汽車控制系統(tǒng)中螺線管的電流檢測

螺線管是一種具有固定運轉(zhuǎn)范圍的線性電動機。螺線管適合于簡單的開關(guān)應(yīng)用，其作用很像繼電器。例如，它們在起動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)。它們在諸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確地控制液體壓力或流量。
      變速器需要準確平穩(wěn)地控制離合器上的壓力以改變傳動裝置，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個以上的線性螺線管，它們都需要平穩(wěn)準確地控制。對于共軌柴油機燃油噴射應(yīng)用，具有超過2000
      psi（每平方英尺磅數(shù)）的壓力，可能每個氣缸都需要一個線性螺線管——并且燃料泵需要一個螺線管——以便準確地調(diào)整壓力，保證按預(yù)定方式注入燃料流量。
      應(yīng)用實例：電子變速器控制
      自動變速器是一種取代機械控制的主要電子控制系統(tǒng)，因為電子控制系統(tǒng)在驅(qū)動質(zhì)量和燃料效率方面都有所改進。以前在燃料效率和加速方面的改進是因為采用了閉鎖液力變矩器。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。

      總之，變速器電子控制使機電系統(tǒng)簡化了設(shè)計、提高了可靠性并且降低了成本。電子變速器控制系統(tǒng)改進了對變速器換檔點的控制，減小了傳動裝置換檔的突變性并且改進了換檔的平穩(wěn)度。另外，電子控制的靈活性對變化的條件具有更強的適應(yīng)性。換檔點的電子控制具有精細分辨率，能夠提高加速質(zhì)量、節(jié)約成本、改善負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)地換檔改變負載和加速度。

      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器、自動傳輸流體（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，必須通過精確地無限調(diào)整電子控制系統(tǒng)的換檔點和換檔速度來優(yōu)化系統(tǒng)。

      在電子控自動變速器中，仍然采用液壓控制來改變傳動裝置。與機械控制系統(tǒng)不同的是，機電系統(tǒng)中對液體的電子控制是通過線性螺線管來實現(xiàn)的，線性螺線管能改變施加到離合器組件的執(zhí)行機構(gòu)上的液體壓力。為了完成此功能，最重要的是準確并且可重復(fù)地控制開路螺線管——從而允許通過應(yīng)用過程中準確的液體流量對換檔點進行準確和可重復(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，測量下行壓力可能很困難、不切實際，或者成本很高。

      另外一種實際的解決方案就是通過測量通過螺線管的電流來確定螺線管的狀態(tài)。這種方法是可以實現(xiàn)的，因為機械負載對螺線管施加的力直接與磁場強度成比例，而磁場強度又直接與通過線圈的電流成比例。通過平衡彈簧類負載和螺線管磁場之間的作用力來實現(xiàn)螺線管的比例控制，其中可以通過測量螺線管的電流來確定磁場強度。

      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）輸入信號驅(qū)動螺線管，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)的場效應(yīng)晶體管（FET）開關(guān)。對螺線管施加的平均電壓取決于PWM波形的‘導(dǎo)通’時間與脈沖周期的比率。脈沖寬度和螺線管機械負載的變化會引起通過螺線管流動的平均電流的變化。該平均電流表明了螺線管總運動量，所以也就表明了液體壓力和流量。

      對于特定的PWM波形，螺線管運動和平均電流之間的關(guān)系可以用表示特性來確定。雖然磁場強度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不是嚴格相關(guān)的，因為它們還依賴于螺線管的結(jié)構(gòu)和負載的性質(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，當螺線管剛開始加電為了克服靜摩擦力時，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)動它來回運動。
      測量通過線圈的電流
      電流是螺線管狀態(tài)的重要指示。測量螺線管電流的最有效方法就是測量與螺線管、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)和電壓測量的串聯(lián)電路可以有幾種不同的方法。

      采用高端驅(qū)動的低端電流檢測
      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）當電流斷開時由線圈產(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）中使用便宜的運算放大器——共模指標不重要——來測量分流器兩端的電壓。

      圖1. 采用高端開關(guān)和低端檢測的ECU
      在考慮這種應(yīng)用時，設(shè)計工程師必須考慮以下缺點：
      1.在上述測量中不包含螺線管的回流電流，所以此電路測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，通過測量受控的回流電流可以檢測出這種短路狀態(tài)。

      2. 因為開關(guān)置于高電壓端，所以購買和驅(qū)動這種開關(guān)的成本都比較高。PWM驅(qū)動需要在微控制器的邏輯輸出和門電路之間做謹慎的電平轉(zhuǎn)換。
      3. 需要附加電路來檢測對地短路，因為短路電流不流過分流器。如果檢測不到對地短路（見圖1），可能會出現(xiàn)接線和場效應(yīng)管（FET）損壞。
      4.
      這種測量可能不穩(wěn)定，實際上，因為“接地”并不是理想的通用連接，圖中用倒三角形表示。在實際的應(yīng)用中，“接地”可能不是實際意義上的“接地”。因此由運算放大器的地和分流器的地之間的電流引起的電壓降會造成很大的誤差。

      采用低端開關(guān)的高端電流檢測
      一種比較好的螺線管驅(qū)動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測量結(jié)果，因為在測量中包含了螺線管的回流電流。另外，還可以降低驅(qū)動成本，因為無需對門電路進行電平轉(zhuǎn)換。

      圖2. 采用低端開關(guān)和高端檢測的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：當開關(guān)閉合時分流器的共模電壓值仍然保持為低阻抗電池電壓。當開關(guān)斷開時，因為螺線管的電感特性其兩端的電壓會反向，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)動方法的一個重要優(yōu)點是它可以檢測到對地短路，因為高端電流會流過分流器——正如圖2所示。
      在采用這種電流檢測方法時主要關(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)的對地短路的話，這可能導(dǎo)致意外的螺線管開關(guān)。另外，對螺線管持續(xù)施加電壓會造成過量腐蝕。

      采用高端開關(guān)高端電流檢測
      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。當開關(guān)斷開時，便給螺線管撤除了電池電壓，從而防止了潛在的對地短路損害，而且允許回流電流也包括在測量值中。當開關(guān)斷開時，電池電壓從負載上撤除，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)及檢測方法的ECU
      然而，在這種情況下，當開關(guān)斷開時螺線管兩端的反向電壓會引起共模電壓的大幅度擺動，從電池的高端電壓擺動到比地電位還低一個二極管壓降的電壓（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）的精確測量值，從而在開關(guān)斷開時忽略共模電壓的大幅度快速擺動。

      當采用低端開關(guān)高端檢測方案（見圖2）時，就可能測量到對地短路，因為來自高端的螺線管電流全部都要通過分流器，如圖3所示。
      一種簡單的高端電流測量電路
      幸運的是，ADI公司（簡稱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)用中測量高端電流的一個實例。這里，AD8200用于放大和濾波分流器的小差分電壓，同時抑制前面提到的大共模電壓擺動。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
      AD8200采用＋5 V單電源供電，輸入共模范圍從－2 V～＋24 V，在空負載條件下可達到＋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。在采用便宜的運算放大器和一些外部電阻器來設(shè)計差分放大器之前，要考慮到要足夠精確地測量螺線管電流所要求達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電路。AD8200的內(nèi)部有經(jīng)過激光微調(diào)的電阻器，在同時處理交流（AC）和直流（DC）工作電壓時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)都達到規(guī)定的技術(shù)指標，從而使得AD8200非常適合用于多種汽車和工業(yè)平臺。SOIC封裝在－40
      °C～＋125 °C溫度范圍內(nèi)達到規(guī)定的技術(shù)指標，管芯封裝在－40 °C～＋150 °C溫度范圍內(nèi)達到規(guī)定的技術(shù)指標。
      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
      機械變速器控制
      早期控制變速器換檔點的方法牽涉到復(fù)雜的、與速度有關(guān)的液壓電路。通過在一個復(fù)雜的閥門體中改變液體壓力來實現(xiàn)換檔。液壓通過一個連接到輸出軸的調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)。離心力帶動調(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)低速檔或者裝載機械執(zhí)行機構(gòu)。

      當駕駛員需要提高加速度時，這種要求通常通過一種調(diào)低速檔的機構(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)低速檔的機構(gòu)。

      為適應(yīng)負載的變化采用一個真空調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。當引擎的負載增大時，真空的變化會使一連桿滑進或滑出閥體，從而改變變速器的換檔點和換檔速度。雖然上述控制換檔點和換檔平穩(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，因為受用于控制它們的機械系統(tǒng)的特性所限。