電磁閥電流閉環(huán)控制系統(tǒng)介紹

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

電磁閥控制簡介

電磁閥在汽車電子控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用，是變速器控制系統(tǒng)中關鍵的執(zhí)行單元，它通過接收來自電子控制單元的驅動信號實現(xiàn)快速的閥芯運動。電磁閥依靠通電螺線管產(chǎn)生磁力改變閥孔啟閉狀態(tài)，進而改變壓力或流量，其物理結構如圖1（1）所示，電路設計中一般將電磁閥看成是電阻和電感串聯(lián)的電路結構，對應的簡化電路模型如圖1（2）所示。

(1) 電磁閥物理結構

(2) 電磁閥簡化電路模型

圖1 電磁閥物理結構及等效電路模型

常見的電磁閥控制分為ON/OFF控制、PWM（脈沖寬度調制）開環(huán)控制和PWM閉環(huán)控制三種。前兩種控制簡單、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，然后對差值進行PI（比例積分）調節(jié)，調制出新的PWM占空比，以形成恒定電流來驅動電磁閥工作，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，從而建立相應的壓力，進而調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)的硬件解決方案簡圖如圖3所示，這個簡圖主要由微控制器芯片（uController）、電磁閥預驅模塊（Solenoid Pre-Driver IC）、MOSFET和外圍電路組成。該方案中電磁閥驅動芯片電流測量范圍0~3A，電流設置分辨率為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算放大器，具有20Mhz的HSPI接口（兼容SPI接口），電磁閥預驅芯片與微控制器通過SPI通訊來獲得相應的命令，同時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計，可以實現(xiàn)ISO26262等級中ASIL D的系統(tǒng)設計。

圖3 電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件解決方案

當電磁閥預驅芯片收到電流設定值指令后開始執(zhí)行電流閉環(huán)調節(jié)工作，反饋是實現(xiàn)閉環(huán)控制的基礎，系統(tǒng)將采樣的電流反饋給預驅芯片，預驅芯片將設定值與反饋值做差，通過在PI控制器進行調節(jié)，輸出相應占空比的PWM。如果設定值與反饋值的差值為正，輸出PWM占空比會變大，輸出電流會增加；如果設定值與反饋值的差值為負，輸出PWM占空比會減小，輸出電流會降低。如此反復調節(jié)，實現(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)對離合器的控制要求比較高。離合器的精確控制有賴于對電磁閥的精確控制，以保證離合器在所設計液壓系統(tǒng)中具有良好的連續(xù)可控制性能。所以，電磁閥驅動設計中電流的控制精度很重要。在硬件設計中，聯(lián)合電子會在三個層面去提升電流的控制精度。

選用高精度的電磁閥預驅芯片

反饋環(huán)路中采樣電流的器件是采樣電阻（shunt），隨后運算放大器將采樣得到的電壓進一步放大，選型時對兩個器件的精度要求都很高。為了追求更高的采樣精度，各大芯片供應商的最新產(chǎn)品已經(jīng)將采樣電阻和運算放大器集成在了芯片內(nèi)部，這樣可以在芯片級做一些自標定工作，以校準采樣電阻和運算放大器本身帶來的誤差。

精心設計電路

在保證閉環(huán)反饋的檢測精度后，還需保證前向通道電流的穩(wěn)定輸出，以實現(xiàn)電磁閥的穩(wěn)定驅動。前向通道硬件電路的執(zhí)行器件是MOSFET和續(xù)流二極管，通過對該部分電路進行優(yōu)化設計，以減少對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

前兩步基本實現(xiàn)了整個環(huán)路的精度最優(yōu)化設計，但由于芯片會存在散差，且芯片工作時受溫度影響比較大。為了進一步提高TCU的電流控制精度，首先必須降低芯片本身的固有偏差，同時分析芯片受溫度影響的精度變化，為此聯(lián)合電子還會對電磁閥驅動系統(tǒng)進行一次TCU級的電流精度標定，來進一步提升電磁閥閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度。

總結

電磁閥電流閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件設計中，閉環(huán)控制只是實現(xiàn)高精度控制的基本原理，為了實現(xiàn)更高精度的控制，聯(lián)合電子從三個層面對電流控制的精度進行了提升：通過芯片的自標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)化設計從電路層面完成了驅動路徑上的精度提升，通過對TCU的電流精度補償從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計的重要目標，未來的電磁閥驅動系統(tǒng)會更加“精益求精”。