螺线管​​（solenoid）是一种有固定移动范围的线性马达。可以用螺线管设计简单的开/关应用，其功用大概就像继电器。例子包括起动器和门锁等。

在另一方面，线性或成比例的特质表示螺线管是可以被很精确控制的。在变速器和燃油喷射等应用方案中便使用螺线管操作活塞和活门，以准确控制液体压力或是流动。

螺线管​​在自动控制应用中的角色

变速器需要精确且平顺地控制施加在离合器的压力，以切换齿轮和控制锁定扭力转换器（locking torque converter）。电子控制变速器可能有八个以上的线性螺线管，全部都要加以平顺和精确地控制。当共轨（Common-rail）柴油喷射的压力超过2000 psi时，可能需要在每个汽缸和燃油泵都装一个线性螺线管，以准确调整压力来维持稳定的燃油喷射流量。

范例：电子变速控制

由于电子控制具有较佳的驾驶品质和燃油效率，在自动变速系统中已经大幅取代机械控制的方式。在以往锁定扭力转换器提供较佳的燃油效率和加速性，而近来结合软体和硬体（采用电子控制螺线管）的方式更容易调整换档步骤，而且有较好的变速－换档平顺度和品质。

整体而言，电子控制变速器是更加简单、可靠和便宜的机电系统。电子变速控制系统比较不会出现突发的齿轮变换而且提升换档平顺度，因此有效改善了对变速换档点的控制程度。此外电子控制的灵活度对于不断改变的路况，有较佳的适应性。电子控制换档点具有更细微的分辨率，能让驾驶人用最少的力气就能得到更好的加速性、更省油、更好的负载控制，与减少燃料散发。另外电子控制也让变速器在不同的负载，和加速情况下换档更为平顺。

除了换档速度、真空和驾驶人的输入因素外，电子控制系统能够纳入许多会影响换档控制演算步骤的输入条件。部份因素包括预先点火、喷射器因素、输入速度感应器、由电线所作的换档选择、引擎速度、油门位置、扭力转换器速度/锁定、自动变速器机油温度、引擎温度、空转（wheel-slip ）感应器和惯性感应器等。综合这些输入条件可以得到很多个适合整体操作情况的最适换档点。为了更有效利用这些输入条件，采用一个能够正确及任意电子控制调整换档点，和换档速度的系统是绝对必要的。

电子控制自动变速器仍然使用油压控制来变换齿轮。相较于机械式系统（参见下文），机电系统采取的电子控制油压方式，是用线性螺线管改变施加在连结离合器组的制动器上的油压大小。为了达到此目的，精确且可重复地控制螺线管的开端（opening）是非常重要的—施以正确的油压液体量就能精确且可重复地控制换档点。

机械变速控制

老式的控制变速换档点包括复杂而且取决于速度的油压线路。换档动作是在复杂的控制阀本体（valve body）内改变油压而完成。而油压是由附在输出轴的调节器（governor）所调整。离心力使调节器移动，放出变速油并增加控制阀的压力。适应不断改变的驾驶状况唯一的方法通常是在高加速度时强迫换到低速档，或是装上机械制动器。

当驾驶人需要更快的加速度时，通常是换到低速档，此机制包括一根控制杆从引擎的油门控制区间，移到变速器那边。控制杆驱动一个杠杆，关闭油门本体内的一连串通道。这促使变速器在高加速下换到低速档，直到全速时调节器取代换低速档机制。

适应负载改变的方法是使用真空调整器（vacuum modulator）。当引擎负载提高时，真空改变使得控制杆滑进或滑出控制阀本体，因而改变变速换档点和换档速度。虽然这些控制换档点和换档平顺度的方法是有效的，但因为所采用的机械系统特性，人们并没有办法针对更多的环境变化来调整这些参数。

决定螺线管的位置

线性螺线管的位置是由一组回授回路所控制。比如说，可以监测汽阀的顺向压力当成回授信号，与设定点作比较，再调整脉波宽度调变（pulse-width modulation；PWM）的工作周期以控制螺线管。然而测量顺向压力可能相当困难且不实际，或是很昂贵的。

实务的作法是测量流过螺线管的电流值，以确定螺线管的位置。这个方式之所以可行的原因，是施加在螺线管上的机械负载与磁场大小成正比，而磁场强度又和流过线圈的电流值成正比。因此测量螺线管电流就能得到磁场强度，而在弹簧式负载和螺线管磁场之间保持平衡就可以均衡控制螺线管。

PWM螺线管控制

螺线管​​的动力来源是由微控制器产生的脉波宽度调变输入信号，快速开启和关闭串联螺线管和电源（汽车电池）的场效应电晶体（FET）开关所驱动。算出波形的上升时间与脉波时期的比率，就能得出平均电压值。如果脉波宽度和螺线管的机械负载有任何变化，也会导致流过螺线管的平均电流随之改变。平均电流代表着螺线管的移动量，以及液压和流动。

特定PWM波形的平均电流和螺线管运动的关系可以经由特性化的过程求得。虽然磁力和螺线管的电流成正比，但是实际的机械力和运动之间并非如此紧密相关，因为这取决于螺线管和负载特性。所以需要用特性化步骤算出平均电流与螺线管开端的关系。比如说，当螺线管第一次充能以克服静磨擦时，PWM比率一定会提高。一旦克服静磨擦，在移动螺线管时会有不同的PWM比率。

测量经过线圈的电流

电流是表示螺线管状态的重要指标。而测量螺线管电流最有效的方法就是测量与螺线管、电池和开关串联的阻抗分流器电压。有几个不同的方式可以设定开关串联电路，以及测量电压。

高端驱动的低端电流检测电路

在(图一)的电路中有一个连结到电池高端的开关（未接地），而且串联到螺线管线圈和接地之间的阻抗分流器。在线圈上反接一个二极体（造成短路），如此能钳制在关闭电流时线圈所产生的电感电压。将分流器连结接地参考电位，就是一个不贵且具备中等共态规格的作业放大器，可用在电子控制器（electronic control unit；ECU）以测量横跨分流器的电压大小。

《图一 具备高端关关和低端检测的电子控制器》

设计者在考虑使用这个方法时，必须注意到以下的缺点：

低端开关的高端电流检测电路

驱动螺线管比较好的办法是将一个开关当作接地，如(图二)，可以使用比较便宜的低端开关。

检测结果可能会明显提升，因为在测量时有将螺线管的再循环电流考虑在内。此外驱动器也比较便宜，因为不需要和闸道作位阶转换。

《图二 具备低端关关和高端检测的电子控制器》

然而这里所用的放大器一定要具有高共模抑制性，而且必须要避开显著的共模电压（CMV）。此例中的分流器电压大小会从「电池电压」变成「电池电压加上二极体的降压部份」。其原因如下：当关上开关时，分流器的共模电压等级会维持在低阻抗电池电压的等级。当开关开启时，螺线管的电压会因为螺线管的电感而反转，因而在瞬变电流流动，且共模电压回归到电池电压前，会包括钳制二极体下降的部份。

这个驱动方式有一个重要的优点是可以测量短路到接地的情形，因为高端电流会如(图二)所示地流经分流器。

使用此电流检测方法时有一个重要的注意事项是，电池的高端会永远连着螺线管。万一出现间断的短路接地时，螺线管可能会意外开关。此外持续施加电压在螺线管上，久了也可能会造成过度侵蚀。

高端开关的高端电流检测电路

(图三)的电路能将意外启动螺线管和过度侵蚀的可能性减到最低，此电路的开关和分流器都连到高端。在开关关闭时将电池电压隔离螺线管，避免了短路接地可能造成的损害，而且将再循环电流包含在测量结果内。当开关打开时将电池电压与负载隔开，所以消除了电压差异造成的侵蚀效果。

《图三 具备低端螺线管和高端关关及检测的电子控制器》

然而在此情形下，当开关打开时螺线管两端的电压反转将造成更大的共态电压转向（swing），从电池的高端电压掉到比接地还要少一个二极体的降压等级（反向电压被钳制二极体所限制）。因此在这里所使用的放大器必须要能提供准确的分流器电压（电流）测量结果，而且当开关关闭时能忽略大量且快速的共模电压转向。

此设计与低端开关、高端检测电路图二相同，能够测量短路接地的情形，因为所有的螺线管电流都从高端流过分流器，如(图三)所示。

简单的高端电源测量线路

因此，单电源差动放大器需具备完成单一IC封装所需要的全部性能。 (图四)为应用在ECU内以测量高端电流的范例。

《图四 具备低端螺线管和高端关关及检测的电子控制器》

该放大器在这里用来放大和滤波来自分流器的小量差分电压，而将上述提及的大量共态转向排除在外。 (图五)为内部线路功能区块图。

《图五 功能区块图》

在考虑采用便宜的运算放大器和外部电阻来设计差动放大器之前，注意在测量螺线管电流时，如果想要达到控制应用准确度的性能，需要用差异在0.01％以内的电阻来建构线路。具备内建雷射调整电阻，能够在处理交流（AC）与直流（DC）电压作业时都达到此精确程度。而小型封装整合线路（SOIC）封装格式的典型飘移及增益漂移分别为6μV/℃和10ppm/℃。此功能亦具备从直流电到10kHz的最低80 dB共模抑制（common-mode rejection）。除了提供SOIC封装格式外，也可以晶片方式供应。这两种封装选择都能在宽广的温度范围内正常作业，因此适合用于许多汽车及工业平台上。 SOIC封装格式的规格是－40℃到＋125℃，而晶片是从－40℃到＋150℃。而前置放大器的输出端还有一个额外可存取100-kΩ电阻，可以与外部电容一起当作低通（low-pass）滤波器运用，与外部电阻合用可作出不同于预设为20的增益值。

（作者任职于ADI美商亚德诺）

延 伸 阅 读	未来智慧手机的电源管理技术 两个顺接串联的螺线管L=L1+L2+2M，其中M为两螺线管互感。这两式均已经证明，但若同时使用这两式进行计算时，将出现矛盾。经计算发现，其根本原因在于有限长螺线管内部磁场的计算方法上。相关介绍请见「 有限长螺线管串联等效电感的计算」一文。 为了正确选定磁体生产工艺、绝缘和黏接材料并进行机械性能测试，需要绕制超导螺线管磁体模型线圈，实验物理中心超导组全体同志不分昼夜连续作战，克服多种困难，经过三个多月的奋战，模型线圈绕制完成并固化成形。你可在「 BESIII超导螺线管磁铁模型线圈试验全部完成 」一文中得到进一步的介绍。 有三个因素与通电螺线管周围的磁场有关：螺线管的磁极、电流方向及绕线情况。在这三个因素中，任意两个都能决定第三个。 在「 全面理解通电螺线管」一文为你做了相关的评析。

市场动态

Aerco公司推出一系列直流供电的管状螺线管(Solenoid)，这种名为Black Knight的螺线管可提供各种尺寸大小，工作电压从6V至24V，额定连续闭合功率在4W至17W，有焊缝安装和底板安装两种，可插入或拉出，最少可进行200万次作业。相关介绍请见「 Aerco的直流供电螺线管适用于汽车电子产品」一文。 NS推出两款高速度、低失真的差动放大器以及另外两款高速度、低功率的12位元类比/数位转换器，为讯号路径提供一个高效能、高准确度及低功率的解决方案。 NS的LMH6550及LMH6551放大器晶片是专为驱动全新12位元ADC12DL040及ADC12DL065等高速类比/数位转换器而设计。你可在「 NS差动放大器可驱动12位元、65 Msps类比/数位转换器」一文中得到进一步的介绍。 凌特发表可驱动高解析度类比数位转换器(ADC)的最新全差动放大器LT1994。特别针对2.375V～12.6V的操作范围而设计的LT1994，具有保证工作电压最低至2.375V与轨对轨输出的特色，能直接驱动2.5V～3V SAR ADC，而不须负向电源供应。在「 凌特发表新款全差动放大器」一文为你做了相关的评析。