基于ST汽车级电磁阀驱动专用芯片L9305探讨电磁阀电流纹波的估算要领
2026-07-07 14:59
基于ST汽车级电磁阀驱动专用芯片L9305探讨电磁阀电流纹波的估算要领
一、配景
磁阀在汽车底盘系统中饰演着至关主要的执行器角色,尤其在一连阻尼控制(CDC)悬架中,它直接决议了车辆的操控性与恬静性。CDC悬架通过电磁阀调理减振器内部油液通道的截面积,从而改变阻尼力,凭证车身加速率、车轮跳动等传感器信号,盘算出所需的阻尼力,然后输出PWM信号驱动电磁阀。通过控制电流巨细,准确控制阀芯位移,实现对阻尼的一连、快速调理,以顺应差别路况。
针对此类高精度、高清静性的驱动需求,意法半导体(ST)推出了L9305汽车级电磁阀驱动芯片。这是一款可设置的单片式四通道驱动器,专为自动悬架、自动变速器等线性电磁阀控制而设计。L9305拥有四个自力阀驱通道,电流设定区分率最准确可达0.25mA。芯片内部集成半桥、冗余电流检测路径,无需外部采样电阻即可实现高精度闭环控制。内置的可编程颤抖(Dither)功效,能有用改善电磁阀的响应线性度与滞环特征。在功效清静方面,支持系统级ASIL-D标准,配备受CRC�;さ腟PI通讯接口、冗余清静关断路径及周全的诊断机制,为底盘要害执行器的可靠运行提供了坚实包管。

图1-1 ST推荐包括L9305阀驱的CDC解决计划

二、L9305驱动电磁阀的原理
L9305使用半桥拓扑来控制电磁阀电流,其由驱动MOS管和续流MOS管组成,并可以设置为高边驱动模式或低边驱动模式。两种电路拓扑示意如图2-1所示:

图2-1 L9305低边设置模式与高边设置模式电路拓扑
基于这两种半桥驱动拓扑,L9305可以通过调理PWM占空比来控制电流的巨细。在硬件闭环控制模式下,内置的崎岖侧电撒播感器能够丈量PWM周期内的实时电流,作为闭环反响控制的依据。L9305可通过SPI设置寄存器来设定目的电流,内置的PI调理器依据实测电流与设定电流的误差,天生控制信号并与三角载波举行较量,从而形成PWM信号来驱动半桥,精准控制电磁阀的电流。PI参数同样可通过写SPI寄存器的方法轻松设置。通过整定KP、KI参数改善电流控制的稳固性和响应特征,并消除静态误差。如图为L9305的PI控制器以及PWM载波天生方法示意图。

图2-2 L9305的内置硬件PI控制器

图2-3 L9305用载波较量法天生PWM信号
作为一种用PWM开关方法,依赖半桥拓扑驱动电磁阀的解决计划,L9305在调试历程中往往需要思量到电磁阀的电流纹波问题,及其衍生问题。
过大的电流纹波可能影响电流控制精度、电磁力输出精度,从而影响控制品质,使得减振器阻尼力爆发显着脉动,在EMC层面,大幅纹波携带富厚的高次谐波,可能耦合至模拟信号通道,若频率在人耳听力规模内还可能造成显着的噪音。另外电流纹波也会造成电磁阀线圈铜损,从而造成包括电磁阀线圈以及芯片自己的温度过高问题。
而电流纹波太小同样不对适。小纹波往往意味着高开关频率,从而增添了开关消耗。其趋近于纯直流电流的物理性子,使得液压系统中固有的玖夕擦特征被放大:细小杂质颗粒在阀套间隙中沉积,阀芯在长时间静止后易因油液粘附而卡滞,严重威胁自动悬架在突发工况下的建压速率与清静响应时效。
可见,选择合适的驱动频率,将电磁阀的电流纹波控制在一个适当的规模内尤其主要。下文将基于对L9305的测试实验,先容一种凭证电磁阀物理属性以及情形参数估算电流纹波巨细的要领,为工程师设计阀驱系统提供参考。
三、电流纹波估算要领
电磁阀可以简化为一个LR串联等效模子,即将其视为一个电阻R与一个电感L串联的混淆负载。如图3-1,以高边设置方法为例,半桥的高侧MOS作为驱动,在PWM-ON周期翻开,用于给电磁阀线圈充能;低侧MOS则作为续流管,在PWM-OFF周期翻开,用于给电磁阀续流,泄放感性能量;当设置为低侧驱动模式时则反之。

图3-1 高侧驱动时充能与续流回路
当我们基于稳态剖析,假定事情在CCM模式中(即ON或OFF周期内电流一连),我们获得单个PWM周期内电磁阀大致的电流
转变历程,以及其等效电感两头的电压
对应的转变,如图3-2所示。

图3-2 电磁阀等效电感的电压电流转变历程
凭证电感伏秒平衡原则,当给负载充入电流时,电感两头压差
,其中
为平均电流;当负载续流时,
;
虽然LR的电流阶跃响应是一阶惯性环节,可是在PWM驱动时,若是频率相对较高,PWM的ON和OFF周期的作用时间较量短时,我们无妨近似以为在充能和续流周期内,电磁阀的电流转变对时域呈直线斜坡转变。因此近似有:
,带
入得:

(式3-1)
其中 D 为PWM占空比,
为PWM周期,
、
划分为PWM的开通时间和关断时间。
若�?‵ull on),此时不思量电感,最大电流为:
,其中,
为电源电压。
又由于平均电流
,即
,将其带入3-1中,岂论从充能方程照旧续流方程出发,都能获得:

其中
为PWM频率,
。由于保存L9305芯片内置的或由MCU控制的PI调理,使得电流获得闭环控制,因此可以为稳态时的设置电流
即是平均电流
,获得:

(式3-2)
至此,我们获得了估算电磁阀电流纹波
的要领。
另外,电感电流(在ON或OFF周期内)一连的最小设置电流
,低于这个电流时,电流控制进入DCM模式,电流不一连。
综上所述,可见若PWM频率稳固,电流纹波与电磁阀自己的性子细密相关:电磁阀的电阻值越大,纹波越大;电感越大,纹波越小。
同理,若是不思量电源电压
的波动,电磁阀的型号、特征一旦确定,那么相同设置电流
下我们仅能通过改变PWM频率来调解电流纹波:频率越高,纹波越小。这是物理现实决议的,L9305芯片并不可自动调解。
因此我们特殊推荐客户,在做电磁阀的选型时,一定要对其物理性子有一定相识,最好能使用数字电桥对电磁阀样品举行丈量摸底,大致相识其等效串联电感值与电阻值,再凭证上文中的式3-2以及设定的PWM频率,或其他预计要领,起源预计其电流纹波情形(不要凌驾L9305的最大允许值)。
四、实验验证
为验证上述公式,我们举行实验验证。首先我们使用数字电桥对某电磁阀举行等效串联模子丈量。如图4-1所示:

图4-1 某型电磁阀的电感量和电阻值
电感L约为1.184mH;电阻R约为5.489Ω,电源电压设为12V,L9305接纳高侧驱动模式,设定电流Iset定为1A,PWM频率定为4kHz。以上述设定驱动电磁阀,并确保电磁阀散热正常,用示波器视察电磁阀的电流IOUT以及半桥输出的电压波形VLOAD,如图4-2。

图4-2 PWM频率为4kHz时驱动波形
可见,L9305的PI调理器能将现实电磁阀电流的均值控制在寄存器设定的1A左右。
凭证式3-2预计的电流纹波为:0.629A,在图4-2的基础上,使用光标功效丈量电流的纹波巨细,获得图4-3,现实电流纹波为600mA,误差率约为4.83%,实验效果与盘算预计值基本一致,验证了式3-2的准确性。

图4-3 PWM频率为4kHz时,电流纹波为600mA
五、估算误差的泉源
由于该要领近似以为在PWM-ON和OFF周期内,电流呈直线斜坡转变,而现真相形是电流的转变是曲线的(一阶惯性环节),当PWM频率较低时,这种曲线的情形会越发显着,我们用上述要领去预计时,误差便会显着增添。
当PWM频率设定为2kHz,其余实验设定稳固,凭证式3-2,预计的电流纹波为:0.809A。现实电流纹波如图5-1所示,为1.01A,误差率为19.9%

图5-1 PWM频率为2kHz时,电流纹波为1.01A
可见当降低PWM频率后,电流波形越发显着地酿成曲线,上述要领的展望误差变大。
除了上述系统误差,差别频率下电磁阀感抗的转变,以及电磁阀长时间事情后温度升高所带来的电感量转变,均会造成预计误差。虽然云云,但该要领工程上已经足够用于电流纹波的大致预计,在准确度和利便水平中相平衡,给工程设计提供了有价值的参考。
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