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一种高压共轨喷油器的驱动电路设计

     内容摘要:分析了高压共轨喷油器电磁阀工作原理,设计的驱动模块采用高电压、大电流对电磁阀的开启加以控制,随后采用低电压、小电流的PWM波维持导通,满足了高压共轨喷油器电磁阀驱动控制的要求。试验表明此驱动电路性能优异,设计运行可靠,能满足高压共轨喷油器电磁阀驱动控制的要求。

     关键词:高压共轨;电磁阀;驱动电路

     引言

 

    高压共轨系统由高压油泵、共轨、喷油器、电子控制单元(ECU)和各种传感器组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵,高压油泵将低压燃油加压成高压燃油,并将高压燃油供入共轨之中。燃油压力是由通过调节供入共轨中的燃油量来控制的。共轨内的高压燃油经高压油管输送到安装在气缸盖上的喷油器内,经喷油器内的喷油嘴将燃油喷入燃烧室内。在电控共轨系统中,由各种传感器检测出发动机的实际运行状况,经过ECU硬件的输入模块进行相应处理,将信号传送给CPU,由CPU进行计算、判断、定出适合于该运行状况的供油量、喷油量、喷油定时等参数,再经过ECU专用集成电路的输出模块进行处理,提供高压预喷射、主喷射和PWM喷射脉冲,驱动电磁阀开关,使发动机处于最佳工作状态。要达到最佳工作状态需要借助灵活可变的喷油速率(多次喷射技术)得以实现,这要求共轨喷油器具有高速响应的特征。而其快速响应特性是通过电磁阀的特殊设计及高压电源(50V)模块快速放电实现的。电控燃油系统核心部件是执行器,电磁阀作为应用最广泛的燃油喷射系统执行器,其驱动电路直接影响燃油喷射系统乃至整个发动机的性能。
    喷油器电磁阀驱动模块是共轨ECU开发的核心技术,现阶段,喷油器电磁阀广泛地采用峰值~维持控制方式,峰值电流为20A左右,维持电流为13A左右,该方式通常由BOOST升压与PWM调制驱动两个部分构成,本研究对这两部分进行详细的分析,并给出相应的实现方法和控制电流波形。

1 升压模块的结构和原理
    喷油器为了实现快速响应需要高驱动电压,这里采用DC-DC转换模块将柴油机24V蓄电池电压转换到50V。50V电源模块是共轨喷油器电磁阀驱动电路中的重要部件,它由升压型DC-DC电路构成。设计思路采用24V斩波-升压-整流-电容充电-放电激励电磁阀的方式,基本构成如图1所示。在充电过程中,开关管闭合,开关处用导线代替。这时,输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加,这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。放电过程这是当开关管断开时的等效电路。当开关断开时,由于电感的电流保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢地由充电完毕时的值变为0。而原来的电路己断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电,电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了,升压完毕。起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。如果电容量足够大,那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复,就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

   

    2 喷油器电磁阀驱动电路

    2.1 半桥驱动电路

    在喷油器的驱动控制中,电磁阀驱动是一个机械、液力、电磁等诸多因素相互作用的过程,为达到保护电磁阀、提高可靠性的目的,对电磁阀控制过程中驱动电流、电流持续时间等参数都有一定的要求,从而使驱动电流表现出特定的波形,所以这里采用半桥驱动电路,如图2所示。实际上是高边驱动和低边驱动的结合,喷油器的两端分别连接相应的MOS管,与电源和地都不连接,高边和低边任何一个MOS管都可以控制喷油器不工作,而执行器要工作,两个MOS管必须都工作。半桥驱动的优点是两个控制信号来控制喷油器的工作状态,可以实现更加灵活和更加复杂的控制逻辑。同时,两个MOS管控制负载,相当于提高了关断喷油器的安全系数,因此适应安全性能苛刻的场合。

 

   
2.2 喷油驱动电路设计
    喷油控制的连接电路原理图见图3。其中,CYD_IJ为CPU提供的初始喷油信号,经过CPLD处理后产生BOOST_IJ为高压喷射脉冲,POW_IJ为正常喷射,用来控制高边MOS管,高边MOS管用来控制喷油器的喷油波形,CYD_IJ为回线控制信号。用来控制低边MOS管,低边MOS管的控制代表着各缸的选缸脉冲,高压预喷射和正常喷射经过线或后控制电磁阀,相应回线控制信号在喷油期间一直有效,当电磁阀迅速打开后,高压信号变低同时正常喷射信号变为PWM控制波形,每个控制信号都有电流采样,然后反馈给CPLD,构成闭环控制回路,最终产生稳定准确的喷油控制脉冲和喷油电流。

 

   
    在6缸或4缸控制中,主控制信号(即高压预喷射和正常喷射信号)每3或2个一组,回线控制信号号和回线控制信号同时有效时,该缸被选中,电磁阀才能打开。回线控制信号在每个缸的喷射过程中一直有效,因此喷射时间的大小主要由主控信号的脉冲宽度决定。在电磁阀打开的过程中,回线控制环路中采样电阻上流过一定值的电流,当该电流超过一定值时,达到内部比较器的阈值,内部的比较器发生翻转,最终产生脉冲宽度可变的PWM波形,控制电磁阀的高速开启和关闭,让电磁阀保持较小且恒定的电流,降低电路的功耗,同时保护器件不被损坏。

   
    电磁阀的理想运动特性是实现在电磁阀通电初期尽快地注入能量,以提高电磁阀的响应速度;在电磁阀通电动作后,只需要提供较小的保持电流。这样不但可以降低能量消耗、减少电磁阀的发热量,而且可以提高电磁阀的断电响应速度。通过控制脉冲来控制功率管的通断,实现“峰值~维持”波形的电流调节方式,控制波形见图5所示,CYD_IJ为CPU提供的初始喷油信号,经过CPLD处理后产生高压喷射BOOST_IJ和正常喷射POW_IJ主控制信号。IJ_VOL为高压预喷射和主喷射信号的线或,即为电磁阀上端的电压,在两个信号同时为高时该信号为高压信号50V,快速开启后为正常电源电压24V。IJ_CUR为电磁阀在喷射过程中的电流,在初始高压喷射过程中该电流迅速上升至峰值电流I_PULL,在高压喷射结束后该电流随着PWM脉冲的变化呈现充电放电的过程,保持在I_HOLD附件,使电磁阀的电流位置在比较低的范围内。

 

   

3 试验验证
    将设计的硬件电路在喷油台架上进行测试,所选用的喷油器型号为BOSCH公司的CRIN1。所需的喷嘴驱动电流图形见图6所示,峰值电流为17.5~19.5A,保持电流为12.5~13.5A。通过实验测得喷油器电流波形如图。所以,通过示波器测量,喷油器峰值电流为19.5A,保持电流为13.5A。电路波形整齐有序,台架验证,该驱动方式工作稳定可靠、效率较高,完全满足喷油器驱动需求。

    4 结论

    在对BOOST升压电路与PWM调制驱动电路进行分析的基础上,给出了喷油器半桥驱动器的实现方法和对应的控制电流波形。试验结果表明,采取相应方法之后电磁阀电流一致性较好,喷油器动态响应较快,性能优异,系统运行可靠,能满足产品实际使用要求。

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