大多數汽車供暖通風空調(HVAC)系統中都會調理持續流入的新鮮空氣，將其注入車廂之中。通常駕駛員能夠選擇是否需要中斷新鮮空氣供應(再循環)或者繼續(即保持新鮮空氣流入)。在再循環模式下，高端HVAC系統監測幾項車廂空氣參數，通過空調器將空氣再循環至車廂，并將新鮮空氣進口限制為最小，同時踐行駕駛員或系統規范設定的參數。這樣的再循環能夠降低HVAC系統的燃油消耗達35%。根據氣候條件和駕駛循環(drivingcycle)，HVAC系統每100公里可能會消耗多達3升燃油。這顯示配備低端HVAC系統的大型汽車從增加自動再循環功能獲益最大。然而，配備先進發動機且廢氣排放低的小型和中型汽車也能從智能空氣再循環瓣(flap)受益，因為它對(節省)HVAC燃油消耗的貢獻相對高。預測顯示配有半自動或全自動HVAC系統汽車的百分比將逐年遞升。與此同時，引入二氧化碳(CO2)制冷劑導致產生對貼裝在車廂內的額外傳感器的潛在要求。這些趨勢表示小型汽車和/或配有低規格HVAC系統的汽車將越來越多地再利用已有的CO2傳感器和其他新鮮空氣傳感器技術。雖然自動再循環功能傳感器方面的問題可能已經解決，但仍要著力解決一些有關電機驅動瓣(flapmotorization)的問題。

　　自動空氣再循環控制系統

　　HVAC電子控制單元(ECU)閉合新鮮空氣調節的控制環路，操縱再循環瓣致動器(見圖1)，從而在車廂內維持所需的CO2水平。循環瓣的運轉頻率是最大允許乘客數量、汽車內部最少空氣量以及所需CO2等級最大允許偏移(等參數)的函數。假定乘客數量為5人，車內空間為3m3，就可以輕易計算出CO2濃度會在30s內增加100×10-6。

　　空氣再循環控制環路主要要求低速干預(intervention)，從而補償“新鮮空氣進口”(見圖1)中的壓力和氣流速度(airspeed)變化。當駕駛速度變化時——如在市區中或臨近市區駕駛時，這種現象出現的頻率很高。氣流也會也隨著風機速度自動調節而變化，從而消除陽光照射變化(原因有如彎路或由建筑物、樹木或云朵導致的間歇性陰影)的影響。

　　空氣再循環瓣致動器是小型電機閥，通過ECU內驅動器的方式運轉。就穩態控制算法而言，應當在所有時候都知道瓣的位置，故某種類型的位置反饋就在所必需了。由于控制系統頻繁重調節致動器位置，故需要非接觸式電機運轉以及無傳感器式位置反饋。

　　再循環瓣技術

　　運轉HVAC氣瓣(包括再循環瓣)的方案有幾種，它們的不同體現在瓣促動器中使用的電機類型以及電機控制的細節和特性。我們現在就討論3種常用的電機類型。

　　有刷直流(BDC)電機采用成熟及相對廉價的技術制造，從驅動器到電機端子僅有兩條引線(wirelead)。如能夠通過兩個晶體管半橋提供雙向驅動，BDC電機控制就會簡單。在要求位置反饋的案例(如空氣再循環瓣)中，需要增加位置傳感器。可用的傳感器有多種，最常見的就是電位計。此傳感器與相關ECU繞線及電氣連接器的尺寸影響共同構成了系統成本的相當大部分。還需要著重指出的是，電刷和換向器(commutator)是BDC電機的部件，最易于磨損。由于空氣再循環瓣需要頻繁運轉，電刷老化就對配有再循環瓣的BDC電機的長期可靠性產生了壓力。

　　第二種類型是單極步進電機，每相有兩個繞組。這些繞組與ECU電氣相連，而且就像BDC電機方案(帶傳感器位置反饋)一樣，通常要求5條線。在電機閥中選擇使用單極步進電機主要是由低成本驅動器集成電路(IC)或驅動電路(如4條低端驅動器電路)的供應情況決定。單極方案的一項缺點是僅有半數的繞組隨時都儲有能量(基本上單極步進電機銅用量是運轉電機所需銅量的兩倍)。

　　第三種類型是雙極步進電機，每相有一個繞組。與單極電機相比，這種方案在尺寸及重量方面較有優勢，因為繞組中的銅用量大約只有電機特性相似的單極電機的一半。兩個繞組通過僅4條線與ECU電氣連接(比較之下，單極電機或帶有傳感器的BDC電機為5條線)。雙極步進電機通常由雙全橋晶體管組合來驅動，每個繞組一個。與BDC及單極步進電機架構相比，新的雙極步進電機促動器技術提供均衡的解決方案：更多系統優勢(即提供特性和質量的優化組合)，而不會帶來系統總成本方面的損失，主要的原因是雙極步進電機本質上包含“虛擬”傳感器，而且也可以通過監測反電動勢(BEMF)或BEMF信號來推斷電機的運轉模式(如高速運轉、停轉狀況等)。

虛擬傳感器的優勢

　　以嵌入式停轉檢測算法為基礎的BEMF信號使系統能夠非常精確地檢測瓣的終點止動(end-stop)。通常在運轉期間特意實現終點止動，如當瓣在接近閉合(near-closed)位置運轉時。閉環特性(或僅是偽閉環)涉及的是每隔一段時間特意轉入停轉狀態。然后，停轉檢測功能就支持從完全閉合的瓣位置開始精確標記新位置。通過采取這種方式，即便是最小的開瓣(flap-opening)也可以精確維持，且可重復實現，產生真正的比例控制。顯而易見，這種工作模式比利用基于步統計的開環絕對定位的傳統方法相比更有優勢。由于要確保在參考運行(referencingrun)中到達終點止動，這些方法要求驅動步進電機到達預估終點止動位置后還多運轉幾步。這導致電機運轉阻斷，出現相關可聽噪聲以機械和磁性元件老化問題。這樣一來，能在一個完整步內檢測終點止動的器件就可以避免在停轉狀態下出現噪聲和震動問題。單個完整步內的停轉檢測還使轉子和定子磁場保持同步。這就避免由于定子交流磁場導致的轉子退磁滋生任何磁性元器件老化問題，并幫助維持壽命周期內穩定的促動器轉矩。

　　在瓣需要盡快地閉合的情況，如外部傳感器檢測到存在外部污染空氣時關閉再循環瓣，高速度要求的(speed-critical)定位至關重要。BEMF信號讓步進電機有可能通過專用自適應速度電機驅動算法實現高速度要求的運行。這使步進電機能夠挑戰有刷直流電機促動器的其中一項主要優勢，也就是能夠在供電電壓和負載允許的情況下盡快地旋轉。步進電機以可能最快的速度運行，根據促動器和瓣特性(如負載)自動調配速度。在此自適應速度運行期間，無傳感器停轉檢測可發揮作用，確保無誤差的定位。這些算法支持的速度高達每秒1000個完整步。

　　瓣促動器技術小結

　　表1綜合了我們討論的瓣促動器技術的“適用性”。有刷直流電機和單極步進電機都有它們的優勢，但有也弱點。新的雙極步進電機技術看上去結合了前兩種技術之長，并符合所有提到的要求。
總結完促動器技術，就輪到一流HVAC系統制造商來調配所有這些功能的恰當權重了。我們的觀察結論是：這三類促動器的系統級成本相若，但如果僅顧及電機驅動器本身的采購成本，可能最后汽車制造商要選擇次優的方案了。

　　新的再循環瓣驅動器IC

　　驅動配備上述技術的雙極步進電機的集成電路現已上市。圖2顯示的是這類IC的典型框圖。此IC置于ECU內，兩個全H橋驅動雙極步進電機的兩相。ECU的微控制器(MCU)與IC借SPI接口及一套專用信號來通信。

　　驅動器中嵌入的電流轉換表為繞組施加恰當的電流。僅在SPI寄存器定義繞組電流峰值、微步模式及預設運轉方向時才需要設定微控制器。此后，微控制器能夠通過僅發送“下一步”信號給IC，就可以依照電流轉換表步進。然后，電機驅動器承擔完全責任，產生全步、半步或正弦微步動作所要求的電流波形。發送“下一步”脈沖的速度確定了電機運轉的速度。

　　能夠通過SPI總線的方式可以執行和激活簡單又很有效的停轉檢測算法。這芯片還支持自適應速度控制功能，用于在最高速度時閉合再循環瓣。這芯片還執行了恰當的診斷功能，用于檢測所有相關誤差狀況，防止系統及IC受損。這IC包含中斷輸出引腳，用于在出現誤差時警示微控制器。

　　結論

　　本文討論了現有再循環瓣促動器技術，分析了這類再循環閥的工作要求。有刷直流電機促動器和單極步進電機促動器都不符合某些技術要求。而結合了新穎驅動器的雙極步進電機閥提供可能是最優的技術方案，符合未來空氣再循環閥的高質量運行要求。