汽車控制應用中的螺線管

螺線管是一種具有固定行程范圍的直線電機。螺線管可以設計用于簡單的開關應用，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用中精確控制流體壓力或流量。

變速箱要求準確，平穩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以上的線性螺線管，所有這些都需要平穩，精確的控制。壓力超過2000 psi的共軌柴油機燃油噴射應用可能需要每個氣缸一個線性電磁閥和燃油泵一個 - 以精確調節壓力，以保持可預測的噴油器燃油流量。

示例：電子變速箱控制

自動變速箱是一種系統，其中電子控制在很大程度上取代了機械控制，因為改善了驅動質量和燃油效率。先前的燃油效率和加速度的改進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整換檔算法，并且在變速器平穩性和質量方面提供額外的益處。

總的來說，變速器的電子控制允許更簡單，更可靠，成本更低的機電系統。電子變速器控制系統改善了變速器換檔點的控制，減少了突然的換檔并提高了換檔平穩性。此外，電子控制的靈活性允許更好地適應不斷變化的條件。具有更精細分辨率的換檔點的電子控制允許更好的加速，改進的經濟性，更好的負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載和加速度變化的情況下更平穩地移動。

使用電子控制系統，除了軸之外，還可以通過各種輸入影響換檔控制算法速度，真空和駕駛員輸入。這些參數中的一些包括火花提前，噴射器參數，輸入速度傳感器，線控換檔，發動機速度，節氣門位置，扭矩變換器速度/鎖定，ATF溫度，發動機溫度，車輪滑動傳感器和慣性傳感器。結合這些類型的輸入允許各種各樣的換檔優化點，適應整體操作條件。為了最有效地使用這些輸入，必須使系統受益于對換檔點和換檔速度的精確且無限可調的電子控制。

液壓控制仍然用于改變電子控制自動變速器中的齒輪。與機械系統相比，機電系統中的液壓系統的電子控制由線性螺線管執行，線性螺線管改變施加到連接到離合器組件的致動器的液壓。為了使其工作，對電磁閥開口進行精確和可重復的控制是非常重要的 - 這反過來允許通過施加精確量的液壓流體來精確，可重復地控制換檔點。

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，可以監控閥門的下游壓力并將其用作反饋信號以與設定值進行比較，調整脈沖寬度調制（PWM）占空比以控制螺線管。然而，測量下游壓力可能是困難的，不切實際的或非常昂貴的。

實際的替代方案是通過測量通過螺線管的電流來建立螺線管的位置。這是可能的，因為機械負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。通過彈簧式負載和螺線管磁場之間的力的平衡來實現對螺線管的比例控制，這可以通過測量通過螺線管的電流來確定。

PWM電磁閥控制

螺線管通過微控制器產生的脈沖寬度調制輸入信號供電，以快速打開和關閉與螺線管和電壓源（汽車電池）串聯的FET開關）。平均電壓由波形 on 時間與脈沖周期的比率確定。脈沖寬度和螺線管機械負載的變化導致流過螺線管的平均電流發生變化。平均電流表示螺線管運動量，因此表示流體壓力和流量。

通過表征建立特定PWM波形的螺線管運動與平均電流之間的關系。 》。雖然磁力確實與通過螺線管的電流直接相關，但實際的機械力和運動并不是如此緊密相關，因為它們取決于螺線管的結構和負載的性質。因此，需要進行表征以將平均電流與螺線管開口相關聯。

例如，當螺線管首次通電以克服靜摩擦時，必須增加PWM比。一旦克服靜摩擦，就會使用不同的PWM關系將其移入和移出。

測量通過線圈的電流

因此，電流是螺線管狀態的重要指示。測量螺線管電流的最有效方法是測量與螺線管，電池和開關串聯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電路進行開關和電壓測量。

帶高側驅動的低側電流檢測

圖1中的電路顯示了一個連接的開關到電池的高（未接地）側，與電磁線圈和接地電阻分流器串聯。反向二極管連接在線圈兩端，以在電流 off 時鉗制（即，短路）由線圈產生的感應電壓。使用分流器的接地參考允許在電子控制單元（ECU）中使用具有無差別共模規格的廉價運算放大器來測量分流器兩端的電壓。

在考慮這種方法時，設計師必須考慮到這些缺點：

電磁閥再循環電流不包括在測量中，因此該電路不能準確測量通過電磁線圈的平均電流。螺線管再循環電流可以幫助檢測螺線管的健康狀況;如果某些繞組已經開始短路，可以通過測量被動控制的再循環電流來看出這種情況。

由于開關位于偏高的位置，因此購買和驅動成本更高。 PWM驅動需要在微控制器的邏輯輸出和柵極之間進行仔細的電平轉換。

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。如果未檢測到對地短路（圖1），可能會損壞接線和FET。

測量可能不穩定，因為在實踐中，接地不是《 em》理想的通用連接，以圖形方式呈現為一個小的倒三角形。在實際應用中，“地面”實際上可能不是 ground 。運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致嚴重錯誤。

低側開關的高側電流檢測

A更好的驅動螺線管的方法是使用一個以地為參考的開關（圖2），允許使用更便宜的低側開關。

由于電磁閥再循環，可以實現更好的診斷電流包含在測量中。此外，驅動器更便宜，因為沒有必要對柵極執行電平轉換。

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：當開關閉合時，分流器處的共模電壓電平保持在低阻抗電池電壓。當開關打開時，螺線管上的電壓由于螺線管的電感而反轉，并導致共模電壓電平包括鉗位二極管壓降 - 瞬態電流流過 - 然后穩定到電池電壓。

這種驅動方法的一個重要好處是它可以檢測接地短路，因為高端電流流過分流器 - 如圖2所示。

使用這個時的一個關鍵問題電流檢測方法是電池的高壓側始終連接到電磁閥。如果間歇性地短路，這可能會使電磁閥意外切換。此外，螺線管上持續存在的電壓可能會導致長時間的過度腐蝕。

高側開關的高側電流感應

這種配置可以最大限度地降低意外的電磁閥激活和過度腐蝕如圖3所示，其中開關和分流器都連接在高壓側。當開關 off 時，這將消除電磁閥的電池電壓，防止潛在的短路接地損壞，并允許再循環電流包含在測量中。當開關打開時，電池電壓從負載中移除，因此消除了由電壓差引起的腐蝕作用。

然而，在這種情況下，當開關打開時電磁閥上的電壓反轉將導致共模電壓的更大波動，從電池高壓側電壓到地下一個二極管壓降（反向電壓受鉗位二極管的限制。因此，本應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，忽略開關斷開時共模電壓的大幅快速擺動。

與低側開關，高側檢測配置（圖2）一樣，可以測量對地短路，因為來自高側的所有螺線管電流都流過分流器，如圖3所示。 。

一個簡單的高邊電流測量電路

幸運的是，AD8200單電源差動放大器具有該應用所需的所有特性 - 在單個IC中完成包 - 可從ADI公司獲得。圖4顯示了應用于ECU中的AD8200的一個示例，用于測量此類應用中高端的電流。這里，AD8200用于放大和過濾來自分流器的小差分電壓，同時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，負載轉儲為+44 V.如果共模范圍較高需要使用AD8200系列的另一個成員 - 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是內部的功能框圖AD8200的接線。在使用廉價運算放大器和一些外部電阻設計差分放大器之前，考慮到為控制應用實現足夠精確測量螺線管電流所需的性能，需要一個內置電阻的電路，精確匹配在0.01％以內。 AD8200具有內部激光調整電阻，可在處理交流和直流電壓時實現這種精確的操作。 SOIC封裝中的典型失調和增益漂移分別為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。兩種封裝選項均在寬溫度范圍內指定，使AD8200非常適合用于許多汽車和工業平臺。 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還在前置放大器的輸出端提供外部可訪問的100kΩ電阻，可用于外部電容，用于低通濾波器應用，以及外部電阻，用于建立除預設增益20以外的增益。

機械傳動控制

控制變速器換檔點的舊方法涉及復雜的，與速度相關的液壓回路。通過使用復雜閥體中的液壓變化來完成換檔。液壓由連接在輸出軸上的調速器調節。離心力使調速器移動，釋放變速箱油并增加閥體內的壓力。適應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械執行器加載時降檔。

當駕駛員需要更多加速時，通常通過降檔機構傳輸要求，包括從發動機艙中的節氣門控制器到變速器側面的桿。桿移動一個杠桿，關閉節氣門體內的一系列通道。這迫使變速器在大加速度下降檔，直到速度調速器超越降檔機構。

使用真空調制器完成適應負載的變化。隨著發動機負荷的增加，真空變化導致桿滑入或滑出閥體，改變變速器換檔點和換檔速度。雖然這些控制換檔點和換檔平滑度的方法起作用，但由于用于控制它們的機械系統的特性，幾乎無法將這些參數調整到更多變量的條件。