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占空比和 PWM 控制

翁德沃彭:

  • 一般
  • 测量占空比
  • 正电路的占空比
  • 接地电路的占空比
  • 从电源测量的占空比
  • 排除 PWM 控制燃油压力调节器的故障

整体:
通过占空比电路,电流强度可以由消费者控制。 可以调节电流而不会造成功率损耗,就像串联电阻器的情况一样。 在汽车技术中,占空比可用于调节加热器风扇的速度、节气门位置电机的位置或打开灯等。

当对灯应用占空比时,可以使灯燃烧得不那么亮。 除其他外,它还用于尾灯,其中一盏灯可以以两种不同的强度燃烧,即用于正常照明和制动灯。 在正常照明下,灯的燃烧较弱(此处应用占空比来限制通过灯的电流)。 有了刹车灯,灯就会改变占空比,使灯变得更亮。

图为宝马5系的尾灯,尾灯左侧的灯也可以作为刹车灯,将其点亮得更亮。

测量占空比:
占空比可以用示波器测量。 示波器将以图形方式显示电压随时间的变化。

当用万用表测量占空比时,永远不会显示正确的电压值。 由于电压在一个工作周期内不断变化,万用表将指示平均电压,因为它太慢了。

正电路的占空比:
下图显示了瀑布图,顶部是电池正极(12 伏),接下来是保险丝、ECU(电子开关)、用电设备(在本例中是灯),最后是接地。 ECU不断地打开和关闭电源。
示波器测量灯的正极和车辆的接地之间的电压。 示波器设置如下:每格 2 伏,每格 5 毫秒。 这意味着从下到上每个方框都是2伏,因此如果将上升行的方框相加(总共6个),则测得的最高电压为12伏。
持续时间是从左到右。 每个框(格)设置为 5 毫秒。 如果从左向右看,您可以看到该线高 10 毫秒,低 10 毫秒。

就像万用表一样,示波器测量连接到仪表的正极电缆和负极电缆之间的电压差。 当下图中的灯打开时,正极电缆的电压为 12 伏,负极电缆(始终)为 0 伏,因为它接地。 它们之间的差异由仪表指示; 12伏和0伏之间的差是12伏。 该 12 伏电压显示在仪表屏幕上。 当占空比高时,灯打开。 接地电路则不是这种情况。 这将在下一段中解释。

要确定占空比,了解 1 个周期的含义非常重要。 在一个时期内,紧张局势会时高时低。 在此期间之后,下一个期间开始。 在下面的示波器图像中,1 个周期标记为蓝色。 这表明该周期总共持续 20 毫秒,即 10 毫秒高电平和 10 毫秒低电平。 因此可以看出,一半时间电压为高电压,另一半时间为低电压。 因此,该示波器图像中的占空比为 50%。 在这种情况下,灯的燃烧微弱。

在下图中,周期保持不变 (20 ms),但在这种情况下,电压仅在四分之一的时间 (5 ms) 中处于高电压,在四分之三的时间 (15 ms) 中处于低电压。 通过此测量,占空比为 25%。 这意味着灯现在的燃烧比 50% 占空比时更弱,因为灯仅在总周期的四分之一内接收功率。

接地电路的占空比:
在汽车技术中,通常使用接地电路。 对于大规模开关用电设备,占空比与正电路相比将相反。 下图中可以看到这样的一个例子。
当灯熄灭时,ECU 已中断接地连接。 这意味着电路已中断。 在这种情况下,ECU 输入端的电压为 12 伏。 这意味着该电压也在灯的负极连接上。 在这种情况下,灯关闭时的电压差为 12 伏。

一旦 ECU 将灯接地,灯就会亮。 然后电流从正极流向负极,灯用12伏来点亮,所以灯的负极连接上有0伏。 在这种情况下,正极电缆上的电压为 0 伏,负极电缆上的电压为 0 伏。 此时电压差为 0 伏。 这意味着在 0 伏时,灯打开,在 12 伏时,灯关闭。

为了使灯的燃烧更弱,必须缩短灯通电的时间。 这可以在下图中看到。 在一个周期内,电压高持续 15 毫秒(灯关闭),低电压持续 5 毫秒(灯亮)。 在这种情况下,灯只打开了四分之一的时间,因此它的燃烧会较弱。

从电源测量的占空比:
之前的测量都是相对于车辆的质量进行的。 另一种选择是从电池的正极到消费者的地面进行测量,如下图所示。

当ECU接地时,灯会亮起。 在这种情况下,灯会消耗 12 伏电源电压来燃烧。 所以示波器负极线上会有0伏电压。 正极电缆上有 12 伏电压。 在这种情况下,测量电缆之间存在 12 伏的电压差,因此屏幕上的 12 伏线将指示灯已打开。 所以这是该期间的 25%。

一旦 ECU 断开与地的连接,12 伏电压也将出现在灯的负极上。 示波器测量电缆之间的电压差将为 0 伏。 当灯关闭时,屏幕上将显示 0 伏。

对 PWM 控制燃油压力调节器进行故障排除:
在页面上 PWM阀的ECU电路 解释了 PWM 控制的轨压调节器 ECU 中的电路是什么样的。 因此,建议首先阅读该页面上的信息。

高压轨上的轨压调节器 共轨柴油机 是由它制成的 发动机控制装置 通过 PWM(脉宽调制)控制。
静止时,压力调节器中的阀门打开,使燃油压力通过回流离开高压轨。 阀门在启动时关闭。 导轨中的压力增加。 当轨压传感器记录到(过高)压力时,ECU 会调整 PWM 信号。

下图显示了发动机控制单元(J623)和轨压调节器(N276)的原理图。 轨压调节器通过引脚 2 提供 13 至 14,6 伏之间的电压(取决于发动机运行时的充电电压)。 当阀门需要激活时,ECU 将引脚 45 连接到地。 一旦引脚 276 接地,电流就会流过 N45 的线圈。 共轨压力越来越大。 当 ECU 中断引脚 45 和接地之间的连接时,燃油轨中的压力积聚就会停止。 压力调节器中的弹簧稍微打开阀门,使燃油通过回流管流回油箱。

示波器图像显示电源电压(蓝色)和 PWM 控制(红色)。 电源电压约为 13,5 伏且恒定。
PWM 控制信号(红色)的电压在 0 到 13,5 伏之间。 该示波器图像显示阀门不断打开和关闭。 
阀门通电后,电流(绿色)就会增加,停用后电流就会减少。

静止时电压为 13,5 伏。 PWM 阀不受控制。 
阀门中的弹簧确保阀门在静止时打开。 
当 ECU 接通地面时(当红色信号为 0 伏时,可以在示波器图像中看到),电流流过线圈(绿色图像),导致阀门关闭。

示波器图像显示阀门总是短时间打开并长时间关闭。 这意味着燃油压力必须相对较低。

我们读出汽车并查看实时数据。 怠速时燃油压力接近 300 bar。 还行吧。

故障现象:启动时发动机不再启动。
启动过程中发动机不启动。 我们确信油箱中有足够的燃油。 我们自然地从读出故障开始。 在这种情况下,不会存储任何故障。 这就是我们查看实时数据的原因(在 VCDS 中,这些数据称为测量值块)。 启动时,启动转速为231rpm。 ECU接收曲轴信号。 美好的。
启动时的燃油压力为 7.1 bar。 这个温度太低,发动机无法启动。

燃油压力过低可能有以下原因:

  • 油箱中的燃油太少
  • 燃油泵(供给泵或高压泵)故障
  • 燃油滤清器堵塞
  • 燃油压力控制阀故障

为了确定燃油压力仍然过低的原因,我们用示波器检查电气元件的电压。
本节前面部分显示了正常工作的 PWM 燃油压力调节器的示波器图像。 下一张示波器图像是该压力调节器的另一次测量,但现在出现故障。 

随着电流增加,电源电压降低。 因此,当电流流动时,电源电压降低。 此外,以下几点也很突出:

  • 打开时,电源电压下降到较低值;通常,过渡电阻会导致突然下降(示波器图像中的垂直线下降到较低电压);
  • 接通线圈后,电流累积遵循根据电力的特征充电曲线。 放电期间的电流通过逐渐建立的电源电压来反映。 电流不会降至 0 A。控制结束后电流继续流动。
  • 一旦线圈关闭,红色图像中就看不到感应峰值(其中电压从 0 伏升至 14 伏)。 考虑关闭喷油器线圈,这可能会导致高达 60 伏的峰值。

因此,在通往燃油压力调节器的电源线上存在过渡电阻。 只有当电流流动时,才会因过渡电阻而产生电压降。 当接地关闭时,没有电流流动,电源电压保持与电池电压完全相同。

现在回到图表:电源线以红色圈出。 下一步是实际找到损坏的电线。 由于与发动机部件的摩擦,或者由于电线在之前的安装工作中被卡住,可能会造成损坏。 一旦发现损坏,就可以修复。

现在很清楚是什么导致了转型阻力。 您可能已经注意到,有人谈论示波器信号中缺少感应峰值。 当线圈关闭时,电流模式缓慢降至较低值。 因此控制不会中断; 这已终止,但电流继续流过线圈。

当微处理器使 FET 导通时,电流可以从漏极流向源极,因此也流过线圈。 因此,线圈被通电,并且控制阀可以由于产生的磁场而克服弹簧力关闭。

一旦 FET 的控制结束,就不再有电流通过线圈流向地面。 续流二极管确保将线圈中剩余能量产生的感应电流馈送到正极。 这确保了电流逐渐减少并防止发生感应。 此过程由图像中的红色箭头表示。

这解释了为什么在控制结束后示波器图像中仍然可见电流。