжается и разряжается. Это занимает тем больше времени, чем больше выходное сопротивление источника управляющего сигнала.

Плохо то, что в процессе перезарядки емкости полевой транзистор находится в активном режиме и сопротивление его канала довольно велико. Поэтому за время переключения в кристалле транзистора выделяется значительная мощность, что может привести к его перегреву и необратимому повреждению. Единственный способ борьбы с этим явлением - ускорение процесса перезарядки. Для этого полевыми транзисторами управляют через специализированные усилители (драйверы), имеющие низкое выходное сопротивление и обеспечивающие большой (до нескольких ампер) импульсный зарядно-разрядный ток. Это обеспечивает быструю перезарядку входной емкости полевого транзистора и, следовательно, минимизирует продолжительность его работы в активном режиме и снижает рассеиваемую на нем мощность.

Резистор R4 поддерживает на входе драйвера низкий логический уровень напряжения во время запуска микроконтроллера, пока все его выходы остаются в высокоимпедансном состоянии. Это исключает ненужное в это время открывание транзистора VT1. Диод VD1 устраняет импульсы ЭДС самоиндукции, возникающие в обмотках двигателя вентилятора в моменты закрывания транзистора VT1.

Во время работы программа микроконтроллера постоянно следит за наличием и работоспособностью датчика температуры. Если связи с ним нет, она переходит в аварийный режим работы. В этом режиме независимо от температуры охлаждающей жидкости вентилятор на 33 с будет включен на полную мощность, а затем на такое же время выключен. Конечно, это далеко не оптимальный вариант охлаждения двигателя, но он предотвращает его полный отказ в отсутствие охлаждения. О переходе в аварийный режим сигнализирует включение светодиода HL1. Если нарушение связи с датчиком было временным, после ее восстановления устройство переходит в нормальный режим работы.

В программу микроконтроллера для управления вентилятором заложены в виде констант следующие исходные данные:

- T_min = 87 - температура охлаждающей жидкости, ^оС, при которой вентилятор должен начинать работать с минимальной частотой вращения;
- T_max = 92 - температура охлаждающей жидкости, ^оС, при которой частота вращения вентилятора должна достичь максимального значения;
- N1 = 70 - значение загружаемого в регистр сравнения таймера кода, обеспечивающее вращение ротора вентилятора с минимальной частотой.

Как известно, промышленные датчики, предназначенные для управления работой вентиляторов охлаждения, имеют два основных параметра - температуру включения и температуру выключения. Их и следует выбрать в качестве T_max и T_min. Значение N1 нужно задать таким, при котором постоянная составляющая напряжения на двигателе вентилятора равна напряжению его трогания U_тр.

Проблема в том, что напряжение трогания не принято указывать в технических данных вентиляторов, поэтому найти в литературе или в документации значение этого параметра автору не удалось. Его пришлось определять экспериментально. Методика проста - подавая напряжение на двигатель, найти его значение, при котором вал начнет медленно (оборот за одну-две секунды), но устойчиво вращаться. Для большинства двигателей постоянного тока с номинальным напряжением питания 12 В напряжение трогания лежит в пределах 3...5 В.

При запуске программы микроконтроллер на основании значений T_max, T_min и N1 рассчитывает D_n - требуемую крутизну зависимости значения загружаемого регистр сравнения таймера кода от температуры:

D_n = (255 - N1) / (T_max - T_min).

Затем начинается главный цикл программы. Прежде всего, происходит проверка связи с датчиком температуры, а при ее отсутствии - переход в аварийный режим работы. Такую проверку программа выполняет каждую секунду. Если очередная проверка показывает, что датчик работает, восстанавливается нормальный режим работы.

Когда датчик исправен, он измеряет текущую температуру охлаждающей жидкости T. Если она ниже T_min, программа выключает вентилятор, в противном случае вычисляет требуемое значение управляющего кода по формуле

N = (T - T_min)·D_n+N1.

Пропорционально ему будут установлены коэффициент заполнения питающего двигатель напряжения и, следовательно, частота вращения его ротора. В результате температура охлаждающей жидкости при неизменной нагрузке на двигатель поддерживается постоянной. При переменной нагрузке температура колеблется в небольших пределах внутри интервала T_min...T_max.

Все детали устройства, за исключением датчика BK1 и светодиода HL1, размещены на печатной плате размерами 58x65 мм, чертеж которой показан на рис. 2, а расположение элементов - на рис. 3.

Рис. 2. Чертеж печатной платы

Рис. 3. Расположение элементов на плате

Микросхемы впаяны непосредственно в плату без панелей, применение которых в условиях повышенной вибрации нежелательно. На плате имеются не показанные на схеме контактные площадки SCK, RST, VCC, MISO, MOSI, GND, к которым на время программирования микроконтроллера припаивают одноименные провода от программатора. При этом плату и программатор во время программирования следует питать напряжением +5 В (VCC) от одного источника.

Плата рассчитана на установку резисторов и конденсаторов типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Диод SR2040 (URL: files.rct.ru/ pdf/diode/5261755198365.pdf) - в двухвыводном корпусе TO220AC. Вместе с транзистором IRF3808 он закреплен с применением теплопроводной пасты на общем теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности около 60 см².

Принцип крепления транзистора 5 или диода к теплоотводу 1 и всего узла к печатной плате 2 показан на рис. 4. Диод изолирован от теплоотвода слюдяной прокладкой, а от крепящего винта 4 и металлической втулки 3 - изоляционной втулкой (изолирующие элементы на рисунке не показаны). Между корпусами диода и транзистора находится третья точка крепления теплоотвода к плате. Здесь он также закреплен винтом и втулкой.

Рис. 4. Принцип крепления транзистора или диода к теплоотводу и всего узла к печатной плате

Все печатные проводники платы, по которым течет ток двигателя вентилятора, должны быть покрыты слоем припоя толщиной не менее 0,7...1 мм, а сечение подводящих проводов должно обеспечивать пропускание этого тока.

Светодиод HL1 целесообразно вынести в салон автомобиля, чтобы водитель имел оперативную информацию о текущем режиме работы устройства.

Датчик DS18B20 (ВК1) следует поместить в корпус от штатного контактного датчика температуры охлаждающей жидкости, из которого предварительно следует удалить всю "начинку". Такой корпус можно и выточить из латуни с сохранением габаритных и присоединительных размеров. Размещение датчика DS18B20 в корпусе показано на рис. 5. Датчик 4 с припаянным к его выводам разъемом 1 помещают в полость корпуса 3 так, чтобы его верхушка, на которую нанесен слой теплопроводной пасты 5, касалась дна полости.

Рис. 5. Размещение датчика DS18B20 в корпусе

После этого полость заливают термостойким герметиком.

Разъем 1 должен иметь антикоррозийное покрытие контактов, бытьбрызгозащищенным, надежно фиксировать ответную часть, не допуская ее отстыковки под действием вибрации. Подготовленный датчик устанавливают на место штатного.

Собранная плата помещена в корпус подходящих размеров, который размещен в моторном отсеке автомобиля. В корпусе предусмотрены вентиляционные отверстия.

Микроконтроллер ATtiny2313A может быть заменен другим семейства AVR, имеющим как минимум один 8-разрядный и один 16-разрядный таймер и не менее 2 Кбайт программной памяти. Естественно, замена микроконтроллера потребует перекомпиляции программы и, возможно, изменения топологии печатной платы.

Вместо неинвертирующего драйвера нижнего плеча TC4420EPA можно использовать другой подобный, например, MAX4420EPA.

Диод с барьером Шотки SR2040 можно заменить аналогичным с допустимым обратным напряжением не менее 25 В и допустимым прямым током не менее рабочего тока вентилятора. Однако диоды Шотки с обратным напряжением более 40 В применять не рекомендуется, так как большее прямое падение напряжения на таком диоде приведет к возрастанию тепловыделения.

Замену полевому транзистору IRF3808 с изолированным затвором и каналом n-типа следует подбирать с опустимым постоянным током стока при температуре 100 °C в 2,5...3 раза больше рабочего тока вентилятора и с сопротивлением открытого канала при рабочем токе вентилятора до 20 А - не более 10 мОм, а 20...30 А - не более 7 мОм. Допустимое напряжение сток-исток должно быть не менее 25 В, а затвор-исток - не менее 20 В.

Правильно собранное из исправных деталей устройство потребует налаживание только в том случае, если исходные данные в прилагаемом варианте программы, о которых было сказано ранее, не соответствуют требуемым. В этом случае их нужно откорректировать в исходном тексте программы, заново откомпилировать его в среде разработки Bascom AVR и загрузить в память микроконтроллера вместо приложенного к статье файла Cooler-test.hex полученный HEX-файл.

Если напряжение трогания двигателя вентилятора неизвестно, его можно определить экспериментально. Для этого в память микроконтроллера вместо рабочей программы нужно загрузить разработанную мной отладочную программу. В приложенном к статье файле Cooler-test.hex содержатся ее коды. Конфигурацию микроконтроллера программируют одинаково для рабочей и тестовой программ в соответствии с рис. 6, где показано окно установки конфигурации программатора AVRISP mkII.

Рис. 6. Программирование микроконтроллера

Через 3 с после включения питания программа Cooler-test начинает управлять вентилятором, постепенно увеличивая от 55 до 95 шагами по 5 единиц код, задающий коэффициент заполнения питающего вентилятор импульсного напряжения. Это примерно соответствует изменению постоянной составляющей этого напряжения от трех до пяти вольт. Длительность каждой ступени - 10 с, в течение которых вентилятор и светодиод HL1 включены, и пауза длительностью 5 с, в течение которой напряжение с вентилятора снято, а светодиод погашен. Об окончании работы программы сигнализирует серия из пяти коротких вспышек светодиода.

Наблюдая за светодиодом, несложно определить, на какой ступени вентилятор начал вращаться, и определить значение N1, которое следует записать в основную программу.

Работу устройства в аварийном режиме проверяют, отключив разъем от датчика температуры. При этом вентилятор должен включиться и работать на полную мощность в прерывистом режиме (33 с - работа, 33 с - пауза). Светодиод HL1 при этом должен светиться. Его желаемую яркость устанавливают подборкой резистора R3.

Программы микроконтроллера можно скачать по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/11/fan.zip.

Автор: А. Савченко, пос. Зеленоградский Московской обл.

Смотрите другие статьи раздела Автомобиль. Электронные устройства.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Случайная новость из Архива Программируемое вычислительное устройство на основе ДНК 30.09.2023 Китайские ученые достигли значительного прорыва в области биологических вычислений, создав программируемое вычислительное устройство, основанное на ДНК. Этот важный шаг приближает нас к созданию полноценного ДНК-компьютера. Интегральные схемы, которые широко использовались в последние десятилетия, в большинстве своем представляют собой электронные и фотонные схемы, базирующиеся на полупроводниках. Однако использование генетического кода для вычислений, известное как редкоземельные схемы, представляет собой совершенно новую стратегию, которая может обеспечить массовый параллелизм в кодировании и выполнении алгоритмов. Однако биологические молекулы обычно диффундируют и смешиваются в жидкостях, что затрудняет использование этой стратегии для общих вычислений. Последние исследования продемонстрировали систему, включающую многослойные программируемые вентильные матрицы на основе ДНК (DPGA), способные решать квадратные уравнения. Исследователи из Шанхайского университета, возглавляемые Цзяо Тонгом, создали устройство с тремя последовательными слоями DPGA, каждый из которых содержит 30 логических элементов и около 500 нитей ДНК. Эти слои работают в синхронизации для контроля случайных взаимодействий молекул. Ученые отметили, что использование одноцепочечных полимеров, состоящих из небольшого числа нуклеотидов, в качестве однородных сигналов передачи, позволяет интегрировать крупномасштабные интегральные схемы с минимальными потерями и высокой точностью для общих вычислений. Согласно исследованию, это устройство, снабженное аналого-цифровым преобразователем, может быть использовано для классификации микроДНК, связанных с различными заболеваниями.

Другие интересные новости:

▪ SONY ELECTRONICS платит за прошлые ошибки

▪ Тонкие транзисторы для невидимой электронной кожи

▪ Техника управляется мыслями

▪ Удивление побуждает к исследованию

▪ 5-ти канальный регулятор питания Infineon IRPS5401

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Интересные факты. Подборка статей

▪ статья Право социального обеспечения. Шпаргалка

▪ статья Почему алкоголь вызывает опьянение? Подробный ответ

▪ статья Драцена. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Автомат световых эффектов с четырьмя режимами работы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Звуковой сигнализатор завершения работы бытового электроприбора. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025