汽車控制應(yīng)用中的螺線管

螺線管是一種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)單的開關(guān)應(yīng)用，其作用與繼電器非常相似。例如，它們以這種方式用于 starters 和門鎖。

另一方面，線性，或者比例，電磁閥是一種可以精確控制其位置的電磁閥。它們用于操作活塞和閥門，以便在變速箱和燃油噴射等應(yīng)用中精確控制流體壓力或流量。

變速箱要求準(zhǔn)確，平穩(wěn)控制離合器上的壓力以改變齒輪，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，所有這些都需要平穩(wěn)，精確的控制。壓力超過(guò)2000 psi的共軌柴油機(jī)燃油噴射應(yīng)用可能需要每個(gè)氣缸一個(gè)線性電磁閥和燃油泵一個(gè) - 以精確調(diào)節(jié)壓力，以保持可預(yù)測(cè)的噴油器燃油流量。

示例：電子變速箱控制

自動(dòng)變速箱是一種系統(tǒng)，其中電子控制在很大程度上取代了機(jī)械控制，因?yàn)楦纳屏蓑?qū)動(dòng)質(zhì)量和燃油效率。先前的燃油效率和加速度的改進(jìn)伴隨著鎖定變矩器的引入。最近，使用電子控制螺線管的軟件和硬件的組合允許更容易地調(diào)整換檔算法，并且在變速器平穩(wěn)性和質(zhì)量方面提供額外的益處。

總的來(lái)說(shuō)，變速器的電子控制允許更簡(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，減少了突然的換檔并提高了換檔平穩(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。具有更精細(xì)分辨率的換檔點(diǎn)的電子控制允許更好的加速，改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性，更好的負(fù)載控制和減少的排放，并且駕駛員的努力最小。此外，電子控制裝置允許變速箱在負(fù)載和加速度變化的情況下更平穩(wěn)地移動(dòng)。

使用電子控制系統(tǒng)，除了軸之外，還可以通過(guò)各種輸入影響換檔控制算法速度，真空和駕駛員輸入。這些參數(shù)中的一些包括火花提前，噴射器參數(shù)，輸入速度傳感器，線控?fù)Q檔，發(fā)動(dòng)機(jī)速度，節(jié)氣門位置，扭矩變換器速度/鎖定，ATF溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，車輪滑動(dòng)傳感器和慣性傳感器。結(jié)合這些類型的輸入允許各種各樣的換檔優(yōu)化點(diǎn)，適應(yīng)整體操作條件。為了最有效地使用這些輸入，必須使系統(tǒng)受益于對(duì)換檔點(diǎn)和換檔速度的精確且無(wú)限可調(diào)的電子控制。

液壓控制仍然用于改變電子控制自動(dòng)變速器中的齒輪。與機(jī)械系統(tǒng)相比，機(jī)電系統(tǒng)中的液壓系統(tǒng)的電子控制由線性螺線管執(zhí)行，線性螺線管改變施加到連接到離合器組件的致動(dòng)器的液壓。為了使其工作，對(duì)電磁閥開口進(jìn)行精確和可重復(fù)的控制是非常重要的 - 這反過(guò)來(lái)允許通過(guò)施加精確量的液壓流體來(lái)精確，可重復(fù)地控制換檔點(diǎn)。

確定電磁閥位置

線性電磁閥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)整脈沖寬度調(diào)制（PWM）占空比以控制螺線管。然而，測(cè)量下游壓力可能是困難的，不切實(shí)際的或非常昂貴的。

實(shí)際的替代方案是通過(guò)測(cè)量通過(guò)螺線管的電流來(lái)建立螺線管的位置。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。通過(guò)彈簧式負(fù)載和螺線管磁場(chǎng)之間的力的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)螺線管的比例控制，這可以通過(guò)測(cè)量通過(guò)螺線管的電流來(lái)確定。

PWM電磁閥控制

螺線管通過(guò)微控制器產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制輸入信號(hào)供電，以快速打開和關(guān)閉與螺線管和電壓源（汽車電池）串聯(lián)的FET開關(guān)）。平均電壓由波形 on 時(shí)間與脈沖周期的比率確定。脈沖寬度和螺線管機(jī)械負(fù)載的變化導(dǎo)致流過(guò)螺線管的平均電流發(fā)生變化。平均電流表示螺線管運(yùn)動(dòng)量，因此表示流體壓力和流量。

通過(guò)表征建立特定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)并不是如此緊密相關(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，需要進(jìn)行表征以將平均電流與螺線管開口相關(guān)聯(lián)。

例如，當(dāng)螺線管首次通電以克服靜摩擦?xí)r，必須增加PWM比。一旦克服靜摩擦，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)量螺線管電流的最有效方法是測(cè)量與螺線管，電池和開關(guān)串聯(lián)連接的電阻分流器兩端的電壓。有幾種不同的方法可以配置此串聯(lián)電路進(jìn)行開關(guān)和電壓測(cè)量。

帶高側(cè)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)連接的開關(guān)到電池的高（未接地）側(cè)，與電磁線圈和接地電阻分流器串聯(lián)。反向二極管連接在線圈兩端，以在電流 off 時(shí)鉗制（即，短路）由線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。使用分流器的接地參考允許在電子控制單元（ECU）中使用具有無(wú)差別共模規(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。

在考慮這種方法時(shí)，設(shè)計(jì)師必須考慮到這些缺點(diǎn)：

電磁閥再循環(huán)電流不包括在測(cè)量中，因此該電路不能準(zhǔn)確測(cè)量通過(guò)電磁線圈的平均電流。螺線管再循環(huán)電流可以幫助檢測(cè)螺線管的健康狀況;如果某些繞組已經(jīng)開始短路，可以通過(guò)測(cè)量被動(dòng)控制的再循環(huán)電流來(lái)看出這種情況。

由于開關(guān)位于偏高的位置，因此購(gòu)買和驅(qū)動(dòng)成本更高。 PWM驅(qū)動(dòng)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)到對(duì)地短路（圖1），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，接地不是《 em》理想的通用連接，以圖形方式呈現(xiàn)為一個(gè)小的倒三角形。在實(shí)際應(yīng)用中，“地面”實(shí)際上可能不是 ground 。運(yùn)算放大器接地和分流接地之間的電流引起的電壓降可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤。

低側(cè)開關(guān)的高側(cè)電流檢測(cè)

A更好的驅(qū)動(dòng)螺線管的方法是使用一個(gè)以地為參考的開關(guān)（圖2），允許使用更便宜的低側(cè)開關(guān)。

由于電磁閥再循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)更好的診斷電流包含在測(cè)量中。此外，驅(qū)動(dòng)器更便宜，因?yàn)闆]有必要對(duì)柵極執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換。

然而，放大器必須具有高共模抑制，并且必須是能夠抵抗顯著的共模電壓（CMV）。在該示例中，分流器處的電壓電平從電池電壓到電池電壓加二極管電壓降變化。以下是解釋：當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，分流器處的共模電壓電平保持在低阻抗電池電壓。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，螺線管上的電壓由于螺線管的電感而反轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致共模電壓電平包括鉗位二極管壓降 - 瞬態(tài)電流流過(guò) - 然后穩(wěn)定到電池電壓。

這種驅(qū)動(dòng)方法的一個(gè)重要好處是它可以檢測(cè)接地短路，因?yàn)楦叨穗娏髁鬟^(guò)分流器 - 如圖2所示。

使用這個(gè)時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題電流檢測(cè)方法是電池的高壓側(cè)始終連接到電磁閥。如果間歇性地短路，這可能會(huì)使電磁閥意外切換。此外，螺線管上持續(xù)存在的電壓可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)度腐蝕。

高側(cè)開關(guān)的高側(cè)電流感應(yīng)

這種配置可以最大限度地降低意外的電磁閥激活和過(guò)度腐蝕如圖3所示，其中開關(guān)和分流器都連接在高壓側(cè)。當(dāng)開關(guān) off 時(shí)，這將消除電磁閥的電池電壓，防止?jié)撛诘亩搪方拥負(fù)p壞，并允許再循環(huán)電流包含在測(cè)量中。當(dāng)開關(guān)打開時(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。

然而，在這種情況下，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)電磁閥上的電壓反轉(zhuǎn)將導(dǎo)致共模電壓的更大波動(dòng)，從電池高壓側(cè)電壓到地下一個(gè)二極管壓降（反向電壓受鉗位二極管的限制。因此，本應(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，忽略開關(guān)斷開時(shí)共模電壓的大幅快速擺動(dòng)。

與低側(cè)開關(guān)，高側(cè)檢測(cè)配置（圖2）一樣，可以測(cè)量對(duì)地短路，因?yàn)閬?lái)自高側(cè)的所有螺線管電流都流過(guò)分流器，如圖3所示。 。

一個(gè)簡(jiǎn)單的高邊電流測(cè)量電路

幸運(yùn)的是，AD8200單電源差動(dòng)放大器具有該應(yīng)用所需的所有特性 - 在單個(gè)IC中完成包 - 可從ADI公司獲得。圖4顯示了應(yīng)用于ECU中的AD8200的一個(gè)示例，用于測(cè)量此類應(yīng)用中高端的電流。這里，AD8200用于放大和過(guò)濾來(lái)自分流器的小差分電壓，同時(shí)抑制上述大型共模擺幅。 AD8200可用于前面顯示的任何配置。

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)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)為+44 V.如果共模范圍較高需要使用AD8200系列的另一個(gè)成員 - 例如，AD8205，CMV范圍為-2 V至+65 V，增益為50;或者，AD8206的CMV范圍為-2 V至+65 V，增益為20（與AD8200的增益相同）。

圖5是內(nèi)部的功能框圖AD8200的接線。在使用廉價(jià)運(yùn)算放大器和一些外部電阻設(shè)計(jì)差分放大器之前，考慮到為控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)足夠精確測(cè)量螺線管電流所需的性能，需要一個(gè)內(nèi)置電阻的電路，精確匹配在0.01％以內(nèi)。 AD8200具有內(nèi)部激光調(diào)整電阻，可在處理交流和直流電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)這種精確的操作。 SOIC封裝中的典型失調(diào)和增益漂移分別為6μV/°C和10 ppm /°C。該器件還提供從直流到10 kHz的最小共模抑制80 dB。

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)指定，使AD8200非常適合用于許多汽車和工業(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還在前置放大器的輸出端提供外部可訪問(wèn)的100kΩ電阻，可用于外部電容，用于低通濾波器應(yīng)用，以及外部電阻，用于建立除預(yù)設(shè)增益20以外的增益。

機(jī)械傳動(dòng)控制

控制變速器換檔點(diǎn)的舊方法涉及復(fù)雜的，與速度相關(guān)的液壓回路。通過(guò)使用復(fù)雜閥體中的液壓變化來(lái)完成換檔。液壓由連接在輸出軸上的調(diào)速器調(diào)節(jié)。離心力使調(diào)速器移動(dòng)，釋放變速箱油并增加閥體內(nèi)的壓力。適應(yīng)變化的駕駛條件的方法通常包括迫使變速器在重加速或機(jī)械執(zhí)行器加載時(shí)降檔。

當(dāng)駕駛員需要更多加速時(shí)，通常通過(guò)降檔機(jī)構(gòu)傳輸要求，包括從發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的節(jié)氣門控制器到變速器側(cè)面的桿。桿移動(dòng)一個(gè)杠桿，關(guān)閉節(jié)氣門體內(nèi)的一系列通道。這迫使變速器在大加速度下降檔，直到速度調(diào)速器超越降檔機(jī)構(gòu)。

使用真空調(diào)制器完成適應(yīng)負(fù)載的變化。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，真空變化導(dǎo)致桿滑入或滑出閥體，改變變速器換檔點(diǎn)和換檔速度。雖然這些控制換檔點(diǎn)和換檔平滑度的方法起作用，但由于用于控制它們的機(jī)械系統(tǒng)的特性，幾乎無(wú)法將這些參數(shù)調(diào)整到更多變量的條件。