電磁閥電流閉環(huán)控制系統(tǒng)介紹

隨著汽車電氣自動(dòng)化控制的發(fā)展，電磁閥的應(yīng)用數(shù)量和種類越來越多，對(duì)電磁閥控制精度要求也越來越高。電磁閥控制精度會(huì)影響離合器的控制精度，而離合器控制精度的好壞直接關(guān)系到汽車的操作性能及用戶體驗(yàn)。所以，提升電磁閥控制的精度是硬件設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一。

電磁閥控制簡(jiǎn)介

電磁閥在汽車電子控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，是變速器控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的執(zhí)行單元，它通過接收來自電子控制單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速的閥芯運(yùn)動(dòng)。電磁閥依靠通電螺線管產(chǎn)生磁力改變閥孔啟閉狀態(tài)，進(jìn)而改變壓力或流量，其物理結(jié)構(gòu)如圖1（1）所示，電路設(shè)計(jì)中一般將電磁閥看成是電阻和電感串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化電路模型如圖1（2）所示。

(1) 電磁閥物理結(jié)構(gòu)

(2) 電磁閥簡(jiǎn)化電路模型

圖1 電磁閥物理結(jié)構(gòu)及等效電路模型

常見的電磁閥控制分為ON/OFF控制、PWM（脈沖寬度調(diào)制）開環(huán)控制和PWM閉環(huán)控制三種。前兩種控制簡(jiǎn)單、且要求較低，PWM閉環(huán)控制可滿足電磁閥高電流精度控制的要求。電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，輸入給定電流，與采樣回來的電流做差值，然后對(duì)差值進(jìn)行PI（比例積分）調(diào)節(jié)，調(diào)制出新的PWM占空比，以形成恒定電流來驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，這便是電磁閥電流閉環(huán)控制的原理。電磁閥根據(jù)流經(jīng)螺線管的電流產(chǎn)生的電磁力來控制閥孔的大小，從而建立相應(yīng)的壓力，進(jìn)而調(diào)整閥孔的大小來改變流量。

圖2 電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)

硬件解決方案

電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件解決方案簡(jiǎn)圖如圖3所示，這個(gè)簡(jiǎn)圖主要由微控制器芯片（uController）、電磁閥預(yù)驅(qū)模塊（Solenoid Pre-Driver IC）、MOSFET和外圍電路組成。該方案中電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片電流測(cè)量范圍0~3A，電流設(shè)置分辨率為0.125mA/bit，電流控制精度1%以內(nèi)，具有第二條電流反饋路徑。內(nèi)部集成采樣電阻和運(yùn)算放大器，具有20Mhz的HSPI接口（兼容SPI接口），電磁閥預(yù)驅(qū)芯片與微控制器通過SPI通訊來獲得相應(yīng)的命令，同時(shí)向微控制器反饋輸出電流、電壓、溫度和故障等，該芯片具有很全面的安全冗余設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)ISO26262等級(jí)中ASIL D的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖3 電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件解決方案

當(dāng)電磁閥預(yù)驅(qū)芯片收到電流設(shè)定值指令后開始執(zhí)行電流閉環(huán)調(diào)節(jié)工作，反饋是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的基礎(chǔ)，系統(tǒng)將采樣的電流反饋給預(yù)驅(qū)芯片，預(yù)驅(qū)芯片將設(shè)定值與反饋值做差，通過在PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出相應(yīng)占空比的PWM。如果設(shè)定值與反饋值的差值為正，輸出PWM占空比會(huì)變大，輸出電流會(huì)增加；如果設(shè)定值與反饋值的差值為負(fù)，輸出PWM占空比會(huì)減小，輸出電流會(huì)降低。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定控制輸出。

為了保證車輛具備較好的駕駛舒適性，變速箱控制系統(tǒng)對(duì)離合器的控制要求比較高。離合器的精確控制有賴于對(duì)電磁閥的精確控制，以保證離合器在所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)中具有良好的連續(xù)可控制性能。所以，電磁閥驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中電流的控制精度很重要。在硬件設(shè)計(jì)中，聯(lián)合電子會(huì)在三個(gè)層面去提升電流的控制精度。

選用高精度的電磁閥預(yù)驅(qū)芯片

反饋環(huán)路中采樣電流的器件是采樣電阻（shunt），隨后運(yùn)算放大器將采樣得到的電壓進(jìn)一步放大，選型時(shí)對(duì)兩個(gè)器件的精度要求都很高。為了追求更高的采樣精度，各大芯片供應(yīng)商的最新產(chǎn)品已經(jīng)將采樣電阻和運(yùn)算放大器集成在了芯片內(nèi)部，這樣可以在芯片級(jí)做一些自標(biāo)定工作，以校準(zhǔn)采樣電阻和運(yùn)算放大器本身帶來的誤差。

精心設(shè)計(jì)電路

在保證閉環(huán)反饋的檢測(cè)精度后，還需保證前向通道電流的穩(wěn)定輸出，以實(shí)現(xiàn)電磁閥的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。前向通道硬件電路的執(zhí)行器件是MOSFET和續(xù)流二極管，通過對(duì)該部分電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少對(duì)電流精度控制的影響。

在TCU（變速箱控制器）系統(tǒng)層面的精度提升

前兩步基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)環(huán)路的精度最優(yōu)化設(shè)計(jì)，但由于芯片會(huì)存在散差，且芯片工作時(shí)受溫度影響比較大。為了進(jìn)一步提高TCU的電流控制精度，首先必須降低芯片本身的固有偏差，同時(shí)分析芯片受溫度影響的精度變化，為此聯(lián)合電子還會(huì)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行一次TCU級(jí)的電流精度標(biāo)定，來進(jìn)一步提升電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度。

總結(jié)

電磁閥電流閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，閉環(huán)控制只是實(shí)現(xiàn)高精度控制的基本原理，為了實(shí)現(xiàn)更高精度的控制，聯(lián)合電子從三個(gè)層面對(duì)電流控制的精度進(jìn)行了提升：通過芯片的自標(biāo)定從芯片層面上完成了反饋路徑上的精度提升，通過電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)從電路層面完成了驅(qū)動(dòng)路徑上的精度提升，通過對(duì)TCU的電流精度補(bǔ)償從TCU層面上完成了系統(tǒng)上的精度提升。提升電磁閥控制的精度是硬件設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，未來的電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)更加“精益求精”。