汽車電子控制執(zhí)行器及其驅(qū)動

汽車電子學童亮北京信息科技大學機電工程學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)動機管理系統(tǒng)構(gòu)成控制指令電控單元發(fā)動機數(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)氣門體進氣溫度傳感器高壓輸油管診斷器

制動助力器壓力傳感器氧傳感器進氣歧管絕對壓力傳感器燃油壓力傳感器油壓調(diào)整器點火線圈噴油嘴其他控制模塊實例：本田發(fā)動機電控系統(tǒng)汽車電子系統(tǒng)的輸出解決的問題：1了解電子控制系統(tǒng)中執(zhí)行器的特點；2掌握高邊、低邊、半橋和全橋的驅(qū)動電路的設(shè)計和運用場合；3學會如何選擇合適的MOSFET；4掌握電機的驅(qū)動方法。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)行器動力傳動控制燃油噴射電磁線圈電動機自動變速器、四輪驅(qū)動電磁閥電動機巡航控制電磁膜片行駛控制電動動力轉(zhuǎn)向四輪轉(zhuǎn)向電動機制動防抱死動力轉(zhuǎn)向四輪轉(zhuǎn)向懸架電磁閥電動機空氣懸架電磁閥車身控制空調(diào)器自動座椅自動門鎖電磁線圈電動機汽車上的執(zhí)行器種類汽車上的執(zhí)行器種類各種電磁閥：汽油機噴油器；ABS中的控制壓力的電磁閥－>感性負載；各種電機：直流電機，步進電機，交流電機；直線電機（線性電磁鐵）－>感性負載；各種繼電器：啟動機、風扇、車燈…－>感性負載；狀態(tài)指示燈：檔位指示、報警指示…－>電阻負載；功率驅(qū)動元件

感性負載的驅(qū)動是汽車控制系統(tǒng)執(zhí)行器的主要方式。所以感性負載的控制方法就是本節(jié)的核心。由于執(zhí)行器的驅(qū)動功率比較大，MCU輸出的TTL\CMOS的(0～5V)的標準信號無法直接和執(zhí)行器相連。中間需要一個把功率放大環(huán)節(jié)。這個環(huán)節(jié)叫驅(qū)動電路。在ECU的設(shè)計中，驅(qū)動電路的設(shè)計非常重要。

感性負載的驅(qū)動電路的關(guān)鍵元件包括繼電器（Relay）和場效應(yīng)功率晶體管（MOSFET）。功率驅(qū)動元件執(zhí)行器的驅(qū)動舉例：ABS系統(tǒng)功率驅(qū)動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）

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

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

——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。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)動型

—通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型

—僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。

按照驅(qū)動電路信號的性質(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復合，結(jié)合二者的優(yōu)點MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。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，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導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)動電路簡單、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點。目前，功率MOSFET的指標達到耐壓600V、電流70A、工作頻率100kHz的水平，在開關(guān)電源、辦公設(shè)備、中小功率電機調(diào)速中得到廣泛的應(yīng)用，使功率變換裝置實現(xiàn)高效率和小型化。封裝形式G,D,S舉例：IRF3415S/L參數(shù)說明漏極和源極最大電壓為150V，超過150V時，片內(nèi)的齊納二極管被擊穿，導通電阻很小，若此時電壓降至零，則齊納二極管可以恢復關(guān)斷。在VGS>導通電壓后，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)導通，最大的電流可以達到43A。（一）低邊驅(qū)動（LowSideDriver）DSG典型電路：如圖所示的電路中，MOSFETIRF520N被用來控制感性負載L1的導通和關(guān)斷。由于S極（源極）接地，因此只要在G極（柵極）加上一個大于4V、小于15V的電壓就可使IRF520N處于完全導通狀態(tài)。問題：D1和D2的作用？（一）低邊驅(qū)動（LowSideDriver）VGS＝0，VD＝VbatVS＝0；VL1＝0VGS＝12V，VD＝0VVS＝0；VL1＝Vbat（二）高邊驅(qū)動（HighSideDriver）

典型電路：如右圖所示，注意和低邊驅(qū)動的對比圖。此時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（HighSideDriver）VG＝0v，VD＝VbatVS＝0v，VL1＝0vVG＝Vbat+15v，VD＝Vbat,VS＝Vbat,VL1＝Vbat（二）高邊驅(qū)動（HighSideDriver）通過對比低邊和高邊驅(qū)動可以看出，高邊驅(qū)動的難度較高，因為柵極和源極之間的電壓是變化的。在MOSFET導通的瞬間，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。這種柵極浮動驅(qū)動的技術(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)動接口電路。（二）高邊驅(qū)動（HighSideDriver）（三）半橋驅(qū)動（HalfBridgeDriver）把高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)動結(jié)合起來，就可以得到如圖所示的半橋驅(qū)動電路。（四）全橋驅(qū)動（FullBridgeDriver）（四）全橋驅(qū)動（FullBridgeDriver）帶有相電流反饋和保護的全橋電機驅(qū)動電路T1T2T3T4RsMOSFET參數(shù)的選擇耐壓值；最大電流；內(nèi)阻的大??；開關(guān)速度；封裝/散熱要求成本國際整流器公司智能驅(qū)動器件SmartMOSFET：Multi_High_Side；Multi_Low_Side；Multi_High&LowSide；Multi_Half_Bridge；H-Bridge；智能驅(qū)動器件集成低邊驅(qū)動：

TLE6216

TLE6220

TLE6224集成高邊驅(qū)動：

BTS6144集成半橋/全橋驅(qū)動：

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

-過溫保護

-過壓和低壓保護廣泛的運行電壓范圍（從5V到25V以上）每通道高峰電流高達2.5A的負載電流能力較低的靜止電流和待機電流經(jīng)濟高效的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SPI系統(tǒng)菊花鏈，進行可擴展控制智能驅(qū)動器件－MC33880智能驅(qū)動器件－MC33880智能驅(qū)動器件更多的智能驅(qū)動器件：InfineonFreescaleSTBOSCH……MOSFET的應(yīng)用舉例:電動進排氣門電動進排氣門電動進排氣門電動進排氣門電動進排氣門噴油器驅(qū)動電路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)晶體管導通時間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機獲得脈寬受調(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很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機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)保護三極管ii)釋放電機繞組上積蓄的能量。工作時電樞上電壓與三極管上電壓的關(guān)系為：Vcc=Vm+Vtr

Ptr=Vtr*IaL297+L298步進電機驅(qū)動圖2步進電機內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)低邊驅(qū)動的練習油箱燃油濾清器節(jié)氣門曲軸箱氧傳感器流量計水溫節(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)動的練習DSGVbat=14V,I=3A,MOSFET的型號：