在汽车控制应用中如何测量电磁铁的电流

汽车控制应用中的螺线管

螺线管是一种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，它们以这种方式用于 starters 和门锁。

另一方面，线性，或者比例，电磁阀是一种可以精确控制其位置的电磁阀。它们用于操作活塞和阀门，以便在变速箱和燃油喷射等应用中精确控制流体压力或流量。

变速箱要求准确，平稳控制离合器上的压力以改变齿轮，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，所有这些都需要平稳，精确的控制。压力超过2000 psi的共轨柴油机燃油喷射应用可能需要每个气缸一个线性电磁阀和燃油泵一个 - 以精确调节压力，以保持可预测的喷油器燃油流量。

示例：电子变速箱控制

自动变速箱是一种系统，其中电子控制在很大程度上取代了机械控制，因为改善了驱动质量和燃油效率。先前的燃油效率和加速度的改进伴随着锁定变矩器的引入。最近，使用电子控制螺线管的软件和硬件的组合允许更容易地调整换档算法，并且在变速器平稳性和质量方面提供额外的益处。

总的来说，变速器的电子控制允许更简单，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，减少了突然的换档并提高了换档平稳性。此外，电子控制的灵活性允许更好地适应不断变化的条件。具有更精细分辨率的换档点的电子控制允许更好的加速，改进的经济性，更好的负载控制和减少的排放，并且驾驶员的努力最小。此外，电子控制装置允许变速箱在负载和加速度变化的情况下更平稳地移动。

使用电子控制系统，除了轴之外，还可以通过各种输入影响换档控制算法速度，真空和驾驶员输入。这些参数中的一些包括火花提前，喷射器参数，输入速度传感器，线控换档，发动机速度，节气门位置，扭矩变换器速度/锁定，ATF温度，发动机温度，车轮滑动传感器和惯性传感器。结合这些类型的输入允许各种各样的换档优化点，适应整体操作条件。为了最有效地使用这些输入，必须使系统受益于对换档点和换档速度的精确且无限可调的电子控制。

液压控制仍然用于改变电子控制自动变速器中的齿轮。与机械系统相比，机电系统中的液压系统的电子控制由线性螺线管执行，线性螺线管改变施加到连接到离合器组件的致动器的液压。为了使其工作，对电磁阀开口进行精确和可重复的控制是非常重要的 - 这反过来允许通过施加精确量的液压流体来精确，可重复地控制换档点。

确定电磁阀位置

线性电磁阀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，调整脉冲宽度调制（PWM）占空比以控制螺线管。然而，测量下游压力可能是困难的，不切实际的或非常昂贵的。

实际的替代方案是通过测量通过螺线管的电流来建立螺线管的位置。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。通过弹簧式负载和螺线管磁场之间的力的平衡来实现对螺线管的比例控制，这可以通过测量通过螺线管的电流来确定。

PWM电磁阀控制

螺线管通过微控制器产生的脉冲宽度调制输入信号供电，以快速打开和关闭与螺线管和电压源（汽车电池）串联的FET开关）。平均电压由波形 on 时间与脉冲周期的比率确定。脉冲宽度和螺线管机械负载的变化导致流过螺线管的平均电流发生变化。平均电流表示螺线管运动量，因此表示流体压力和流量。

通过表征建立特定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不是如此紧密相关，因为它们取决于螺线管的结构和负载的性质。因此，需要进行表征以将平均电流与螺线管开口相关联。

例如，当螺线管首次通电以克服静摩擦时，必须增加PWM比。一旦克服静摩擦，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。测量螺线管电流的最有效方法是测量与螺线管，电池和开关串联连接的电阻分流器两端的电压。有几种不同的方法可以配置此串联电路进行开关和电压测量。

带高侧驱动的低侧电流检测

图1中的电路显示了一个连接的开关到电池的高（未接地）侧，与电磁线圈和接地电阻分流器串联。反向二极管连接在线圈两端，以在电流 off 时钳制（即，短路）由线圈产生的感应电压。使用分流器的接地参考允许在电子控制单元（ECU）中使用具有无差别共模规格的廉价运算放大器来测量分流器两端的电压。

在考虑这种方法时，设计师必须考虑到这些缺点：

电磁阀再循环电流不包括在测量中，因此该电路不能准确测量通过电磁线圈的平均电流。螺线管再循环电流可以帮助检测螺线管的健康状况;如果某些绕组已经开始短路，可以通过测量被动控制的再循环电流来看出这种情况。

由于开关位于偏高的位置，因此购买和驱动成本更高。 PWM驱动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。如果未检测到对地短路（图1），可能会损坏接线和FET。

测量可能不稳定，因为在实践中，接地不是《 em》理想的通用连接，以图形方式呈现为一个小的倒三角形。在实际应用中，“地面”实际上可能不是 ground 。运算放大器接地和分流接地之间的电流引起的电压降可能导致严重错误。

低侧开关的高侧电流检测

A更好的驱动螺线管的方法是使用一个以地为参考的开关（图2），允许使用更便宜的低侧开关。

由于电磁阀再循环，可以实现更好的诊断电流包含在测量中。此外，驱动器更便宜，因为没有必要对栅极执行电平转换。

然而，放大器必须具有高共模抑制，并且必须是能够抵抗显着的共模电压（CMV）。在该示例中，分流器处的电压电平从电池电压到电池电压加二极管电压降变化。以下是解释：当开关闭合时，分流器处的共模电压电平保持在低阻抗电池电压。当开关打开时，螺线管上的电压由于螺线管的电感而反转，并导致共模电压电平包括钳位二极管压降 - 瞬态电流流过 - 然后稳定到电池电压。

这种驱动方法的一个重要好处是它可以检测接地短路，因为高端电流流过分流器 - 如图2所示。

使用这个时的一个关键问题电流检测方法是电池的高压侧始终连接到电磁阀。如果间歇性地短路，这可能会使电磁阀意外切换。此外，螺线管上持续存在的电压可能会导致长时间的过度腐蚀。

高侧开关的高侧电流感应

这种配置可以最大限度地降低意外的电磁阀激活和过度腐蚀如图3所示，其中开关和分流器都连接在高压侧。当开关 off 时，这将消除电磁阀的电池电压，防止潜在的短路接地损坏，并允许再循环电流包含在测量中。当开关打开时，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。

然而，在这种情况下，当开关打开时电磁阀上的电压反转将导致共模电压的更大波动，从电池高压侧电压到地下一个二极管压降（反向电压受钳位二极管的限制。因此，本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，忽略开关断开时共模电压的大幅快速摆动。

与低侧开关，高侧检测配置（图2）一样，可以测量对地短路，因为来自高侧的所有螺线管电流都流过分流器，如图3所示。 。

一个简单的高边电流测量电路

幸运的是，AD8200单电源差动放大器具有该应用所需的所有特性 - 在单个IC中完成包 - 可从ADI公司获得。图4显示了应用于ECU中的AD8200的一个示例，用于测量此类应用中高端的电流。这里，AD8200用于放大和过滤来自分流器的小差分电压，同时抑制上述大型共模摆幅。 AD8200可用于前面显示的任何配置。

AD8200采用+5 V单电源供电，输入共模电压范围为-2 V至+24 V，负载转储为+44 V.如果共模范围较高需要使用AD8200系列的另一个成员 - 例如，AD8205，CMV范围为-2 V至+65 V，增益为50;或者，AD8206的CMV范围为-2 V至+65 V，增益为20（与AD8200的增益相同）。

图5是内部的功能框图AD8200的接线。在使用廉价运算放大器和一些外部电阻设计差分放大器之前，考虑到为控制应用实现足够精确测量螺线管电流所需的性能，需要一个内置电阻的电路，精确匹配在0.01％以内。 AD8200具有内部激光调整电阻，可在处理交流和直流电压时实现这种精确的操作。 SOIC封装中的典型失调和增益漂移分别为6μV/°C和10 ppm /°C。该器件还提供从直流到10 kHz的最小共模抑制80 dB。

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指定，使AD8200非常适合用于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还在前置放大器的输出端提供外部可访问的100kΩ电阻，可用于外部电容，用于低通滤波器应用，以及外部电阻，用于建立除预设增益20以外的增益。

机械传动控制

控制变速器换档点的旧方法涉及复杂的，与速度相关的液压回路。通过使用复杂阀体中的液压变化来完成换档。液压由连接在输出轴上的调速器调节。离心力使调速器移动，释放变速箱油并增加阀体内的压力。适应变化的驾驶条件的方法通常包括迫使变速器在重加速或机械执行器加载时降档。

当驾驶员需要更多加速时，通常通过降档机构传输要求，包括从发动机舱中的节气门控制器到变速器侧面的杆。杆移动一个杠杆，关闭节气门体内的一系列通道。这迫使变速器在大加速度下降档，直到速度调速器超越降档机构。

使用真空调制器完成适应负载的变化。随着发动机负荷的增加，真空变化导致杆滑入或滑出阀体，改变变速器换档点和换档速度。虽然这些控制换档点和换档平滑度的方法起作用，但由于用于控制它们的机械系统的特性，几乎无法将这些参数调整到更多变量的条件。