CN112162513B - 一种多通道电磁阀驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道电磁阀驱动装置及方法，涉及一种电磁阀控制装置。它解决了现有技术中多通道电磁阀驱动的问题。本多通道电磁阀驱动装置及方法，包括对应每个通道的通道驱动模块，所述通道驱动模块包括开环PWM直接驱动和闭环恒流驱动两种驱动模式，通过外部选择开关切换这两种驱动模式，所述通道驱动模块包括功率半桥电路、电流采样电路、模拟比例积分误差放大器。本发明解决了多路电磁阀同步动作的问题，且每通道的PWM占空比，恒流激励和工作时间均为ECU内部实时计算产生，实现了电磁阀在同步动作前提下各通道均可电压和电流任意连续控制变化的问题。通过模式选择引脚切换PWM和恒流激励模式。

Description

一种多通道电磁阀驱动装置及方法

技术领域

本发明属于电磁阀控制技术领域，特别是一种多通道电磁阀驱动装置及方法。

背景技术

多通道电磁阀，即内部具有多通道电磁线圈的电磁阀，例如汽车的ABS电磁阀，通过控制通道的电磁线圈调整通道的输出气压，在对这样的ABS电磁阀进行整体工作性能测试时，需要多路电磁阀工作在开关PWM模式和线性电流激励两种测试模式，即：

1.在通过PWM占空比直接开环调节线圈上的电压驱动方式；

2.闭环的线性恒流驱动模式，且闭环下电流的响应速度较高，电流上升时间不大于100us。

在工作模式下，多路电磁阀需要同步的刷新每个通道的电压或者恒流值，实时刷新速度100us，用于快速的调节输出的气压响应。经搜集查阅，发现现有的可编程直流电源无法满足任务需求，主要原因如下：

现有产品没有开环PWM直接驱动方式，只有常规的恒压输出和恒流输出模式；

现有产品不能高速同步实时的刷新多通道电流/电压输出值；

现有产品通道数极少，且不能任意可编程插值电流值；

现有产品电流响应速度极慢，受通信控制方式影响较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种多通道电磁阀驱动装置及方法，本多通道电磁阀驱动装置及方法具有开环PWM直接驱动和闭环恒流驱动两种驱动模式。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现： 一种多通道电磁阀驱动装置及方法，包括对应每个通道的通道驱动模块，所述通道驱动模块包括开环PWM直接驱动和闭环恒流驱动两种驱动模式。

在某些实施方式中，通过外部选择开关切换这两种驱动模式。

在某些实施方式中，所述通道驱动模块包括功率半桥电路、电流采样电路、模拟比例积分误差放大器，所述模拟比例积分误差放大器将电流采样电路的测量值与设定的恒流值进行比较，比较后的差值作为功率半桥电路的输入，功率半桥电路的输出驱动通道的电磁线圈; 电流采集采用高边采集方式。

在某些实施方式中，模拟比例积分误差放大器由模拟运放和高速比较器构成，模拟运放的输入为电流采样电路的测量值与设定的恒流值，模拟运放的输出与三角波发生器的输出作为高速比较器的输入，高速比较器的输出作为功率半桥电路的输入。

在某些实施方式中，高速比较器的输出通过选择开关与功率半桥电路的输入连接，外部PWM输出与选择开关另一输入连接。

在某些实施方式中，所述电流采样电路包括与通道电磁线圈串联的采样电阻及差分运放检测电流电路。

在某些实施方式中，还包括检测通道电磁线圈的串联分压采样电路。

在某些实施方式中，还包括控制单元MCU，控制单元MCU和上位机通信采用CAN总线接口，控制单元MCU为通道驱动模块提供直接数字PWM信号和恒流激励模式的模拟电压。

在某些实施方式中，控制单元MCU为PIC32MK1024MCF064微控制器控制模块。

一种多通道电磁阀驱动方法，控制单元MCU先接收上位机通过CAN总线发来的各个通道的工作参数时间序列，存储在控制器本地数据存储器中，然后接收上位机启动测试指令；然后控制单元MCU工作在高速的定时中断工作模式，在定时中断中实时插值计算每一个通道当前的PWM占空比值或电流设定值，并同步的刷新输出；每次定时中断进入中断响应程序中则实时计算插值各个通道的输出值，然后同步刷新输出。

与现有技术相比，本多通道电磁阀驱动装置及方法具有以下优点：

本发明解决了多路电磁阀同步动作的问题，且每通道的PWM占空比，恒流激励和工作时间均为ECU内部实时计算产生，实现了电磁阀在同步动作前提下各通道均可电压和电流任意连续控制变化的问题。通过模式选择引脚切换PWM和恒流激励模式。

实现多通道同步更新，每通道通过线性插值算法，实时计算当前开环占空比和电流设定值，并刷新输出。

附图说明

在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1是装置的原理模块结构示意图；

图2是控制单元MCU核心硬件组成的示意图；

图3是通道驱动模块结构原理示意图；

图4是半桥驱动电路原理示意图；

图5是电流采集电路原理示意图；

图6是模拟比例积分误差放大器电路原理示意图。

图7是模式选择电路原理示意图；

图8是通道输出时序示例图。

图9是缓冲区内数组存储格式示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例，以下实施方式并不限制权利要求书所涉及的发明。此外，实施方式中说明的特征的所有组合未必是发明的解决方案所必须的。

本领域的普通技术人员应理解，所有的定向参考(例如，上方、下方、向上、上、向下、下、顶部、底部、左、右、垂直、水平等)描述性地用于附图以有助于读者理解，且不表示(例如，对位置、方位或用途等)对由所附权利要求书限定的本发明的范围的限制。另外，术语“基本上”可以是指条件、量、值或尺寸等的轻微不精确或轻微偏差，其中的一些在制造偏差或容限范围内。

实施例一

如图所示，一种多通道电磁阀驱动装置及方法，本装置目标是针对1-16通道的电磁阀进行驱动和试验，每个通道需要能独立工作在开环PWM直接驱动和闭环恒流驱动模式。因此，单独设计的通道驱动板需要能根据外部开关选择切换这两种工作模式。

该装置的原理模块结构如图1所示

内部主要组成单元包括嵌入式控制单元MCU，独立的1-16通道可配置的通道驱动模块。控制单元MCU采用CAN总线和上位机通信，传输指令和控制参数。市场目前大多应用的MCU单片机都不具备16路同步PWM输出能力，因此此处选择的是国内市场并不多见的Microchip公司的32位电机控制器系列的PIC32MK1024MCF064微控制器。该MCU内部有单一时钟脉冲发生器驱动的16通道PWM发生器，具有6路SPI口和4路CAN口，是本项目需求的最优选择。

控制单元MCU核心硬件组成如图2所示

控制单元MCU输出量包括16路模拟电压输出，16通道PWM信号输出和16通道开关量输出。

其中，模拟电压用于设定电磁阀恒流模式下的电流设定值，PWM信号是由单片机内部专用PWM通道直接产生，任意占空比和频率调节，完全同步输出，开关量输出则切换PWM方式或者线性恒流方式。

模拟电压产生采用ADI公司的AD5668 DAC芯片，该芯片是16位8通道电压模式DAC，采用2片组成16路模拟通道。

MCP23S08是SPI接口的8路并行总线扩展芯片，采用2片组成了16通道SEL模式选择信号输出。

通道驱动模块结构原理如图3所示

主要包括半桥驱动电路、电流采集电路、模拟比例积分误差放大器、模式选择电路、R1,R2构成的串联分压采样电路。串联分压采样电路检测通道电磁线圈的电压。

半桥驱动电路原理如4图所示

驱动模块是由LM5106芯片驱动的功率半桥，核心采用是由LM5106半桥驱动器IC和高低边功率NMOS构成的驱动半桥。

采用TI公司的LM5106信号设计的功率半桥，优势是LM5106自带硬件死区设置，通过R4电阻调节，免去外部死区设置电路，此外，多数半桥驱动芯片都需要两路互补PWM信号输入才能工作，增加了外部电路复杂度。而LM5106只需要一路PWM输入即可工作。

电流采集电路原理如5图所示

由INA240和精密采样电阻Rs构成的电流采集放大电路，

电磁线圈是感性负载电路，电流采集采用高边采集方式才能取得最佳的抗共模干扰的效果，采集精度远远高于底边采集方式，但需要选择宽带高抗共模抑制比的专用高边电流测量运放才可以。该类芯片型号种类很多，此处选择的是TI公司的INA240，主要原因是共模耐压范围宽：-4V~+80V，带宽很高，-3dB频宽800kHz，远高于多数其他同类运放，特别适合高响应速度的硬件闭环电流调节电路。

模拟比例积分误差放大器电路原理如图6所示

测试中需要能将电磁线圈工作在恒流激励模式，且电路调节速度极快，响应时间100us以内。常规由单片机或FPGA实现的数字PWM方式目前满足要求，只能依赖模拟式比例调节电路。

故此处采用了由宽带运放和高速比较器组成的模拟式PWM产生电路。

图中A3是宽带运放OPA2365，带宽50MHz。OPA2365内部有两路运放A和B。A3A用于模拟三角波发生器。此处选择宽带运放目的是可以产生稳定的高频三角波信号，三角波的频率由Rt和Ct的参数决定，改变Radj值用来调节三角波的峰峰值幅度。

A3B和Rd,Cp和Rf1等构成了模拟比例积分误差放大器。放大器的输入是设定电压和实际电流反馈采样值的偏差，通过比例积分电路使输出电压的反馈达到消除输入偏差的作用，输出电压则和模拟三角波信号在高速比较器TLV3502输入端比较，实现自动调节占空比的PWM输出给功率半桥。

模式选择电路原理如图7所示

如图所示，通过一个2选1的高速模拟切换开关来切换开环PWM方式或闭环恒流方式。PWM输入1是内部比例积分放大器产生的模拟PWM信号，PWM输入2则是由单片机产生的开环数字PWM信号。SEL信号是数字量选择信号。TS5A3159是TI公司的一款低成本较高速的模拟开关芯片。

本装置驱动方法的工作流程是：

先接收上位机通过CAN总线发来的各个通道的工作参数时间序列，存储在控制器本地数据存储器SRAM中，然后接收上位机启动测试指令。然后MCU工作在高速的定时中断工作模式，在定时中断中实时插值计算每一个通道当前的PWM占空比值或电流设定值，并同步的刷新输出。

每个通道都可以任意可编程设定为PWM开环方式和闭环电路模式。

如图8所示，纵轴数值可表示当前PWM占空比duty或者设定的输出电流值I。设定值输出可能在时间轴上任意时刻开始，并不一定都是从0时刻同步开始，每个通道的设定值可以是任何曲线轨迹变化或者阶跃信号变化。因此在嵌入式控制软件编程上只能采用高速的定时中断实时插值计算刷新输出。定时中断的时间间隔越短，曲线轨迹的时间分辨率也越高，但这受到MCU的计算速度和DAC芯片的刷新速度限制。图中横轴的时间由内部定时器中断时间计数器变量来表示，每次定时中断进入中断响应程序中则实时计算插值各个通道的输出值，然后同步刷新输出。本装置设计中由PIC32MK1024MCF064微控制器实现的方案，保证的16通道计算和同步刷新时间间隔是100us。

各通道的工作测试参数则是在内存中开辟的缓存数组来保存。以图为例，假设ch1是DAC模拟电压调节的电流模式，ch2是开关PWM方式，则缓冲区内部存储格式如图所示。

通道插值算法采用2点直线插补算法，以ch1的t2-t4时间段上电流设定值I2-I3段中间某时刻点td为例，插值计算公式如下式表示：

。

尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。说明书及附图中所示的装置及方法中的动作、步骤等执行顺序，只要没有特别明示顺序的限定，只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以任意顺序实现。为描述方便起见而使用“首先”、“接着”等的说明，并不意味着必须依照这样的顺序实施。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种多通道电磁阀驱动装置，包括对应每个通道的通道驱动模块，其特征在于，所述通道驱动模块包括开环PWM直接驱动和闭环恒流驱动两种驱动模式；

所述通道驱动模块包括功率半桥电路、电流采样电路、模拟比例积分误差放大器，所述模拟比例积分误差放大器将电流采样电路的测量值与设定的恒流值进行比较，比较后的差值作为功率半桥电路的输入，功率半桥电路的输出驱动通道的电磁线圈; 电流采集采用高边采集方式。

2.根据权利要求1所述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，通过外部选择开关切换这两种驱动模式。

3.根据权利要求1述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，模拟比例积分误差放大器由模拟运放和高速比较器构成，模拟运放的输入为电流采样电路的测量值与设定的恒流值，模拟运放的输出与三角波发生器的输出作为高速比较器的输入，高速比较器的输出作为功率半桥电路的输入。

4.根据权利要求3述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，高速比较器的输出通过选择开关与功率半桥电路的输入连接，外部PWM输出与选择开关另一输入连接。

5.根据权利要求3述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，所述电流采样电路包括与通道电磁线圈串联的采样电阻及差分运放检测电流电路。

6.根据权利要求1述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，还包括检测通道电磁线圈的串联分压采样电路。

7.根据权利要求1述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，还包括控制单元MCU，控制单元MCU和上位机通信采用CAN总线接口，控制单元MCU为通道驱动模块提供直接数字PWM信号和恒流激励模式的模拟电压。

8.根据权利要求7述的多通道电磁阀驱动装置，其特征在于，控制单元MCU为PIC32MK1024MCF064微控制器控制模块。

Images