缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

陳林，董小瑞，王艷華

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

陳林，董小瑞，王艷華

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能環(huán)保的有效措施?？刂齐姶砰y高速啟閉是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)缸內(nèi)直噴技術(shù)對(duì)電磁閥響應(yīng)特性的要求，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)電磁閥快速響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)采用Peak&Hold電流驅(qū)動(dòng)模型，在桌面版級(jí)設(shè)計(jì)軟件上搭建基于ACS755XCB-050集成芯片電流反饋控制驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作、控制噴油器噴油。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于電流反饋控制的驅(qū)動(dòng)電路能夠快速響應(yīng)電磁閥驅(qū)動(dòng)要求，并控制流過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流大小。

汽油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)控制電路電磁閥

1 引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，并伴隨著汽車(chē)保有量的持續(xù)增加，形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重。開(kāi)發(fā)具有汽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又具備柴油機(jī)部分負(fù)荷高燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的研究目標(biāo)[1]。20世紀(jì)50年代德國(guó)的Benz300SL車(chē)型、20世紀(jì)60年代的MAN-FM系統(tǒng)、20世紀(jì)70年代美國(guó)Texaco的TCCS系統(tǒng)和Ford的PROCO系統(tǒng)就已經(jīng)開(kāi)始采用汽油機(jī)缸內(nèi)直噴工作方式[2,3]。不過(guò)當(dāng)時(shí)由于內(nèi)燃機(jī)制造水平低和電控噴射技術(shù)尚未應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)節(jié)能環(huán)保方面并不理想，沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)進(jìn)步和電控汽油系統(tǒng)的應(yīng)用，使得GDⅠ汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)好，可以實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制，具有快速冷起動(dòng)和減速斷油能力以及潛在系統(tǒng)優(yōu)化能力，比進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)更優(yōu)越[4,5]。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)只有借助先進(jìn)電子控制技術(shù)和電子控制策略才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)[6]，也使得許多發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)重新考慮GDⅠ汽油機(jī)的潛在優(yōu)點(diǎn)。采用基于ACS755XCB-050芯片的缸內(nèi)直噴驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GDⅠ汽油機(jī)更好的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)準(zhǔn)確，噴油量控制精確和預(yù)噴的良好控制。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)要求

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是控制高速電磁閥快速開(kāi)啟和關(guān)閉，對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)控制有以下基本要求：

（1）驅(qū)動(dòng)電磁閥具有高速通斷的響應(yīng)特性，以滿足不同工況對(duì)噴射系統(tǒng)噴射速率、基本噴射量和預(yù)噴射的要求。

（2）精確控制電磁閥電磁力大小，以保證電磁閥可靠、迅速地開(kāi)啟、維持和關(guān)斷。

針對(duì)GDⅠ驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，外部能量以何種方式通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電磁閥，直接決定著驅(qū)動(dòng)功率大小和電磁閥電磁力變化特性，進(jìn)而決定著電磁閥的響應(yīng)速度[7]。對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)方式有電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。

電壓驅(qū)動(dòng)電磁閥方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，但是驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)小，電磁閥針閥開(kāi)啟緩慢。增大電壓，可以提高針閥開(kāi)啟響應(yīng)速度，但是此時(shí)流過(guò)電磁閥電流也會(huì)增大；關(guān)閉電磁閥時(shí)，需將電磁閥電流從較大值降為零，減緩電磁閥關(guān)閉速度。所以電壓驅(qū)動(dòng)方式的GDⅠ噴油器不能有效地控制動(dòng)態(tài)流量范圍[8]。電流驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)控制流過(guò)電磁閥的電流大小和波形，進(jìn)而控制電磁力，實(shí)現(xiàn)電磁閥快速響應(yīng)。電磁力大小和電流的平方成正比。若要增大電磁力，就必須增大流過(guò)電磁閥的電流。但是電磁閥中長(zhǎng)期流過(guò)過(guò)大電流，會(huì)造成閥體過(guò)熱。當(dāng)電磁閥開(kāi)啟后，應(yīng)當(dāng)將流過(guò)線圈的電流減小到一定值。這樣既能維持閥門(mén)開(kāi)啟，又可以減小能量損耗，同時(shí)便于電磁閥的及時(shí)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)快速停油。流過(guò)電磁閥理想電流模型[9]如圖1所示。該波形特點(diǎn)是先高后低。在實(shí)際中采用Peak&Hold電流驅(qū)動(dòng)模型[10]，如圖2所示。

圖1 電磁閥理想電流模型

圖2 Peak&Hold驅(qū)動(dòng)電流波形

Peak&Hold模型主要包括3個(gè)階段，即大電流上升階段T1、峰值電流Ip維持階段T2和小電流Is維持階段T3。在T1和T2階段流經(jīng)電磁閥電流快速上升，并經(jīng)傳感器采樣后維持在峰值電流一段時(shí)間，使電磁閥快速開(kāi)啟并徹底打開(kāi)。當(dāng)電磁閥穩(wěn)定開(kāi)啟后，只需一個(gè)小電流就可以保證電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)，接著進(jìn)入小電流維持期T3。當(dāng)需要電磁閥關(guān)閉時(shí)，小電流可以快速衰減，使電磁閥迅速、可靠關(guān)閉。

基于電磁閥線圈理想電流波形，電磁閥消耗總平均功率有如下計(jì)算公式[11]：

式中，Ip為電磁閥線圈的峰值電流；R為電磁閥線圈電阻大?。籘p從電磁閥開(kāi)啟至開(kāi)始流經(jīng)電磁閥維持電流時(shí)刻的時(shí)間；Is維持電磁閥開(kāi)啟維持電流大小。

由公式可知，功耗與電流平方成正比。因此降低流經(jīng)電磁閥平均電流，有助于功耗的降低。電流以分段方式工作，相比單一工作電流，功耗節(jié)省可超過(guò)50%；并且隨著低電流維持期的增加，損耗會(huì)相應(yīng)明顯降低[12]，保證整個(gè)噴油系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行。

3 ACS755XCB-050芯片特點(diǎn)

ACS755XCB-050是Allegro MicroSystems公司推出的隔離式電流傳感器集成電路。芯片內(nèi)部包含精密線性霍爾集成電路和信號(hào)調(diào)理電路，輸出電壓與一次側(cè)電流成正比?？蓹z測(cè)的最大電流為±50 A，工作溫度范圍為-20～85℃。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及工業(yè)系統(tǒng)中的電流檢測(cè)、電機(jī)控制、過(guò)程控制、伺服控制、電源轉(zhuǎn)換、電池監(jiān)控、過(guò)電流保護(hù)等領(lǐng)域。

ACS755XCB-050輸出電壓靈敏度為53-65 mv/A、溫度為25°時(shí)，靈敏度為60 mv/A、輸出阻抗為1Ω、輸出電容為10 nF、滿量程輸出誤差為±10%、非線性失真為±5%、靜態(tài)輸出電壓為0.5Ⅴ、電源電壓范圍為4.5～5.5Ⅴ、電源電流消耗最大為10 mA、頻率帶寬為13 kHz、隔離電壓為3 kⅤ。

ACS755XCB-050芯片內(nèi)部包含精密線性霍爾傳感器電路、自動(dòng)補(bǔ)償電路、前置放大器、濾波器、輸出放大器、溫度補(bǔ)償電路以及穩(wěn)壓器。開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器電路包含磁芯和放置在磁芯開(kāi)口氣隙上的霍爾元件。當(dāng)電流流經(jīng)穿過(guò)磁芯中心孔載流導(dǎo)線時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)與導(dǎo)線電流成比例的磁場(chǎng)?；魻栐?duì)感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)信號(hào)放大、濾波和補(bǔ)償，輸出一個(gè)與一次側(cè)電流成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。

ACS755XCB-050使用范圍廣、反應(yīng)靈敏、響應(yīng)快、精度高、可靠性強(qiáng)，可滿足在汽車(chē)中的應(yīng)用要求。

4 基于ACS755XCB-050電流反饋的GDI驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在GDⅠ燃油噴射系統(tǒng)中，為了使流經(jīng)電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流波形為Peak&Hold模型，設(shè)計(jì)中采用基于ACS755XCB-050集成電路的PWM驅(qū)動(dòng)電路。

4.1 GDⅠ硬件總體電路設(shè)計(jì)

GDⅠ噴油器驅(qū)動(dòng)電路總體硬件結(jié)如圖3所示。該電路由ECU模塊、電源升壓模塊、高端自舉電路和基于ACS755XCB-050電流PWM控制模塊組成。ECU模塊用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)、噴油量大小以及預(yù)噴的控制。電源升壓模塊用于實(shí)現(xiàn)電源電壓變換，將系統(tǒng)電源電壓變換成電路設(shè)計(jì)要求的電壓。高端自舉電路包含ⅠR2100集成芯片和外圍電路，用于接受PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制流經(jīng)電磁閥的電流大小。

圖3 噴油器驅(qū)動(dòng)電路總體硬件結(jié)構(gòu)

工作原理如下：ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器信號(hào)，進(jìn)行噴油驅(qū)動(dòng)正時(shí)，產(chǎn)生選缸信號(hào)和高端MOSFET管驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)D/A模塊產(chǎn)生參考電壓。選缸信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)缸的低端MOSFET管導(dǎo)通，其脈寬決定了噴油量；觸發(fā)信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)共同控制高端MOSFET管的導(dǎo)通，一開(kāi)始使電流以較大的速率上升到峰值電流Ip，驅(qū)動(dòng)電磁閥快速開(kāi)啟；ACS755XCB-050傳感器檢測(cè)流過(guò)電磁閥的電流，并轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)，與ECU設(shè)定的參考電壓共同作用。一旦流過(guò)電磁閥電流達(dá)到峰值電流，產(chǎn)生峰值保持電流PWM脈沖控制信號(hào)，控制Q1的通斷，使電路流過(guò)穩(wěn)定電流Ip；峰值保持期T1過(guò)后，ECU輸出低維持電流電壓參考值，產(chǎn)生相應(yīng)PWM脈沖，控制電磁閥電流Ih,一直到T3結(jié)束，關(guān)斷電磁閥。電路就如此循環(huán)往復(fù)，控制電磁閥啟閉，實(shí)現(xiàn)噴油正時(shí)、噴油速率和噴油量的控制。對(duì)電流波形控制，采用基于電磁閥電流負(fù)反饋方式進(jìn)行控制，可以減小電源電壓波動(dòng)對(duì)電磁閥工作特性造成的影響。其控制精度高，是一種可以滿足柔性控制要求的理想驅(qū)動(dòng)方式[13]。

4.2 基于ACS755XCB-050芯片的電流反饋控制電路

如圖4所示，脈寬調(diào)制控制電路采用硬件實(shí)現(xiàn)。ACS755XCB-050電流傳感器能自動(dòng)將采樣的電流值轉(zhuǎn)化成電壓輸出。輸出的電壓與電流的關(guān)系如下：

其中U為傳感器輸出電壓，單位為mⅤ，I為流經(jīng)傳感器電流，單位為A，K為比例系數(shù)，值為600 mⅤ/A，電壓正比于電流。通過(guò)對(duì)電流采樣，將流經(jīng)電磁閥的電流轉(zhuǎn)變成電壓與單片機(jī)設(shè)定的參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM脈沖，高頻地控制MOS管Q1的通斷，形成反饋，從而控制主電路驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電流工作于Peak&Hold工作模式。

簡(jiǎn)單運(yùn)放比較器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高的特點(diǎn)，但是抗干擾性差。如果輸入擺動(dòng)緩慢，輸出擺動(dòng)也可能相當(dāng)緩慢。所以在在驅(qū)動(dòng)回路中增加RS觸發(fā)器，以增強(qiáng)電路抗干擾能力；并通過(guò)引入電阻R2和R3的分壓，可以調(diào)節(jié)主電路中電流波動(dòng)幅度。這樣只需控制主電路中的參考電壓，即可控制主電路的波形。

5 GDI驅(qū)動(dòng)電路試驗(yàn)驗(yàn)證

在基于ACS755XCB-050芯片電流反饋控制電路中，電路采用60Ⅴ電源電壓，設(shè)置噴油脈寬4 ms，所測(cè)得的電流波形如圖5所示。從圖可知，從噴油器ECU發(fā)出噴油脈沖高定平開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電流上升到峰值電流時(shí)間為198 μs；隨后通過(guò)ACS755XCB-050實(shí)時(shí)采集流經(jīng)電磁閥線圈的電流，產(chǎn)生PWM脈沖，控制高端MOSFET通斷，產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)電流。當(dāng)噴油脈沖結(jié)束時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET關(guān)斷，電流通過(guò)續(xù)流回路迅速衰減為0，電磁閥關(guān)閉，停止噴油。

圖4 噴油器脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)控制電路

圖5 電流波形圖

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)GDⅠ驅(qū)動(dòng)電路分析和試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證可得出如下結(jié)論：

（1）驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)采用ACS755XCB-050芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥基于Peak&Hold電流模型的控制，實(shí)現(xiàn)噴油器快速開(kāi)啟和關(guān)閉，降低電路功耗，提高噴油器工作的可靠性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)GDⅠ系統(tǒng)壽命。

（2）驅(qū)動(dòng)電路采用電流負(fù)反饋，可以改善流過(guò)電磁閥線圈中電流波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路采用PWM控制，能提高驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)噴油器噴油正時(shí)和噴油量準(zhǔn)確控制。

（3）驅(qū)動(dòng)電路能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況，自動(dòng)進(jìn)行PWM控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；同時(shí)能簡(jiǎn)化ECU軟件設(shè)計(jì)，降低成本。

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Design of Driving Circuit of High Speed SolenoidⅤalve for Gasoline Direct-Ⅰnjection Engine

Chen Lin,Dong Xiaorui,Wang Yanhua
（College of Mechatronic Engineering,North University f China,Taiyuan 030051,China）

The technology of Gasoline engine of direct-Ⅰnjection has become the effective measure for the energy saving and environmental protection in automobile.Control of high speed on-off solenoid valve is the key technology for such engine.According to the requirements of Gasoline Direct-Ⅰnjection on solenoid valve response characteristics,a new type of driving circuit was designed.The Peak&Hold current model was used for the driving circuit of the solenoid valve,and current feedback driving control circuit was built by the ACS755XCB-050 integrated chip based on design software of desktop level to control the actions of the electromagnetic valve for fuel injection.Simulation results illustrate that the drive circuit based on current feedback control can rapidly respond the requirements of the solenoid valve and control the value of current through it.

gasoline engine,injector,drive control circuit,solenoid valve

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.008

來(lái)稿日期：2014-01-06

陳林（1987-），男，碩士，主要研究方向?yàn)槠?chē)電子控制技術(shù)。