SolexDrive — многоканальный программируемый предрайвер для автомобильных инжекторов и промышленных соленоидов

№ 12’2013
PDF версия
Что общего между дозирующей инжекторной системой, двигателем мотоцикла и медицинским роботом? Все они могут содержать микросхемы компании EBV для высокоточного, экономичного управления соленоидными катушками (соленоидами). В статье рассказано, как была разработана микросхема SolexDrive, и объясняется, каково ее назначение.

Сотрудничая с двумя крупными компаниями, которые специализировались на автомобильных технологиях, компания Freescale разработала микросхему для высокоточного управления соленоидными катушками. Теперь этот продукт поступил в продажу под названием SolexDrive от компании EBV Elektronik.

Внешний вид микросхемы SolexDrive

Рис. 1. Внешний вид микросхемы SolexDrive

Микросхема SolexDrive была разработана с целью создания наилучшей ИС для управления впрыскивающими форсунками в дизельных и бензинных моторах с чрезвычайно низким уровнем выброса вредных веществ. В этом автомобильном применении SolexDrive приводит в действие внешние транзисторы MOSFET, которые, в свою очередь, соединяются с инжекторами. Этими инжекторами являются по существу соленоидные катушки, которые работают с очень высокой точностью.

На первый взгляд, возможно, покажется странным то, что эта микросхема, изначально предназначенная лишь для применения в автомобильной сфере, теперь является частью ассортимента микросхем EBV. Однако аналитики EBV Elektronik увидели большой спрос на рынке на переключательные устройства для управления высокоточными соленоидными катушками для применения их не только в автомобилестроении, но и в других отраслях промышленности. Кроме того, основным принципом деятельности компании EBV является открытие новых, ранее не затронутых рынков и возможностей. И теперь с помощью SolexDrive EBV Elektronik этого снова добилась.

Область применения промышленных соленоидных катушек также предлагает интересные возможности для SolexDrive. В этом сегменте рынка экономия энергии еще не приобрела такого же значения, как в автомобильной отрасли. Это означает, что возможность экономить энергию, применяя SolexDrive и увеличивая точность управления, дает клиентам EBV реальные дополнительные преимущества.

 

Постоянное управление — не только режим вкл./выкл.

Во многих схемах другого применения можно было установить вентиль только на режим вкл. или выкл. С таким простым цифровым управлением очень трудно достичь точного дозирования. Когда цифровые средства управления в таком режиме выключены, небольшое количество дозируемого вещества (например, воды или технического газа) все еще могут очень легко просачиваться через вентиль. Это может привести либо к неточной дозировке, либо к ненужному изнашиванию устройства, а значит, к дополнительным затратам или чрезмерному использованию ресурсов. Система постоянного управления позволяет осуществлять более точное регулирование.

Ранее соленоидными катушками зачастую можно было управлять только посредством функции вкл./выкл. Теперь с помощью SolexDrive появилась возможность точного управления катушкой благодаря высокоточной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В зависимости от вида применения здесь может идти речь об управлении линейной катушкой или об управлении для регулирования хода двигателя в коллекторных электродвигателях. Совмещая точное управление и драйверы верхнего и нижнего плеча, SolexDrive имеет больший спектр применения.

 

Улучшенная электромагнитная совместимость (ЭМС), более точная дозировка

За исключением экстренных случаев вентили не требуют особенно быстрой настройки. Но именно при быстрой настройке вентилей, как, например, в случае цифрового управления в режиме вкл./выкл., через соленоидную катушку проходит ток высокого напряжения. Эти выбросы высокого напряжения могут привести к проблемам, связанным с включением/выключением: с одной стороны, компоненты управления, включая защитные схемы, должны иметь достаточно большие размеры, а с другой — из-за высокого напряжения возникают значительные трудности при обеспечении ЭМС. Кроме того, выбросы высокого напряжения приводят к большой (и ненужной) трате энергии, которую иногда даже необходимо восполнить. Высокое напряжение и токи обратной последовательности, которым подвергаются соленоидные катушки при использовании цифровых средств управления в режиме вкл./выкл., подвергают такие компоненты большой нагрузке. А это приводит к тому, что их часто приходится менять во время эксплуатации.

Однако с помощью SolexDrive этих выбросов высокого напряжения можно избежать благодаря системе постоянного управления ШИМ. Это позволяет сократить нагрузку, связанную с ЭМС, при одновременном увеличении точности и значительном продлении срока службы соленоидных катушек, так как сокращается количество проблем, вызванных искровыми разрядами.

 

SolexDrive в промышленности

Свое типичное применение SolexDrive находит в роботах, оснащенных различными соленоидами. Эту микросхему используют и там, где необходимо электронное управление соленоидными катушками: начиная с заправочных станций и заканчивая медицинским оборудованием. Везде, где необходимы драйверы для соленоидных катушек, вентилей, регуляторов давления газа и жидкости, промышленных расходомеров, систем управления вентиляцией с рассредоточенной подачей воздуха, линейных соленоидов, профессиональных систем орошения в садоводстве и т. п., SolexDrive может стать той ИС, которая понадобится в данном случае.

Хотя не для всех видов применения требуется полная, комплексная функциональность, которой обладает этот компонент, тем не менее его использование докажет свою полезность, так как он занимает мало места на печатной плате и очень надежен благодаря своим схемам защиты и диагностики.

В дополнение к автомобильной отрасли SolexDrive можно также применять во многих других областях, где требуется более высокий уровень КПД двигателя. Например, в моторах для морских судов, лодок, авто-саней, коммерческих транспортных средств, мотоциклов, а также строительных и сельскохозяйственных машин.

Всем известно, что даже в реле имеются соленоидные катушки, которые работают только в режиме вкл. или выкл. Благодаря своей привлекательной цене SolexDrive подходит для управления реле, для которых необходимы сигнал обратной связи и диагностический сигнал, а также соответствующая схема защиты. Здесь микросхема компании EBV позволит значительно сократить не только электрическую нагрузку на реле, но и выбросы высокого напряжения. SolexDrive можно использовать для управления вплоть до 11 реле одновременно: пять в конфигурации верхнего и шесть в конфигурации нижнего плеча.

 

Центр управления: четыре микроядра

SolexDrive работает при помощи двух независимых каналов (рис. 2), каждый из которых содержит два микроядра (то есть в микросхеме четыре микроядра в общей сложности). Эти микроядра представляют собой стандартные микроконтроллеры, но они могут работать независимо друг от друга. Это означает, например, что четыре совершенно разные и независимые последовательности можно использовать для программирования управления инжекторами в четырех- или шестицилиндровых двигателях.

Схема включения SolexDrive

Рис. 2. Схема включения SolexDrive

Микроядра работают самостоятельно и с помощью широтно-импульсной модуляции управляют уровнем тока драйвера с 65 535 разными значениями. SolexDrive получает соответствующее искомое значение в виде 16‑разрядного значения через SPI-интерфейс от стандартного микроконтроллера, которые обычно встречаются в средствах управления для двигателей. Из этого сигнала SolexDrive затем генерирует соответствующие ШИМ-последовательности для управления транзисторами MOSFET.

Микросхема оснащена двумя каналами, каждый из которых включает два контроллера последовательности и два микроядра. SolexDrive может запускать пять драйверов верхнего плеча с пятью диагностическими проводами и шесть драйверов нижнего плеча с шестью диагностическими проводами.

Микроядра работают только по типу RAM. Это означает, что микрокод должен быть загружен в RAM во время инициализации. Есть также возможность динамичного изменения параметров.

 

Разумное решение

SolexDrive является элегантным решением, потому что встроенные микроядра осуществляют все задачи управления в режиме реального времени в течение всего периода работы: от выключения до фазы запуска и регулирования в соответствии с пиковым значением и завершением пика. Эта микросхема также динамично поддерживает состояние удержания вплоть до его падения и снова возвращается в состояние «Выкл.». Во время всех этих фаз могут быть определены разные максимальные и минимальные значения. Микроядро обеспечивает поддержание этих значений, например путем постоянного сравнения актуальных значений и отдельно запрограммированных пиковых значений вкл./выкл., целевых значений удержания вкл./выкл., а также различных параметров синхронизации.

В результате разработчикам не нужно волноваться по поводу этого сложного процесса, так как все, что им следует сделать, — это позаботиться о том, чтобы микроконтроллер через интерфейс SPI подавал SolexDrive соответствующие данные о токе и синхронизации. А микросхема от EBV «позаботится» об остальном, регулируя ток в соответствии с действиями отдельных соленоидных катушек.

ШИМ-импульс тока, отправленный на соленоид, начинается на нарастающем фронте запускающего сигнала микроконтроллера и прекращается на спадающем фронте этого сигнала. SolexDrive измеряет ток, который на самом деле проходит по катушкам, что обеспечивает точную информацию об имеющемся токе в катушке. Микросхема также имеет необходимые защитные схемы с взаимодействующими функциями диагностики.

Шаговый искатель, встроенный в микросхему, позволяет разработчикам определять отдельные каналы к одному из четырех встроенных контроллеров последовательности. Поэтому SolexDrive может обслуживать разные каналы с помощью одного контроллера последовательности. Здесь имеется четыре цифровых контроллера последовательности, и каждый из них может управлять разными каналами.

Микросхема также имеет преобразователь постоянного тока для обеспечения управления транзисторами MOSFET верхнего плеча, которые, как известно, требуют более высокого напряжения на выходе, чем на входе. В результате все транзисторы MOSFET — с обязательными разрядными диодами — можно подсоединить напрямую к выходу ИС; необходимые защитные схемы уже встроены.

SolexDrive обеспечивает ШИМ-сигналы вплоть до 100 кГц на выходе, а для управления транзисторами MOSFET требуется заряд в размере 30 нК (максимум 50 нК).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *