汽车控制系统电磁阀中的电流测量

汽车控制应用中的螺线管

螺线管是具有固定行程范围的直线电机。螺线管可以设计用于简单的开关应用，其作用与继电器非常相似。例如，它们在启动器和门锁中以这种方式使用。

另一方面，线性或比例螺线管是可以精确控制位置的螺线管。它们用于操作活塞和阀门，以精确控制变速箱和燃油喷射等应用中的流体压力或流量。

变速器需要准确平稳地控制离合器上的压力以换档，并控制锁定变矩器。电子控制变速器可能包含八个以上的线性螺线管，所有这些电磁阀都需要平稳、准确的控制。压力超过 2000 psi 的共轨柴油燃油喷射应用可能需要每个气缸一个线性电磁阀（燃油泵上一个）来精确调节压力以保持可预测的喷油器燃油流量。

示例：电子变速器控制

自动变速器是一种电子控制由于驱动质量和燃油效率的提高而在很大程度上取代机械控制的系统。以前燃油效率和加速的改进来自于锁定变矩器的引入。最近，使用电子控制螺线管的软件和硬件组合可以更轻松地调整换档算法，并在变速器换档平滑度和质量方面提供额外的好处。

总体而言，变速器的电子控制可实现更简单、更可靠、成本更低的机电系统。电子变速器控制系统改善了变速器换档点的控制，减少了换档的突然性，提高了换档平稳性。此外，电子控制的灵活性允许更好地适应不断变化的条件。以更精细的分辨率对换档点进行电子控制，可以更好地加速、提高经济性、更好地控制负载并减少排放，而驾驶员只需最少的努力。此外，电子控制允许变速器在变化的负载和加速度下更平稳地换档。

使用电子控制系统，除了轴速、真空和驱动器输入外，还可以通过各种输入来影响换档控制算法。其中一些参数包括火花提前、喷油器参数、输入速度传感器、线控换档选择、发动机转速、节气门位置、扭矩转换器速度/锁定、ATF 温度、发动机温度、车轮打滑传感器和惯性传感器。结合这些类型的输入可以实现各种班次优化点，以适应整体操作条件。为了最有效地使用这些输入，必须有一个系统受益于对换档点和换档速度的精确和无级可调电子控制。

液压控制仍然用于在电子控制自动变速器中换档。与机械系统相比，机电系统中液压系统的电子控制由线性电磁阀执行，该电磁阀改变施加到连接到离合器组的执行器的液压。为了做到这一点，对电磁阀开口进行准确和可重复的控制非常重要，这反过来又允许通过施加精确量的液压油来准确、可重复地控制换档点。

确定电磁阀位置

线性螺线管的位置在反馈回路中控制。例如，可以监控阀门的下游压力并将其用作反馈信号以与设定值进行比较，调整脉宽调制（PWM）占空比以控制电磁阀。然而，测量下游压力可能很困难、不切实际或成本很高。

一种实用的替代方案是通过测量通过螺线管的电流来确定螺线管的位置。这是可能的，因为机械负载施加在螺线管上的力与磁场成正比，而磁场又与通过线圈的电流成正比。螺线管的比例控制是通过平衡弹簧式负载和螺线管磁场之间的力来实现的，这可以通过测量通过螺线管的电流来确定。

脉压电磁阀控制

电磁阀通过使用微控制器生成的脉宽调制输入信号来快速打开和关闭与电磁阀和电压源（汽车电池）串联的 FET 开关。平均电压由波形的导通时间与脉冲周期之比决定。脉冲宽度和螺线管机械负载的变化会导致流过螺线管的平均电流发生变化。平均电流表示电磁阀运动量，从而指示流体压力和流量。

通过表征确定特定PWM波形的螺线管运动与平均电流之间的关系。虽然磁力确实与通过螺线管的电流直接相关，但实际的机械力和运动并没有那么密切相关，因为它们取决于螺线管的结构和负载的性质。因此，需要表征以将平均电流与螺线管开口相关联。

例如，当电磁阀首次通电以克服静摩擦时，必须增加PWM比。一旦克服了静态摩擦，就会使用不同的PWM关系将其移入和移出。

测量通过线圈的电流

因此，电流是螺线管状态的重要指示。测量电磁阀电流的最有效方法是测量与电磁阀、电池和开关串联的电阻分流器两端的电压。有几种不同的方法可以配置该串联电路以进行开关和电压测量。

具有高边驱动的低侧电流检测

图1中的电路显示了一个开关，该开关连接到电池的高（未接地）侧，与螺线管线圈和接地电阻分流器串联。在线圈上连接一个反向二极管，以箝位（即短路）电流关闭时线圈产生的感应电压。将接地基准用于分流器，可以在电子控制单元（ECU）中使用具有不同共模规格的廉价运算放大器来测量分流器两端的电压。

图1.具有高边开关和低边感应的电子控制单元。

在考虑这种方法时，设计人员必须考虑以下缺点：

电磁阀再循环电流不包括在测量中，因此该电路无法准确测量通过螺线管线圈的平均电流。电磁阀再循环电流可以帮助检测电磁阀健康状况;如果某些绕组开始短路，则可以通过测量被动控制的再循环电流来观察情况。

由于开关偏高，因此购买和驾驶成本更高。PWM驱动器需要在微控制器的逻辑输出和栅极之间进行仔细的电平转换。

需要额外的电路来检测接地短路，因为短路电流不会流过分流器。如果未检测到接地短路（图1），则可能会损坏接线和FET。

测量可能不稳定，因为在实践中，地面不是理想的通用连接，图形上呈现为一个小倒三角形。在实际应用中，“接地”实际上可能不是接地。运算放大器地和分流接地之间的电流引起的压降会导致严重误差。

采用低侧开关的高端电流检测

驱动电磁阀的更好方法是使用以地为基准的开关（图 2），从而允许使用较便宜的低边开关。

由于电磁阀再循环电流包含在测量中，因此可以进行明显更好的诊断。此外，驱动器更便宜，因为不需要对门执行电平转换。

图2.具有低边开关和高边感应的电子控制单元。

但是，放大器必须具有高共模抑制，并且必须能够远离显著的共模电压（CMV）。在本例中，分流器的电压电平从电池电压到电池电压加二极管压降不等。解释如下：当开关闭合时，分流器的共模电压电平保持在低阻抗电池电压。当开关断开时，螺线管两端的电压会因螺线管的电感而反转，并导致共模电压电平包括箝位二极管压降，而瞬态电流流动，然后建立到电池电压。

这种驱动方法的一个重要优点是，它允许检测接地短路，因为高端电流流过分流器，如图2所示。

使用这种电流检测方法时的一个关键问题是电池的高压侧始终连接到螺线管。如果间歇性接地短路，这可能会使电磁阀意外切换。此外，随着时间的推移，电磁阀上持续存在的电压可能会导致过度腐蚀。

采用高端开关的高端电流检测

图3显示了一种配置，可将电磁阀意外激活和过度腐蚀的可能性降至最低，其中开关和分流器都连接在高压侧。当开关关闭时，这会从电磁阀中移除电池电压，防止接地的潜在短路损坏，并允许将再循环电流包含在测量中。当开关断开时，电池电压从负载中移除，因此消除了由电压差引起的腐蚀作用。

图3.电子控制单元，带低边电磁阀和高边开关和感应。

然而，在这种情况下，当开关断开时，电磁阀两端的电压反转将导致共模电压的摆幅更大，从电池高压侧电压到低于地电位的一个二极管压降（反向电压受箝位二极管的限制）。因此，此应用中使用的放大器必须能够提供分流电压（电流）的精确测量，忽略开关关闭时共模电压的大而快速摆幅。

与低边开关、高端检测配置（图 2）一样，可以测量对地短路，因为来自高压侧的所有电磁阀电流都流过分流器，如图 3 所示。

简单的高边电流测量电路

幸运的是，ADI公司提供AD8200单电源差动放大器，具有该应用所需的所有特性，采用单IC封装。图4所示为AD8200应用于ECU以测量此类应用中高端电流的示例。这里，AD8200用于放大和滤波来自分流器的小差分电压，同时抑制上述较大的共模摆幅。AD8200可用于前面所示的任何配置。

图4.电子控制单元，使用AD8200，具有低边电磁阀和高边开关和检测功能。

AD8200采用+5 V单电源供电，输入共模电压范围为–2 V至+24 V，负载突降至+44 V。如果需要更高的共模范围，建议使用AD8200系列的其他产品，例如AD8205，CMV范围为–2 V至+65 V，增益为50;或AD8206，CMV范围为–2 V至+65 V，增益为20（增益与AD8200相同）。

图5.AD8200的功能框图

图5是AD8200内部接线的功能框图。在使用廉价的运算放大器和一些外部电阻设计差分放大器之前，请考虑要实现足够精确地测量螺线管电流所需的性能，以满足控制应用的需求，需要电路采用精确匹配在0.01%以内的电阻构建。AD8200内置激光调整电阻，可在处理交流和直流电压时实现这种级别的精确工作。SOIC封装的典型失调和增益漂移分别为6 μV/°C和10 ppm/°C。该器件在直流至80 kHz范围内还提供10 dB的最小共模抑制。

除了采用SOIC封装外，AD8200还提供裸片形式。两种封装选项均在宽温度范围内提供，使AD8200非常适合许多汽车和工业平台。SOIC 封装的额定温度范围为 –40°C 至 +125°C，芯片的额定温度范围为 –40°C 至 +150°C。

AD8200还在前置放大器输出端提供外部可访问的100 kΩ电阻，可与外部电容配合用于低通滤波器应用，也可与外部电阻配合使用，用于建立预设增益20以外的增益。

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