變速器換擋電磁閥驅(qū)動(dòng)模式改進(jìn)

劉小紅，金小飛，徐新河

(1.貴州凱星液力傳動(dòng)機(jī)械有限公司，貴州 遵義 563003；2.長(zhǎng)慶油田 第六采油廠，陜西 定邊 718606)①

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變速器換擋電磁閥驅(qū)動(dòng)模式改進(jìn)

劉小紅1，金小飛1，徐新河2

(1.貴州凱星液力傳動(dòng)機(jī)械有限公司，貴州 遵義 563003；2.長(zhǎng)慶油田 第六采油廠，陜西 定邊 718606)①

摘要：為了改進(jìn)變速器換擋電磁閥的驅(qū)動(dòng)模式，比較了油田設(shè)備和乘用車變速器換擋電磁閥的安裝差異。介紹了設(shè)備安全保護(hù)要求、變速器換擋電磁閥常見的驅(qū)動(dòng)模式及其利弊。提出了采用Infineon TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行變速器電磁閥驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，滿足高低邊可配置的多路比例驅(qū)動(dòng)需求，具有完整的短路、斷路、過熱等安全保護(hù)功能，外圍功能電路原理簡(jiǎn)單，可用于油田設(shè)備用變速器換擋電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中。

關(guān)鍵詞：變速器；換擋電磁閥；驅(qū)動(dòng)模式；診斷保護(hù)

液力變速器作為石油鉆井、修井、壓裂用傳動(dòng)設(shè)備，在線或離線故障檢測(cè)要求逐漸被提上日程[1]。相比較乘用車而言，油田設(shè)備用變速器本體與控制器安裝距離較遠(yuǎn)，換擋電磁閥與控制器之間有相當(dāng)長(zhǎng)的線束，容易產(chǎn)生對(duì)地短路及停機(jī)故障，如不及時(shí)排查，將導(dǎo)致停產(chǎn)，不但經(jīng)濟(jì)損失巨大，而且還有可能造成重大傷亡事故[2]。為了及時(shí)自動(dòng)排查短路故障，ALLISON公司在A43系列TCM控制器中采用了公用高邊供電、分用低邊驅(qū)動(dòng)換擋電磁閥的技術(shù)方案來監(jiān)測(cè)換擋電磁閥電流[3]，通過判斷電流的大小來判斷短路特征，這種公用高邊的配置電路較復(fù)雜，需設(shè)計(jì)采樣電路計(jì)算電流，比較浪費(fèi)系統(tǒng)資源。采用Infeinoin公司發(fā)布的TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電磁閥驅(qū)動(dòng)，可以克服以上不足。

1換擋電磁閥驅(qū)動(dòng)模式現(xiàn)狀比較

1.1電路原理比較

變速器換擋電磁閥驅(qū)動(dòng)模式分為高邊驅(qū)動(dòng)、低邊驅(qū)動(dòng)、高低邊共同驅(qū)動(dòng)。每種驅(qū)動(dòng)模式最基本組成包括開關(guān)IC器件、電源、地、電磁閥4部分，如圖1。從圖1可以看出，高邊驅(qū)動(dòng)開關(guān)IC器件位于電源和電磁閥之間，電磁閥一端始終與地連接；低邊驅(qū)動(dòng)開關(guān)IC器件位于電磁閥和地之間。電磁閥一端始終與電源連接；而高變和低邊共同驅(qū)動(dòng)方式，如圖2。則是電磁閥在兩個(gè)開關(guān)IC器件之間，同時(shí)受兩個(gè)開關(guān)IC器件的控制。從器件數(shù)量上看，高低邊共同驅(qū)動(dòng)的方式所使用的器件要多于其他兩種。

圖1　高邊驅(qū)動(dòng)和低邊驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖

圖2　高邊驅(qū)動(dòng)和低邊共同驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖

1.2線制布置比較

由于油田設(shè)備車用底盤多為負(fù)極搭鐵，采用高邊驅(qū)動(dòng)模式能節(jié)省成本，因?yàn)樽兯倨麟姶砰y與地連接的一端可通過變速器內(nèi)部的機(jī)械零件直接搭接在底盤地上，只需要從變速器電磁閥引出一根導(dǎo)線連接到開關(guān)IC器件上；相比較而言，低邊驅(qū)動(dòng)模式電磁閥兩端的導(dǎo)線都需要在從變速器中引出來，除一端導(dǎo)線連接到開關(guān)IC器件上外，另一端導(dǎo)線應(yīng)與系統(tǒng)電源相連，電磁閥越多，引出的導(dǎo)線就越多。

1.3失效比較

汽車電子的輸出接口一般需要具備短路保護(hù)功能[4]，變速器作為油田上裝傳動(dòng)系統(tǒng)常用的裝備應(yīng)具有電路失效保護(hù)能力。在高邊驅(qū)動(dòng)模式中，由于變速器電磁閥一端自始至終與地連接，如果電磁閥另一端出現(xiàn)對(duì)地搭鐵故障，則該驅(qū)動(dòng)回路會(huì)出現(xiàn)大的短路電流，高邊驅(qū)動(dòng)模式的電流采樣電路采集該短路電流后，自動(dòng)關(guān)掉高邊驅(qū)動(dòng)模式開關(guān)，從而保護(hù)電路不被損壞；而低邊驅(qū)動(dòng)模式中，由于變速器電磁閥一直與電源連接，一旦變速器電磁閥另一端出現(xiàn)對(duì)地搭鐵故障，就會(huì)使電磁閥處于得電狀態(tài)。由于低邊驅(qū)動(dòng)電路并無電流采樣電路，當(dāng)換擋過程需要使該電磁閥失電而卻繼續(xù)保持得電時(shí)，就會(huì)引起變速器換擋故障，嚴(yán)重的會(huì)引起設(shè)備安全事故，因此采用高邊驅(qū)動(dòng)模式更安全。

2電磁閥驅(qū)動(dòng)模式改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

通過以上分析可知，開關(guān)IC器件是控制變速器電磁閥工作的重要器件，而且使用普通的高邊和低邊驅(qū)動(dòng)模式存在成本增加、電路復(fù)雜并且不能實(shí)現(xiàn)較全面地診斷保護(hù)功能的弊端，而Infineon公司發(fā)布的TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片能彌補(bǔ)以上不足，它主要用于變速器控制系統(tǒng)，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)和主動(dòng)懸架系統(tǒng)的線性比例閥驅(qū)動(dòng)[5]，是一款靈活且單片集成的電磁線圈驅(qū)動(dòng)芯片，它具有以下特點(diǎn)：

1)3個(gè)獨(dú)立、高低邊可配置的通道。

2)150 ℃時(shí)的最大內(nèi)阻只有250 mΩ。

3)負(fù)載電流范圍為0～1 500 mA，電流設(shè)置精度為0.73 mA。

4)集成內(nèi)置TCR補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)電阻。

5)不受負(fù)載電瓶電壓變化的影響。

6)輸出控制、診斷和可配置的串行外設(shè)接口(SPI )。

7)每個(gè)通道獨(dú)立的熱關(guān)斷功能。

8)每個(gè)通道均具有負(fù)載開路，開關(guān)被旁路，過流等故障的保護(hù)及診斷功能。

9)具有可編程的擺率控制，能降低電磁干擾(EMI)等。

10)AEC認(rèn)證產(chǎn)品。

根據(jù)TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)可知，該器件非常適合應(yīng)用在變速器電磁閥控制上，3個(gè)通道可任意組合成高邊驅(qū)動(dòng)或低邊驅(qū)動(dòng)，該器件依靠顫振設(shè)置和負(fù)載特性，具有0.73 mA的電流設(shè)置精度，可設(shè)置高達(dá)1 500 mA負(fù)載平均電流。

3電磁閥驅(qū)動(dòng)模式的硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1驅(qū)動(dòng)芯片主要引腳介紹

TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片主要引腳功能，如表1。

表1　TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片主要引腳功能

表1(續(xù))

3.2電磁閥高邊驅(qū)動(dòng)電路原理

TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片電磁閥高邊驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3 ，從中可以看出，驅(qū)動(dòng)引腳“LOAD0、LOAD1、LOAD2”分別通過3個(gè)電磁閥solA、solB、solC連接到地。當(dāng)CLK 管腳提供了芯片所需要的基準(zhǔn)時(shí)鐘，RESN和EN高電平有效時(shí)，利用32位SPI接口就能分別控制TLE82453型芯片中PWM周期寄存器，從而控制3個(gè)電磁閥的電流大小。

圖3　TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片電磁閥高邊驅(qū)動(dòng)電路原理

3.3電磁閥低邊驅(qū)動(dòng)電路

TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片電磁閥低邊驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4，應(yīng)用了TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片低邊驅(qū)動(dòng)電磁閥的配置功能，其應(yīng)用原理與圖3類似。

由于TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部電路由驅(qū)動(dòng)晶體管，續(xù)流晶體管和電流檢測(cè)電阻組成，所以圖3～4不再在外部連接續(xù)流二極管保護(hù)電路和電流檢測(cè)電路，其布置非常簡(jiǎn)單，能最大限度地減少外部元件的數(shù)量，節(jié)省成本。

圖4　TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片電磁閥低邊驅(qū)動(dòng)電路原理

4電磁閥驅(qū)動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)改進(jìn)

4.1恒流控制

電磁閥的電流控制方式通常由SPI 總線協(xié)議采用32 位數(shù)據(jù)的全雙工模式來實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片可實(shí)現(xiàn)3路電磁閥的恒流控制，在恒流控制時(shí)，SPI 總線在時(shí)鐘的上升沿對(duì)數(shù)據(jù)鎖存，在時(shí)鐘的下降沿進(jìn)行移位，SPI 控制命令主要有以下兩種。

1)命令一：主周期設(shè)置。

恒流控制模塊的PWM 斬波信號(hào)頻率與模塊的基準(zhǔn)頻率滿足表2。

2)命令二：目標(biāo)電流設(shè)置。

目標(biāo)電流的計(jì)算根據(jù)式(1)得到：

(1)

4.2故障診斷

在故障診斷方面，TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片依靠自身的電路特點(diǎn)和一個(gè)32位的故障診斷寄存器來實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)的主要診斷功能如表3。

表3　故障寄存器主要診斷位定義

4.3數(shù)據(jù)傳輸封裝

為了更好地實(shí)現(xiàn)多通道的電磁閥控制，考慮到寄存器各種配置的差異，對(duì)各寄存器進(jìn)行封裝是一種理想的軟件設(shè)計(jì)方法。位運(yùn)算作為C語言的重要特色，在計(jì)算機(jī)檢測(cè)和控制領(lǐng)域中要經(jīng)常用到[6]。

4.3.1頻率控制封裝函數(shù)

uint32_t CombineTLE82453PWMPeriodSub(uint8_t RW，

uint8_t Channel，

uint8_t KI_index，

uint16_t PWM_Period)

{

uint32_t CombineData = 0x00LU；

CombineData=CombineData | (0x28000000LU)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(RW)) << 31U)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(Channel)) << 24U)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(KI_index)) << 20U)；

CombineData=CombineData | ((uint32_t)(PWM_Period))；

return (CombineData)；

}

4.3.2故障診斷封裝函數(shù)

uint32_t CombineTLE82453DianosisSub(uint8_t OVB，

uint8_t RE，

uint8_t UV，

uint8_t OT，

uint8_t OLOFF，

uint8_t OLSB，

uint8_t OVC，)

{

uint32_t CombineData = 0x00LU；

CombineData = CombineData |(0x02000000LU)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OVB)) << 19U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( RE)) << 17U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( UV)) << 14U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OT)) << 11U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OLOFF)) << 8U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OLSB)) << 5U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OVC)) << 2U)；

return (CombineData)；

}

5結(jié)論

1)通過比較電磁閥驅(qū)動(dòng)差異，提出了使用TLE82453型驅(qū)動(dòng)芯片的優(yōu)勢(shì)。

2)通過配置變速器換擋電磁閥高低端驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了電路使用的可靠性和維修性。

3)分析了頻率和故障寄存器軟件封裝方法，提高了函數(shù)調(diào)用的效率。

4)BY2000型液力變速器的換擋控制系統(tǒng)采用了本文介紹的軟硬件方案后，有效地降低了控制器的設(shè)計(jì)成本。某油田大型壓裂機(jī)組采用BY2000型液力變速器后，控制器平均故障間隔時(shí)間大幅延長(zhǎng)，壓裂車的使用效率也相應(yīng)提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]江恒，王友釗.旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34(3)：68-70.

[2]張廣坤，宋進(jìn)，李玲.基于計(jì)算機(jī)視覺的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)方法[J].機(jī)械工程師，2010(2)：27-29.

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[4]朱玉龍.汽車電子硬件設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]INFINION.TLE82453SA 3 Channel High-Side and Low-Side Linear Driver IC Data Sheet [DB/OL].(2013-03-21)[2016-01-11].http：//www.infineon.com/.

[6]潭浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)[M].3版 .北京：北京清華大學(xué)出版社，2005.

文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0075-06

收稿日期：①2015-01-15

作者簡(jiǎn)介：劉小紅(1975-)，女，湖南祁東人，工程師，主要從事液力變速器電控系統(tǒng)的研究工作，E-mail：13885286211@163.com。

中圖分類號(hào)：TE924

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.017

Improvement of Driving Method for Shifting Solenoid Valve of Transmission

LIU Xiaohong1，JIN Xiaofei1，XU Xinhe2

(1.GuizhouWinstarHydraulicTransmissionMachineryCo.，Ltd.，Zunyi563003，China；2.No.6OilProductionPlant,ChangqingOilfield,Dingbian718606,China)

Abstract：In order to improve the driving mode of transmission shift solenoid valve，the difference of installation of the oil field device and passenger car transmission shift solenoid valve is compared，and the safety protection requirements，automatic transmission shift solenoid valve common drive mode and its advantages and disadvantages are introduced.The usage of Infineon TLE82453 automatic transmission of electromagnetic valve actuation mode advantage is proposed，which can be used to construct driving circuit for transmission shift solenoid valve，the high and low side configurable multiple proportion drive demand is satisfied with short circuit，open circuit，overheating safety protection function.The peripheral circuit is simple and can be used to drive transmission solenoid for oilfield equipment.

Keywords：transmission；shift solenoid valve；driving mode；diagnosis protection