基于嵌入式系統的天然氣噴嘴驅動系統的研究

蔣兆杰，張禮林

0 引言

隨著能源危機的加劇以及愈來愈嚴格的尾氣排放法規的實施，天然氣發動機相對普通內燃機的優勢逐漸體現出來，可以說天然氣發動機是內燃機發展的一個新方向。天然氣噴嘴作為天然氣發動機的主要零部件，其性能的對天然氣發動機有著至關重要的影響，隨著科技的進步，天然氣發動機燃油噴射系統已經從單純的機械混合進氣發展到電控多點噴射。在電控天然氣發動機燃油噴射系統中，天然氣噴嘴的驅動技術是整個系統正常運行的關鍵。

可靠的天然氣噴嘴驅動系統是天然氣噴嘴穩定工作的保障，本文根據天然氣噴嘴的工作原理，設計了一套基于嵌入式操作系統的天然氣噴嘴驅動系統，該系統不僅僅可以提供天然氣噴嘴的驅動，同時具有相應的天然氣噴嘴故障診斷功能，經過試驗驗證，該系統驅動穩定可靠，在天然氣噴嘴發生故障時可以有效的保護整個系統。

1 天然氣噴嘴驅動系統分析

一般情況下ECU通過控制天然氣發動機噴嘴的通斷來控制天然氣噴嘴的打開與關閉，由于天然氣噴嘴電磁鐵為電感元件，因此在電路系統中，天然氣噴嘴電磁鐵可以視為一只電阻與一只電感的串聯。穩定可靠的天然氣噴嘴驅動系統是天然氣噴嘴穩定工作的保障，在其設計過程中需要考慮天然氣發動機噴嘴的響應、功耗、可靠性等因素，即根據天然氣噴嘴的不同狀態控制流經其電磁鐵的電流的大小。一般情況下天然氣噴嘴的驅動電流采用峰值-維持式，及通過峰值電流使其能夠快速打開，通過維持電流將天然氣噴嘴維持在打開狀態，其電流波形，如圖1所示：

圖1 天然氣發動機噴嘴驅動電流波形

通過綜合考慮各個因素，天然氣噴嘴的驅動峰值電流為5A，保持電流為2.5A，保持電流閾值1A，驅動電壓為24V。

在嵌入式系統中，主控制器是整個系統的大腦，主控制器的選型對整個系統有至關重要的影響。天然氣噴嘴驅動系統采用XC167單片機作為主控制器。XC167單片機有豐富的外部資源，可以產生驅動天然氣噴嘴的PWM信號，根據天然氣噴嘴驅動的反饋信號進行故障診斷，可以進行外部模擬量的采集如溫度、壓力等，同時可以與外部其他系統進行通信，驅動系統框圖，如圖2所示：

圖2 驅動系統框圖

根據整個驅動系統的功能，整個系統可以劃分為兩個部分，天然氣噴嘴驅動模塊和天然氣噴嘴故障診斷模塊，為了最大程度的減少反復過程、縮短開發周期，節省開發成本，主要的硬件電路都經過仿真平臺驗證。

2 天然氣噴嘴驅動模塊的設計

天然氣噴嘴波形控制模塊如圖3所示：

圖3 驅動系統框圖

峰值電流控制電路和保持電流控制電路同時連接到執行器，峰值電流控制電路控制驅動電流的峰值，保持電流控制電路控制流經天然氣噴嘴的電流在保持電流的閾值范圍內振蕩，直至結束。為了進一步提高驅動系統的可靠性，只有當峰值控制信號或者保持控制信號與選缸信號共同作用，天然氣噴嘴才可以打開工作。

當天然氣噴嘴開始工作時，峰值控制信號和保持控制信號同時使能峰值電流控制電路和保持電流控制電路向天然氣噴嘴供電，此時流經天然氣噴嘴的電流隨著時間而增長；當電流保持電流的閾值上限時，保持電流控制電路停止向天然氣噴嘴供電，此時峰值控制電路繼續向天然氣噴嘴供電；當電流超過峰值電流時，主控制器禁止峰值電流使能信號，由于天然氣噴嘴電磁鐵為電感元件，流經天然氣噴嘴的電流不會立刻消失為零，而是逐漸的下降；當電流下降到保持電流閾值下限時，保持電流控制電路向天然氣噴嘴供電，此時流經天然氣噴嘴的電流逐漸增加；當電流增加到保持電流的上限時，保持電流控制電路停止供電，直到電流下降到保持電流下限。保持電流周而復始的工作，把流經天然氣噴嘴的電流始終控制在保持電流的閾值內。

保持電流控制電路利用施密特觸發器原理來控制天然氣噴嘴的通斷，即將施密特觸發器的翻轉閾值設置為天然氣噴嘴保持電流的上下閾值。利用施密特觸發器可以精確的控制流經天然氣噴嘴的電流。保持電流控制電路，如圖4所示：

圖4 保持電流控制電路

3 天然氣噴嘴故障診斷模塊設計

在工作過程中，天然氣噴嘴的故障會對真個系統造成嚴重的破壞，特別是執行器短路故障。如果發生短路，需要立即停止驅動輸出，如果停止的不及時，會導致驅動電路燒毀。所以對故障診斷模塊的要求不僅僅是判斷準確，還需要快速反應。所以系統在試驗過程中需要一直對執行器的狀態進行監控。系統主要通過軟件對執行器的電流反饋信號分析來完成故障診斷。

天然氣噴嘴故障診斷模塊軟件流程，如圖5所示：

圖5 故障診斷程序流程圖

在天然氣噴嘴的驅動信號使能后，進行該通道天然氣噴嘴的故障診斷。故障診斷的硬件信號來自電流采樣電阻，采樣電阻與天然氣噴嘴串聯，因此采樣電阻的電流與天然氣噴嘴電流相同，采樣電阻兩端的電壓與驅動電流成正比，電流采樣電阻為阻值為0.1歐姆，因此基本上不會對驅動造成很大的影響。由于采樣電阻阻值很小，因此轉化成電壓后，電壓信號的幅值很小，需要對該電壓信號進行放大。放大后的電壓信號就是故障診斷的輸入信號，該信號與預設定的電壓值進行比較，當超過預定值時，比較器將觸發相應的脈沖信號，MCU采集到該脈沖時，進行相關的計算和判斷。在流程圖中，斜率ABC的值為C>A>B；其中C為短路最小斜率，A為電感值或電阻過小的最小斜率，B為電阻值或者電感值過大的最大斜率。

4 驅動系統功能驗證

天然氣噴嘴驅動印刷線路板，由于在設計過程中對主要電路做了大量的仿真計算，在印刷線路板制作完成之后，在很短的時間就可以完成線路板的調試工作。示波器采集天然氣噴嘴電流波形，其中示波器刻度每格為1A，從圖可以看出峰值電流為5A，保持電流為2.5A，范圍為2A～3A，符合天然氣噴嘴的驅動要求，如圖6，圖7所示：

圖6 驅動線路板

圖7 試驗電流波形

圖8為通過示波器采集的短路瞬間電流波形，深顏色為噴嘴電流波形，淺顏色為驅動停止信號波形，模塊動作在故障發生后的12us左右，短路電流不超過30A，不會損壞驅動電路。

圖8 短路瞬間電流波形

5 結束語

結合天然噴嘴工作原理，設計了天然氣噴嘴的驅動系統，試驗表明該驅動系統工作穩定可靠，能夠準確的對天然氣噴嘴的各種故障進行診斷，并且能夠及時正確的處理，能夠滿足天然氣噴嘴試驗的需要。由于天然氣噴嘴驅動是天然氣發動機電控單元的核心模塊，因此該系統的開發為下階段天然氣發動機電控單元的開發打下了基礎。

[1]高崴，寇偉，宋國民.新型共軌壓電噴油器驅動模塊開發及應用，現代車用動力，2010.2: 32-35.

[2]蔣誠，宋國民，謝洪斌.柴油機高壓共軌ECU的PCB設計與開發，現代車用動力，2011.5: 6-9.

[3]馬超，杭勇.ECU硬件在環用渦輪增壓共軌柴油機模型開發，現代車用動力，2010.2: 10-13