Пропорциональное управление вентилятором охлаждения двигателя автомобиля

Предлагаемое устройство позволяет перейти от релейного принципа управления вентилятором системы охлаждения двига­теля «температура выше нормы — включён, 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°С и более. Поступая в рубашку охлаждения двигателя, существенно охлаждённая 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 вискомуфту. Она изменяет передаваемый на вал вентилятора кру­тящий момент в зависимости от темпе­ратуры охлаждающей жидкости. Это стабилизирует температурный режим.

Предлагаемое устройство представ­ляет собой электронный аналог вискомуфты 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 °С 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 DS181B20 (ВК1). Применение этого датчика позволяет отказаться от калибровки изготовленного устройства и улучшает его повторяемость.

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 задаёт 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

где U₀ — напряжение в бортсети, В; N — число, загруженное в регистр микро­контроллера. Её можно изменять с ша­гом

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

Для обеспечения надёжной работы ключевого транзистора VT1 в переход­ных режимах микроконтроллер управ­ляет им через драйвер ТС4420ЕРА (DA1). Современные полевые транзис­торы, имея очень малое сопротивление открытого канала (единицы миллиом), способны коммутировать значитель­ный ток даже без применения тепло­отвода. Однако большая входная ём­кость 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 ёмкости 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 ёмкости полевого транзистора и, следовательно, минимизирует про­должительность его работы в активном режиме и снижает рассеиваемую на нём 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 VТ1. Диод VD1 устраняет импульсы ЭДС самоиндук­ции, возникающие в обмотках двигате­ля вентилятора в моменты закрывания транзистора VТ1.

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 включён 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 её восстановления устрой­ство переходит в нормальный режим работы.

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

• Т_min = 87 — температура охлажда­ющей жидкости, °С, при которой венти­лятор должен начинать работать с ми­нимальной частотой вращения;
• Т_max = 92 — температура охлаж­дающей жидкости, °С, 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 Т_max и Т_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 начнёт 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 Т_max, Т_min и N1 рассчитывает D_n — требуемую крутизну зависимости значения загружаемого регистр сравнения таймера кода от темпе­ратуры:

Затем начинается главный цикл программы. Прежде всего, происходит проверка связи с датчиком температу­ры, а при её 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 Т. Если она ниже Т_min, про­грамма выключает вентилятор, в про­тивном случае вычисляет требуемое значение управляющего кода по фор­муле

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 Т_min…Т_max.

Все детали устройства, за исключе­нием датчика ВК1 и светодиода HL1, размещены на печатной плате разме­рами 58×65 мм, чертёж которой пока­зан на рис. 2, а расположение элемен­тов — на рис. 3.

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 одноимённые 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: http://files.rct.ru/pdf/diode/5261755198365.pdf (27.06.16)) — в двухвыводном корпусе Т0220АС. Вместе с транзистором IRF3808 он закреплён 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 закреплён винтом и втулкой.

Все печатные проводники пла­ты, по которым течёт 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 разъёмом 1 поме­щают в полость корпуса 3 так, чтобы его верхушка, на которую нанесён слой теплопроводной пасты 5, касалась дна полости. После этого полость заливают термостойким герметиком 2.

Разъём 1 должен иметь анти­коррозийное покрытие контактов, быть брызгозащищённым, надёж­но фиксировать ответную часть, не допуская её отстыковки под действием вибрации. Подго­товленный датчик устанавливают на место штатного.

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

Микроконтроллер ATtiny2313A может быть заменён 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 ТС4420ЕРА можно использовать другой подобный, напри­мер, МАХ4420ЕРА.

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 при­ведёт к возрастанию тепловыделения.

Замену полевому транзистору IRF3808 с изолированным затвором и каналом n-типа следует подбирать с допустимым постоянным током стока при температуре 100 °С 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 НЕХ-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 её коды. Конфигурацию микроконтроллера про­граммируют одинаково для рабочей и тестовой программ в соответствии с рис. 6, где показано окно установки конфигурации программатора AVRISP mkll.

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 трёх 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 разъём 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

Автор: А. САВЧЕНКО, пос. Зеленоградский Московской обл.
Источник: Радио №11, 2016