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電容儲能式高速電磁閥驅(qū)動電路的研制
閱讀：1298 發(fā)布時間：2012-10-10高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是柴油發(fā)動機的發(fā)展方向之一。該系統(tǒng)通過控制燃油的共軌壓力和噴油器的快速啟閉來保證發(fā)動機對噴油正時、噴油量及理想噴油率等方面的要求。其中關(guān)鍵執(zhí)行器件是高速電磁閥，其電流響應(yīng)特性決定其驅(qū)動電路應(yīng)滿足下列基本要求。
1. 電磁控制閥開啟前的能量強激功率驅(qū)動模塊應(yīng)以盡可能高的速率為電磁閥注入能量, 確保電磁控制閥在開啟過程中產(chǎn)生足夠大的電磁作用力, 縮短開啟響應(yīng)時間。
2. 電磁控制閥開啟后, 因工作氣隙較小, 磁路磁阻很低, 電磁線圈通入較小的保持電流便能產(chǎn)生足夠大的電磁作用力以保證電磁控制閥的可靠開啟。小的保持電流可以降低能量消耗, 減小線圈發(fā)熱, 同時有利于電磁控制閥的快速閉合?！?/p>
綜上所述，電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計要求在電磁閥的不同工作階段應(yīng)維持相應(yīng)的理想驅(qū)動電流。
目前常見的電磁閥驅(qū)動電路大致分為可調(diào)電阻式、雙電壓式、脈寬調(diào)制式和雙電壓脈寬調(diào)制式4種。
其中可調(diào)電阻式驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單但功耗較大，雙電壓式功耗有所減小但仍不理想。脈寬調(diào)制式與雙電壓脈寬調(diào)制式均采用PWM來控制電磁閥保持電流，大大減小了功耗。與脈寬調(diào)制式相比，雙電壓脈寬調(diào)制式的好處在于電磁閥保持電流由蓄電池提供，減輕了DC/DC升壓電路的負(fù)載。
然而上述的幾種驅(qū)動電路存在的共同問題是難以確保在噴油脈寬時序重疊的情況下電磁閥的正常打開。這是因為當(dāng)兩路噴油信號在相位上重疊時，其中一路電磁閥的導(dǎo)通將導(dǎo)致DC/DC升壓電路的電壓瞬時下降，這時的電壓將無法保證另一路電磁閥的正常打開。
本文的課題背景中，柴油高壓共軌轉(zhuǎn)子機前后雙缸分別配備雙噴油器，即引燃噴油器和主噴油器分別獨立控制，且兩路噴油器在部分工作中噴油時序重疊。因此需設(shè)計開發(fā)一種新型的驅(qū)動電路，以保證在這部分情況下噴油器能正常工作，即保證噴油正時和噴油量。
電容儲能式
高速電磁閥驅(qū)動電路
主體電路
轉(zhuǎn)子機前缸的引燃噴油脈寬信號INJ1與后缸的引燃噴油脈寬信號INJ3通過或非門后，輸入到驅(qū)動芯片驅(qū)動功率MOS管Q1，DC/DC升壓后的100V電源通過Q1打開后向電容C1充電，在噴油脈寬周期內(nèi)Q1關(guān)斷。PWM發(fā)生器通過功率MOS管Q2控制12V電源輸入的占空比。Q1與Q2的源極分別通過二極管D11和D12連接電磁閥L1與L3的上端，D11和D12的作用是將100V和12V兩個不同電壓的電源隔離開。INJ1和INJ3分別通過低端功率MOS管Q4和Q5實現(xiàn)選缸。D13、D14為續(xù)流二極管。電流檢測放大器與PWM發(fā)生器相連實現(xiàn)反饋控制。
電路工作過程如下。當(dāng)ECU輸出噴油脈寬INJ1時，Q4選缸導(dǎo)通，電容C1在INJ1開始時刻向電磁閥L1放電。這時Q5無選缸信號，電磁閥L3截止，Q1關(guān)斷，禁止100V向電容C1充電，12V自行反向截止。直到C1放電至低于12V后，12V通過Q2以PWM方式向電磁閥L1提供能量。PWM占空比通過電流檢測放大器實現(xiàn)反饋控制。INJ1結(jié)束后，Q4關(guān)斷，L1截止，Q1導(dǎo)通，100V開始向C1充電。當(dāng)發(fā)動機經(jīng)過一個工作循環(huán)，ECU輸出后缸引燃噴油脈寬INJ3時，電容C1已充滿電，這時部分重復(fù)上述工作過程，Q5選缸導(dǎo)通，電磁閥L3工作，電磁閥L4截止。
電磁閥的電流波形圖，從中可以看到電磁閥的整個工作過程。A點時刻C1開始放電，電磁閥電流迅速上升；在B點時刻電磁閥電流到達峰值電流約30A；至C點時刻C1電壓從100V降到12V，12V電源開始提供電流，電路中設(shè)置了保持電流10A，D點時刻噴油脈寬結(jié)束，電磁閥關(guān)斷，電容C1開始充電；E點時刻電容C1充滿,電壓上升到100V。
與上述類似，轉(zhuǎn)子機前缸的主噴油脈寬信號INJ2與后缸的主噴油脈寬信號INJ4通過另一放電電容C2以相同方式工作。
通過設(shè)置C1和C2兩個放電電容，在INJ1與INJ2、INJ3與INJ4時序重合的工作狀態(tài)下保證了開啟電壓各自穩(wěn)定在100V，從而保證了電磁閥的可靠打開。
A點到C點時刻電容在放電的過程中電壓同時在下降。這*符合前述的電磁閥工作特性。與雙電壓脈寬調(diào)制式驅(qū)動電路相比，電容儲能式的驅(qū)動電路功耗更小。且由于電容每次儲能是有限的，所以可防止在某些意外狀況下電磁閥發(fā)生過載燒毀。
同時，電容儲能式驅(qū)動電路無需象其他幾種驅(qū)動電路那樣必須通過噴油脈寬同步產(chǎn)生一個開啟脈寬做為高壓的控制信號，從而簡化了電路邏輯。
PWM及驅(qū)動電路
本設(shè)計中PWM發(fā)生芯片選用了TL494 PWM芯片，其中兩路誤差放大器分別用于前后兩缸引燃與主噴的電流檢測負(fù)反饋接口，無需另外增加運放。
驅(qū)動器選擇了IR公司的浮地驅(qū)動芯片IR2103。需要注意的是IR2103外圍自舉電容和反向二極管的選擇。在IR2103部分工作時，既需要保證在開關(guān)管關(guān)斷過程中自舉電容充電時間足夠短，又應(yīng)保證在開關(guān)管導(dǎo)通過程中電容電壓下降不大，這就要求自舉電容具有合適的電容量且漏電流要小。反向二極管的選擇則要求在打開時，其反向漏電流必須足夠小，以維持自舉電容兩端的壓差。
電容器的選擇
為保證高壓開啟部分能提供足夠的能量，需對放電電容的容量進行計算。
由圖3的電磁閥電流波形，對曲線進行近似積分，估算電磁閥開啟所需電量C約為24mF，考慮一定的余量后，選擇容量為33mF的電容。需要注意這里的放電電容應(yīng)滿足高壓、高頻、大電流工作條件下的反復(fù)充放。經(jīng)過比較后本設(shè)計選用了金屬化聚丙烯薄膜電容器。
電流檢測電路
本驅(qū)動電路的另一特點是采用了電流檢測反饋控制PWM輸出。與恒定PWM占空比控制方式相比，電流閉環(huán)反饋PWM控制可在電池電壓變化的情況下保證電磁閥保持電流的恒定。這一點對于保證噴油量的是很必要的。
目前一般的電流反饋控制往往采用在低端設(shè)置接地電阻進行電流采樣。這種方式的好處在于結(jié)構(gòu)簡單，成本低。然而卻存在一些問題，如電流檢測時電磁閥續(xù)流環(huán)難以包含在內(nèi)，精度較低等。
本驅(qū)動電路采用了電流檢測的方法。電流檢測的好處在于不僅解決了其電流檢測時續(xù)流環(huán)難以包含在內(nèi)的問題而且提供了部分的短路保護，此外，測量精度也較高。
但高速電磁閥的開啟電壓高達100V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通IC的工作電壓。一般來說電流檢測芯片往往由于自身工作電壓的限制難以在高壓領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此在應(yīng)用中需設(shè)計搭建外圍電路來實現(xiàn)電流檢測芯片的浮地工作。
電流檢測芯片采用了Maxim公司的MAX4172。該器件是差分輸入、電流值輸出的電流檢測放大器，輸出電流值與輸入差模值成比例，易轉(zhuǎn)化為對地電壓值。
Z9、R38和Q14組成并聯(lián)穩(wěn)壓器。齊納二極管Z9將IN 、IN-、VCC與GND之間的電壓箝位在10V,電阻R38與三極管Q14則保證齊納二極管Z9的逆向偏置電流保持在一個合適的值。只要在齊納二極管Z9的工作電流范圍內(nèi)，通過調(diào)整R38的大小即可使得該電流檢測電路在任意高的電壓下工作。箝位電壓設(shè)為10V，以及設(shè)置二極管D13和電容C35的目的都是為了保證在低壓保持PWM階段使整個電流檢測電路供電電壓的穩(wěn)定。三極管Q13和電阻R39將輸出電流值轉(zhuǎn)換成對地的電壓值，該電壓值被反饋到PWM發(fā)生器TL494的誤差比較口，與設(shè)定的反饋比較電壓Vl進行比較，進而實現(xiàn)對PWM的反饋控制。
其中R39的阻值和反饋比較電壓Vl的大小是根據(jù)電磁閥的工作電流倒推計算得到的。已知MAX4172的輸出與輸入的比例系數(shù)Gm=10mA/V，設(shè)定檢測電阻Rs=10mW，電磁閥保持電流期望值為10A。經(jīng)計算V1為1.5V。
從2的電磁閥電流波形可以看到在設(shè)定反饋比較電壓V1 =1.5V的參數(shù)下，電流檢測反饋控制后的電磁閥保持電流穩(wěn)定在10A左右。
結(jié)語
電容儲能式電磁閥驅(qū)動電路具有以下特點。
1. 特別適用于如轉(zhuǎn)子機中引燃和主噴兩個噴油脈寬時序上可能重疊的情況?？纱_保電磁閥開啟高壓的穩(wěn)定；
2．電容放電模式更符合電磁閥的電流響應(yīng)特點。有利于保護電磁閥并降低功耗；
3．無需產(chǎn)生開啟脈寬。只需單片機給出噴油脈寬即可工作，簡化了驅(qū)動電路；
4．電路采用電流檢測反饋控制的PWM輸出。與低端設(shè)置采樣電阻的電流檢測方法相比，不僅能控制電磁閥保持電流，解決了電流檢測時電磁閥續(xù)流環(huán)難以包含在內(nèi)的問題，而且提供了部分的短路保護。
通過在發(fā)動機電控系統(tǒng)中應(yīng)用這種新型驅(qū)動電路，已初步實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。