泰矽微发布汽车空调电动出风口与风门解决方案

传统汽车上的空调系统主要是通过手动调节风向和温度，通过手动旋转或拨动拨钮的方式来实现内部机械结构的传动从而实现温度的调节和出风口前后叶片的角度调整。对温湿度和风向风量的调节只能做到粗略开环式单次控制。随着汽车智能化和自动化的程度的日益提高，人们对驾驶舒适性和操作便利性的要求越来越高。类似大面积，广角度的自动扫风功能使得电机自动控制方案成为汽车空调系统的发展趋势。通过在空调系统的多个部位加装合适的控制电机或者控制阀来实现空调风门和出风口的智能化控制，按照车内乘客的控制需求，精准控制风门和出风口转动到期望的位置。

按照电机的种类来分，目前空调风门和出风口的主流方案是使用步进电机来实现，也有小部分采用了BLDC电机。步进电机方案主要是通过步数反馈相对位置信息，通过标定来确定风门和出风口的起始位置，具有位置控制精确和电机模块轻量化的优点，不需要考虑位置传感器的使用，对于启动，停止，反转具有出色的响应特性。缺点是电机堵转后会造成失步，需在软件和算法中通过定期归零复位来消除累计误差，因此调校好的步进电机可以具有出色的定位精度和运动的可重复性。

按照控制方式的种类来分，主要有集中式控制和分布式控制两种。

集中式控制通过在域控中增加大算力处理器来实现，它的优点是电机的控制策略相对集中，LIN节点地址使用较少；缺点是线束和接插件数量比较多，线束的数量和电机的数量成正比，每个步进电机需要4根驱动线缆，通过两端的接插件将主控板和远端的步进电机相连，在成本和装配复杂度方面都存在一定的弊端。另外如果主控MCU芯片出现故障，其控制的所有电机都会失去控制。

图 2 集中式控制

随着电机控制芯片的集成度越来越高，分布式控制方案变得越来越成熟，优点是线束简单，每个电机都会单独拥有1个控制器，不会出现所有电机都宕机的情况；缺点是LIN节点地址使用较多，每个电机需要1个单独的节点地址来控制。不过对于LIN节点地址有限的案例，可以通过LIN中继来扩展LIN从机的节点地址来解决。

图 3 分布式控制

方案特点：

• 支持32微步控制，可以实现更精细的步距角控制

• 可以进行微小电流角度的控制，减少低速范围的振动和噪声

• 支持Mix Decay的工作模式（Fast Decay和Slow Decay相结合），减小电流纹波

• PWM载波频率最高支持40KHz

• 充分利用芯片内部的运放和比较器，自动进行PWM的斩波控制，提高MCU利用率

• 支持电流过零点开窗检测BEMF电压判断是否发生堵转

• 支持过温，过流，过欠压，开短路等诊断功能

方案特点：

• 电流纹波更小，噪音性能优秀

• 转矩控制平稳，相对于开环控制可提供更大的转矩输出，使得整个系统具有很好的动态响应

• PWM载波频率最高支持25KHz

• 支持堵转检测

• 电机运行效率高

• 支持过温，过流，过欠压，开短路等诊断功能

• 全速范围内噪音水平<30dB

• 全频段范围的振动指标满足要求

• 堵转检测准确可靠

• 可通过修改参数快速适配不同电机以提供整体运行效率

• 支持三角波和Hershey Kiss调制模式展频功能，便于优化EMI性能

• LIN总线只需极少外部器件就可满足EMC要求

• 支持LIN2.2、SAE J2602协议栈，通过德国IHR认证

• QFN24 5mm*5mm超小封装适应更小的板级空间

图 5 步进电机电流波形

为了便于用户快速进行方案评估，泰矽微提供基于TCM330的EVK开发板供用户申请，并提供完整的SDK开发包以及配套的上位机程序。

图 上位机

• 32-bit ARM Cortex-M0内核，主频48MHz

• 32KB ECC Flash，4KB SRAM，512B ECC  EEPROM

• 集成4路半桥驱动

• 0.5A RMS/1.6A Peak电流能力

• 集成电荷泵满足100% 占空比工作

• 自适应死区时间和电流上升斜率控制

• 高低边MOSFET 防直通保护

• 10 路低压IO 和 1 高压IO, 支持数字和模拟功能

• 硬件同步触发模式 14 位 1M SPS ADC

• 4路 12-bit 马达控制PWM 模块

• 1 个16bit 通用Timer，2 个基本定时器

• 2 路带8 bit DAC 输出参考的比较器

• 2 路精准电流采样运放

• 母线电压和相线电压采样ADC 通道

• 硬件数学加速引擎支持Arctan / Divider / SQRT

• 支持3线或4线SPI 主机/从机接口

• 过温，过欠压，开短路，过载检测功能

• 集成LIN 收发器，满足LIN 2.x/SAE J2602 and ISO17987-4 协议

• 支持LIN 总线自动寻址功能

• 时钟扩频功能降低EMI

• QFN 24 5mm*5mm超小封装

• AEC-Q100 Grade1 Ta max=125 °C，Tjmax 150

基于泰矽微TCM330集成式步进电机驱动芯片的空调出风口方案，具有噪音低，振动低，以及成本低等诸多优势。方案成熟度高、自动寻址LIN通信稳定可靠、EMC性能优异、兼容现有主流方案接口，替换简单方便，开发周期短。加上泰矽微全方位的技术支持服务，很好的解决了现有行业内普遍存在的诸多痛点，如芯片价格和方案成本高，技术支持不到位，供货得不到保障。TCM330是国产车规微马达集成驱动芯片的典范。芯片推出至今，已有数十个项目导入。经过一段时间的沉淀和方案不断完善，现正式将该方案面向所有客户开放，欢迎通过泰矽微销售窗口邮箱sales@tinychip.com.cn咨询及索取样品和评估板。