汽车电子控制执行器及其驱动

汽车电子学童亮北京信息科技大学机电工程学院车辆工程教研室收集信息的传感器

信息处理器(ECU)控制部件的执行器输入输出

汽车电子控制系统执行器发动机管理系统构成控制指令电控单元发动机数据采集功能诊断功能诊断传感器执行器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汽车电子系统的输出解决的问题：1了解电子控制系统中执行器的特点；2掌握高边、低边、半桥和全桥的驱动电路的设计和运用场合；3学会如何选择合适的MOSFET；4掌握电机的驱动方法。5掌握汽车电控系统常用的执行器汽车上的执行器种类流体（液压和气动执行器）SecondarypowerpackPowerSteeringBackwheelsteeringFrictiontypedifferentialLevelregulation(automatic)CentrallockingsystemComfortfunctionsGearbox,automaticcoolingVentilationHeatingShockabsorbers,activespringsuspensionBrake,ABS,ASR,…Motor,Hydraulicadjustablecamshaft,pneumaticvalvecontrol汽车上的执行器种类电子执行器AirConditionerSteeringbywireActuatorMotorsZVSunroofDriveSeatMotorsWaterPumpCoolerFanElectronicBrakeActuatorsMirrorDrivesFuelInjectionValves,System,FuelPump,ElectricalValves,Starter,…RollBarDrivePowerwindowMotorsLightControlSystemsWindshieldWipers控制范围电气式液压式气压式控制系统执行器控制系统执行器控制系统执行器动力传动控制燃油喷射电磁线圈电动机自动变速器、四轮驱动电磁阀电动机巡航控制电磁膜片行驶控制电动动力转向四轮转向电动机制动防抱死动力转向四轮转向悬架电磁阀电动机空气悬架电磁阀车身控制空调器自动座椅自动门锁电磁线圈电动机汽车上的执行器种类汽车上的执行器种类各种电磁阀：汽油机喷油器；ABS中的控制压力的电磁阀－>感性负载；各种电机：直流电机，步进电机，交流电机；直线电机（线性电磁铁）－>感性负载；各种继电器：启动机、风扇、车灯…－>感性负载；状态指示灯：档位指示、报警指示…－>电阻负载；功率驱动元件

感性负载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。由于执行器的驱动功率比较大，MCU输出的TTL\CMOS的(0～5V)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。这个环节叫驱动电路。在ECU的设计中，驱动电路的设计非常重要。

感性负载的驱动电路的关键元件包括继电器（Relay）和场效应功率晶体管（MOSFET）。功率驱动元件执行器的驱动举例：ABS系统功率驱动元件继电器的分类按照功率和应用：–开关继电器:•

控制电压:5,12,24V(DC)•

功率范围:<1kw(AC和DC)–辅助接触器:•

控制电压:230V(AC)•

功率范围:10kW/400V(AC和DC)–电机接触器:•

控制电压:230V(AC)•

功率范围250kW/400V(AC和DC)半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)

——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电流驱动型

—通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型

—仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

按照驱动电路信号的性质，分为两类：常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块门极可关断晶闸管（GTO）电力晶体管（GiantTransistor,GTR）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor,BJT)。电力MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor,IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。MOSFET的结构MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。MOSFET静态特性010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/AMOSFET特点MOSFET具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。目前，功率MOSFET的指标达到耐压600V、电流70A、工作频率100kHz的水平，在开关电源、办公设备、中小功率电机调速中得到广泛的应用，使功率变换装置实现高效率和小型化。封装形式G,D,S举例：IRF3415S/L参数说明漏极和源极最大电压为150V，超过150V时，片内的齐纳二极管被击穿，导通电阻很小，若此时电压降至零，则齐纳二极管可以恢复关断。在VGS>导通电压后，漏极和源极中间的电阻为0.042欧姆。在持续工作的条件下：DS持续导通，最大的电流可以达到43A。（一）低边驱动（LowSideDriver）DSG典型电路：如图所示的电路中，MOSFETIRF520N被用来控制感性负载L1的导通和关断。由于S极（源极）接地，因此只要在G极（栅极）加上一个大于4V、小于15V的电压就可使IRF520N处于完全导通状态。问题：D1和D2的作用？（一）低边驱动（LowSideDriver）VGS＝0，VD＝VbatVS＝0；VL1＝0VGS＝12V，VD＝0VVS＝0；VL1＝Vbat（二）高边驱动（HighSideDriver）

典型电路：如右图所示，注意和低边驱动的对比图。此时D极（漏极）直接结电源，而S极（源极）接执行器的高端。（二）高边驱动（HighSideDriver）VG＝0v，VD＝VbatVS＝0v，VL1＝0vVG＝Vbat+15v，VD＝Vbat,VS＝Vbat,VL1＝Vbat（二）高边驱动（HighSideDriver）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电压是变化的。在MOSFET导通的瞬间，栅极电压要从12V迅速上升到Vbat＋15V，需要有专门的自举电路提升该电压。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驱动接口电路。（二）高边驱动（HighSideDriver）（三）半桥驱动（HalfBridgeDriver）把高边驱动和低边驱动结合起来，就可以得到如图所示的半桥驱动电路。（四）全桥驱动（FullBridgeDriver）（四）全桥驱动（FullBridgeDriver）带有相电流反馈和保护的全桥电机驱动电路T1T2T3T4RsMOSFET参数的选择耐压值；最大电流；内阻的大小；开关速度；封装/散热要求成本国际整流器公司智能驱动器件SmartMOSFET：Multi_High_Side；Multi_Low_Side；Multi_High&LowSide；Multi_Half_Bridge；H-Bridge；智能驱动器件集成低边驱动：

TLE6216

TLE6220

TLE6224集成高边驱动：

BTS6144集成半桥/全桥驱动：

TLE6209智能驱动器件智能驱动器件8路串联开关系列的特性多个高端和低端驱动，具有诊断功能全面的设备保护

-过温保护

-过压和低压保护广泛的运行电压范围（从5V到25V以上）每通道高峰电流高达2.5A的负载电流能力较低的静止电流和待机电流经济高效的32针脚和54针脚SOIC封装在汽车温度范围内（-40至+125℃）运行串行外围设备接口（SPI）控制与3.3V或5.0V微控制器直接连接

提供输入控制和诊断反馈

通过SPI系统菊花链，进行可扩展控制智能驱动器件－MC33880智能驱动器件－MC33880智能驱动器件更多的智能驱动器件：InfineonFreescaleSTBOSCH……MOSFET的应用举例:电动进排气门电动进排气门电动进排气门电动进排气门电动进排气门喷油器驱动电路PWM(PulseWidthModulation)

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）。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Uωt周期不变PWM的控制原理续流二极管DF的目的在于i)保护三极管ii)释放电机绕组上积蓄的能量。工作时电枢上电压与三极管上电压的关系为：Vcc=Vm+Vtr

Ptr=Vtr*IaL297+L298步进电机驱动图2步进电机内部的基本结构低边驱动的练习油箱燃油滤清器节气门曲轴箱氧传感器流量计水温节气门位置传感器SENSOR火花塞怠速执行器喷油器输油泵调压器ACTUATORECUECU低边驱动的练习DSGVbat=14V,I=3A,MOSFET的型号：