第3三章 汽车电子控制技术-汽车电子控制执行器及其驱动

1、汽车电子学童亮联系电话：联系电话mail:T北京信息科技大学机电工程学院车辆工程教研室现代汽车电控技术现代汽车电控技术教教 师师 介介 绍绍 童亮童亮 , 博士，副教授博士，副教授 车辆工程教研室车辆工程教研室Address：空调器厂空调器厂20072007Tel：82426913-mail: 现代汽车电控技术现代汽车电控技术收集信息收集信息的传感器的传感器 信息处理器信息处理器(ECU)控制部件控制部件的执行器的执行器输入输入输出输出 汽车电子控制系统执行器汽车电子控制系统执行器现代汽车电控技术现代汽车电控技术发动机管理系统构成发动机管理系

2、统构成现代汽车电控技术现代汽车电控技术EGR 阀排气温度传感器曲轴位置传感器上止点传感器冷却水温度传感器氧传感器爆震传感器油箱燃油虑清器燃油泵节气门体进气温度传感器 高压输油管诊断器 制动助力器压力传感器氧传感器进气歧管绝对压力传感器燃油压力传感器油压调 整器点火线圈喷油嘴其他控制模块实例：本田发动机电控系统实例：本田发动机电控系统现代汽车电控技术现代汽车电控技术汽车电子系统的输出汽车电子系统的输出解决的问题：解决的问题：1 1 了解电子控制系统中执行器的特点；了解电子控制系统中执行器的特点；2 2 掌握高边、低边、半桥和全桥的驱动掌握高边、低边、半桥和全桥的驱动电路的设计和运用场合；电路的设

3、计和运用场合；3 3 学会如何选择合适的学会如何选择合适的MOSFETMOSFET；4 4 掌握电机的驱动方法。掌握电机的驱动方法。5 5 掌握汽车电控系统常用的执行器掌握汽车电控系统常用的执行器现代汽车电控技术现代汽车电控技术汽车上的执行器种类汽车上的执行器种类Secondary power packPower SteeringBack wheel steeringFriction type differentialLevel regulation(automatic)Central locking system Comfort functionsGear box,automaticcool

4、ingVentilationHeatingShock absorbers, active spring suspensionBrake, ABS, ASR,Motor, Hydraulic adjustable camshaft, pneumatic valve control现代汽车电控技术现代汽车电控技术汽车上的执行器种类汽车上的执行器种类Air ConditionerSteering by wire ActuatorMotors ZVSunroof DriveSeat MotorsWater PumpCooler FanElectronic Brake ActuatorsMirror D

5、rivesFuel Injection Valves, System, Fuel Pump,Electrical Valves,Starter,Roll Bar DrivePower window MotorsLight Control SystemsWindshield Wipers现代汽车电控技术现代汽车电控技术控制范围控制范围电气式电气式液压式液压式气压式气压式控制系统控制系统执行器执行器控制系统控制系统执行器执行器控制控制系统系统执行器执行器动力传动控动力传动控制制燃油喷射燃油喷射电磁线圈电磁线圈电动机电动机自动变速器、自动变速器、四轮驱动四轮驱动电磁阀电磁阀电动机电动机巡航巡航控制控

6、制电磁电磁膜片膜片行驶控制行驶控制电动动力转电动动力转向向四轮转向四轮转向电动机电动机制动防抱死制动防抱死动力转向动力转向四轮转向四轮转向悬架悬架电磁阀电磁阀电动机电动机空气空气悬架悬架电磁阀电磁阀车身控制车身控制空调器空调器自动座椅自动座椅自动门锁自动门锁电磁线圈电磁线圈电动机电动机汽车上的执行器种类汽车上的执行器种类现代汽车电控技术现代汽车电控技术汽车上的执行器种类汽车上的执行器种类各种电磁阀：各种电磁阀：汽油机喷油器；汽油机喷油器；ABSABS中的控制压中的控制压力的电磁阀力的电磁阀 感性负载；感性负载；各种电机：各种电机：直流电机，步进电机，交流电机；直流电机，步进电机，交流电机；直线

7、电机（线性电磁铁）直线电机（线性电磁铁） 感性负载；感性负载；各种继电器：各种继电器：启动机、风扇、车灯启动机、风扇、车灯 感性感性负载；负载；状态指示灯：状态指示灯：档位指示、报警指示档位指示、报警指示 电阻电阻负载；负载；现代汽车电控技术现代汽车电控技术功率驱动元件功率驱动元件 感性负载感性负载的驱动是汽车控制系统执行器的主要的驱动是汽车控制系统执行器的主要方式。所以感性负载的控制方法就是本节的核心。方式。所以感性负载的控制方法就是本节的核心。 由于执行器的驱动功率比较大，由于执行器的驱动功率比较大，MCUMCU输出的输出的TTLCMOSTTLCMOS的的(0(05V)5V)的标准信号无法

8、直接和执行器的标准信号无法直接和执行器相连。中间需要一个把功率放大环节。这个环节叫相连。中间需要一个把功率放大环节。这个环节叫驱动电路驱动电路。在。在ECUECU的设计中，驱动电路的设计非常的设计中，驱动电路的设计非常重要。重要。 感性负载感性负载的驱动电路的关键元件包括的驱动电路的关键元件包括继电器继电器（RelayRelay）和和场效应功率晶体管（场效应功率晶体管（MOSFETMOSFET）。现代汽车电控技术现代汽车电控技术功率驱动元件功率驱动元件执行器的驱动举例：执行器的驱动举例：ABSABS系统系统现代汽车电控技术现代汽车电控技术功率驱动元件功率驱动元件现代汽车电控技术现代汽车电控技术

9、继电器的分类继电器的分类按照功率和应用：按照功率和应用： 开关继电器开关继电器: : 控制电压控制电压: 5,12,24V(DC): 5,12,24V(DC) 功率范围功率范围:1kw(AC: 导通导通电压后，漏极和源极中间电压后，漏极和源极中间的电阻为的电阻为0.0420.042欧姆。欧姆。在持续工作的条件下：在持续工作的条件下：DSDS持续导通，最大的电流可持续导通，最大的电流可以达到以达到43A43A。现代汽车电控技术现代汽车电控技术（一）低边驱动（一）低边驱动（Low Side DriverLow Side Driver）DSGq典型电路：如图所示的电路中，典型电路：如图所示的电路中，

10、MOSFET IRF520NMOSFET IRF520N被用来控制感性负载被用来控制感性负载L1L1的导通和关断。由于的导通和关断。由于S S极（源极）接极（源极）接地，因此只要在地，因此只要在G G极（栅极）加上一个极（栅极）加上一个大于大于4V4V、小于、小于15V15V的电压的电压就可使就可使IRF520NIRF520N处于完全处于完全导通状态。导通状态。q问题：问题：D1D1和和D2D2的作用？的作用？现代汽车电控技术现代汽车电控技术（一）低边驱动（一）低边驱动（Low Side DriverLow Side Driver）VGS0，VDVbatVS0；VL10VGS12V，VD0VV

11、S0；VL1Vbat现代汽车电控技术现代汽车电控技术（二）高边驱动（二）高边驱动（High Side DriverHigh Side Driver） 典型电路：典型电路：如如右图所示，注右图所示，注意和低边驱动意和低边驱动的对比图。此的对比图。此时时D D极（漏极）极（漏极）直接结电源，直接结电源，而而S S极（源极）极（源极）接执行器的高接执行器的高端端。现代汽车电控技术现代汽车电控技术（二）高边驱动（二）高边驱动（High Side DriverHigh Side Driver）VGVbat+15v，VDVbat,VSVbat, VL1Vbat现代汽车电控技术现代汽车电控技术（二）高边驱动

12、（二）高边驱动（High Side DriverHigh Side Driver）u通过对比低边和高边驱动可以看出，高通过对比低边和高边驱动可以看出，高边驱动的难度较高，因为栅极和源极之间的边驱动的难度较高，因为栅极和源极之间的电压是变化的。在电压是变化的。在MOSFETMOSFET导通的瞬间，栅极导通的瞬间，栅极电压要从电压要从12V12V迅速上升到迅速上升到VbatVbat15V15V，需要有，需要有专门的专门的自举电路自举电路提升该电压。提升该电压。u这种栅极浮动驱动的技术在很多的执行这种栅极浮动驱动的技术在很多的执行器控制中被用到，也已经形成了专门的高边器控制中被用到，也已经形成了专门

13、的高边驱动接口电路。驱动接口电路。现代汽车电控技术现代汽车电控技术（二）高边驱动（二）高边驱动（High Side DriverHigh Side Driver）&:/HINLIN TTL CMOS电平现代汽车电控技术现代汽车电控技术（三）半桥驱动（三）半桥驱动（Half Bridge DriverHalf Bridge Driver）把高边驱动把高边驱动和和低边驱动结合起低边驱动结合起来，就可以得到来，就可以得到如图所示的半桥如图所示的半桥驱动电路。驱动电路。现代汽车电控技术现代汽车电控技术（四）全桥驱动（四）全桥驱动（Full Bridge DriverFull Bridge Dr

14、iver）现代汽车电控技术现代汽车电控技术（四）全桥驱动（四）全桥驱动（Full Bridge DriverFull Bridge Driver）q带有相电流反馈和保护的全桥电机驱动电路带有相电流反馈和保护的全桥电机驱动电路T1T2T3T4Rs现代汽车电控技术现代汽车电控技术MOSFETMOSFET参数的选择参数的选择耐压值；耐压值；最大电流；最大电流；内阻的大小；内阻的大小；开关速度；开关速度；封装封装/ /散热要求散热要求成本成本国际整流器公司现代汽车电控技术现代汽车电控技术智能驱动器件智能驱动器件Smart MOSFETSmart MOSFET：Multi_High_SideMulti_

15、High_Side；Multi_Low_SideMulti_Low_Side；Multi_HighMulti_High & Low Side & Low Side；Multi_Half_BridgeMulti_Half_Bridge；H-BridgeH-Bridge；现代汽车电控技术现代汽车电控技术智能驱动器件智能驱动器件u集成低边驱动：集成低边驱动： TLE6216TLE6216 TLE6220TLE6220 TLE6224TLE6224u集成高边驱动：集成高边驱动： BTS6144BTS6144u集成半桥集成半桥/ /全桥驱动：全桥驱动： TLE6209TLE6209现代汽

16、车电控技术现代汽车电控技术智能驱动器件智能驱动器件现代汽车电控技术现代汽车电控技术智能驱动器件智能驱动器件现代汽车电控技术现代汽车电控技术u8 8路串联开关系列的特性路串联开关系列的特性 u多个高端和低端驱动，具多个高端和低端驱动，具有诊断功能有诊断功能 u全面的设备保护全面的设备保护 - - 过温保护过温保护 - - 过压和低压保护过压和低压保护 u广泛的运行电压范围（从广泛的运行电压范围（从5V5V到到25V25V以上）以上） u每通道高峰电流高达每通道高峰电流高达2.5 2.5 A A的负载电流能力的负载电流能力 u较低的静止电流和待机电较低的静止电流和待机电流流 u经济高效的经济高效的

17、3232针脚和针脚和5454针针脚脚SOICSOIC封装封装 u在汽车温度范围内（在汽车温度范围内（-40-40至至+125+125）运行）运行 u串行外围设备接口（串行外围设备接口（SPISPI）控制控制 u与与3.3V 3.3V 或或5.0V5.0V微控制器微控制器直接连接直接连接 u提供输入控制和诊断反提供输入控制和诊断反馈馈 u通过通过SPISPI系统菊花链，进系统菊花链，进行可扩展控制行可扩展控制 智能驱动器件智能驱动器件MC33880MC33880现代汽车电控技术现代汽车电控技术智能驱动器件智能驱动器件MC33880MC33880现代汽车电控技术现代汽车电控技术智能驱动器件智能驱动

18、器件更多的智能驱动器件：更多的智能驱动器件：InfineonInfineonFreescaleFreescaleSTSTBOSCHBOSCH现代汽车电控技术现代汽车电控技术MOSFETMOSFET的应用举例的应用举例: :电动进排气门电动进排气门现代汽车电控技术现代汽车电控技术电动进排气门电动进排气门现代汽车电控技术现代汽车电控技术电动进排气门电动进排气门现代汽车电控技术现代汽车电控技术电动进排气门电动进排气门现代汽车电控技术现代汽车电控技术电动进排气门电动进排气门现代汽车电控技术现代汽车电控技术喷油器驱动电路喷油器驱动电路 现代汽车电控技术现代汽车电控技术现代汽车电控技术现代汽车电控技术现代

19、汽车电控技术现代汽车电控技术PWM(PWM(PulsePulse Width Modulation Width Modulation) ) 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电

20、压（平均电压）。 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Ut周期不变现代汽车电控技术现代汽车电控技术PWMPWM的控制原理的控制原理现代汽车电控技术现代汽车电控技术续流二极管续流二极管DFDF的目的在于的目的在于i)i)保护三极管保护三极管ii)ii)释放电机绕组上释放电机绕组上积蓄的能量。积蓄的能量。现代汽车电控技术现代汽车电控技术工作时电枢上电压与三极管上电压的关系为：工作时电枢上电压与三极管上电压的关系为： VccVcc=Vm+Vtr=Vm+Vtr PtrPtr=Vtr=Vtr* *IaIa现代汽车电控技术现代汽车电控技术L297+L298步进电机驱动步进电机驱动图2 步进电机内部的基本结构现代汽车电控技术现代汽车电控技术现代汽