基于MC33PT2001 的高壓共軌柴油機噴油器驅(qū)動模塊開發(fā)

曾正祥，彭海勇，繆雪龍

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著社會的高速發(fā)展，全球的汽車保有量顯著增加，環(huán)境污染和能源危機問題惡化顯著[1]。世界各國都開始制定汽車節(jié)能減排與新能源汽車的技術(shù)路線，作為傳統(tǒng)動力的內(nèi)燃機，更清潔的排放，更高效的燃燒和更好的經(jīng)濟性是未來發(fā)展趨勢[2]。柴油機噴油系統(tǒng)的靈活性和可靠程度對降低CO2、顆粒物和NOX的排放有著重要作用。

噴油器通過穩(wěn)定、可靠、即時的驅(qū)動電路保證噴油控制精度和響應(yīng)速度，噴油器的控制方式和電路設(shè)計一直是高效內(nèi)燃機的研究重點[3-10]。有關(guān)研究中，無錫油泵油嘴研究所謝宏斌[7]等通過優(yōu)化Boost 升壓電路降低硬件能耗，減少PCB 板面積，保證多次噴射電流的穩(wěn)定性；天津大學(xué)劉二喜[8]等對可變續(xù)流的驅(qū)動方式進行研究，發(fā)現(xiàn)與單一續(xù)流相比，噴油器的控制精度更高，驅(qū)動能耗更低，主要是從優(yōu)化驅(qū)動方式的角度來改善噴油效果；哈爾濱工程大學(xué)的茍金[9]利用可編程的MC338 芯片設(shè)計噴油控制系統(tǒng)，但研究主要側(cè)重軟件驅(qū)動，其升壓電路和電流采樣的硬件設(shè)計思路模糊，沒有發(fā)揮可編程芯片的優(yōu)勢。

本文選用恩智浦的最新一代可編程電磁閥驅(qū)動芯片MC33PT2001，該芯片有7 個低邊MOSFET預(yù)驅(qū)動器和5 個外部MOSFE 高邊側(cè)預(yù)驅(qū)動器[11]，可以有效實現(xiàn)可變電流燃油噴射，從而提高燃油噴射的精準性和靈活性，降低系統(tǒng)能耗。

1 基于PT2001 的噴油器驅(qū)動方案

1.1 PT2001 的組成架構(gòu)

MC33PT2001 是飛思卡爾半導(dǎo)體公司開發(fā)的一款可編程門驅(qū)動集成電路芯片，集成了故障診斷模塊、噴射監(jiān)控模塊以及噴射結(jié)束反饋模塊。PT2001可分為供電部分、升壓部分、噴油器驅(qū)動部分、電流反饋檢測部分、SPI 和GPIO 通信以及芯片內(nèi)部邏輯通道6 個部分[11]，包含5 個高邊預(yù)驅(qū)動器（HS）和7 個低邊預(yù)驅(qū)動器（LS），且每個HS 和高壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器一樣，都配備獨立的電荷泵輸出。PT2001 有2 個相同的邏輯通道，包含4 個獨立的微核（uCore）。這些微核可以快速地控制功率MOSFET，準確地和MCU 通訊，及時完成柵極驅(qū)動、電路診斷以及防止程序跑飛。每個邏輯通道都有1 024×16 bit 的Code RAM 和64× 16 bit 的Data RAM，給芯片頻繁的數(shù)據(jù)讀寫提供硬件基礎(chǔ)。PT2001 可輸入電源電壓5～32 V,預(yù)驅(qū)動器電壓運行閾值可達72 V，高邊和低邊驅(qū)動器可識別100 kHz的PWM 脈寬，擁有8 個可選擇的預(yù)定義VDS 監(jiān)控閾值，集成1.0 MHz 備份時鐘，同時提供微碼保護加密，控制原理圖如圖1 所示。

1.2 驅(qū)動模塊整體方案

本文燃油噴射系統(tǒng)的噴油驅(qū)動電路采用經(jīng)典的Peak&Hold 模式[12]，通過設(shè)計優(yōu)良的電磁閥硬件驅(qū)動電路和軟件程序來實現(xiàn)精準的噴油。燃油噴射控制閉環(huán)主要分為MCU 控制單元、PT2001 硬件電路和軟件驅(qū)動程序3 大部分。整體的控制方案是MCU 通過GPIO 向PT2001的STARTx 引腳發(fā)送觸發(fā)信號，通過PWM 向PT2001 傳遞時鐘源，以保證PT2001 的時效性和準確性，再通過SPI 通信，把生成的程序代碼導(dǎo)入PT2001 的Data RAM 和Code RAM 中。從 而保證了軟件可以嵌入到硬件里，噴油參數(shù)可設(shè)置定義，電流波形可控，噴油時刻精準。整體的驅(qū)動方案如圖2 所示。

2 噴油器驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 噴油電磁閥驅(qū)動方式的選擇

噴油器電磁閥經(jīng)典的驅(qū)動方式主要有高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動和半橋驅(qū)動3 種[13]。典型的高邊驅(qū)動如圖3 所示，主要特點是功率開關(guān)元件置于負載的上部，電勢相對更高。當(dāng)VGS為高電平時，NMOS 管導(dǎo)通，電流經(jīng)過負載，噴油器控制電磁閥打開，實現(xiàn)燃油噴射。當(dāng)VGS為低電平時，NMOS 管斷開，電路斷路，噴油器不工作。低邊驅(qū)動如圖4 所示。其與高邊驅(qū)動相比，功率負載與功率開關(guān)位置相反，功率負載端的電勢更高。由于低邊驅(qū)動電路的場效應(yīng)管的開關(guān)頻率較高，所以平均電流采用高頻信號控制，進而實現(xiàn)控制輸出功率。半橋驅(qū)動是一種高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)動相結(jié)合的驅(qū)動方式。如圖5 所示，噴油器電磁閥一端連著高邊驅(qū)動電路的源極，另一端連著低邊驅(qū)動場效應(yīng)管的漏極。芯片通過2 個NMOS 管的通斷來控制噴油器電磁閥的開啟和關(guān)閉。由于半橋驅(qū)動可以提高噴油器的安全系數(shù)，性能更穩(wěn)定，控制更靈活，所以本文電磁閥選用半橋式開發(fā)設(shè)計驅(qū)動電路。

2.2 BOOST 升壓電路設(shè)計

BOOST 升壓電路的主要作用是噴油器開始噴油時，驅(qū)動電路能夠瞬時產(chǎn)生大電流，從而控制電磁閥迅速開啟。為保證升壓電路的精確性和穩(wěn)定性，升壓電路原理如圖6 所示。本文升壓電路的觸發(fā)信號由PWM 傳遞，以N 溝MOS 管作為開關(guān)。當(dāng)PWM 波輸入高電平時，NMOS 管導(dǎo)通，此時NMOS 管相當(dāng)導(dǎo)線，二極管反向截止，電源直接對電感L 充電；當(dāng)PWM 是低電平時，NMOS管斷開，電感的電流反向，電磁能轉(zhuǎn)化為電能，生成高電壓給電容和負載供電，升壓過程結(jié)束。

MC33PT2001設(shè)置獨立低邊預(yù)驅(qū)動器（G_LS7）作為BOOST 升壓模塊，其可承受高達100 kHz 的PWM 脈寬。芯片內(nèi)部的柵極和源極之間設(shè)有下拉電阻，VCCP 給低邊預(yù)驅(qū)動器供電。本升壓電路在VBOOST 引腳旁放置電容，實現(xiàn)對信號濾波處理，在C_LS7 信號輸入端設(shè)有保護電阻R1，在升壓電路高壓端設(shè)有電容和電感，實現(xiàn)保護電路。MC33PT2001 通過VSENSEP4 和VSENSEN4 對電阻Rx 采樣，實現(xiàn)電流檢測。通過電流檢測值與參數(shù)設(shè)定閾值對比，判定MOS 管的開閉，從而電路實現(xiàn)同步階段和異步階段交替升壓的方式。根據(jù)以上電路的升壓原理和PT2001 芯片的特點，本文設(shè)計了如圖7 所示的升壓電路。

2.3 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

本噴油驅(qū)動電路采用Peak&Hold 的驅(qū)動方式，電磁閥開啟前迅速到達峰值電流Ipeak；開啟后，以較小的電流Ihold維持電磁閥開啟狀態(tài)[13]。噴油器驅(qū)動電路需要滿足噴油器在升壓階段、峰值階段、高低壓過渡階段、保持階段以及噴油停止階段正常工作[6]。本設(shè)計采用高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)動相結(jié)合的方式來實現(xiàn)噴油器的瞬時噴油和快速泄流。

本文變壓器的24 V 電壓給VBATT引腳供電，VCCIO用于給I/O 口供電，VCCP 穩(wěn)壓器供電后在引腳上設(shè)置一個電容器。當(dāng)控制電路給Start 引腳高電平時，升壓電路開始工作，PT2001 分別給芯片引腳G_HS 和G_LS 端發(fā)送控制信號。當(dāng)G_HS 接收到控制信號時，電路產(chǎn)生高電流，電磁閥快速打開，當(dāng)芯片引腳B_HS 接收到控制信號時，電路以低壓維持電磁閥開啟狀態(tài)[11]。芯片引腳G_LS1 和G_LS2 控制MOS 管柵極的開閉，控制低邊驅(qū)動電路，負責(zé)發(fā)動機的機選缸。芯片引腳S_HS1 和S_HS2 分別對MOS 管源極電壓監(jiān)測，如果發(fā)生欠壓，則關(guān)閉外部MOSFET，通過芯片引腳VSENSEP1 和VSENSEN1 對電阻R5 采樣，實現(xiàn)電流檢測，具體電路設(shè)計如圖8。

3 驅(qū)動模塊軟件設(shè)計

3.1 MC33PT2001 驅(qū)動程序設(shè)計流程

通過MC33PT2001 匹配的PT2001 Dev Studio軟件設(shè)計噴油驅(qū)動模塊的軟件部分。首先根據(jù)PT2001 說明手冊設(shè)置系統(tǒng)頻率，之后在PT2001 Dev Studio 軟件完成配置寄存器、使能flash 和Drive 等操作。初始化工作結(jié)束后，根據(jù)噴油系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，分別設(shè)計電路的升壓程序和電磁閥的驅(qū)動程序。在DV Studio 軟件可直接在IDE Install Program 配置窗口更改噴油參數(shù)，在DRAM窗口直接配置升壓電壓閾值以及各階段的電流時間，最后可以通過編譯直接生成PT2001_irq.c 和PT2001_irq.h 文件代碼，極大節(jié)省了開發(fā)和調(diào)試時間。具體設(shè)計流程如圖9 所示。

3.2 BOOST 升壓電路驅(qū)動程序

基于BOOST 升壓電路的基本原理，通過異步階段和同步階段相結(jié)合的方式實現(xiàn)穩(wěn)定升壓，達到期望電壓值。在異步階段，當(dāng)G_LS7 輸出PWM 信號時，MOSFET 導(dǎo)通，Vboost電壓值開始上升；而當(dāng)電壓值上升到電壓閾值上限Vboost_High 時，升壓方式轉(zhuǎn)為同步階段。在同步階段，G_LS7 不再輸出PWM 波信號，Vboost電壓開始下降，當(dāng)電壓值減少到電壓閾值下限Vboost_low 時，電路升壓結(jié)束。Boost 升壓電路的控制就是通過檢測電流大小是否超過閾值，當(dāng)超過閾值時將觸發(fā)程序控制電流調(diào)節(jié)環(huán)路和電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，對電流閉環(huán)控制。在 BOOST 電路的升壓過程中，ISENSE4 的上限和下限閾值與Vboost的上限和下限閾值的設(shè)置最為重要，這些參數(shù)都可以在PT2001 Dev Studio IDE 處直接設(shè)置。BOOST 升壓電路具體程序控制流程圖如圖10 所示。

3.3 電磁閥驅(qū)動程序

電磁閥驅(qū)動電路的驅(qū)動程序需要嵌入到噴油工作的整個過程，程序的邏輯功能需要保證電磁閥在噴油的各個階段都能正常工作。在升壓階段，低邊預(yù)驅(qū)動器G_LS7 與連接Vboost的高邊預(yù)驅(qū)動器同時導(dǎo)通，電流快速上升。當(dāng)電流達到升壓電流閾值Iboost時，高邊預(yù)驅(qū)動器關(guān)閉，電流轉(zhuǎn)入峰值階段[14]，此時連接Vbat電壓的高邊預(yù)驅(qū)動器導(dǎo)通，電流增長到峰值電流Ipeak；當(dāng)芯片檢測到電流是Ipeak時，高邊驅(qū)動器開始交替開和關(guān)，電流穩(wěn)定上下波動。當(dāng)芯片內(nèi)部計數(shù)器達到最終值（tpeak_tot）時電流進入高低壓過渡階段，即低邊和高邊驅(qū)動器都不導(dǎo)通，電流逐漸減小，二極管接地；當(dāng)電路減小到維持電流Ihold的最低閾值時進入到保持階段，低邊和VBAT高邊預(yù)驅(qū)動器同時打開，電流達到Ihold峰值，高邊預(yù)驅(qū)動器開和關(guān)交替進行，直到STARTx 引腳檢測到下降沿，一個噴油周期結(jié)束。

利用PT2001 可編程的優(yōu)點，通過PT2001 Dev Studio IDE 設(shè)置升壓電流Iboost，峰值電流Ipeak，保持電流值Ihold，峰值階段的保持時間tpeak_tot，保持階段的保持時間thold_tot等關(guān)鍵參數(shù)，編譯即可生成程序代碼，從而實現(xiàn)整個軟件程序靈活設(shè)置。具體控制流程如圖11 所示。

4 試驗分析

4.1 試驗方案

為了驗證上述設(shè)計電路和程序軟件的穩(wěn)定性和可靠性，突出MC33PT2001 可編程芯片的強大處理能力，分別對 BOOST 升壓驅(qū)動和電磁閥噴油驅(qū)動進行電流分段測試。首先接24V 電源上電，S32K144EVB—Q100 與MC33PT2001 PCB 板連接，電磁閥與所有硬件形成電流閉環(huán)；然后在PT2001 Developer Studio 軟件設(shè)置噴油器參數(shù)，自動生成二進制代碼文件，把PT2001 Load Data Code 生成的PT2001_irq.c 文件和PT2001_irq.h 文件進行編譯，再通過SPI Gen 通訊將文件導(dǎo)入PT2001 芯片；最后通過示波器和萬用電表測試實時電流數(shù)據(jù)。根據(jù)電流數(shù)據(jù)和電磁閥的響應(yīng)分析驅(qū)動模塊的可靠性和穩(wěn)定性，從而保證燃油噴射質(zhì)量。

圖12 是試驗PT2001_LoadData.h 部分代碼示例。

4.2 Boost 升壓驅(qū)動試驗分析

由于PT2001 對于電路電壓調(diào)節(jié)靈活，所以升壓驅(qū)動驗證分別設(shè)置Vboost為40，60，80 V 進行分段驗證，每次測試設(shè)置相同的Iboost、Ipeak、Ihold值，通 過示波器觀察升壓后的電壓值Vboost是否能夠達到設(shè)定值并保持穩(wěn)定。經(jīng)過測試，各階段采樣測試的電壓值都符合升壓的要求。本文展示Vboost設(shè)為80 V 的測試結(jié)果，比較具有代表性。圖13 所示，電壓測試值與0 V 基準線上下高度接近8 個單元，單個單元格代表10 V 壓差，故實際電壓在80 V 左右，符合Vboost初始設(shè)置值，圖中電壓可以達到預(yù)設(shè)要求且保持穩(wěn)定，驗證了本升壓模塊穩(wěn)定可靠。

4.3 電磁閥噴油驅(qū)動試驗分析

通 過SPI 通 信，把不同參數(shù)生成的代碼導(dǎo)入PT2001，測試電磁閥的Peak&_Hold 電流波形圖。圖14 是 設(shè) 置Vboost=60 V，Iboost=16 A，Ipeak=8 A，Ihold=6 A時的噴油器驅(qū)動電路測試波形圖。采樣電阻為15 mΩ，根據(jù)歐姆定律，從圖14 可以看出，電磁閥升壓最大電流約16 A，升壓電流上升的時間在100 μs 以內(nèi)。電磁閥的峰值電流約8 A，峰值電流的保持時間約1 ms。電磁閥的保持電流約6 A，其持續(xù)時間5 ms。最后電磁閥電流在100 μs以內(nèi)實現(xiàn)快速泄流，電磁閥迅速關(guān)閉，一個噴油周期結(jié)束。試驗證明了電磁驅(qū)動電路可以穩(wěn)定可靠地工作，電磁閥電路可以實現(xiàn)瞬時升壓和快速泄流。

5 結(jié)語

本文基于恩智浦新一代可編程汽車芯片MC33PT2001 開發(fā)了柴油機燃油噴射系統(tǒng)的電磁閥驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊充分利用控制芯片PT2001 片的內(nèi)置雙通道，可編程，擁有7 個低邊MOSFET預(yù)驅(qū)動器和5 個外部MOSFE 高邊預(yù)驅(qū)動器的優(yōu)點，實現(xiàn)噴油器電磁閥的可瞬時開啟，快速泄流，實現(xiàn)電流電壓軟件可調(diào)。通過試驗驗證，驅(qū)動時電路的電流波型穩(wěn)定，試驗數(shù)值可以準確吻合軟件的參數(shù)設(shè)置，達到預(yù)期要求，燃油噴射的時間設(shè)定更靈活，控制可以更加精準并且可在線測試。在總結(jié)前人硬件電路和驅(qū)動程序的設(shè)計基礎(chǔ)上，整個噴油驅(qū)動模塊的設(shè)計過程和設(shè)計方法上充分考慮了新一代控制芯片的特性，設(shè)計思路為業(yè)內(nèi)設(shè)計研究者提供一定的參考。