高壓共軌噴油器驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究

吳至錦

摘 要：隨著能源短缺和環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重，我國(guó)也將在2020年施行國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)汽車電控燃油噴油技術(shù)為了滿足節(jié)能減排的要求也逐步提升，電控系統(tǒng)中電磁閥執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)越來越多，且越來越復(fù)雜。其中柴油機(jī)的高壓共軌噴油器的控制是如今柴油機(jī)噴油器精確控制的主要技術(shù)。于是為了滿足最新排放法規(guī)，本項(xiàng)目圍繞柴油機(jī)電控系統(tǒng)的核心部分-電路驅(qū)動(dòng)展開研究，設(shè)計(jì)并完成了高壓共軌噴油器的軟硬件部分，為了滿足性能需求我們采用了飛思卡爾MC9S12XEP100的32位單片機(jī)和MEP240T100 CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件，并且主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和電流調(diào)制電路進(jìn)行了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：電磁閥;驅(qū)動(dòng)電路;高壓共軌柴油機(jī)

1 噴油器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1.1 噴油器驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)

噴油器驅(qū)動(dòng)模塊的核心是EPM240T100C5N，是一個(gè)低成本、低功耗CPLD、即時(shí)啟動(dòng)，非易失性架構(gòu)、當(dāng)前低至25?A備用、提供快速傳播延遲和時(shí)鐘到輸出時(shí)間、提供4個(gè)全球時(shí)鐘，每個(gè)邏輯陣列塊有兩個(gè)時(shí)鐘、用于非易失性存儲(chǔ)的UFM塊并且最多可達(dá)8kbit、多節(jié)芯，可為任意設(shè)備提供外部電源電壓3.3V/2.5V或1.8V。

本文所設(shè)計(jì)的噴油器可以在CPLD的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)車用電磁閥的開啟、關(guān)閉進(jìn)行快速的控制。并在每次關(guān)閉的瞬間將電磁閥上貯存的能量回收到BOOST模塊的輸出電容中，并實(shí)現(xiàn)電磁閥的迅速關(guān)閉，在回收能量的同時(shí)，增加了電磁閥的響應(yīng)速度。該電路還可以全面提供車用電磁閥的診斷信息。

1.2 噴油器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為了能噴油器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和多次噴射的極端環(huán)境下可靠，所以設(shè)計(jì)了此噴油器電路拖布結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，圖中的MOS管的與BOOST高壓相連接，并與多個(gè)MOS管的形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且MOS管會(huì)與二極管和電壓相連，這種結(jié)構(gòu)可以使噴油器在工作時(shí)使每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可以由一個(gè)調(diào)制MOS管所驅(qū)動(dòng)控制這可以大大增加在極端環(huán)境下電路設(shè)備的承受能力。

電路的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示，該圖采用了高，低端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中高端開關(guān)采用集成的高端功率開關(guān)，如英飛凌公司的BTS428。低端開關(guān)一般采用MOS管。在整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程中，如果運(yùn)行正常的話，高端開關(guān)保持恒開。通過控制低端MOS管T1的高速開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的高速開關(guān)控制。

當(dāng)在驅(qū)動(dòng)過程中，出現(xiàn)需要診斷保護(hù)的異常狀況，CPLD將同時(shí)關(guān)閉高，低端的控制輸出，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷保護(hù)的功能，并輸出診斷信息。每次電磁閥關(guān)閉的瞬間，通過D1，D2，電磁閥，C1形成續(xù)流回路，將電磁閥上貯存的能量，回收到BOOST模塊的輸出電容C1中。

本發(fā)明電路的診斷相位圖如圖1-3所示，當(dāng)診斷指示信號(hào)出現(xiàn)上升沿時(shí)，該上升沿將截?cái)嗾r(shí)的低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及正常時(shí)的高端驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖1-3中的信號(hào)1和信號(hào)2，信號(hào)3和信號(hào)4可以反映出在診斷保護(hù)時(shí)刻，正常信號(hào)和非正常信號(hào)的區(qū)別。通過截?cái)嗾Ｐ盘?hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的診斷保護(hù)，確保驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定，可靠工作。

1.3 噴油器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)衍生

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的不僅可以對(duì)噴油器電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，而且可以在只改變CPLD邏輯功能的條件下進(jìn)行油泵的驅(qū)動(dòng)。

正常工作時(shí)，高端驅(qū)動(dòng)信號(hào)為恒高，低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖信號(hào)。當(dāng)電磁閥關(guān)閉的瞬間，驅(qū)動(dòng)電流在很短的時(shí)間t內(nèi)下降到0，大大縮小了油泵實(shí)際的關(guān)閉時(shí)間，提高了油泵的快速響應(yīng)能力。

2 噴油器BOOST模塊設(shè)計(jì)

2.1 BOOST模塊功能簡(jiǎn)述

噴油器工作情況中存在兩種基本工作情況那就是電磁閥閉合和維持，而電磁閥的維持時(shí)間的長(zhǎng)短就基本決定了噴油器所噴油量多少，為了能精準(zhǔn)控制噴油量，噴油器電磁閥必須要有較高的響應(yīng)速度并盡可能快的使電磁閥進(jìn)行閉合為了能簡(jiǎn)單從硬件上達(dá)到這個(gè)目的，經(jīng)過前人的研究，可以提高噴油器電磁閥在進(jìn)行閉合時(shí)的電壓，與此同時(shí)增加其驅(qū)動(dòng)電流，電磁力變大，從而使得噴油器電磁閥快速閉合達(dá)到要求，而為了達(dá)到較高的電壓就必須有BOOST升壓電路，使原本24V電源電壓在需要進(jìn)行噴油脈寬調(diào)制時(shí)升壓到87V，從而在噴油完畢后立馬閉合電磁閥。

2.2 BOOST模塊電路設(shè)計(jì)

BOOST升壓電路控制芯片主要是UCC27324門驅(qū)動(dòng)裝置、UC2843開關(guān)控制器構(gòu)成并與之并聯(lián)。

UCC27424：雙速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)提供4A源和4A吸收峰值電流，是有效驅(qū)動(dòng)MOSFET在米勒平坦區(qū)（曲線）是最為需要的。它有一個(gè)獨(dú)特的雙極和MOSFET混合輸出階段并行還允許有效的當(dāng)前資源和電源電壓低時(shí)下沉。

UC2843：其控制集成電路提供了實(shí)現(xiàn)離線或dc-to-dc固定頻率電流模式控制方案所必需的特性，并且外部組件的數(shù)量最少。內(nèi)部的電路包括一個(gè)欠壓鎖定和一個(gè)精度基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)在誤差放大器輸入端進(jìn)行了精度調(diào)整。IHLP6767：功率電感是高電流降壓和升壓轉(zhuǎn)換器配置、在高電流電源分布式電力系統(tǒng)中的DC/DC轉(zhuǎn)換器高電流噪聲濾波器，在本項(xiàng)目中起到儲(chǔ)能電感作用。

CAT5172：是一個(gè)256位線性錐形數(shù)字罐，非常適合替代機(jī)械電位器和可變電阻。和機(jī)械電位器一樣，CAT5172也有一個(gè)電阻元件，它可以跨V接地或漂浮在電源軌道之間的任何地方，這里主要起到調(diào)整輸出電壓的作用。

FFB20UP20DN：使一種續(xù)流二極管經(jīng)常和儲(chǔ)能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路。電感可以經(jīng)過它給負(fù)載提供持續(xù)的電流，以免負(fù)載電流突變，起到平滑電流的作用。

工作原理：如圖2-1中輸入電壓：

作為開關(guān)管以UCC27424和UC2843A所設(shè)定的周期頻率開關(guān)。使電感儲(chǔ)存能量并釋放能量。

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感以的速度充電，把能量?jī)?chǔ)存在中。當(dāng)截止時(shí)，產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過整流器把儲(chǔ)存的電能以的速度釋放到輸出電容器C46和C47中，從而輸出電壓。

有一數(shù)字電位器CAT5172與UC2843A并聯(lián)，其主要功能就是方便調(diào)節(jié)電壓大小。

在UC2843A信號(hào)端外串聯(lián)了一對(duì)三極管和，它們是要進(jìn)行信號(hào)與的工作。在正常工作下由GROUP1端信號(hào)源起到控制作用，使BOOST電路正常工作，當(dāng)GROUP2端發(fā)出信號(hào)后，就不以GROUP1端信號(hào)工作且BOOST電路停止工作。

3 噴油器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

（1）高低壓驅(qū)動(dòng)電路：根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目所使用的是IR2127芯片作為高低端的驅(qū)動(dòng)芯片，IR2127是一個(gè)高電壓，高速功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出兼容，可達(dá)3.3V。保護(hù)電路檢測(cè)驅(qū)動(dòng)功率晶體管中的過電流并終止柵極驅(qū)動(dòng)電壓。提供了一個(gè)開路漏極故障信號(hào)，表明發(fā)生了過電流停機(jī)。輸出驅(qū)動(dòng)程序具有為最小交叉?zhèn)鲗?dǎo)設(shè)計(jì)的高脈沖電流。可操作地運(yùn)行到+600V，門驅(qū)動(dòng)電源范圍從10到20V。它驅(qū)動(dòng)的是SUD25N15 MOSFET管，其開啟延時(shí)為25ns、關(guān)閉延遲時(shí)間為40ns。正常運(yùn)作時(shí)PWM信號(hào)從使能口IN進(jìn)入，進(jìn)而控制MOSFET管的開閉情況。

（2）電流調(diào)制電路是為了使驅(qū)動(dòng)電路中的電流更加精確，本項(xiàng)目使用了DAC8563是16位是低功耗，電壓輸出，雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器和SN74LVC1G3157是種單通道單刀雙擲（SPDT）模擬開關(guān)，設(shè)計(jì)用于1.65-5.5V的VCC操作。

本項(xiàng)目的電流調(diào)制電路是分為一階電流調(diào)制單元、二階電流調(diào)制單元和高壓開放峰值限制，它們的工作原理是電流處于上升階段時(shí)，比較器LM2903被設(shè)定為電流波峰閾值，當(dāng)電流上升到大于閾值24A時(shí)，比較器LM2903邏輯輸出改變，電流變?yōu)橄陆惦A段同時(shí)比較器LM2903閾值改變?yōu)椴ü入娐烽撝?，?dāng)電流下降到低于波谷電路閾值8A時(shí)，比較器LM2903的邏輯輸出改變，電流變?yōu)樯仙A段，LM2903的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)定為電流波峰閾值。最終完成一個(gè)循環(huán)。

4 本章小結(jié)

本章節(jié)主要是對(duì)于柴油機(jī)高壓共軌噴油器驅(qū)動(dòng)電路的硬件設(shè)計(jì)。然后根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了單片機(jī)功能模塊、BOOST升壓模塊、噴油器驅(qū)動(dòng)模塊和電流調(diào)制模塊，其中噴油器驅(qū)動(dòng)電路是方案設(shè)計(jì)的核心，我們主要介紹了驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行原理和BOOST升壓模塊生成，并設(shè)計(jì)了噴油器驅(qū)動(dòng)模塊和BOOST升壓模塊電路圖，并為了達(dá)到更進(jìn)一步的電流控制我們還設(shè)計(jì)了電流調(diào)職模塊的電路圖，最終我們針對(duì)各部模塊功能進(jìn)行介紹，再進(jìn)行分析和介紹實(shí)現(xiàn)方式，最終展開對(duì)電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)的描述。

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