汽車控制系統(tǒng)中螺線管的電流檢測(cè)

螺線管是一種具有固定運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的線性電動(dòng)機(jī)。螺線管適合于簡(jiǎn)單的開關(guān)應(yīng)用，其作用很像繼電器。例如，它們?cè)谄饎?dòng)器和門鎖中就起到這種作用。
      另一方面，線性或成比例的螺線管可以用很精確的方式控制其狀態(tài)。它們?cè)谥T如變速器和燃油噴射等應(yīng)用中用于操縱活塞或者閥門以便準(zhǔn)確地控制液體壓力或流量。
      變速器需要準(zhǔn)確平穩(wěn)地控制離合器上的壓力以改變傳動(dòng)裝置，并用于控制閉鎖液力變矩器。電子控制的變速器可能包括8個(gè)以上的線性螺線管，它們都需要平穩(wěn)準(zhǔn)確地控制。對(duì)于共軌柴油機(jī)燃油噴射應(yīng)用，具有超過2000
      psi（每平方英尺磅數(shù)）的壓力，可能每個(gè)氣缸都需要一個(gè)線性螺線管——并且燃料泵需要一個(gè)螺線管——以便準(zhǔn)確地調(diào)整壓力，保證按預(yù)定方式注入燃料流量。
      應(yīng)用實(shí)例：電子變速器控制
      自動(dòng)變速器是一種取代機(jī)械控制的主要電子控制系統(tǒng)，因?yàn)殡娮涌刂葡到y(tǒng)在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和燃料效率方面都有所改進(jìn)。以前在燃料效率和加速方面的改進(jìn)是因?yàn)椴捎昧碎]鎖液力變矩器。最近，采用電子控螺線管的軟硬件結(jié)合可以更輕松地調(diào)整變檔算法，而且還具有變速器換檔平穩(wěn)性和質(zhì)量方面的附加優(yōu)勢(shì)。

      總之，變速器電子控制使機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、提高了可靠性并且降低了成本。電子變速器控制系統(tǒng)改進(jìn)了對(duì)變速器換檔點(diǎn)的控制，減小了傳動(dòng)裝置換檔的突變性并且改進(jìn)了換檔的平穩(wěn)度。另外，電子控制的靈活性對(duì)變化的條件具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。換檔點(diǎn)的電子控制具有精細(xì)分辨率，能夠提高加速質(zhì)量、節(jié)約成本、改善負(fù)載控制并減小排氣量，從而使駕駛員最省力。另外，電子控制允許變速器平穩(wěn)地?fù)Q檔改變負(fù)載和加速度。

      采用電子控制系統(tǒng)，除了軸速、真空和駕駛員輸入之外換檔控制算法可能受到各種輸入?yún)?shù)的影響。這些參數(shù)包括先期火花、注入器參數(shù)、輸入速度傳感器、線路換檔選擇、引擎速度、油門位置、液力變矩器速度和制動(dòng)器、自動(dòng)傳輸流體（ATF）溫度、引擎溫度、車輪轉(zhuǎn)差率傳感器以及慣性傳感器。結(jié)合這些輸入可以實(shí)現(xiàn)各種換檔優(yōu)化算法，以適應(yīng)總的工作條件。為了最有效地使用這些輸入，必須通過精確地?zé)o限調(diào)整電子控制系統(tǒng)的換檔點(diǎn)和換檔速度來優(yōu)化系統(tǒng)。

      在電子控自動(dòng)變速器中，仍然采用液壓控制來改變傳動(dòng)裝置。與機(jī)械控制系統(tǒng)不同的是，機(jī)電系統(tǒng)中對(duì)液體的電子控制是通過線性螺線管來實(shí)現(xiàn)的，線性螺線管能改變施加到離合器組件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的液體壓力。為了完成此功能，最重要的是準(zhǔn)確并且可重復(fù)地控制開路螺線管——從而允許通過應(yīng)用過程中準(zhǔn)確的液體流量對(duì)換檔點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確和可重復(fù)的控制。

      確定螺線管的狀態(tài)
      線性螺線管的狀態(tài)通過反饋環(huán)路來控制。例如，可以監(jiān)視閥門的下行壓力并用作反饋信號(hào)與設(shè)定值比較，從而調(diào)整脈沖寬度調(diào)制（PWM）的占空比以便控制螺線管，但是，測(cè)量下行壓力可能很困難、不切實(shí)際，或者成本很高。

      另外一種實(shí)際的解決方案就是通過測(cè)量通過螺線管的電流來確定螺線管的狀態(tài)。這種方法是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闄C(jī)械負(fù)載對(duì)螺線管施加的力直接與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例，而磁場(chǎng)強(qiáng)度又直接與通過線圈的電流成比例。通過平衡彈簧類負(fù)載和螺線管磁場(chǎng)之間的作用力來實(shí)現(xiàn)螺線管的比例控制，其中可以通過測(cè)量螺線管的電流來確定磁場(chǎng)強(qiáng)度。

      PWM螺線管控制
      通過采用微控制器產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)螺線管，以便迅速地開啟或關(guān)閉與螺線管和電壓源（汽車電池）串聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）開關(guān)。對(duì)螺線管施加的平均電壓取決于PWM波形的‘導(dǎo)通’時(shí)間與脈沖周期的比率。脈沖寬度和螺線管機(jī)械負(fù)載的變化會(huì)引起通過螺線管流動(dòng)的平均電流的變化。該平均電流表明了螺線管總運(yùn)動(dòng)量，所以也就表明了液體壓力和流量。

      對(duì)于特定的PWM波形，螺線管運(yùn)動(dòng)和平均電流之間的關(guān)系可以用表示特性來確定。雖然磁場(chǎng)強(qiáng)度確實(shí)與通過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)并不是嚴(yán)格相關(guān)的，因?yàn)樗鼈冞€依賴于螺線管的結(jié)構(gòu)和負(fù)載的性質(zhì)。因此，需要用表示特性來關(guān)聯(lián)開路螺線管平均電流。

      例如，當(dāng)螺線管剛開始加電為了克服靜摩擦力時(shí)，必須增大PWM比率。一旦克服了靜摩擦力，就需要采用不同的PWM比率驅(qū)動(dòng)它來回運(yùn)動(dòng)。
      測(cè)量通過線圈的電流
      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就是測(cè)量與螺線管、電池及其開關(guān)串聯(lián)的阻性分流器兩端的電壓。配置這種用作開關(guān)和電壓測(cè)量的串聯(lián)電路可以有幾種不同的方法。

      采用高端驅(qū)動(dòng)的低端電流檢測(cè)
      圖1中的電路示出，開關(guān)連接到電池的高電壓端（不接地），再與螺線管線圈和接地的阻性分流器串聯(lián)。一只反向二極管接在線圈兩端用于箝位（例如短路）當(dāng)電流斷開時(shí)由線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。分流器采用地作為參考端允許在電子控制裝置（ECU）中使用便宜的運(yùn)算放大器——共模指標(biāo)不重要——來測(cè)量分流器兩端的電壓。

      圖1. 采用高端開關(guān)和低端檢測(cè)的ECU
      在考慮這種應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須考慮以下缺點(diǎn)：
      1.在上述測(cè)量中不包含螺線管的回流電流，所以此電路測(cè)得通過螺線管線圈的平均電流是不精確的。該螺線管的回流電流為檢測(cè)螺線管的正常狀態(tài)可起到輔助作用；如果某些線圈開始短路，通過測(cè)量受控的回流電流可以檢測(cè)出這種短路狀態(tài)。

      2. 因?yàn)殚_關(guān)置于高電壓端，所以購(gòu)買和驅(qū)動(dòng)這種開關(guān)的成本都比較高。PWM驅(qū)動(dòng)需要在微控制器的邏輯輸出和門電路之間做謹(jǐn)慎的電平轉(zhuǎn)換。
      3. 需要附加電路來檢測(cè)對(duì)地短路，因?yàn)槎搪冯娏鞑涣鬟^分流器。如果檢測(cè)不到對(duì)地短路（見圖1），可能會(huì)出現(xiàn)接線和場(chǎng)效應(yīng)管（FET）損壞。
      4.
      這種測(cè)量可能不穩(wěn)定，實(shí)際上，因?yàn)椤敖拥亍辈⒉皇抢硐氲耐ㄓ眠B接，圖中用倒三角形表示。在實(shí)際的應(yīng)用中，“接地”可能不是實(shí)際意義上的“接地”。因此由運(yùn)算放大器的地和分流器的地之間的電流引起的電壓降會(huì)造成很大的誤差。

      采用低端開關(guān)的高端電流檢測(cè)
      一種比較好的螺線管驅(qū)動(dòng)方法是采用以地為參考端（見圖2）的開關(guān)，從而可以使用低成本的低端開關(guān)。
      這樣可以顯著地改進(jìn)測(cè)量結(jié)果，因?yàn)樵跍y(cè)量中包含了螺線管的回流電流。另外，還可以降低驅(qū)動(dòng)成本，因?yàn)闊o需對(duì)門電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

      圖2. 采用低端開關(guān)和高端檢測(cè)的ECU
      然而，放大器必須具有高共模抑制比，而且必須能夠抑制大共模電壓（CMV）。本例中分流器的電壓值會(huì)從電池電壓到電池電壓加上二極管壓降之間變化。其原因解釋如下：當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)分流器的共模電壓值仍然保持為低阻抗電池電壓。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，因?yàn)槁菥€管的電感特性其兩端的電壓會(huì)反向，從而導(dǎo)致共模電壓包含箝位的二極管壓降——盡管只是瞬態(tài)電流流過——在穩(wěn)定到電池電壓之前。

      這種驅(qū)動(dòng)方法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它可以檢測(cè)到對(duì)地短路，因?yàn)楦叨穗娏鲿?huì)流過分流器——正如圖2所示。
      在采用這種電流檢測(cè)方法時(shí)主要關(guān)心的問題是電池的高端總是連接到螺線管。如果存在一種斷續(xù)的對(duì)地短路的話，這可能導(dǎo)致意外的螺線管開關(guān)。另外，對(duì)螺線管持續(xù)施加電壓會(huì)造成過量腐蝕。

      采用高端開關(guān)高端電流檢測(cè)
      圖3示出了一種配置，它將意外的螺線管激活和過量腐蝕的可能性降到最低，其中開關(guān)和分流器都接至高壓端。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，便給螺線管撤除了電池電壓，從而防止了潛在的對(duì)地短路損害，而且允許回流電流也包括在測(cè)量值中。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電池電壓從負(fù)載上撤除，所以消除了由電壓差引起的腐蝕效應(yīng)。

      圖3. 采用低端螺線管和高端開關(guān)及檢測(cè)方法的ECU
      然而，在這種情況下，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)螺線管兩端的反向電壓會(huì)引起共模電壓的大幅度擺動(dòng)，從電池的高端電壓擺動(dòng)到比地電位還低一個(gè)二極管壓降的電壓（反向電壓受箝位二極管的限制）。因此本應(yīng)用中采用的放大器必須要能夠提供分流器電壓（或電流）的精確測(cè)量值，從而在開關(guān)斷開時(shí)忽略共模電壓的大幅度快速擺動(dòng)。

      當(dāng)采用低端開關(guān)高端檢測(cè)方案（見圖2）時(shí)，就可能測(cè)量到對(duì)地短路，因?yàn)閬碜愿叨说穆菥€管電流全部都要通過分流器，如圖3所示。
      一種簡(jiǎn)單的高端電流測(cè)量電路
      幸運(yùn)的是，ADI公司（簡(jiǎn)稱ADI）推出了AD8200單電源差分放大器，具有適合上述應(yīng)用的全部特性——功能完整的單芯片封裝集成電路（IC）。圖4示出了AD8200在在ECU這類應(yīng)用中測(cè)量高端電流的一個(gè)實(shí)例。這里，AD8200用于放大和濾波分流器的小差分電壓，同時(shí)抑制前面提到的大共模電壓擺動(dòng)。AD8200可用于前面介紹的任何配置中。

      圖4. 使用AD8200的ECU，采用低端螺線管和高端開關(guān)及檢測(cè)
      AD8200采用＋5 V單電源供電，輸入共模范圍從－2 V～＋24 V，在空負(fù)載條件下可達(dá)到＋44
      V。如果需要更高的共模范圍，推薦使用AD8200系列的其它成員——例如，AD8205，其CMV范圍為－2 V～＋65
      V，增益為50；或者AD8206，其CMV范圍為－2 V～＋65 V，增益為20（與AD8200的增益相同）。

圖5. AD8200的功能框圖
      圖5示出了AD8200內(nèi)部接線的功能框圖。在采用便宜的運(yùn)算放大器和一些外部電阻器來設(shè)計(jì)差分放大器之前，要考慮到要足夠精確地測(cè)量螺線管電流所要求達(dá)到的性能以滿足控制應(yīng)用的要求，為此需要用允許誤差小于0.01％精確匹配電阻器建立這個(gè)電路。AD8200的內(nèi)部有經(jīng)過激光微調(diào)的電阻器，在同時(shí)處理交流（AC）和直流（DC）工作電壓時(shí)它能滿足上述精度要求。它采用SOIC封裝，其失調(diào)漂移和增益漂移典型值分別為6
      µV/°C和10 ppm/°C。該器件在從DC到10 kHz頻率范圍內(nèi)CMR最小值為80 dB。
      AD8200除了采用SOIC封裝外，還以管芯（裸片）形式提供。兩種封裝在很寬的溫度范圍內(nèi)都達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，從而使得AD8200非常適合用于多種汽車和工業(yè)平臺(tái)。SOIC封裝在－40
      °C～＋125 °C溫度范圍內(nèi)達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，管芯封裝在－40 °C～＋150 °C溫度范圍內(nèi)達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。
      AD8200在前置放大器輸出端可外接一只100 kΩ電阻器，它可以用來與外部電容器構(gòu)成低通濾波器應(yīng)用，也可以用外部電阻器設(shè)置20以外的預(yù)置增益。
      附錄
      機(jī)械變速器控制
      早期控制變速器換檔點(diǎn)的方法牽涉到復(fù)雜的、與速度有關(guān)的液壓電路。通過在一個(gè)復(fù)雜的閥門體中改變液體壓力來實(shí)現(xiàn)換檔。液壓通過一個(gè)連接到輸出軸的調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)。離心力帶動(dòng)調(diào)節(jié)器，從而排放出變速器油并且增大閥門體中的壓力。適應(yīng)變化駕駛條件的方法通常包括在大的加速度迫使變速器調(diào)低速檔或者裝載機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

      當(dāng)駕駛員需要提高加速度時(shí)，這種要求通常通過一種調(diào)低速檔的機(jī)構(gòu)來傳輸，包括一條從引擎箱中的油門控制連接到變速器一端的拉桿。此拉桿帶動(dòng)一杠桿，從而封鎖油門體中的一系列通道。這就迫使變速器在大加速度條件下調(diào)低速檔，直到調(diào)速器很快地超過調(diào)低速檔的機(jī)構(gòu)。

      為適應(yīng)負(fù)載的變化采用一個(gè)真空調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)引擎的負(fù)載增大時(shí)，真空的變化會(huì)使一連桿滑進(jìn)或滑出閥體，從而改變變速器的換檔點(diǎn)和換檔速度。雖然上述控制換檔點(diǎn)和換檔平穩(wěn)度的方法很有效，但是無法再調(diào)整這些參數(shù)以適應(yīng)更多的變化條件，因?yàn)槭苡糜诳刂扑鼈兊臋C(jī)械系統(tǒng)的特性所限。