汽车电子系统中典型执行器的特性及其驱动电路课件

致力环保·精心创造汽车电子系统中典型执行器的特性及其驱动电路技术中心电气设计部－谈宏亮2013年03月26日密级：B转向助力电机ABS控制电磁阀、主动悬架/减振控制阀电子门锁控制空调电磁阀车顶顶盖控制电机后灯控制座椅控制电机电子风扇、电子水泵发动机喷油器、油泵智能车灯控制电机刮水器控制电机车窗控制电机车窗加热控制、后视镜控制汽车执行器的作用是将控制器发出的控制信号转化为力或运动，是控制系统中的“手”和“脚”。平均一辆汽车上有多种执行器，如图1所示。由于控制器中单片机的输出信号时小功率的微弱信号（5V、10mA），而执行器的输出功率则要比其大很多，因此在控制器中需要设计一个功率放大电路，成为驱动电路，如图2所示。执行器设计电子、力学、电磁、机械、液体等多个学科，有的高精密的执行器还涉及材料、设计、制造和测试等多领域的综合，代表了一个国家的工业基础和制造能力，也是汽车工业的重要组成部分。图1图2典型负载及其分类汽车中的执行器根据其工作原理，大致可以划分为以下几类：1、各种类型的电磁阀，如汽油机的喷油器、共轨柴油机的喷油器、电控组合泵喷射控制用的高速电磁阀、自动变速器换挡控制用的电磁阀、ABS中控制压力的电磁阀等。2、各种类型的电机，包括发动机起动电机、交流发电机、控制车门车窗的直流电机、控制灯位置角度的步进电机。3、各种类型的继电器，继电器属于电磁式的执行器，典型的继电器包括起动机的继电器、冷却风扇的继电器、车灯控制的继电器。4、各种提示信息用的状态指示灯，例如挡位指示灯、故障报警指示灯、OBDII指示灯等。汽车上大量的执行器属于感性负载，因此感性负载的驱动是汽车控制系统执行器驱动的主要方式，感性负载的控制方法就是ECU控制执行器需要解决的核心问题。典型功率开关器件及其特性目前，在汽车上应用的功率开关元件主要有继电器（relay）、功率二极管（diode）、功率三极管（bipolarjunctiontransistor）、场效应功率晶体管（MOS管）和绝缘栅型三极管（IGBT）等。继电器用在开关速度要求不高、电流要求大的场合，例如车灯控制、起动控制等。三极管用在小型功率驱动场合，具有饱和压降小、电流控制方便等优点；缺点是需要电流控制。MOS管从小功率（W级）到中等功率（1kW级）和高频控制等领域得到了广泛的应用。由于MOS管是采用电压控制，因此有的MOS管直接可以由单片机驱动，而且其内阻低、频率范围大，是汽车上优先选用的功率开关器件。IGBT综合了三极管和MOS管的优点，既可以采用电压信号控制，又可以保证较低的导通功耗，因此在各种大功率（＞5kW）的电机控制器和DCDC变换器中得到了广泛的应用。典型功率开关器件及其特性器件类型符号和控制特性特性曲线基本特点继电器（relay）线圈不通电，双向截止；线圈通电，双向导通；控制线圈和主回路电势独立；导通电阻小，功耗低。开关速度慢二极管（diode）导通正向电流，反向截止；反向电压过高，会反向击穿。作为辅助元件，在续流、反接保护等场合应用广泛三极管（transistor）只能单向工作，iC电流正比于iB的电流。通过iB控制来控制iC（负载）电流。电流控制型，导通压降小场效应功率晶体管（MOS管）通过控制VGS之间的电压，来控制DS之间的导通和关断，电压控制型。导通内阻低，开关速度快。汽车控制系统应用最广。内阻具有正温度系数，可以多个并联使用绝缘栅型晶体管（IGBT）通过控制VGS之间的电压，来控制CE之间的导通和关断，电压控制型。综合了三极管和MOS管的优点。大功率控制领域应用广泛。通常具有负温度系数，一般不能并联使用表1主要功率开关器件的特性和对比典型功率驱动电路为了驱动不同的执行器，需要采用不同形式的驱动电路。驱动电路的种类按照执行器和功率开关器件的不同位置关系，可以分为低边驱动、高边驱动、半桥驱动和全桥驱动4种基本形式。低边驱动：像在电路的接地端加了一个可控开关。低边驱动就是控制这个开关开关。高边驱动：像在电路的电源端加了一个可控开关。低边驱动就是控制这个开关开关。低边驱动比较容易实现，而且电路也比较简单，一般的MOS管加几个电阻、电容即可。高边驱动需要让GS保持一定的压降，以确保稳定、连续的开关，需要一个自举电路。半桥驱动：实际上就是高边驱动和低边驱动的结合，由2个驱动管轮流工作。全桥驱动：由4个驱动管轮流工作，相当于两个半桥组合，控制两个半桥上下两个驱动管一个打开另一个关闭，可以使负载的端线接电源或接地，负载的另外一边半桥正好相反，从而实现负载运行。典型低边驱动电路图3继电器作为功率开关的低边驱动电路图4MOS管作为功率开关的低边驱动电路图5单片机通过MOS管驱动继电器线圈的低边驱动电路图6单片机通过三级管控制负载的低边驱动电路典型低边驱动电路图7低边驱动电路MOS管在导通和关断时的状态典型高边驱动电路典型的高边驱动电路图8采用MOS管图9采用继电器图10采用PMOS管如图8所示，当VGS=12V时，MOS管导通，负载和电源接通，开始工作，此时：VG=VGS+VS≈VGS+Vbat=12V+Vbat所以高边驱动电路中，为了确保MOS管导通，需要在栅极施加比电源电压还要高的驱动电压，由于单片机的电压一般只有5V，因此高边驱动必须要采用专门的浮动栅极的高边驱动器，才能确保MOS管的导通和关断。典型高边驱动电路图11高边驱动电路MOS管在导通和关断时的状态低边驱动VS高边驱动对比方面说明通态电阻NMOS管的通态电阻比PMOS管在同样的条件下要小，为了追求地的通态电阻，在某些高边的驱动应用中，用充电泵加上NMOS来完成PMOS作为高边的应用，付出的代价是加个变高，驱动电路也比LSD复杂采样电路对于HSD的保护，如需电流采样，须用查分的配置才能实现电流采样，对于LSD，采用单端配置就可以，由于采样差分电路成本高于采用单端的成本，所以说LSD比HSD具备成本优势线制的要求现在的汽车的多为负极搭铁，采用HSD给负载供电有一系列的好处，如果负载的一端直接接在底盘的地上，则只需要一根线给负载供电，这就节省了系统的成本失效对系统的影响根据系统的要求，选择合适类型的负载，在汽车负载失效类型中，最安全的方式是让负载中断运行，例如发动机管理的控制单元中，控制油泵的开关就是HSD。表2低边驱动、高边驱动对比LowSideDriveconfigurationHighSideDriveconfiguration2wiresinsystemshorttogroundcandestroyload（负载）Possibleloadcorrosion(connectedtoVSUPPLY)MorerobustwithsimplegroundSimpler,lowerpricedriver1wiresinsystemshorttogroundcannotdestroyloadLoadcorrosionunlikely(connectedtoGND)LessrobustwithdistributedgroundMorecomplex,higherpricedriver低边驱动VS高边驱动表3低边驱动、高边驱动优缺点对比电流采样和功率器件选型电流的测量是驱动电路进行电路控制、功率控制、故障诊断和容错控制非常重要的信号处理，很多执行器的输出功率大小是通过电流控制来实现的，或者说电流反馈是执行器控制的基础。测量电流的方法通常采用采样电阻和霍尔式电流传感器来测量。如果电流比较小，例如50A以下，那么利用采样电阻可以节省空间和成本；如果执行器的电流较大，则需要采用霍尔式电流传感器进行测量。汽车电子控制系统中，大部分执行器电流都在50A以下，因此最常用的方法是采用静谧的采样电阻的测量方法。采样电阻的阻值往往在几毫Ω至几Ω之间，取决于负载电流的大小。负载电流越大，采样电阻的阻值越小，确保其发热量在ECU可以接受的范围内。在选择MOS管时，需要考虑耐压上要有余量。12V的车载电源环境下，至少要30V耐压值；24V的车载电源环境下，至少需要55V的耐压值，这是因为车载电源电压随负载有较大的波动。MOS管的散热能力和封装大小有很大的关系，常见的汽车级MOS管主要为TO-252（D-PAK）、TO-263封装（D2-PAK））等。半桥驱动电路与全桥驱动电路半桥驱动：有两个控制信号来控制执行器的工作状态，可实现更加灵活和更加复杂的控制逻辑，同时，由于两个MOS管控制负载，相当于提高了关断执行器的安全系数，能够应用在安全性能苛刻的场合。例如，有的场合高边采用继电器控制执行器是否通电、低边采用MOS管直接控制执行器的电流或功率，目前，半桥驱动电路的典型应用包括柴油机喷射电磁阀控制、天然气发动机燃气电磁阀控制、缸内直喷汽油机喷射电磁阀控制等。全桥驱动：全桥驱动广泛应用在电机控制中，全桥电路有4只对开关管，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管。由于同一对开关管互锁，因此实际只需要两路驱动独立的控制信号：一路控制电机输出转矩的方向（FWD）；另一路通过脉宽调制（PWM）控制电机相电流的大小，也即是转矩的大小。半桥驱动电路VS全桥驱动电路半桥驱动电路全桥驱动电路1、电路成本低，电路容易形成；1、既能正反转控制，又能调速控制；2、不容易产生泻流。1、只能调速，不能正反控制，用转换开关也可以进行正反转控制，但不能调速；2、振荡转换之间容易泻流电流使波形变坏，产生干扰；1、电路成本高，电路相当复杂；典型半桥驱动电路图13柴油机喷油器驱动电路示意图图12