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。螺线管可以设计为简单的开关应用，就像继电器一样。例如，它们被用在启动器和门锁上。

另一方面，线性或比例螺线管的位置可以精确地控制。它们用于操作活塞和阀门，以精确控制传动和燃油喷射等应用中的流体压力或流量。

变速器需要准确和平稳地控制离合器上的压力来换档，并用于控制锁定变矩器。电子控制传输可能包含超过八个线性螺线管，所有这些都需要平稳，准确的控制。在压力超过2000psi的共轨柴油喷射应用中，可能需要每缸一个线性螺线管(燃油泵处也有一个)来精确调节压力，以保持可预测的喷油器燃油流量。

示例:电子传输控制

由于驱动质量和燃油效率的提高，自动变速器是电子控制在很大程度上取代机械控制的一种系统。之前在燃油效率和加速方面的改进是随着锁定变矩器的引入而来的。最近，使用电子控制螺线管的软件和硬件组合可以更容易地调整换挡算法，并在变速器换挡平滑性和质量方面提供了额外的好处。

总的来说，电子控制的传输允许一个更简单，更可靠，更便宜的机电系统。电子传动控制系统改善了对变速器换挡点的控制，减少了突兀换挡，提高了换挡的平稳性。此外，电子控制的灵活性可以更好地适应不断变化的条件。换档点的电子控制具有更精细的分辨率，可以实现更好的加速，提高经济性，更好的负载控制和减少排放，而驾驶员的努力最少。此外，电子控制允许变速器更平稳地改变负载和加速度。

在电子控制系统中，除了轴速、真空度和驾驶员输入外，还可以通过各种输入来影响换挡控制算法。其中一些参数包括火花提前、喷油器参数、输入速度传感器、通过电线选择换挡、发动机转速、油门位置、变矩器速度/锁定、ATF温度、发动机温度、轮滑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移位优化点，适应整体运行条件。为了最有效地使用这些输入，必须有一个系统受益于精确和无限可调的电子控制换档点和换档速度。

在电控自动变速器中，换挡仍采用液压控制。与机械系统相比，机电系统中的液压系统的电子控制是通过线性螺线管来执行的，该螺线管可以改变施加到附着在离合器包上的执行器上的液压压力。为了做到这一点，非常重要的是要有准确和可重复控制的电磁阀打开，这反过来又允许准确的，可重复控制的换挡点通过应用精确量的液压油。

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，并将其作为反馈信号与设定值进行比较，调整脉宽调制(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，或者非常昂贵的。

一种实用的替代方法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。电磁阀的比例控制是通过平衡弹簧式负载和电磁阀磁场之间的力来实现的，这可以通过测量通过电磁阀的电流来确定。

PWM电磁控制

螺线管由微控制器产生的脉宽调制输入信号供电，通过螺线管和电压源(汽车电池)串联快速打开和关闭场效应管开关。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导致流经螺线管的平均电流发生变化。平均电流表示螺线管运动的量，因此表示流体压力和流量。

通过表征，建立了特定PWM波形的螺线管运动与平均电流的关系。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那么紧密相关，因为它们取决于螺线管的结构和负载的性质。因此，表征需要将平均电流与螺线管开度相关联。

例如，当螺线管首次通电以克服静摩擦时，必须增加PWM比率。一旦克服了静摩擦，就会使用不同的PWM关系将其移进移出。

测量线圈中的电流

因此，电流是螺线管状态的重要指示。测量螺线管电流最有效的方法是测量与螺线管、电池和开关串联连接的电阻分流器的电压。有几种不同的方式来配置这个系列电路开关和电压测量。

低侧电流感应与高侧驱动

图1中的电路显示了一个开关，连接到电池的高(不接地)侧，与螺线管线圈和接地的电阻分流器串联。一个反向二极管连接在线圈上，以箝位(即短路)线圈在电流关闭时产生的感应电压。对分流器使用接地基准，可以在电子控制单元(ECU)中使用价格低廉的运算放大器(具有不同的共模规格)来测量分流器上的电压。

在考虑这种方法时，设计师必须考虑到以下缺点:

1. 螺线管再循环电流不包括在测量中，因此该电路提供了通过螺线管线圈的平均电流的不准确测量。电磁阀再循环电流可以帮助检测电磁阀的健康状况;如果一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观察这种情况。

2. 因为开关偏高，所以购买和驾驶都比较贵。PWM驱动需要在微控制器的逻辑输出和门之间进行仔细的电平转换。

3. 由于短路电流不能通过分路器，因此需要额外的电路来检测接地短路。如果未检测到接地短路(图1)，则可能发生对线路和场效应管的损坏。

4. 测量结果可能不稳定，因为在实际操作中，地面不是理想的通用连接，图形上表示为一个小倒三角。在实际应用中，“接地”可能实际上并不是接地。运放地和分流地之间的电流引起的电压降会导致显著的误差。

带有低侧开关的高侧电流传感

驱动螺线管的更好方法是使用参考接地的开关(图2)，允许使用更便宜的低侧开关。

由于电磁阀再循环电流包含在测量中，因此可以进行更好的诊断。此外，由于不需要对栅极进行电平转换，因此驱动器更便宜。

然而，放大器必须具有高的共模抑制，并且必须能够承受显著的共模电压(CMV)。在本例中，分路器的电压水平随电池电压和电池电压加上二极管降而变化。解释如下:当开关闭合时，分路处的共模电压水平保持在低阻抗电池电压。当开关打开时，由于螺线管的电感，穿过螺线管的电压反转，并导致共模电压水平包括箝位二极管下降，同时瞬态电流流动，然后稳定到电池电压。

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

当使用这种电流感应方法时，一个关键的问题是电池的高侧总是连接到螺线管。这可能允许螺线管切换意外，如果有一个间歇短地。此外，随着时间的推移，螺线管电压的持续存在可能导致过度腐蚀。

带有高侧开关的高侧电流传感

图3所示的配置可以最大限度地减少电磁阀意外激活和过度腐蚀的可能性，其中开关和分流都连接在高侧。当开关关闭时，这将从螺线管中去除电池电压，防止潜在短路对地的损坏，并允许将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，因此消除了电压差引起的腐蚀影响。

然而，在这种情况下，当开关打开时，穿过螺线管的电压反转将导致更宽的共模电压摆动，从电池高侧电压到一个二极管降至地下(反向电压受箝位二极管限制)。因此，在这种应用中使用的放大器必须能够提供精确的分流电压(电流)测量，而忽略开关断开时共模电压的大而快速的摆动。

与低侧开关，高侧传感配置(图2)一样，可以测量到接地短路，因为所有来自高侧的螺线管电流都流过分流器，如图3所示。

一种简单的高压电流测量电路

幸运的是，AD8200单电源差分放大器具有此应用所需的所有特性-在单个IC封装中完成-可从Devices获得。图4显示了将AD8200应用于ECU以测量此类应用中高侧电流的示例。在这里，AD8200用于放大和滤波来自分流器的小差分电压，同时抑制上述大的共模振荡。AD8200可以用于前面所示的任何配置。

AD8200采用单路+ 5v电源，输入共模电压范围为- 2v至+ 24v，负载转储为+ 44v。如果需要更高的共模范围，建议使用AD8200系列的其他成员，例如，AD8205, CMV范围为-2 V至+65 V，增益为50;或CMV范围为-2 V至+65 V，增益为20(与AD8200相同)的AD8206。

图5是AD8200内部接线的功能框图。在使用便宜的运算放大器和一些外部电阻设计差分放大器之前，考虑到要实现足够精确地测量螺线管电流所需的性能，以用于控制应用，需要使用电阻精确匹配到0.01%以内的电路。AD8200具有内部激光修整电阻，可以在处理交流和直流电压时实现这种级别的精确操作。SOIC封装中典型的失调和增益漂移分别为6 μ V/°C和10 ppm/°C。该器件还提供了从直流到10khz的最小共模抑制80db。

除了SOIC封装外，AD8200还提供芯片形式。这两种封装选项都在很宽的温度范围内指定，使AD8200非常适合用于许多汽车和工业平台。SOIC封装指定为-40°C ~ +125°C，模具指定为-40°C ~ +150°C。

AD8200在前置放大器的输出端还具有一个外部可访问的100-k欧姆电阻器，它可以与低通滤波器应用的外部电容一起使用，也可以与外部电阻器一起使用，以建立除预设增益20以外的增益。

附录

机械传动控制

旧的控制变速器换挡点的方法涉及复杂的、依赖于速度的液压回路。换挡是通过使用复杂阀体中液压压力的变化来完成的。液压由连接在输出轴上的调速器调节。离心力移动调速器，释放传动油，增加阀体内的压力。适应不断变化的驾驶条件的方法通常包括在严重加速或长时间使用机械执行器时迫使变速器降挡。

当驾驶员需要更大的加速时，这一要求通常会通过一个降档机构传递，该机构由一根从发动机舱的油门控制杆连接到变速器一侧的杆组成。这根杆移动了一个杠杆，关闭了节流阀体内的一系列通道。这迫使变速器在剧烈加速的情况下降挡，直到变速时，调速器盖过了降挡机构。

利用真空调制器实现了对负载变化的适应。随着发动机负荷的增加，真空变化使一杆滑入或滑出阀体，改变变速器换挡点和换挡速度。虽然这些控制换挡点和换挡平滑度的方法有效，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可变的条件下。