汽車電子控制執(zhí)行器及其驅(qū)動(dòng)

汽車電子學(xué)童亮北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程教研室收集信息的傳感器

信息處理器(ECU)控制部件的執(zhí)行器輸入輸出

汽車電子控制系統(tǒng)執(zhí)行器發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)構(gòu)成控制指令電控單元發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集功能診斷功能診斷傳感器執(zhí)行器EGR閥排氣溫度傳感器曲軸位置傳感器上止點(diǎn)傳感器冷卻水溫度傳感器氧傳感器爆震傳感器油箱燃油慮清器燃油泵節(jié)氣門體進(jìn)氣溫度傳感器高壓輸油管診斷器

制動(dòng)助力器壓力傳感器氧傳感器進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器燃油壓力傳感器油壓調(diào)整器點(diǎn)火線圈噴油嘴其他控制模塊實(shí)例：本田發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)汽車電子系統(tǒng)的輸出解決的問(wèn)題：1了解電子控制系統(tǒng)中執(zhí)行器的特點(diǎn)；2掌握高邊、低邊、半橋和全橋的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和運(yùn)用場(chǎng)合；3學(xué)會(huì)如何選擇合適的MOSFET；4掌握電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法。5掌握汽車電控系統(tǒng)常用的執(zhí)行器汽車上的執(zhí)行器種類流體（液壓和氣動(dòng)執(zhí)行器）SecondarypowerpackPowerSteeringBackwheelsteeringFrictiontypedifferentialLevelregulation(automatic)CentrallockingsystemComfortfunctionsGearbox,automaticcoolingVentilationHeatingShockabsorbers,activespringsuspensionBrake,ABS,ASR,…Motor,Hydraulicadjustablecamshaft,pneumaticvalvecontrol汽車上的執(zhí)行器種類電子執(zhí)行器AirConditionerSteeringbywireActuatorMotorsZVSunroofDriveSeatMotorsWaterPumpCoolerFanElectronicBrakeActuatorsMirrorDrivesFuelInjectionValves,System,FuelPump,ElectricalValves,Starter,…RollBarDrivePowerwindowMotorsLightControlSystemsWindshieldWipers控制范圍電氣式液壓式氣壓式控制系統(tǒng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)執(zhí)行器動(dòng)力傳動(dòng)控制燃油噴射電磁線圈電動(dòng)機(jī)自動(dòng)變速器、四輪驅(qū)動(dòng)電磁閥電動(dòng)機(jī)巡航控制電磁膜片行駛控制電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)制動(dòng)防抱死動(dòng)力轉(zhuǎn)向四輪轉(zhuǎn)向懸架電磁閥電動(dòng)機(jī)空氣懸架電磁閥車身控制空調(diào)器自動(dòng)座椅自動(dòng)門鎖電磁線圈電動(dòng)機(jī)汽車上的執(zhí)行器種類汽車上的執(zhí)行器種類各種電磁閥：汽油機(jī)噴油器；ABS中的控制壓力的電磁閥－>感性負(fù)載；各種電機(jī)：直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，交流電機(jī)；直線電機(jī)（線性電磁鐵）－>感性負(fù)載；各種繼電器：?jiǎn)?dòng)機(jī)、風(fēng)扇、車燈…－>感性負(fù)載；狀態(tài)指示燈：檔位指示、報(bào)警指示…－>電阻負(fù)載；功率驅(qū)動(dòng)元件

感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)是汽車控制系統(tǒng)執(zhí)行器的主要方式。所以感性負(fù)載的控制方法就是本節(jié)的核心。由于執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)功率比較大，MCU輸出的TTL\CMOS的(0～5V)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)無(wú)法直接和執(zhí)行器相連。中間需要一個(gè)把功率放大環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)叫驅(qū)動(dòng)電路。在ECU的設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)非常重要。

感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵元件包括繼電器（Relay）和場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管（MOSFET）。功率驅(qū)動(dòng)元件執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)舉例：ABS系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)元件繼電器的分類按照功率和應(yīng)用：–開關(guān)繼電器:?

控制電壓:5,12,24V(DC)?

功率范圍:<1kw(AC和DC)–輔助接觸器:?

控制電壓:230V(AC)?

功率范圍:10kW/400V(AC和DC)–電機(jī)接觸器:?

控制電壓:230V(AC)?

功率范圍250kW/400V(AC和DC)半控型器件（Thyristor）

——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)

——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：電流驅(qū)動(dòng)型

—通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型

—僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力晶體管（GiantTransistor,GTR）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor,BJT)。電力MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor,IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。MOSFET的結(jié)構(gòu)MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。MOSFET靜態(tài)特性010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/AMOSFET特點(diǎn)MOSFET具有開關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)寬、無(wú)二次擊穿問(wèn)題等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前，功率MOSFET的指標(biāo)達(dá)到耐壓600V、電流70A、工作頻率100kHz的水平，在開關(guān)電源、辦公設(shè)備、中小功率電機(jī)調(diào)速中得到廣泛的應(yīng)用，使功率變換裝置實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。封裝形式G,D,S舉例：IRF3415S/L參數(shù)說(shuō)明漏極和源極最大電壓為150V，超過(guò)150V時(shí)，片內(nèi)的齊納二極管被擊穿，導(dǎo)通電阻很小，若此時(shí)電壓降至零，則齊納二極管可以恢復(fù)關(guān)斷。在VGS>導(dǎo)通電壓后，漏極和源極中間的電阻為0.042歐姆。在持續(xù)工作的條件下：DS持續(xù)導(dǎo)通，最大的電流可以達(dá)到43A。（一）低邊驅(qū)動(dòng)（LowSideDriver）DSG典型電路：如圖所示的電路中，MOSFETIRF520N被用來(lái)控制感性負(fù)載L1的導(dǎo)通和關(guān)斷。由于S極（源極）接地，因此只要在G極（柵極）加上一個(gè)大于4V、小于15V的電壓就可使IRF520N處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。問(wèn)題：D1和D2的作用？（一）低邊驅(qū)動(dòng)（LowSideDriver）VGS＝0，VD＝VbatVS＝0；VL1＝0VGS＝12V，VD＝0VVS＝0；VL1＝Vbat（二）高邊驅(qū)動(dòng)（HighSideDriver）

典型電路：如右圖所示，注意和低邊驅(qū)動(dòng)的對(duì)比圖。此時(shí)D極（漏極）直接結(jié)電源，而S極（源極）接執(zhí)行器的高端。（二）高邊驅(qū)動(dòng)（HighSideDriver）VG＝0v，VD＝VbatVS＝0v，VL1＝0vVG＝Vbat+15v，VD＝Vbat,VS＝Vbat,VL1＝Vbat（二）高邊驅(qū)動(dòng)（HighSideDriver）通過(guò)對(duì)比低邊和高邊驅(qū)動(dòng)可以看出，高邊驅(qū)動(dòng)的難度較高，因?yàn)闁艠O和源極之間的電壓是變化的。在MOSFET導(dǎo)通的瞬間，柵極電壓要從12V迅速上升到Vbat＋15V，需要有專門的自舉電路提升該電壓。這種柵極浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)在很多的執(zhí)行器控制中被用到，也已經(jīng)形成了專門的高邊驅(qū)動(dòng)接口電路。（二）高邊驅(qū)動(dòng)（HighSideDriver）（三）半橋驅(qū)動(dòng)（HalfBridgeDriver）把高邊驅(qū)動(dòng)和低邊驅(qū)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，就可以得到如圖所示的半橋驅(qū)動(dòng)電路。（四）全橋驅(qū)動(dòng)（FullBridgeDriver）（四）全橋驅(qū)動(dòng)（FullBridgeDriver）帶有相電流反饋和保護(hù)的全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路T1T2T3T4RsMOSFET參數(shù)的選擇耐壓值；最大電流；內(nèi)阻的大小；開關(guān)速度；封裝/散熱要求成本國(guó)際整流器公司智能驅(qū)動(dòng)器件SmartMOSFET：Multi_High_Side；Multi_Low_Side；Multi_High&LowSide；Multi_Half_Bridge；H-Bridge；智能驅(qū)動(dòng)器件集成低邊驅(qū)動(dòng)：

TLE6216

TLE6220

TLE6224集成高邊驅(qū)動(dòng)：

BTS6144集成半橋/全橋驅(qū)動(dòng)：

TLE6209智能驅(qū)動(dòng)器件智能驅(qū)動(dòng)器件8路串聯(lián)開關(guān)系列的特性多個(gè)高端和低端驅(qū)動(dòng)，具有診斷功能全面的設(shè)備保護(hù)

-過(guò)溫保護(hù)

-過(guò)壓和低壓保護(hù)廣泛的運(yùn)行電壓范圍（從5V到25V以上）每通道高峰電流高達(dá)2.5A的負(fù)載電流能力較低的靜止電流和待機(jī)電流經(jīng)濟(jì)高效的32針腳和54針腳SOIC封裝在汽車溫度范圍內(nèi)（-40至+125℃）運(yùn)行串行外圍設(shè)備接口（SPI）控制與3.3V或5.0V微控制器直接連接

提供輸入控制和診斷反饋

通過(guò)SPI系統(tǒng)菊花鏈，進(jìn)行可擴(kuò)展控制智能驅(qū)動(dòng)器件－MC33880智能驅(qū)動(dòng)器件－MC33880智能驅(qū)動(dòng)器件更多的智能驅(qū)動(dòng)器件：InfineonFreescaleSTBOSCH……MOSFET的應(yīng)用舉例:電動(dòng)進(jìn)排氣門電動(dòng)進(jìn)排氣門電動(dòng)進(jìn)排氣門電動(dòng)進(jìn)排氣門電動(dòng)進(jìn)排氣門噴油器驅(qū)動(dòng)電路PWM(PulseWidthModulation)

功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來(lái)改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變PWM的控制原理續(xù)流二極管DF的目的在于i)保護(hù)三極管ii)釋放電機(jī)繞組上積蓄的能量。工作時(shí)電樞上電壓與三極管上電壓的關(guān)系為：Vcc=Vm+Vtr

Ptr=Vtr*IaL297+L298步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖2步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)低邊驅(qū)動(dòng)的練習(xí)油箱燃油濾清器節(jié)氣門曲軸箱氧傳感器流量計(jì)水溫節(jié)氣門位置傳感器SENSOR火花塞怠速執(zhí)行器噴油器輸油泵調(diào)壓器ACTUATORECUECU低邊驅(qū)動(dòng)的練習(xí)DSGVbat=14V,I=3A,MOSFET的型號(hào)：