汽车控制系统中螺线管的电流检测

螺线管是一种具有固定运转范围的线性电动机。螺线管适合于简单的开关应用，其作用很像继电器。例如，它们在起动器和门锁中就起到这种作用。
      另一方面，线性或成比例的螺线管可以用很精确的方式控制其状态。它们在诸如变速器和燃油喷射等应用中用于操纵活塞或者阀门以便准确地控制液体压力或流量。
      变速器需要准确平稳地控制离合器上的压力以改变传动装置，并用于控制闭锁液力变矩器。电子控制的变速器可能包括8个以上的线性螺线管，它们都需要平稳准确地控制。对于共轨柴油机燃油喷射应用，具有超过2000
      psi（每平方英尺磅数）的压力，可能每个气缸都需要一个线性螺线管——并且燃料泵需要一个螺线管——以便准确地调整压力，保证按预定方式注入燃料流量。
      应用实例：电子变速器控制
      自动变速器是一种取代机械控制的主要电子控制系统，因为电子控制系统在驱动质量和燃料效率方面都有所改进。以前在燃料效率和加速方面的改进是因为采用了闭锁液力变矩器。最近，采用电子控螺线管的软硬件结合可以更轻松地调整变档算法，而且还具有变速器换档平稳性和质量方面的附加优势。

      总之，变速器电子控制使机电系统简化了设计、提高了可靠性并且降低了成本。电子变速器控制系统改进了对变速器换档点的控制，减小了传动装置换档的突变性并且改进了换档的平稳度。另外，电子控制的灵活性对变化的条件具有更强的适应性。换档点的电子控制具有精细分辨率，能够提高加速质量、节约成本、改善负载控制并减小排气量，从而使驾驶员最省力。另外，电子控制允许变速器平稳地换档改变负载和加速度。

      采用电子控制系统，除了轴速、真空和驾驶员输入之外换档控制算法可能受到各种输入参数的影响。这些参数包括先期火花、注入器参数、输入速度传感器、线路换档选择、引擎速度、油门位置、液力变矩器速度和制动器、自动传输流体（ATF）温度、引擎温度、车轮转差率传感器以及惯性传感器。结合这些输入可以实现各种换档优化算法，以适应总的工作条件。为了最有效地使用这些输入，必须通过精确地无限调整电子控制系统的换档点和换档速度来优化系统。

      在电子控自动变速器中，仍然采用液压控制来改变传动装置。与机械控制系统不同的是，机电系统中对液体的电子控制是通过线性螺线管来实现的，线性螺线管能改变施加到离合器组件的执行机构上的液体压力。为了完成此功能，最重要的是准确并且可重复地控制开路螺线管——从而允许通过应用过程中准确的液体流量对换档点进行准确和可重复的控制。

      确定螺线管的状态
      线性螺线管的状态通过反馈环路来控制。例如，可以监视阀门的下行压力并用作反馈信号与设定值比较，从而调整脉冲宽度调制（PWM）的占空比以便控制螺线管，但是，测量下行压力可能很困难、不切实际，或者成本很高。

      另外一种实际的解决方案就是通过测量通过螺线管的电流来确定螺线管的状态。这种方法是可以实现的，因为机械负载对螺线管施加的力直接与磁场强度成比例，而磁场强度又直接与通过线圈的电流成比例。通过平衡弹簧类负载和螺线管磁场之间的作用力来实现螺线管的比例控制，其中可以通过测量螺线管的电流来确定磁场强度。

      PWM螺线管控制
      通过采用微控制器产生的脉冲宽度调制（PWM）输入信号驱动螺线管，以便迅速地开启或关闭与螺线管和电压源（汽车电池）串联的场效应晶体管（FET）开关。对螺线管施加的平均电压取决于PWM波形的‘导通’时间与脉冲周期的比率。脉冲宽度和螺线管机械负载的变化会引起通过螺线管流动的平均电流的变化。该平均电流表明了螺线管总运动量，所以也就表明了液体压力和流量。

      对于特定的PWM波形，螺线管运动和平均电流之间的关系可以用表示特性来确定。虽然磁场强度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严格相关的，因为它们还依赖于螺线管的结构和负载的性质。因此，需要用表示特性来关联开路螺线管平均电流。

      例如，当螺线管刚开始加电为了克服静摩擦力时，必须增大PWM比率。一旦克服了静摩擦力，就需要采用不同的PWM比率驱动它来回运动。
      测量通过线圈的电流
      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就是测量与螺线管、电池及其开关串联的阻性分流器两端的电压。配置这种用作开关和电压测量的串联电路可以有几种不同的方法。

      采用高端驱动的低端电流检测
      图1中的电路示出，开关连接到电池的高电压端（不接地），再与螺线管线圈和接地的阻性分流器串联。一只反向二极管接在线圈两端用于箝位（例如短路）当电流断开时由线圈产生的感应电压。分流器采用地作为参考端允许在电子控制装置（ECU）中使用便宜的运算放大器——共模指标不重要——来测量分流器两端的电压。

      图1. 采用高端开关和低端检测的ECU
      在考虑这种应用时，设计工程师必须考虑以下缺点：
      1.在上述测量中不包含螺线管的回流电流，所以此电路测得通过螺线管线圈的平均电流是不精确的。该螺线管的回流电流为检测螺线管的正常状态可起到辅助作用；如果某些线圈开始短路，通过测量受控的回流电流可以检测出这种短路状态。

      2. 因为开关置于高电压端，所以购买和驱动这种开关的成本都比较高。PWM驱动需要在微控制器的逻辑输出和门电路之间做谨慎的电平转换。
      3. 需要附加电路来检测对地短路，因为短路电流不流过分流器。如果检测不到对地短路（见图1），可能会出现接线和场效应管（FET）损坏。
      4.
      这种测量可能不稳定，实际上，因为“接地”并不是理想的通用连接，图中用倒三角形表示。在实际的应用中，“接地”可能不是实际意义上的“接地”。因此由运算放大器的地和分流器的地之间的电流引起的电压降会造成很大的误差。

      采用低端开关的高端电流检测
      一种比较好的螺线管驱动方法是采用以地为参考端（见图2）的开关，从而可以使用低成本的低端开关。
      这样可以显著地改进测量结果，因为在测量中包含了螺线管的回流电流。另外，还可以降低驱动成本，因为无需对门电路进行电平转换。

      图2. 采用低端开关和高端检测的ECU
      然而，放大器必须具有高共模抑制比，而且必须能够抑制大共模电压（CMV）。本例中分流器的电压值会从电池电压到电池电压加上二极管压降之间变化。其原因解释如下：当开关闭合时分流器的共模电压值仍然保持为低阻抗电池电压。当开关断开时，因为螺线管的电感特性其两端的电压会反向，从而导致共模电压包含箝位的二极管压降——尽管只是瞬态电流流过——在稳定到电池电压之前。

      这种驱动方法的一个重要优点是它可以检测到对地短路，因为高端电流会流过分流器——正如图2所示。
      在采用这种电流检测方法时主要关心的问题是电池的高端总是连接到螺线管。如果存在一种断续的对地短路的话，这可能导致意外的螺线管开关。另外，对螺线管持续施加电压会造成过量腐蚀。

      采用高端开关高端电流检测
      图3示出了一种配置，它将意外的螺线管激活和过量腐蚀的可能性降到最低，其中开关和分流器都接至高压端。当开关断开时，便给螺线管撤除了电池电压，从而防止了潜在的对地短路损害，而且允许回流电流也包括在测量值中。当开关断开时，电池电压从负载上撤除，所以消除了由电压差引起的腐蚀效应。

      图3. 采用低端螺线管和高端开关及检测方法的ECU
      然而，在这种情况下，当开关断开时螺线管两端的反向电压会引起共模电压的大幅度摆动，从电池的高端电压摆动到比地电位还低一个二极管压降的电压（反向电压受箝位二极管的限制）。因此本应用中采用的放大器必须要能够提供分流器电压（或电流）的精确测量值，从而在开关断开时忽略共模电压的大幅度快速摆动。

      当采用低端开关高端检测方案（见图2）时，就可能测量到对地短路，因为来自高端的螺线管电流全部都要通过分流器，如图3所示。
      一种简单的高端电流测量电路
      幸运的是，ADI公司（简称ADI）推出了AD8200单电源差分放大器，具有适合上述应用的全部特性——功能完整的单芯片封装集成电路（IC）。图4示出了AD8200在在ECU这类应用中测量高端电流的一个实例。这里，AD8200用于放大和滤波分流器的小差分电压，同时抑制前面提到的大共模电压摆动。AD8200可用于前面介绍的任何配置中。

      图4. 使用AD8200的ECU，采用低端螺线管和高端开关及检测
      AD8200采用＋5 V单电源供电，输入共模范围从－2 V～＋24 V，在空负载条件下可达到＋44
      V。如果需要更高的共模范围，推荐使用AD8200系列的其它成员——例如，AD8205，其CMV范围为－2 V～＋65
      V，增益为50；或者AD8206，其CMV范围为－2 V～＋65 V，增益为20（与AD8200的增益相同）。

图5. AD8200的功能框图
      图5示出了AD8200内部接线的功能框图。在采用便宜的运算放大器和一些外部电阻器来设计差分放大器之前，要考虑到要足够精确地测量螺线管电流所要求达到的性能以满足控制应用的要求，为此需要用允许误差小于0.01％精确匹配电阻器建立这个电路。AD8200的内部有经过激光微调的电阻器，在同时处理交流（AC）和直流（DC）工作电压时它能满足上述精度要求。它采用SOIC封装，其失调漂移和增益漂移典型值分别为6
      µV/°C和10 ppm/°C。该器件在从DC到10 kHz频率范围内CMR最小值为80 dB。
      AD8200除了采用SOIC封装外，还以管芯（裸片）形式提供。两种封装在很宽的温度范围内都达到规定的技术指标，从而使得AD8200非常适合用于多种汽车和工业平台。SOIC封装在－40
      °C～＋125 °C温度范围内达到规定的技术指标，管芯封装在－40 °C～＋150 °C温度范围内达到规定的技术指标。
      AD8200在前置放大器输出端可外接一只100 kΩ电阻器，它可以用来与外部电容器构成低通滤波器应用，也可以用外部电阻器设置20以外的预置增益。
      附录
      机械变速器控制
      早期控制变速器换档点的方法牵涉到复杂的、与速度有关的液压电路。通过在一个复杂的阀门体中改变液体压力来实现换档。液压通过一个连接到输出轴的调节器来调节。离心力带动调节器，从而排放出变速器油并且增大阀门体中的压力。适应变化驾驶条件的方法通常包括在大的加速度迫使变速器调低速档或者装载机械执行机构。

      当驾驶员需要提高加速度时，这种要求通常通过一种调低速档的机构来传输，包括一条从引擎箱中的油门控制连接到变速器一端的拉杆。此拉杆带动一杠杆，从而封锁油门体中的一系列通道。这就迫使变速器在大加速度条件下调低速档，直到调速器很快地超过调低速档的机构。

      为适应负载的变化采用一个真空调节器来实现。当引擎的负载增大时，真空的变化会使一连杆滑进或滑出阀体，从而改变变速器的换档点和换档速度。虽然上述控制换档点和换档平稳度的方法很有效，但是无法再调整这些参数以适应更多的变化条件，因为受用于控制它们的机械系统的特性所限。