Назначение и структура систем управления кондиционерами
Автомобильные кондиционеры предназначены для создания комфортных условий в салоне автомобиля в течение всего года. Это достигается путем подогрева или охлаждения воздуха, удаления из него влаги за счет переключения воздушного потока, проходящего через теплообменники нагревателей и охладителей, которые размещены в едином корпусе. Естественно, что для этого требуется более высокий уровень управления, чем в системах с независимым подогревом и охлаждением.
Появились кондиционеры, которые автоматически поддерживают заданную температуру в салоне. Они регулируют температуру и воздухообмен на основе данных о внешней температуре, интенсивности солнечного излучения и температуре воздуха в салоне. Сложность системы управления такими кондиционерами гораздо выше, чем бытовыми.
Существует много различных типов автомобильных кондиционеров, однако здесь мы рассмотрим лишь автоматическую систему кондиционирования (рис. 83). При включении режима стабилизации температуры с помощью выключателя S1 установки температуры в ЭБУ поступают сигналы от датчиков температуры воздуха в салоне Д2, и вне салона Д4, интенсивности солнечного излучения ДЗ и температура охлаждающей жидкости двигателя Д5. На основании этих данных ЭБУ вычисляет необходимую температуру выпускаемого воздуха и управляет степенью открытия заслонки воздушного смесителя 4 и водяного клапана 8, а также подключением впускного и выпускного отверстий. Это позволяет поддерживать заданную температуру салона.
Рис. 83. Система автоматического кондиционирования: 1 и 5 - заслонки соответственно впускного и выпускного (2 шт.) отверстий; 2 - испаритель; 3 - подогреватель; 4 - заслонка воздушного смесителя; 6 - внутреннее помещение салона; 7 - мембрана выпускного отверстия; 8 - водяной клапан; 9 - силовой сервомеханизм; 10 - потенциометр; 11 - компрессор; 12-электродвигатель вентилятора; D1 - датчик температуры испарителя; D2 и D4-датчики температуры воздуха соответственно в салоне и вне салона; D3 - датчик интенсивности солнечного излучения; D5 - датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя; S1 - выключатель установки температуры; S2 - переключатель режима
Регулирование температуры обеспечивается следующим образом. Прежде всего впускное отверстие переключается на поступление воздуха из атмосферы или из салона. Затем одновременно с охлаждением этого воздуха в теплообменнике при помощи охладителя (испарителя) 2 происходят конденсация и удаление из него влаги. Охлажденный и обезвоженный воздух частично (в зависимости от степени открытия заслонки воздушного смесителя 4) вновь нагревается, проходя через нагреватель, а частично в охлажденном виде, минуя нагреватель, поступает в камеру смесителя. Подогретый и охлажденный потоки, смешиваясь в камере смесителя, приобретают соответствующую температуру и поступают через выпускное отверстие в салон, обеспечивая заданную температуру.
Обычно с помощью автоматических кондиционеров решают следующие задачи в зависимости от условий внутри и вне автомобиля:
регулирование температуры воздуха на выпуске - изменением степени открытия заслонки воздушного смесителя;
регулирование интенсивности потока воздуха - изменением частоты вращения вала двигателя вентилятора;
управление впускным и выпускным отверстиями - переключение выпускных отверстий охладителя и нагревателя, переключение поступления воздуха из атмосферы или салона;
управление компрессором - включение и выключение электромагнитной муфты компрессора.
Датчики температуры
В кондиционерах применяют несколько датчиков внутренней и наружной температуры воздуха, температуры испарителя, температуры охлаждающей жидкости двигателя. Во всех датчиках используются термисторы, причем термисторы датчиков внутренней и наружной температуры и температуры испарителя имеют одинаковые характеристики (рис. 84,а). Характеристика датчика температуры охлаждающей жидкости показана на рис. 84,6.
Рис. 84. Характеристики датчиков: а - температуры испарителя; б - температуры охлаждающей жидкости
Датчик температуры воздуха в салоне содержит малогабаритный вентилятор, чтобы, пропуская через себя воздух салона, показывать его среднюю температуру. Внешняя часть датчика температуры воздуха вне салона изготавливается из смолы с высокой теплоемкостью, поэтому датчик не реагирует на резкие изменения температуры (например, из-за поступления отработавших газов от впереди идущего автомобиля) и показывает среднюю наружную температуру. Датчик испарителя устанавливается на выходном отверстии испарителя (в котором происходит испарение сжатого хладоагента) и показывает температуру охлажденного воздуха, т.е. дает информацию о максимально достижимой степени охлаждения. Датчик температуры охлаждающей жидкости расположен на выходе из системы охлаждения двигателя и показывает ее температуру. Он используется для установления наибольшей охлаждающей способности и включения в случае необходимости схемы подогрева.
Датчик интенсивности солнечного излучения
Датчик устанавливается над щитком приборов так, чтобы он воспринимал солнечные лучи. С помощью этого датчика определяется интенсивность солнечного излучения и учитывается изменение температуры салона, вызванное солнечными лучами. Датчики могут быть двух видов - с термистором и с фотодиодом VD-1 (рис. 85,а). Фотодиод подбирается таким образом, чтобы он не реагировал на температуру окружающего воздуха, но обладал высокой чувствительностью к солнечным лучам. Характеристика датчика показана на рис. 85,6.
Рис. 85. Датчик интенсивности солнечного излучения: а - эквивалентная схема; б - характеристика
Электронный блок управления
Структура ЭБУ (рис. 86). В системе используются ЭБУ индикацией и ЭБУ, выполняющий регулирование. Оба блока выполнены на основе однокристальных микроЭВМ и обеспечивают управление путем обмена между собой выходными и входными сигналами. ЭБУ индикацией обрабатывает входные сигналы от различных переключателей заслонок и обеспечивает индикацию заданной температуры ЭБУ, выполняющий регулирование, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), преобразует аналоговые сигналы различных датчиков температуры, установленных внутри и снаружи автомобиля, в цифровые сигналы, а также с помощью микроЭВМ вычисляет необходимую температуру воздуха на выпуске и в соответствии с условиями внутри и снаружи автомобиля вырабатывает сигналы для различных исполнительных механизмов.
Рис. 86. Структура ЭБУ автоматического кондиционера: D1 и D2 - датчики температуры воздуха соответственно в салоне и вне салона; D3 - датчик интенсивности солнечного излучения; D4 - датчик испарителя; D5 - датчик температуры охлаждающей жидкости
Закон управления. Укрупненная блок-схема алгоритма управления показана на рис. 87. Для поддержания определенного теплового баланса в салон подается воздух.
Рис. 87. Блок-схема алгоритма управления
Чтобы температура воздуха в салоне была равна заданной, микроЭВМ вычисляет температурную поправку.
Степень открытия заслонки воздушного смесителя устанавливается на основании графика (рис. 88,а). По нему определяется степень открытия, соответствующая вычисленной температуре воздуха на выпуске. Регулирование температуры воздуха (от холодного до теплого) обеспечивается изменением состава смеси из охлажденного и нагретого потоков воздуха.
Положение заслонки воздушного смесителя плавно регулируется от полностью открытого состояния до полностью закрытого мембраной сервомеханизма, приводимой в действие разрежением. Сервомеханизм связан с потенциометром, сигнал которого пропорционален степени открытия заслонки. В результате образуется сигнал обратной связи, позволяющий сделать близкими реальную и вычисленную степени открытия заслонки (рис. 88,6).
Рис. 88. Определение угла открытия заслонки воздушного смесителя: а - закон управления смесителем (сплошная линия - выключенный компрессор, прерывистая - включенный), б - коррекция положения заслонки
Аналого-цифровой преобразователь. ЭБУ автоматического кондиционера принимает сигналы от большого числа различных датчиков, в том числе датчиков температуры. Сигналы температурных датчиков представляют обычно аналоговые показатели, поэтому для обработки в цифровых схемах они преобразуются в дискретные значения с помощью АЦП. Такой преобразователь может быть выполнен в виде одной БИС или в виде схемы, использующей микроЭВМ. Преобразователь, выполненный на микроЭВМ 1 (рис. 89), содержит регистр 2 для преобразования последовательных данных в параллельные, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3 для преобразования параллельных данных в аналоговый сигнал и компаратор 4, который сравнивает выходной сигнал ЦАП с сигналом датчика.
Если разрешающая способность АЦП соответствует 8 разрядам, то разрядность параллельных данных будет также равна 8 и на выходе регистра сдвига появляется одно из 256·28 значений (от 0000 0000)2 до (1111 1111)2. Напряжение, вырабатываемое этим ЦАП и пропорциональное определенному состоянию регистра, сравнивается в компараторе с напряжением, поступающим от датчика. Состояние регистра сдвига, при котором на выходе компаратора имеется низкий уровень напряжения L, соответствует цифровому представлению сигнала датчика.
Рис. 89. Аналого-цифровой преобразователь на основе микроЭВМ
В описанном способе преобразования можно обработать сигнал только одного датчика. Для аналого-цифрового преобразования сигналов от нескольких датчиков следует использовать мультиплексорные устройства.
Известно несколько способов построения ЦАП. Рассмотрим принцип действия ЦАП типа R=2R (рис. 90). Сопротивление в точке F с учетом левого и верхнего регистров равно R. Сопротивление в точке Е с учетом левых и верхних резисторов также равно R. Сопротивление влево от точки А будет равно 2R, а влево и вниз - R. В результате, если выключатель S5 подключен к уровню эталонного напряжения UREf, а остальные S0-S4 - к массе, то потенциал UA точки А будет равен 1/3 UREF, поскольку эталонное напряжение делится на резисторах 2R и R. (Напряжение на выходе равно UOUT).
Рис. 90. Схема цифрового преобразователя R-2R
Потенциал точки В в результате деления потенциала Ua точки А на их резисторах оказывается равным
Аналогично потенциал точки С
Так же вычисляется потенциал точки D.
В общем случае, обозначая состояние переключателей через Si, получаем
Другими словами, заменяя переключатели в этой схеме на регистр сдвига, показанный на рис. 89, получим аналоговый сигнал, значение которого пропорционально состоянию регистра сдвига.