Блок управления отопителем салона автомобилей ВАЗ-2110-ВАЗ-2112

Известно, что легковые автомобили старых моделей ("Москвич” и др.) были оборудованы простейшими системами отопления салона. Поэтому время от времени в журнале появлялись материалы, направленные на совершенствование этих систем. Так, например, в "Радио", 2010, N9 9 и 10 было помещено описание любительского блока управления отопителем, позволившего существенно повысить комфортность пользования "Москвичом-412 ".
Современные отечественные автомобили среднего класса имеют на борту гораздо более совершенную аппаратуру отопления. Однако её возможности, как показывает сравнение с упомянутым блоком, следует признать довольно скромными. Ниже представлено подробное описание блока управления отопителем салона для автомобилей семейства ВАЗ-2110—ВАЗ-2112.

Если система автоматического управления отопителем (САУО) приобретённого нового автомобиля работает исправно и владелец ею доволен, то и нет причин что-либо менять. В противном случае я предлагаю в качестве альтернативы самодельный блок управления отопителем.
Для его установки необходимо смонтировать в машине два новых датчика температуры (один — в воздуховоде, второй — в салоне, около кронштейна зеркала заднего вида), изготовить и установить новую лицевую панель блока, так как имеющиеся органы управления подлежат замене одной ручкой управления, и, наконец, смонтировать электронные узлы блока. Прототипом блока послужило устройство, описанное в [1].
Блок обеспечивает высокую точность поддержания заданной температуры в салоне при изменении внешних условий. При этом исключён известный водителям недостаток имеющейся системы с одним датчиком, наиболее заметно проявляющийся в межсезонье. Добавлена функция автоматического управления производительностью вентилятора, учитывающая положение воздушной заслонки отопителя. Включают и отключают эту функцию ручкой управления.

Добавлена также сервисная функция контроля работоспособности обоих датчиков температуры и контроля теку-щего значения температуры в месте их установки.
Наконец, предусмотрена возможность отключения вентилятора при отрицательной температуре в воздуховоде. Это позволяет ускорить прогревание двигателя после запуска в зимнее время. Указанная функция работает только в режиме автоматического управления частотой вращения ротора вентилятора.

Также как и прототип, блок сохраняет работоспособность при отказе (или отключении) одного или обоих датчиков температуры. В этом случае водителю придётся вручную управлять заслонкой, имея наглядную информацию о её положении (подобное устройство описано в [2])Необходимо сразу отметить, что описанный ниже блок с управляющей программой 1303_Ru подходит для замены заводских блоков 1303.3854, 1313.3854, 1333.3854, а с программой 1323_Ru — для 1323.3854 (его устанавливали с 2003 г.). Различия описаны ниже. Справедливости ради следует также указать, что блок нельзя считать полноценной системой климат-контроля, так как нагретый воздух здесь образуется пропусканием его через теплообменник отопителя, а холодный поступает непосредственно из окружающей среды.



При разработке схемы и конструкции блока, а также управляющих программ была поставлена задача — минимизировать необходимые изменения в электрической проводке автомобиля и конструкции его элементов. Разработанный блок собран в корпусе электронного блока имеющейся системы управления отопителем и подключён посредством двух разъёмных соединителей.
Схема предлагаемого варианта блока представлена на рис. 1. В отличие от прототипа, в котором был использован способ управления электрокраном вида "открыт—закрыт”, этот блок поддерживает температуру перемещением заслонки воздухораспределителя. При этом происходит соответствующее изменение количественного соотношения нагретого и холодного воздуха.

Как и в прототипе, либо блок управляет вентилятором отопителя (на схеме — электродвигатель М1) автоматически, либо им управляют вручную Предусмотрены пять значений частоты вращения его ротора. Но здесь программное формирование ШИ сигнала заменено использованием встроенного в микроконтроллер ШИ модуля. Системой управляют сигналы двух датчиков температуры, один из которых — ВК1 — размещён вверху приёмной части воздухораспределителя, а второй — ВК2 — вблизи накладки кронштейна салонного зеркала заднего вида. Указанный выбор мест крепления датчиков оказался оптимальным, что подтверждено на практике.

Пределы регулирования температуры — 15...30°С. Их можно изменить в программе, задав требуемые значения констант T_min и Т_тах. Также возможна принудительная установка заслонки в верхнее или нижнее положение с тем, чтобы обеспечить соответственно полное нагревание или охлаждение салона.
Предусмотрены два режима работы блока — основной и установочный. В основном режиме индикаторы HG1 — HG3 отображают текущую температуру в салоне автомобиля (с датчика ВК2). Число включённых светодиодов группы HL1—HL5 мнемонически указывает выбранное значение частоты вращения ротора вентилятора. В установочном режиме индикаторы HG2 и HG3 отображают температуру, которую должен поддерживать блок, а индикатор HG1 — букву Р или А, в соответствии с выбранным ручным или автоматическим способом управления вентилятором. Примеры индикации для блока—прототипа можно увидеть в табл. 1 в [1].

Переход из основного режима в установочный происходит после короткого нажатия на ручку управления (на кнопку SB1). Затем, поворачивая ручку против или по часовой стрелке, устанавливают соответственно меньшее или большее значение температуры. После достижения предельных её значений (15 или 30 °С) последующий поворот ручки влево или вправо приведёт к установке заслонки соответственно в нижнюю или верхнюю позицию.
Для отображения на табло этих её позиций применено такое сочетание включаемых элементов индикаторов HG2 и HG3, которое образует на табло буквы Lo или Hi. Эти символы — начальные буквы английских слов Lowest — самая нижняя и соответственно Highest — самая верхняя позиции заслонки. К сожалению, семиэлементные индикаторы не позволяют выполнить приемлемую символику буквами русского алфавита.
Для большей наглядности перехода в установочный режим добавлено одновременное мигание десятичных точек индикаторов HG1—HG3. Управляющие сигналы на перемещение заслонки поступают только в основном режиме, что позволяет исключить её движение во время установки положения или требуемой температуры.

Стабилизация температуры в салоне на нужном уровне состоит из двух этапов. Первый — нагревание. Если температура или в воздуховоде, или в салоне ниже установленной, заслонка перемещается в верхнюю позицию и будет находиться в ней, пока температура в салоне не повысится до требуемой.
Как только это будет достигнуто, начинается второй этап — поддержание температуры. С помощью датчиков микроконтроллер DD1 следит за тем, чтобы температура салона не отклонялась от установленной. Если она станет выше, заслонка сместится на один шаг вниз, а если ниже —поднимется на один шаг.
Однако, если система будет работать только по сигналам температурного датчика салона, её тепловая инерционность окажется чрезмерно большой. Так, например, пока температура датчика в салоне ещё не опустилась до установленной, туда поступает холодный воздух. И, наоборот, пока температура датчика не поднимется до требуемой, система будет подавать горячий воздух. Такая её работа комфортности не обеспечит, особенно зимой.

Для исключения этого недостатка на этапе поддержания температуры микроконтроллер учитывает ещё и текущую температуру в воздуховоде, и методом последовательного приближения определяет оптимальное положение заслонки. Для этого перед перемещением заслонки вниз задаётся температура в воздуховоде, несколько меньшая текущей. Теперь происходит сравнение значений температуры воздуховода заданной и текущей, и если вторая больше первой, то заслонка смещается ещё на один шаг вниз. В противном случае заслонка поднимается вверх на шаг, слегка подогревая поступающий воздух.
Подобное происходит и перед перемещением заслонки вверх — температура в воздуховоде задаётся несколько большей, чем текущая, при достижении которой заслонка перемещается на один шаг вниз, слегка остужая поступающий воздух. Так исключаются переохлаждение и перегревание салона.
Затем микроконтроллер снова сравнивает значения температуры салона текущей и требуемой, и если они равны, то заслонка остаётся в этом положении, а если нет, то в зависимости от знака разности этих значений перемещается на один шаг вверх или вниз. И так далее по циклу.
Конструкция ручки управления такая же, как у блока—прототипа, поэтому её описание здесь опущено.

В отопителе автомобилей десятого семейства ВАЗ для управления заслонкой установлен миниатюрный электродвигатель с редуктором. Подавая напряжение на электродвигатель (на схеме он обозначен М2), можно перемещать заслонку в то или иное положение. На валу редуктора соосно установлен переменный резистор (R15 по схеме блока). Он входит конструктивно в состав отопителя и подключён в автомобиле к выводам 1 и 4 разъёма Х1. При перемещении заслонки перемещается движок резистора.
На рис. 1 этот резистор изображён состоящим из двух — R15.1 и R15.2, так как в крайнем левом (по схеме) положении его сопротивление равно примерно 1 кОм, а в крайнем правом — около 4 кОм. Резистор R15 совместно с резисторами R14, R19 и R20 образуют узел, позволяющий определять текущее положение заслонки.

Выход узла (точка соединения резисторов R15.2 и R19) подключён к входу AN 1 (вывод 18) микроконтроллера DD1, настроенному как вход компаратора. К этому же входу подключены конденсатор С5 и стабилитрон VD1. Первый из них гасит импульсные помехи, возникающие от перемещения движка резистора R15.2, а второй ограничивает входное напряжение. Наличие стабилитрона обязательно, так как без него подача питания на блок при отключённом резисторе R15 приведёт к выходу из строя микроконтроллера. В нормальном режиме стабилитрон VD1 в работе блока не участвует, так как напряжение на нём не превышает 3,5 В.

С помощью программы Exel проведены расчёты значений напряжения, приложенного к составному переменному резистору R15, сопротивления резисторов R14 и R19, получаемых значений напряжения на выходе узла, также для наглядности построены графики. Вся эта информация приложена к статье.
Компараторный модуль микроконтроллера настроен на работу одного компаратора — в разрядах СМ2, СМ1, CM0 регистра CMCON установлено значение 101. К неинвертирующему входу компаратора подключён встроенный источник образцового напряжения, для чего установлены соответствующие разряды регистра VRCON. Источник образцового напряжения нужно настроить на работу на втором участке (разряд VRR=0), при этом напряжение будет принимать значения от 1,25 до 3,59 В с шагом 0,15625 В (задаётся программно). Проконтролировать его можно на выходе VREF (вывод 1) микроконтроллера DD1.
Процесс определения текущего положения заслонки протекает следующим образом. После включения питания в регистр VRCON заносится значение ОхСО, тем самым источник образцового напряжения устанавливается на минимальное значение 1,25 В. Затем компаратор сравнивает его с напряжением на входе AN1. Если оно оказывается большим образцового (разряд C20UT=0), в регистр VRCON заносится следующее значение 0 хС1, образцовое напряжение увеличивается до 1,41 В и снова происходит сравнение. И так до тех пор, пока не определится ближайшее большее значение образцового напряжения.



Затем оно из регистра VRCON копируется в регистр POS_ZA (ОЗУ) и в дальнейшем используется при задании направления и интервала перемещения заслонки, а также частоты вращения ротора вентилятора отопителя при автоматическом способе управления, о чём будет рассказано ниже. Для замены блоков 1303.3854, 1313.3854, 1333.3854 регистр POS_ZA может принимать значения от минимального 0 хС2 до максимального OxCD с шагом 1, что соответствует двум крайним и десяти промежуточным положениям заслонки Поясню, почему для замены блока 1323.3854 пришлось разрабатывать другую программу. Здесь по иному включён резистор R15.2 (см. рис. 2).

Средний вывод соединён с R15.1, а не с R19. В крайнем левом по схеме положении сопротивление резистора R15 равно примерно 4 кОм, а в крайнем правом — примерно 1 кОм [3]. Поэтому в программе регистр POS_ZA может принимать значения от минимального OxCD до максимального 0 хС4 с шагом -1. При этом заслонка будет иметь два крайних и восемь промежуточных положений.
В остальном принципы работы блоков и программы аналогичны.

Напряжение питания электродвигателя М2 не должно превышать 10 В, а время его непрерывной работы должно быть более 13 с [3]. Первое условие обеспечивает стабилизатор DA1, второе условие выполняет программа. Для подачи управляющего напряжения на электродвигатель М2, который в автомобиле подключён к контактам 2 и 8 разъёма Х1, применён транзисторный коммутатор VT8—VT15.
В исходном состоянии на выходах RB4 и RB5 (выводы 10 и 11) микроконтроллера DD1 установлен низкий уровень напряжения, при этом транзисторы коммутатора закрыты, электродвигатель выключен. При подаче сигнала высокого уровня с выхода RB4 транзисторы VT8 HVT12, VT10nVT14 откроются, подавая питание на электродвигатель. Его ротор начнёт вращаться, перемещая заслонку вниз. А при подаче сигнала высокого уровня с выхода RB5 откроются транзисторы VT9 и VT15, VT11 и VT13, электродвигатель начнёт перемещать заслонку вверх. Конденсатор С9 гасит помехи от электродвигателя.
Перемещение заслонки из прежнего положения в новое происходит в следующем порядке. Значение регистра POS_ZA микроконтроллер переносит в регистр COPYZA, затем в POS_ZA записывает новое и копирует его в регистр VRCON, устанавливая тем самым новое значение образцового напряжения. После этого происходит сравнение значений регистров COPY ZA и POS_ZA, и если второе из них больше, значит, выбрано перемещение заслонки вверх, а если меньше — вниз.

Затем на электродвигатель М2 поступает напряжение соответствующей полярности. Одновременно с этим запускается таймер (на 13 с), и заслонка начинает перемещаться до момента, когда либо компаратор изменит своё состояние, либо обнулится таймер.
Направление перемещения учитывается в программе следующим образом. По достижении заданного положения заслонки при её движении вверх на выходе компаратора (разряд C20UT регистра CMCON) должен установиться логический нуль, а при движении вниз — логическая единица, после чего электродвигатель отключается. Если же таймер обнулился раньше, чем компаратор изменил своё состояние, то определяется текущее положение заслонки и сравнивается с заданным. В случае их несовпадения звуковой излучатель НА1 подаст три коротких сигнала, предупреждая водителя о возможной неисправности в приводе заслонки. После этого микроконтроллер, согласно программе, предпримет ещё три попытки перемещения заслонки в заданное положение.

Если они также окажутся неудачными, снова прозвучат три коротких сигнала и появится соответствующий флаг, после чего текущее положение заслонки больше не проверяется, т. е. предполагается, что она находится в заданном положении. Флаг снимается в установочном режиме при изменении значения температуры или задании нового положения заслонки.
Для управления электродвигателем М1 вентилятора отопителя использован встроенный в микроконтроллер ШИ модуль с выходом ССР1 (вывод 9). На транзисторах VT1—VT3 собран преобразователь сигнала микроконтроллера, управляющий мощным полевым транзистором VT4. Преобразователь нужен для формирования крутых перепадов импульсов, открывающих транзистор VT4. Если не обеспечить требуемую форму открывающих импульсов (микроконтроллер этого сделать не может), то транзистор VT4 будет сильно разогреваться, вплоть до выхода из строя. Диод VD2 гасит всплески напряжения самоиндукции обмотки электродвигателя в моменты закрывания транзистора VT4, а конденсатор С8 подавляет импульсные помехи в цепи питания.

Для облегчения запуска двигателя автомобиля в зимнее время задержка включения вентилятора отопителя при включении питания блока увеличена.
В блоке предусмотрены шесть пороговых значений частоты вращения ротора вентилятора — от нулевого (электродвигатель остановлен) до пятого (ротор вращается с максимальными оборотами, зависящими от характеристик электродвигателя). Желаемое пороговое значение выбирает водитель.

ЛИТЕРАТУРА
1. Кашутин С. Автоматическое управление отопителем. — Радио, 2010, № 9, с 43— 45; № 10, с. 43, 44.
2. Кузенков И. Блок управления отопителем автомобиля. — Радио, 2007, № 8, с. 46, 47.
3. Автоэлектроника. Автолюбителям (Наиболее часто задаваемые вопросы по САУО).

Тексты и коды всех упомянутых в статье программ, расчёты и графики размещены на FTP-сервере редакции "Журнала Радио" по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2012/ 04/pech 10_ 12.zip