某车用空调总成耐久工装设计

某车用空调总成耐久工装设计

元志超 张加坤 张娜 陈一博

豫新汽车热管理科技有限公司研发中心，河南新乡 453003

摘要：随着汽车工业的发展，各个主车厂也对汽车部件的可靠性也提出了更高的要求。为完成某车厂要求的15 万次总成操作耐久试验，本设计采用 AT89S52 单片机为主控芯片，结合 24c02 存储芯片（PROM）和12864液晶、步进电机等部件结合电路设计，完成了空调各个旋钮（温度、模式、内外循环）耐久动作的角度控制，同时具有计数、显示功能以及程序扩展升级功能，通过本设计能够有效验证车用空调控制器类产品的可靠性和寿命，规避设计风险。

关键词：可靠性；AT89SC52；PROM；步进电机；角度控制；

Abstract: With the development of automobile industry, the main car factories also put forward higher requirements for the reliability of automobile parts. In order to complete 150000 times of assembly operation durability test required by a car factory, the design adopts AT89S52 single chip as the main control chip, combined with 24C02 The memory chip (PROM), 12864 liquid crystal, stepping motor and other components are combined with the circuit design to complete the angle control of the durable action of each knob (temperature, mode, internal and external circulation) of the air conditioner. At the same time, it has the functions of counting, display and program expansion and upgrading. Through this design, it can effectively verify the reliability and life of vehicle air conditioner controller products, and avoid design risks.

Keywords: reliability; AT89S52; PROM; stepping motor; angle control;

1 引言

随着汽车工业的不断发展，各个主车厂对于各大系统及零部件得要求也变得日益严苛。其开发难度和验证难度也随着新功能、新需求的增加而不断增加。

某合资主车厂对于空调系统操作旋钮的耐久要求为15万次，为按时完成耐久测试，结合空调控制器设计，对耐久工装的设计要求梳理如下：

1 )要求操作空调控制器温度旋钮、模式旋钮、内外循环拨杆从一个极限位置动作到另一个极限位置，并在极限位置停止 2s，然后回到原来极限位置，以上作为一个循环，要求进行 15 万个循环（如下图1所示）。

图1 循环周期要求

2)温度旋钮和模式旋钮旋转角度270°，内外循环拨杆行程36mm。

3)记录温度旋钮、模式旋钮、内外循环拨杆的耐久次数并显示。

4)具有掉电存储功能，能够记忆试验次数和状态。

5)具有开启、暂停和复位等按键对工装进行控制。

2 耐久工装设计过程

本耐久工装设计包括：硬件设计、软件设计和机械结构设计。

2.1 硬件设计

2.1.1 系统框图&MCU选择

本系统采用低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器AT89S52作为主控芯片，为系统提供高有效、高灵活性解决方案。在空闲模式下，CPU可以停止工作，同时允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作^[1]。AT89S52最小系统如图2所示。

图2 AT89S52最小系统

系统总体框图如图 3 所示。

图3 工装硬件框图

2.1.2 显示电路设计

本设计需要显示温度耐久循环、模式耐久循环和内外循环耐久循环的次数显示，所以本设计采用了能够显示 4*8 汉字的液晶显示屏幕，每行能够显示 8个汉字或者 16 个数字或英文字符，满足循环次数显示要求。

图4 工装显示电路

2.1.3 存储电路设计

本设计采用24c02电擦除PROM，能够存储2K bits数据，采用2线 I²C串行总线接口，最大擦写次数100万次。采用此芯片能够将试验耐久次数在断电后记忆到该芯片中，实现断电数据记忆。

2.1.4 位置感应电路设计

为检测各个旋钮和拨杆的运动位置，为单片机提供起始位置基准。本设计采用欧姆龙光电开关EE-SX771。

图5 接近开关

2.1.4 步进电机及驱动电路设计

汽车空调控制旋钮的扭矩一般在 0.3N.m 左右，本设计采用时代超群公司的57BYG250-56两相步进电机驱动旋钮运动，该电机参数如下：扭矩：0.9N.m，驱动电压24V,电流2A。满足控制器扭矩要求。

图6 步进电机及驱动器

图7 步进电机接线图

2.2 软件设计

2.2.1 主程序设计

软件设计的整体流程图如图 8 所示。

2.2.2 脉冲输出程序设计

为满足试验动作节拍的要求，这就需要对步进电机的旋转速度进行设定，本设计采用单片机的定时器0和定时器1为定时基准对步进电机的速度进行控制。 试验要求从一个极限位置到另一个极限位置的时间不超过3s，这个过程需要旋转270°，步进电机步进角度为0.9°，所以3s时间内需要发出300脉冲以上能达到要求。

图8 主程序流程图

单片机定时器设置为模式2，单片机的晶振为12M Hz每个机器周期为1μs，本设计为缩短试验总时间，要求从一个位置到另一个位置时间为0.45s，则定时器初值设置应为X1=65536-1500=FA24H（16 进制）。

综上所述，如果想改变步进电机旋转速度可以通过调节定时器计数初值来实现。

2.3 机械结构设计

耐久工装的结构设计按照某项目空调模拟实际装车位置设计，为节约支架制造成本，固定空调总成和控制器的支架借用现有的振动试验支架，需要重新设计耐久工装的支架和运动机构。

2.3.1 旋钮驱动柄设计

旋钮驱动柄有连接轴、滚动轴承、旋钮柄和定位支架组成，连接轴作用是将步进电机轴和旋钮柄同轴连接，旋钮支架和轴承保证了二者的同心度，同时轴承也保证了设计的可靠性和寿命。

图9 旋钮驱动柄

2.3.2 内外循环驱动柄设计

内外循环拨杆的动作为直线运动，本设计采用 42 步进电机配合直线丝杠导轨，将步进电机的旋转运动转换为直线运动，因其步进电机可以精确定位步数保证了行程的可控性。

图10 内外循环柄

3 设计总结

本设计综合了嵌入式（单片机）系统开发、步进电机驱动与控制、机械运动部件设计等技术^[2]，完成了空调总成运动部件按照客户试验条件进行15万次动作耐久的要求，并具备液晶显示、掉电记忆等功能。同时程序预留有编程下载接口，通过修改程序和机械对接接口可满足不同客户空调系统的耐久试验要求。对于验证空调系统的耐久及可靠性提供很好的验证手段。

图10 耐久工装效果图

参考文献

1. AT89S52芯片手册；

2. 陈彦友. 汽车座椅调角器疲劳试验台设计[J]．科技创新导报，2016(16):29-30；

作者简介：

元志超，男，1988.10出生，硕士研究生，工程师，主要从事汽车空调电控系统设计工作。