汽車控制應(yīng)用中的螺線管

螺線管是具有固定行程范圍的直線電機。螺線管可以設(shè)計用于簡單的開關(guān)應(yīng)用，其作用與繼電器非常相似。例如，它們在啟動器和門鎖中以這種方式使用。

另一方面，線性或比例螺線管是可以精確控制位置的螺線管。它們用于操作活塞和閥門，以精確控制變速箱和燃油噴射等應(yīng)用中的流體壓力或流量。

變速器需要準(zhǔn)確平穩(wěn)地控制離合器上的壓力以換檔，并控制鎖定變矩器。電子控制變速器可能包含八個以上的線性螺線管，所有這些電磁閥都需要平穩(wěn)、準(zhǔn)確的控制。壓力超過 2000 psi 的共軌柴油燃油噴射應(yīng)用可能需要每個氣缸一個線性電磁閥（燃油泵上一個）來精確調(diào)節(jié)壓力以保持可預(yù)測的噴油器燃油流量。

示例：電子變速器控制

自動變速器是一種電子控制由于驅(qū)動質(zhì)量和燃油效率的提高而在很大程度上取代機械控制的系統(tǒng)。以前燃油效率和加速的改進(jìn)來自于鎖定變矩器的引入。最近，使用電子控制螺線管的軟件和硬件組合可以更輕松地調(diào)整換檔算法，并在變速器換檔平滑度和質(zhì)量方面提供額外的好處。

總體而言，變速器的電子控制可實現(xiàn)更簡單、更可靠、成本更低的機電系統(tǒng)。電子變速器控制系統(tǒng)改善了變速器換檔點的控制，減少了換檔的突然性，提高了換檔平穩(wěn)性。此外，電子控制的靈活性允許更好地適應(yīng)不斷變化的條件。以更精細(xì)的分辨率對換檔點進(jìn)行電子控制，可以更好地加速、提高經(jīng)濟性、更好地控制負(fù)載并減少排放，而駕駛員只需最少的努力。此外，電子控制允許變速器在變化的負(fù)載和加速度下更平穩(wěn)地?fù)Q檔。

使用電子控制系統(tǒng)，除了軸速、真空和驅(qū)動器輸入外，還可以通過各種輸入來影響換檔控制算法。其中一些參數(shù)包括火花提前、噴油器參數(shù)、輸入速度傳感器、線控?fù)Q檔選擇、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、扭矩轉(zhuǎn)換器速度/鎖定、ATF 溫度、發(fā)動機溫度、車輪打滑傳感器和慣性傳感器。結(jié)合這些類型的輸入可以實現(xiàn)各種班次優(yōu)化點，以適應(yīng)整體操作條件。為了最有效地使用這些輸入，必須有一個系統(tǒng)受益于對換檔點和換檔速度的精確和無級可調(diào)電子控制。

液壓控制仍然用于在電子控制自動變速器中換檔。與機械系統(tǒng)相比，機電系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的電子控制由線性電磁閥執(zhí)行，該電磁閥改變施加到連接到離合器組的執(zhí)行器的液壓。為了做到這一點，對電磁閥開口進(jìn)行準(zhǔn)確和可重復(fù)的控制非常重要，這反過來又允許通過施加精確量的液壓油來準(zhǔn)確、可重復(fù)地控制換檔點。

確定電磁閥位置

線性螺線管的位置在反饋回路中控制。例如，可以監(jiān)控閥門的下游壓力并將其用作反饋信號以與設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬調(diào)制（PWM）占空比以控制電磁閥。然而，測量下游壓力可能很困難、不切實際或成本很高。

一種實用的替代方案是通過測量通過螺線管的電流來確定螺線管的位置。這是可能的，因為機械負(fù)載施加在螺線管上的力與磁場成正比，而磁場又與通過線圈的電流成正比。螺線管的比例控制是通過平衡彈簧式負(fù)載和螺線管磁場之間的力來實現(xiàn)的，這可以通過測量通過螺線管的電流來確定。

脈壓電磁閥控制

電磁閥通過使用微控制器生成的脈寬調(diào)制輸入信號來快速打開和關(guān)閉與電磁閥和電壓源（汽車電池）串聯(lián)的 FET 開關(guān)。平均電壓由波形的導(dǎo)通時間與脈沖周期之比決定。脈沖寬度和螺線管機械負(fù)載的變化會導(dǎo)致流過螺線管的平均電流發(fā)生變化。平均電流表示電磁閥運動量，從而指示流體壓力和流量。

通過表征確定特定PWM波形的螺線管運動與平均電流之間的關(guān)系。雖然磁力確實與通過螺線管的電流直接相關(guān)，但實際的機械力和運動并沒有那么密切相關(guān)，因為它們?nèi)Q于螺線管的結(jié)構(gòu)和負(fù)載的性質(zhì)。因此，需要表征以將平均電流與螺線管開口相關(guān)聯(lián)。

例如，當(dāng)電磁閥首次通電以克服靜摩擦?xí)r，必須增加PWM比。一旦克服了靜態(tài)摩擦，就會使用不同的PWM關(guān)系將其移入和移出。

測量通過線圈的電流

因此，電流是螺線管狀態(tài)的重要指示。測量電磁閥電流的最有效方法是測量與電磁閥、電池和開關(guān)串聯(lián)的電阻分流器兩端的電壓。有幾種不同的方法可以配置該串聯(lián)電路以進(jìn)行開關(guān)和電壓測量。

具有高邊驅(qū)動的低側(cè)電流檢測

圖1中的電路顯示了一個開關(guān)，該開關(guān)連接到電池的高（未接地）側(cè)，與螺線管線圈和接地電阻分流器串聯(lián)。在線圈上連接一個反向二極管，以箝位（即短路）電流關(guān)閉時線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。將接地基準(zhǔn)用于分流器，可以在電子控制單元（ECU）中使用具有不同共模規(guī)格的廉價運算放大器來測量分流器兩端的電壓。

圖1.具有高邊開關(guān)和低邊感應(yīng)的電子控制單元。

在考慮這種方法時，設(shè)計人員必須考慮以下缺點：

電磁閥再循環(huán)電流不包括在測量中，因此該電路無法準(zhǔn)確測量通過螺線管線圈的平均電流。電磁閥再循環(huán)電流可以幫助檢測電磁閥健康狀況;如果某些繞組開始短路，則可以通過測量被動控制的再循環(huán)電流來觀察情況。

由于開關(guān)偏高，因此購買和駕駛成本更高。PWM驅(qū)動器需要在微控制器的邏輯輸出和柵極之間進(jìn)行仔細(xì)的電平轉(zhuǎn)換。

需要額外的電路來檢測接地短路，因為短路電流不會流過分流器。如果未檢測到接地短路（圖1），則可能會損壞接線和FET。

測量可能不穩(wěn)定，因為在實踐中，地面不是理想的通用連接，圖形上呈現(xiàn)為一個小倒三角形。在實際應(yīng)用中，“接地”實際上可能不是接地。運算放大器地和分流接地之間的電流引起的壓降會導(dǎo)致嚴(yán)重誤差。

采用低側(cè)開關(guān)的高端電流檢測

驅(qū)動電磁閥的更好方法是使用以地為基準(zhǔn)的開關(guān)（圖 2），從而允許使用較便宜的低邊開關(guān)。

由于電磁閥再循環(huán)電流包含在測量中，因此可以進(jìn)行明顯更好的診斷。此外，驅(qū)動器更便宜，因為不需要對門執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換。

圖2.具有低邊開關(guān)和高邊感應(yīng)的電子控制單元。

但是，放大器必須具有高共模抑制，并且必須能夠遠(yuǎn)離顯著的共模電壓（CMV）。在本例中，分流器的電壓電平從電池電壓到電池電壓加二極管壓降不等。解釋如下：當(dāng)開關(guān)閉合時，分流器的共模電壓電平保持在低阻抗電池電壓。當(dāng)開關(guān)斷開時，螺線管兩端的電壓會因螺線管的電感而反轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致共模電壓電平包括箝位二極管壓降，而瞬態(tài)電流流動，然后建立到電池電壓。

這種驅(qū)動方法的一個重要優(yōu)點是，它允許檢測接地短路，因為高端電流流過分流器，如圖2所示。

使用這種電流檢測方法時的一個關(guān)鍵問題是電池的高壓側(cè)始終連接到螺線管。如果間歇性接地短路，這可能會使電磁閥意外切換。此外，隨著時間的推移，電磁閥上持續(xù)存在的電壓可能會導(dǎo)致過度腐蝕。

采用高端開關(guān)的高端電流檢測

圖3顯示了一種配置，可將電磁閥意外激活和過度腐蝕的可能性降至最低，其中開關(guān)和分流器都連接在高壓側(cè)。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，這會從電磁閥中移除電池電壓，防止接地的潛在短路損壞，并允許將再循環(huán)電流包含在測量中。當(dāng)開關(guān)斷開時，電池電壓從負(fù)載中移除，因此消除了由電壓差引起的腐蝕作用。

圖3.電子控制單元，帶低邊電磁閥和高邊開關(guān)和感應(yīng)。

然而，在這種情況下，當(dāng)開關(guān)斷開時，電磁閥兩端的電壓反轉(zhuǎn)將導(dǎo)致共模電壓的擺幅更大，從電池高壓側(cè)電壓到低于地電位的一個二極管壓降（反向電壓受箝位二極管的限制）。因此，此應(yīng)用中使用的放大器必須能夠提供分流電壓（電流）的精確測量，忽略開關(guān)關(guān)閉時共模電壓的大而快速擺幅。

與低邊開關(guān)、高端檢測配置（圖 2）一樣，可以測量對地短路，因為來自高壓側(cè)的所有電磁閥電流都流過分流器，如圖 3 所示。

簡單的高邊電流測量電路

幸運的是，ADI公司提供AD8200單電源差動放大器，具有該應(yīng)用所需的所有特性，采用單IC封裝。圖4所示為AD8200應(yīng)用于ECU以測量此類應(yīng)用中高端電流的示例。這里，AD8200用于放大和濾波來自分流器的小差分電壓，同時抑制上述較大的共模擺幅。AD8200可用于前面所示的任何配置。

圖4.電子控制單元，使用AD8200，具有低邊電磁閥和高邊開關(guān)和檢測功能。

AD8200采用+5 V單電源供電，輸入共模電壓范圍為–2 V至+24 V，負(fù)載突降至+44 V。如果需要更高的共模范圍，建議使用AD8200系列的其他產(chǎn)品，例如AD8205，CMV范圍為–2 V至+65 V，增益為50;或AD8206，CMV范圍為–2 V至+65 V，增益為20（增益與AD8200相同）。

圖5.AD8200的功能框圖

圖5是AD8200內(nèi)部接線的功能框圖。在使用廉價的運算放大器和一些外部電阻設(shè)計差分放大器之前，請考慮要實現(xiàn)足夠精確地測量螺線管電流所需的性能，以滿足控制應(yīng)用的需求，需要電路采用精確匹配在0.01%以內(nèi)的電阻構(gòu)建。AD8200內(nèi)置激光調(diào)整電阻，可在處理交流和直流電壓時實現(xiàn)這種級別的精確工作。SOIC封裝的典型失調(diào)和增益漂移分別為6 μV/°C和10 ppm/°C。該器件在直流至80 kHz范圍內(nèi)還提供10 dB的最小共模抑制。

除了采用SOIC封裝外，AD8200還提供裸片形式。兩種封裝選項均在寬溫度范圍內(nèi)提供，使AD8200非常適合許多汽車和工業(yè)平臺。SOIC 封裝的額定溫度范圍為 –40°C 至 +125°C，芯片的額定溫度范圍為 –40°C 至 +150°C。

AD8200還在前置放大器輸出端提供外部可訪問的100 kΩ電阻，可與外部電容配合用于低通濾波器應(yīng)用，也可與外部電阻配合使用，用于建立預(yù)設(shè)增益20以外的增益。

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