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(jī)。螺線管可以設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)應(yīng)用，其作用與繼電器非常相似。例如，它們?cè)趩?dòng)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(gè)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(guò) 2000 psi 的共軌柴油燃油噴射應(yīng)用可能需要每個(gè)氣缸一個(gè)線性電磁閥（燃油泵上一個(gè)）來(lái)精確調(diào)節(jié)壓力以保持可預(yù)測(cè)的噴油器燃油流量。

示例：電子變速器控制

自動(dòng)變速器是一種電子控制由于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和燃油效率的提高而在很大程度上取代機(jī)械控制的系統(tǒng)。以前燃油效率和加速的改進(jìn)來(lái)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(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更可靠、成本更低的機(jī)電系統(tǒng)。電子變速器控制系統(tǒng)改善了變速器換檔點(diǎn)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(duì)換檔點(diǎn)進(jìn)行電子控制，可以更好地加速、提高經(jīng)濟(jì)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(dòng)器輸入外，還可以通過(guò)各種輸入來(lái)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)各種班次優(yōu)化點(diǎn)，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(gè)系統(tǒng)受益于對(duì)換檔點(diǎn)和換檔速度的精確和無(wú)級(jí)可調(diào)電子控制。

液壓控制仍然用于在電子控制自動(dòng)變速器中換檔。與機(jī)械系統(tǒng)相比，機(jī)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(diǎn)，對(duì)電磁閥開(kāi)口進(jìn)行準(zhǔn)確和可重復(fù)的控制非常重要，這反過(guò)來(lái)又允許通過(guò)施加精確量的液壓油來(lái)準(zhǔn)確、可重復(fù)地控制換檔點(diǎn)。

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(hào)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(cè)量下游壓力可能很困難、不切實(shí)際或成本很高。

一種實(shí)用的替代方案是通過(guò)測(cè)量通過(guò)螺線管的電流來(lái)確定螺線管的位置。這是可能的，因?yàn)闄C(jī)械負(fù)載施加在螺線管上的力與磁場(chǎng)成正比，而磁場(chǎng)又與通過(guò)線圈的電流成正比。螺線管的比例控制是通過(guò)平衡彈簧式負(fù)載和螺線管磁場(chǎng)之間的力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這可以通過(guò)測(cè)量通過(guò)螺線管的電流來(lái)確定。

脈壓電磁閥控制

電磁閥通過(guò)使用微控制器生成的脈寬調(diào)制輸入信號(hào)來(lái)快速打開(kāi)和關(guān)閉與電磁閥和電壓源（汽車電池）串聯(lián)的 FET 開(kāi)關(guān)。平均電壓由波形的導(dǎo)通時(shí)間與脈沖周期之比決定。脈沖寬度和螺線管機(jī)械負(fù)載的變化會(huì)導(dǎo)致流過(guò)螺線管的平均電流發(fā)生變化。平均電流表示電磁閥運(yùn)動(dòng)量，從而指示流體壓力和流量。

通過(guò)表征確定特定PWM波形的螺線管運(yùn)動(dòng)與平均電流之間的關(guān)系。雖然磁力確實(shí)與通過(guò)螺線管的電流直接相關(guān)，但實(shí)際的機(jī)械力和運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有那么密切相關(guān)，因?yàn)樗鼈內(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(kāi)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(huì)使用不同的PWM關(guān)系將其移入和移出。

測(cè)量通過(guò)線圈的電流

因此，電流是螺線管狀態(tài)的重要指示。測(cè)量電磁閥電流的最有效方法是測(cè)量與電磁閥、電池和開(kāi)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(kāi)關(guān)和電壓測(cè)量。

具有高邊驅(qū)動(dòng)的低側(cè)電流檢測(cè)

圖1中的電路顯示了一個(gè)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)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(gè)反向二極管，以箝位（即短路）電流關(guān)閉時(shí)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(jià)運(yùn)算放大器來(lái)測(cè)量分流器兩端的電壓。

圖1.具有高邊開(kāi)關(guān)和低邊感應(yīng)的電子控制單元。

在考慮這種方法時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮以下缺點(diǎn)：

電磁閥再循環(huán)電流不包括在測(cè)量中，因此該電路無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量通過(guò)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(cè)電磁閥健康狀況;如果某些繞組開(kāi)始短路，則可以通過(guò)測(cè)量被動(dòng)控制的再循環(huán)電流來(lái)觀察情況。

由于開(kāi)關(guān)偏高，因此購(gòu)買和駕駛成本更高。PWM驅(qū)動(dòng)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(lái)檢測(cè)接地短路，因?yàn)槎搪冯娏鞑粫?huì)流過(guò)分流器。如果未檢測(cè)到接地短路（圖1），則可能會(huì)損壞接線和FET。

測(cè)量可能不穩(wěn)定，因?yàn)樵趯?shí)踐中，地面不是理想的通用連接，圖形上呈現(xiàn)為一個(gè)小倒三角形。在實(shí)際應(yīng)用中，“接地”實(shí)際上可能不是接地。運(yùn)算放大器地和分流接地之間的電流引起的壓降會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重誤差。

采用低側(cè)開(kāi)關(guān)的高端電流檢測(cè)

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

由于電磁閥再循環(huán)電流包含在測(cè)量中，因此可以進(jìn)行明顯更好的診斷。此外，驅(qū)動(dòng)器更便宜，因?yàn)椴恍枰獙?duì)門執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換。

圖2.具有低邊開(kāi)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(kāi)關(guān)閉合時(shí)，分流器的共模電壓電平保持在低阻抗電池電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，螺線管兩端的電壓會(huì)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(dòng)，然后建立到電池電壓。

這種驅(qū)動(dòng)方法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，它允許檢測(cè)接地短路，因?yàn)楦叨穗娏髁鬟^(guò)分流器，如圖2所示。

使用這種電流檢測(cè)方法時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(huì)使電磁閥意外切換。此外，隨著時(shí)間的推移，電磁閥上持續(xù)存在的電壓可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度腐蝕。

采用高端開(kāi)關(guān)的高端電流檢測(cè)

圖3顯示了一種配置，可將電磁閥意外激活和過(guò)度腐蝕的可能性降至最低，其中開(kāi)關(guān)和分流器都連接在高壓側(cè)。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，這會(huì)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(cè)量中。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，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(kāi)關(guān)和感應(yīng)。

然而，在這種情況下，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，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(gè)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(cè)量，忽略開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)共模電壓的大而快速擺幅。

與低邊開(kāi)關(guān)、高端檢測(cè)配置（圖 2）一樣，可以測(cè)量對(duì)地短路，因?yàn)閬?lái)自高壓側(cè)的所有電磁閥電流都流過(guò)分流器，如圖 3 所示。

簡(jiǎn)單的高邊電流測(cè)量電路

幸運(yùn)的是，ADI公司提供AD8200單電源差動(dòng)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(cè)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(lái)自分流器的小差分電壓，同時(shí)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(kāi)關(guān)和檢測(cè)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(jià)的運(yùn)算放大器和一些外部電阻設(shè)計(jì)差分放大器之前，請(qǐng)考慮要實(shí)現(xiàn)足夠精確地測(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)這種級(jí)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(xiàng)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(tái)。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(wèn)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。

shenhbj;gt