一种高压共轨喷油器的驱动电路设计

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

0 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。

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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。 [p]

    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。 [p]

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。