缸內直噴發動機高速電磁閥驅動電路設計

陳林，董小瑞，王艷華

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

缸內直噴發動機高速電磁閥驅動電路設計

陳林，董小瑞，王艷華

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

汽油機缸內直噴技術已經成為實現汽車節能環保的有效措施。控制電磁閥高速啟閉是發動機缸內直噴技術實現的關鍵技術。針對缸內直噴技術對電磁閥響應特性的要求，設計了實現電磁閥快速響應的驅動電路。對電磁閥驅動采用Peak&Hold電流驅動模型，在桌面版級設計軟件上搭建基于ACS755XCB-050集成芯片電流反饋控制驅動電路，驅動電磁閥動作、控制噴油器噴油。仿真實驗結果表明，基于電流反饋控制的驅動電路能夠快速響應電磁閥驅動要求，并控制流過電磁閥驅動電流大小。

汽油機噴油器驅動控制電路電磁閥

1 引言

能源危機和環境污染已經成為全球普遍關注的焦點，并伴隨著汽車保有量的持續增加，形勢越來越嚴重。開發具有汽油機優點同時又具備柴油機部分負荷高燃油經濟性優點的車用發動機是主要的研究目標[1]。20世紀50年代德國的Benz300SL車型、20世紀60年代的MAN-FM系統、20世紀70年代美國Texaco的TCCS系統和Ford的PROCO系統就已經開始采用汽油機缸內直噴工作方式[2,3]。不過當時由于內燃機制造水平低和電控噴射技術尚未應用，開發出的缸內直噴汽油機節能環保方面并不理想，沒有得到實際應用。20世紀90年代后，隨著發動機制造技術進步和電控汽油系統的應用，使得GDⅠ汽油機瞬態響應好，可以實現精確的空燃比控制，具有快速冷起動和減速斷油能力以及潛在系統優化能力，比進氣道噴射汽油機更優越[4,5]。汽油機缸內直噴技術只有借助先進電子控制技術和電子控制策略才能充分發揮其優勢[6]，也使得許多發動機制造企業重新考慮GDⅠ汽油機的潛在優點。采用基于ACS755XCB-050芯片的缸內直噴驅動電路設計可以實現對GDⅠ汽油機更好的驅動，實現噴油定時準確，噴油量控制精確和預噴的良好控制。

2 發動機缸內直噴驅動電路總體設計要求

汽油機缸內直噴技術實現的關鍵是控制高速電磁閥快速開啟和關閉，對電磁閥驅動控制有以下基本要求：

（1）驅動電磁閥具有高速通斷的響應特性，以滿足不同工況對噴射系統噴射速率、基本噴射量和預噴射的要求。

（2）精確控制電磁閥電磁力大小，以保證電磁閥可靠、迅速地開啟、維持和關斷。

針對GDⅠ驅動電路設計，外部能量以何種方式通過驅動電路驅動電磁閥，直接決定著驅動功率大小和電磁閥電磁力變化特性，進而決定著電磁閥的響應速度[7]。對電磁閥驅動方式有電壓驅動和電流驅動。

電壓驅動電磁閥方式的優點是結構簡單、穩定，但是驅動電壓過小，電磁閥針閥開啟緩慢。增大電壓，可以提高針閥開啟響應速度，但是此時流過電磁閥電流也會增大；關閉電磁閥時，需將電磁閥電流從較大值降為零，減緩電磁閥關閉速度。所以電壓驅動方式的GDⅠ噴油器不能有效地控制動態流量范圍[8]。電流驅動方式通過控制流過電磁閥的電流大小和波形，進而控制電磁力，實現電磁閥快速響應。電磁力大小和電流的平方成正比。若要增大電磁力，就必須增大流過電磁閥的電流。但是電磁閥中長期流過過大電流，會造成閥體過熱。當電磁閥開啟后，應當將流過線圈的電流減小到一定值。這樣既能維持閥門開啟，又可以減小能量損耗，同時便于電磁閥的及時關斷，實現快速停油。流過電磁閥理想電流模型[9]如圖1所示。該波形特點是先高后低。在實際中采用Peak&Hold電流驅動模型[10]，如圖2所示。

圖1 電磁閥理想電流模型

圖2 Peak&Hold驅動電流波形

Peak&Hold模型主要包括3個階段，即大電流上升階段T1、峰值電流Ip維持階段T2和小電流Is維持階段T3。在T1和T2階段流經電磁閥電流快速上升，并經傳感器采樣后維持在峰值電流一段時間，使電磁閥快速開啟并徹底打開。當電磁閥穩定開啟后，只需一個小電流就可以保證電磁閥處于打開狀態，接著進入小電流維持期T3。當需要電磁閥關閉時，小電流可以快速衰減，使電磁閥迅速、可靠關閉。

基于電磁閥線圈理想電流波形，電磁閥消耗總平均功率有如下計算公式[11]：

式中，Ip為電磁閥線圈的峰值電流；R為電磁閥線圈電阻大小；Tp從電磁閥開啟至開始流經電磁閥維持電流時刻的時間；Is維持電磁閥開啟維持電流大小。

由公式可知，功耗與電流平方成正比。因此降低流經電磁閥平均電流，有助于功耗的降低。電流以分段方式工作，相比單一工作電流，功耗節省可超過50%；并且隨著低電流維持期的增加，損耗會相應明顯降低[12]，保證整個噴油系統長期運行。

3 ACS755XCB-050芯片特點

ACS755XCB-050是Allegro MicroSystems公司推出的隔離式電流傳感器集成電路。芯片內部包含精密線性霍爾集成電路和信號調理電路，輸出電壓與一次側電流成正比。可檢測的最大電流為±50 A，工作溫度范圍為-20～85℃。該集成電路廣泛應用于汽車及工業系統中的電流檢測、電機控制、過程控制、伺服控制、電源轉換、電池監控、過電流保護等領域。

ACS755XCB-050輸出電壓靈敏度為53-65 mv/A、溫度為25°時，靈敏度為60 mv/A、輸出阻抗為1Ω、輸出電容為10 nF、滿量程輸出誤差為±10%、非線性失真為±5%、靜態輸出電壓為0.5Ⅴ、電源電壓范圍為4.5～5.5Ⅴ、電源電流消耗最大為10 mA、頻率帶寬為13 kHz、隔離電壓為3 kⅤ。

ACS755XCB-050芯片內部包含精密線性霍爾傳感器電路、自動補償電路、前置放大器、濾波器、輸出放大器、溫度補償電路以及穩壓器。開環霍爾電流傳感器電路包含磁芯和放置在磁芯開口氣隙上的霍爾元件。當電流流經穿過磁芯中心孔載流導線時，產生一個與導線電流成比例的磁場。霍爾元件對感應磁場進行檢測，經信號放大、濾波和補償，輸出一個與一次側電流成線性關系的電壓信號。

ACS755XCB-050使用范圍廣、反應靈敏、響應快、精度高、可靠性強，可滿足在汽車中的應用要求。

4 基于ACS755XCB-050電流反饋的GDI驅動電路設計

在GDⅠ燃油噴射系統中，為了使流經電磁閥的驅動電流波形為Peak&Hold模型，設計中采用基于ACS755XCB-050集成電路的PWM驅動電路。

4.1 GDⅠ硬件總體電路設計

GDⅠ噴油器驅動電路總體硬件結如圖3所示。該電路由ECU模塊、電源升壓模塊、高端自舉電路和基于ACS755XCB-050電流PWM控制模塊組成。ECU模塊用于產生驅動電路控制信號，實現噴油定時、噴油量大小以及預噴的控制。電源升壓模塊用于實現電源電壓變換，將系統電源電壓變換成電路設計要求的電壓。高端自舉電路包含ⅠR2100集成芯片和外圍電路，用于接受PWM控制信號，驅動MOSFET開關管Q1的導通和關斷，控制流經電磁閥的電流大小。

圖3 噴油器驅動電路總體硬件結構

工作原理如下：ECU根據發動機各傳感器信號，進行噴油驅動正時，產生選缸信號和高端MOSFET管驅動觸發信號，同時通過D/A模塊產生參考電壓。選缸信號驅動相應缸的低端MOSFET管導通，其脈寬決定了噴油量；觸發信號和PWM脈沖信號共同控制高端MOSFET管的導通，一開始使電流以較大的速率上升到峰值電流Ip，驅動電磁閥快速開啟；ACS755XCB-050傳感器檢測流過電磁閥的電流，并轉化電壓信號，與ECU設定的參考電壓共同作用。一旦流過電磁閥電流達到峰值電流，產生峰值保持電流PWM脈沖控制信號，控制Q1的通斷，使電路流過穩定電流Ip；峰值保持期T1過后，ECU輸出低維持電流電壓參考值，產生相應PWM脈沖，控制電磁閥電流Ih,一直到T3結束，關斷電磁閥。電路就如此循環往復，控制電磁閥啟閉，實現噴油正時、噴油速率和噴油量的控制。對電流波形控制，采用基于電磁閥電流負反饋方式進行控制，可以減小電源電壓波動對電磁閥工作特性造成的影響。其控制精度高，是一種可以滿足柔性控制要求的理想驅動方式[13]。

4.2 基于ACS755XCB-050芯片的電流反饋控制電路

如圖4所示，脈寬調制控制電路采用硬件實現。ACS755XCB-050電流傳感器能自動將采樣的電流值轉化成電壓輸出。輸出的電壓與電流的關系如下：

其中U為傳感器輸出電壓，單位為mⅤ，I為流經傳感器電流，單位為A，K為比例系數，值為600 mⅤ/A，電壓正比于電流。通過對電流采樣，將流經電磁閥的電流轉變成電壓與單片機設定的參考電壓進行比較，產生PWM脈沖，高頻地控制MOS管Q1的通斷，形成反饋，從而控制主電路驅動。驅動電流工作于Peak&Hold工作模式。

簡單運放比較器具有結構簡單、靈敏度高的特點，但是抗干擾性差。如果輸入擺動緩慢，輸出擺動也可能相當緩慢。所以在在驅動回路中增加RS觸發器，以增強電路抗干擾能力；并通過引入電阻R2和R3的分壓，可以調節主電路中電流波動幅度。這樣只需控制主電路中的參考電壓，即可控制主電路的波形。

5 GDI驅動電路試驗驗證

在基于ACS755XCB-050芯片電流反饋控制電路中，電路采用60Ⅴ電源電壓，設置噴油脈寬4 ms，所測得的電流波形如圖5所示。從圖可知，從噴油器ECU發出噴油脈沖高定平開始，驅動電流上升到峰值電流時間為198 μs；隨后通過ACS755XCB-050實時采集流經電磁閥線圈的電流，產生PWM脈沖，控制高端MOSFET通斷，產生穩定持續電流。當噴油脈沖結束時，驅動信號驅動MOSFET關斷，電流通過續流回路迅速衰減為0，電磁閥關閉，停止噴油。

圖4 噴油器脈寬調制驅動控制電路

圖5 電流波形圖

6 結束語

通過GDⅠ驅動電路分析和試驗模型驗證可得出如下結論：

（1）驅動電路通過采用ACS755XCB-050芯片，可以實現對電磁閥基于Peak&Hold電流模型的控制，實現噴油器快速開啟和關閉，降低電路功耗，提高噴油器工作的可靠性和穩定性，延長GDⅠ系統壽命。

（2）驅動電路采用電流負反饋，可以改善流過電磁閥線圈中電流波動，提高系統穩定性。對驅動電路采用PWM控制，能提高驅動電路響應速度，實現噴油器噴油正時和噴油量準確控制。

（3）驅動電路能根據發動機不同工況，自動進行PWM控制，結構簡單；同時能簡化ECU軟件設計，降低成本。

1 Michael Grady．Gasoline Direct Injection[J]．Motor Age，2006，125(6)：112-117．2 Zhao F，Lai M，Harrington D.L．A Review of Mixture Preparation and Combustion Control Strategies for Spark-Ignited Direct Injection Gasoline Engines[C]．SAE Paper 970627，1997．

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5 Spicher U，Reissing J，Kech J M，et．Gasoline Direct Injection(GDI)Engines Development Potentialities[C]．SAE Paper，1999-01-2938．

6楊世春，李君，李德剛．缸內直噴汽油機技術發展趨勢分析．車用發動機，2007(5)：8～10．

7 Schechter M.M．Fast response multiple solenoid．SAE820203，1982，846～857．

8李建文，楊生輝，舒華，等．電噴發動機噴油電路波形的分析．汽車電器，2002：9～11．

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11張靖，翟羽鍵.基于功率吸收原理的高速電磁閥驅動方法.測控技術,2002,21(6):48～49．

12宋軍，黃建平，李孝祿，等．柴油機高速電磁閥驅動特性仿真分析.車用發機,2005，10(5)：48～49.

13宋軍,李書澤,李孝祿,等．高速電磁閥驅動電路設計及實驗分析[J].汽車工程，2005(5)：546～549.

Design of Driving Circuit of High Speed SolenoidⅤalve for Gasoline Direct-Ⅰnjection Engine

Chen Lin,Dong Xiaorui,Wang Yanhua
（College of Mechatronic Engineering,North University f China,Taiyuan 030051,China）

The technology of Gasoline engine of direct-Ⅰnjection has become the effective measure for the energy saving and environmental protection in automobile.Control of high speed on-off solenoid valve is the key technology for such engine.According to the requirements of Gasoline Direct-Ⅰnjection on solenoid valve response characteristics,a new type of driving circuit was designed.The Peak&Hold current model was used for the driving circuit of the solenoid valve,and current feedback driving control circuit was built by the ACS755XCB-050 integrated chip based on design software of desktop level to control the actions of the electromagnetic valve for fuel injection.Simulation results illustrate that the drive circuit based on current feedback control can rapidly respond the requirements of the solenoid valve and control the value of current through it.

gasoline engine,injector,drive control circuit,solenoid valve

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.008

來稿日期：2014-01-06

陳林（1987-），男，碩士，主要研究方向為汽車電子控制技術。