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1、 汽车发动机冷却风扇智能控制系统的研究【摘要】在汽车电子快速发展的大背景下，为了保证发动机能够安全、自由灵活的运行，本文设计了一个自身具有故障检测功能的新型智能冷却风扇控制系统。本系统采用 PIC16F716 单片机作为微处理器芯片，在采集发动机工作环境温度的同时，采集此时发动机送来的工作状态信号，由微处理器综合运算后，送出 PWM 输出信号，对冷却风扇进行调速，达到及时且非常可靠的控制效果。另外，本系统还专门设计了检测风扇自身的各种常见故障的硬件电路及其运行程序，以保证冷却风扇能够安全且无故障的运行，并最终为发动机的安全运行提供保障。关键词 PIC16F716 冷却风扇 故障检测 PWM引言
2、目前，汽车电子化控制已经成为不可逆转的潮流。汽车的动力传动总成、底盘、车身系统和通讯都在向着智能化、可操作化的方向发展，汽车最终将成为集信息化、电子化和智能化为一体的载体，作为汽车重要组成之一的发动机冷却系统也急需改进。传统的发动机冷却系统，不能根据发动机的不同工况自动调节。但汽车的使用条件千变万化，那样肯定会使得发动机冷却不足或者冷却过度，对发动机造成损害。还有，冷却风扇消耗发动机的有效功率约为 10，这其中仅有 510是有意义的。后来经电动控制改造，冷却系统在冷却方面，已经取得了良好的使用效果。基于这一情况，本系统采用电子控制技术，通过 NTC 温度传感器采集发动机工作环境的温度值，经过微
3、处理器将温度信号转化为电信号；同时，微处理器根据测量值，经过运算得出所需的风扇转速值，再通过微处理器输出的 PWM 信号控制直流电机的转速，从而达到调节发动机工作环境温度的目的。另外，为了适应智能化的趋势，本系统还要设计风扇的自动故障检测以及恢复功能。并把自身工作情况，通过数据总线传给上级模块，从而完成汽车电子所要求的智能一体化的要求。一、系统组成和硬件设计本系统主要组成有，输入模块包括：温度信号采样电路、风扇电源电压采样电路、PWM 信号采集电路、控制系统供电电源电路、时钟输入电路、两个风扇电机的负载采样电路（本系统采用两个风扇工作） ；输出模块包括：两个风扇电机的 PWM 驱动电路和声光指
4、示电路；另外，还包括一个通信电路。1、温度采集电路。采用 NTC 热敏电阻作为温度传感器，其电阻值随温度的变化十分迅速，典型变化为每摄氏度可减少 37，这对适合宽温度范围内使用的任何传感器来说是最灵敏的。在测温电阻上测得电压变化，输入微处理器（PIC） ，经过 A/D 转换，转换成数字信号。在微处理器中存储了温度传感器的特性曲线，每一个电压值就对应一个温度值。2、电源电路。一个稳定、可靠的系统，需要一个独立、安全的供电网络来支持。本系统的电源电路采用 Motorola 推出的 LE4949 作为核心芯片，它是一款单片集成的电压为 5V 的电源芯片。在 LE4949的基础上，加上滤波和调整电路，
5、为整个系统的弱电电路供电。3、单片机、输入 PWM 信号采样电路和声光指示电路本系统的中央控制芯片选用一款 20 脚芯片 PIC16F716（美国微芯公司生产） 。它的优势在于，硬件系统设计简洁，指令系统精练，能为我们的设计带来很多的方便。系统的输入 PWM 信号采样电路和声光指示电路，将采用同一套电路来完成：当声光指示电路由 RB3 输出时，PWM 信号输入口 RB0 暂时不会工作。由 RB3 输出一系列有规律的高低电平信号，可以作为输出的信号源，再用蜂鸣器配合红绿指示灯，来声光报警或指示发动机的状态；当此电路用来采样输入 PWM 波形时，RB3 始终保持高电平，以保持 T2 管导通，这样便
6、可以保证 RB0 能顺利的采样到反应发动机当前状态的 PWM 波形。4、电机驱动电路、负载采样电路和风扇电源电压采样电路电机驱动电路，要把单片机输出的电压时间信号（即输出占空比）实现：由单片机 RB4 和 RB1 两端输出的电压时间信号，通过自举电路加在两个 MOS 场效应管的栅极。进而通过调整 MOS 场效应管的通断，来控制加在两个风机上的平均电压，从而达到调节风扇转速的目的。电路是否有短路、过载和堵转故障。当 T8、T9 管完全导通时，检测在 RA0 和 RA3（或 RAO 和 RA2）之间的电压，然后与 MOS 场效应管的比值，便可以得到风机的电枢电流。当 T8、T9 管完全截止时，通过
7、RA3（或 RA2）的检测，可以得到两个风机的反电动势，由此可以检测出风机是否有堵转故障。2、温度控制子程序温度控制子程序，要把汽车发动机的工作环境温度控制在一定的范围内，这一温度范围要综合多种因素。首先，是发动机温度不能过高，温度过高会给汽车的使用带来种种障碍，也给车辆关键部件的使用寿命带来严重影响。另一方面，需要考虑发动机的燃油经济性，当系统温度在 90C 左右时，其效率最高。因此，采用适当的冷却温度范围，对于保证动力传动系统的正常运行、提高发动机以及传动系统的功率利用率、提高燃油经济性十分必要。所以，我们以把发动机工作环境温度控制在 90C100C 左右为努力方向。输入的 PWM 波是发
8、动机发送给单片机的，是发动机当前工作状态的最直接的反应所以，本设计在检测发动机工作环境温度的基础上，结合发动机的工作状态信号，为更加及时准确的调整冷却风扇的转速提供了保障。(注：R（in）为温度采样值，（in）为输入 PWM 占空比)3、故障检测1、故障检测原理在风扇电机运转过程中，要时刻监控其运转情况，及时的发现故障情况，并进行及时的处理，保证风机的正常运转。不然，温度控制程序再好，当风机出现故障时，也无济于事。通常情况下，风机的故障有三种情况：首先是短路情况，当短路故障发生时，会引起电枢电流瞬间升高，所以，可以靠检测风机的电枢电流值是否瞬间升高许多来判断；再者是堵转故障，当堵转故障发生时，
9、电枢转子的转速会比平时应该具有的转速低很多，电枢绕组的感应电动势的绝对值肯定变低，所以可以比较测得反电动势与正常运转时反电动势绝对值的大小，来判断是否发生堵转故障；最后是过载故障，过载故障发生时，电枢的电磁转矩会升高，肯定也会引起电枢电流的升高，但增加的幅度和短路时电流值不同，我们也可以用检测风机电枢电流的方法，判断风机是否发生过载故障。据此，故障检测的思想是：根据风机当前的运转情况，预设风机故障判断所需的参考值，然后去采集风机运转过程中的实际值，把实际值与参考值做比较，从而判断风机是否发生了故障。其中：短路故障和过载故障的参考值由经验值设定；堵转故障的参考值，要先通过风机转速的检测，根据当前
10、不同的转速，而设定不同的反电动势参考值。为了方便，我们把风机的转速分为四个等级，每个转速等级设定一个反电动势的参考值。2、故障检测程序实现根据故障检测的思想，编写故障检测子程序。4、结论本系统以目前已经比较成熟的电动冷却风扇为基础，基本上解决了汽车发动机冷却系统不能随工况自动调节的缺陷，达到了冷却风扇随发动机工作环境温度的变化而自动调整转速的目的。另外，微控器在检测环境温度的同时，能够检测发动机当前的工作状态，为控制的及时性提供保障。并且，加入了风扇自身故障检测功能，形成了比较完善的冷却风扇智能控制系统。在工作性能上，能够完全适应现代汽车可靠性、动力性、经济性、安全性的要求。在汽车电子技术飞速
11、发展的大环境下，该系统是一种很有应用前景的发动机冷却控制方案。本文作者的创新点：（主要是针对目前汽车电子要求的及时性和非常高的可靠性）一、不仅依靠检测发动机工作环境温度，还要检测发动机此时的运行状态，使得风扇调速更加及时和准确；二、能不断对冷却风扇进行故障检测，一旦发现问题，及时的进行修复操作，时刻保证冷却风扇的正常运转，为发动机的工作提供非常高的安全保障；三、本系统具有通信接口，可以和其他系统联为一体，作为汽车电子车身控制的一部分。参考文献1崔靖,边耀璋.汽车构造(上册）M西安:陕西科学技术出版社,1991:3142德J马瑞克,日Y苏左克.汽车传感器M.北京:化学工业出版设,2004:2802923李德錬,PIC 单片机硬件资源结构特点及编程,微计算机信息J,2000,16(6):74764李学海,PIC 单片机原理.北京:北京航空航天大学出版社,2004:7-425汤蕴嵺,史乃,电机学（第二版）.北京:机械工业出版社,20055:81-1216包乃兰,宁立革,一种嵌入式控制系统方案的研究,微计算机信息J,2005,No.26
