Пропорциональное управление вентилятором охлаждения двигателя автомобиля

Универсальный блок управления электровентилятором системы охлаждения автомобиля. ШИМ-контроллер 3.0

По многочисленным просьбам читателей и единомышленников представляю разработку и реализацию универсальной адаптивной системы управления охлаждением двигателя автомобиля.

Предистория.
В этой статье речь пойдет о последнем устройстве, разработанном, на основе идей описанных в моих прошлых материалах:
Часть 1
Часть 2
Концепция та же: адаптивное ШИМ-управление скоростью вращения вентилятора ОЖ на основе показаний температуры двигателя.

Поставленные задачи.
За несколько лет эксплуатации подобных, разработанных мною устройств, и благодаря обратной связи с людьми, кто был заинтересован проектом и теми, кто повторил устройства, были собраны отзывы с пожеланиями улучшить, доработать и расширить функциональные возможности, из которых:
— увеличение мощности подключаемой нагрузки;
— реализация более плавных пусковых моментов вентилятора;
— доработка алгоритма работы контроллера при пусках двигателя «на горячую», для более тихой и эффективной работы вентилятора;
— возможность подключения сигнала от климата/кондиционера, для более быстрого охлаждения;
— принудительный пуск вентилятора от кнопки;
— универсальность подключения к любому датчику температуры, как штатному, так и отдельному, а так же чтение любого аналогового сигнала температуры (например от ЭБУ к стрелке температуры на приборке).

Разработка и реализация.
Сама электронная схема и архитектура контроллера практически не отличается от предыдущих вариантов из прошлых статей, за тем лишь исключением, что были увеличены в количестве силовые элементы (ключи VT1, VT2), добавлен вход для сигнала кондиционера (a/c.4 на разъеме P1) и стабилизирован вход для чтения показаний датчика/сигнала температуры.

Источник

Пропорциональное управление вентилятором охлаждения двигателя автомобиля

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 fig. 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 U ₀ — 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:

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.

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.

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.

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.

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.

Autor: А. САВЧЕНКО, пос. Зеленоградский Московской обл.
Fuente: Радио №11, 2016

Источник

Пропорциональное управление вентилятором охлаждения двигателя автомобиля

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 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 о 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 DS18B20 (BK1). Применение этого датчика позволяет отказаться от калибровки изготовленного устройства и улучшает его повторяемость.

Рис. 1. Схема устройства

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

Её 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 надёжной 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 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.

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 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:

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

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.

Рис. 2. Чертёж 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 одноимённые провода от программатора. При этом плату и программатор во время программирования следует питать напряжением +5 В (VCC) от одного источника.

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

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.

Рис. 5. Размещение датчика DS18B20 в корпусе

После этого полость заливают термостойким герметиком 2.

Разъём 1 должен иметь антикоррозийное покрытие контактов, бытьбрызгозащищённым, 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 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 приведёт к возрастанию тепловыделения.

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 её 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

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

Программы микроконтроллера можно скачать здесь.

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

Мнения читателей

всем привет, ребята сбросьте пожалуйста хекс на значение N1 55 пожалуйста у меня винт сильно быстро разгоняетса а басикома нету на почту miner644545@gmail.com заранее спасибо

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Источник

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:

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.

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.

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

Источник