基于MC33816芯片的共軌噴油器驅動單元的設計

劉興華，李聰，安曉東，岳廣照，陳亞楠

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

基于MC33816芯片的共軌噴油器驅動單元的設計

劉興華，李聰，安曉東，岳廣照，陳亞楠

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

根據共軌噴油器的驅動要求，設計了基于智能電磁閥驅動芯片MC33816的智能電控共軌噴油器驅動單元，開發了相應的軟件控制策略。該單元包括DC-DC升壓模塊、高低邊驅動模塊和電流波形反饋控制模塊，實現了Peak & Hold驅動方式。試驗表明，該智能驅動電路性能優異、響應迅速、運行可靠，達到了精確控制噴油量和噴油定時的目的。

共軌噴油器；MC33816；噴射控制；驅動波形；智能驅動單元

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-34-04

前言

高壓共軌系統具有很高的噴油壓力并且獨立于發動機轉速，可以實現對噴油量和噴油定時的靈活、精確控制，這對改善柴油機排放、油耗和動力性等方面具有重要意義。噴油器作為最重要的執行器，其電磁閥對開關動作的響應延時是降低控制精度的主要因素[1]。因此，共軌噴油器驅動電路要求能實現在很高的開關頻率下高效快速的響應，同時盡可能多地降低電能消耗。目前國內外在對高速電磁閥噴油器驅動電路的研究中，多集中在電源管理，驅動電流反饋控制，以及快速提升開啟電流和優化續流電路，減少外圍器件等方面。目的是減少噴油器開關的響應時間同時降低能耗，保證噴油器長時間穩定可靠工作。本文采用智能電磁閥控制芯片MC33816設計噴油器驅動電路，并給出噴油驅動的控制策略，減少不同階段電流的波動，實現對驅動電流的精確控制。

1、共軌噴油器驅動方式和對驅動電流的要求

理想的噴油器驅動電路通常采用Peak & Hold驅動方式[2]，該方式屬于電流驅動型，其典型的驅動電流如圖1所示。在噴油器開啟階段，要求盡可能快地提升至峰值電流，提高電磁閥開閥響應速度；開啟后，較小的電流就可以維持電磁閥的開啟狀態，同時不僅能降低能量消耗，減少發熱量，而且還能縮短電磁閥關閉的延時時間。在關閉階段，為了減少電磁閥的釋放延時，應快速抑制驅動電流，迅速釋放掉電磁閥內的能量，提高控制精度[3]。

圖1 Peak & Hold驅動電流波形

在噴油器打開到關閉過程中的不同階段對驅動電流的變化速率要求不同，并不總是越快越好，而是在不同階段期望不同的電流變化速率。

在圖中的Boost階段，當噴油器注入高電壓時，為了縮短開啟遲滯時間，要求電壓越大越好，以獲得最大的電流上升速率，快速開啟電磁閥。為了確保完全打開，峰值電流需要持續一段時間，如圖中的Peak 階段，該階段電流下降速率應盡量緩慢，波動應小。當完全打開后，電磁閥磁路氣隙減小，磁阻降低，較小的電流就可維持打開狀態，過高的電流反而會導致發熱并可能燒毀噴油器，因此要將其降低到保持階段的電流。在過渡階段即圖中Bypass階段所示，此階段的電流下降速率應盡量緩慢并且不能出現較大的下跌，否則有可能導致噴油器關閉。保持階段，即圖中Hold 階段所示，驅動電流下降到一個合適值，需要保持在一個合適范圍使噴油持續打開。此時要求電流波動越小越好，同時電流下降速率應較小，以使驅動電流盡量平滑。在噴油器關閉階段，即圖中End of Injection 階段所示，此時希望電磁閥線圈內的能量迅速釋放掉，電流迅速下降，使噴油器迅速關閉，以提高噴油持續期的控制精度[4]。

2、基于MC33816芯片的驅動電路設計

MC33816是恩智浦公司開發的智能電磁閥驅動芯片。該芯片專門用于電磁閥的精確控制，并能通過編程實現DC-DC升壓范圍的調節、驅動電流波形的精確調整以及故障監測和診斷。芯片上還提供SPI數據通訊接口，用來與MCU進行通訊，完成控制和診斷信息的交流。

2.1 DC-DC升壓模塊

DC-DC升壓電路采用BOOST方式，最大輸出電壓可達72V。芯片內部集成有用于DC-DC轉換的電流檢測和電壓反饋模塊。電流檢測模塊的作用是設定流過電感電流的上限值和下限值，進而控制存儲在電感中的能量和BOOST輸出電容電壓升高速率，降低輸出電壓紋波的幅度，使其維持在較低水平。電壓反饋模塊用來確定BOOST輸出電壓值，可以編程控制電壓波動范圍，最小可控制在0.3V左右。

該模塊具備變頻工作模式，工作時輸出電容和電感共用電流檢測模塊，其負極連接到MOS管的源極。該模式下，當電流低于設定最小值和超過最大值時觸發MOS管的開關動作；隨著工作條件的不同，占空比和頻率也隨之改變。

DC-DC模塊輸出電壓控制原理如下圖2：

圖2 BOOST電壓控制原理

在升壓開始階段，芯片使能異步模式，此時流過電感的電流值介于0和電感飽和電流值Isat之間。當MOS管導通時，電流流過電感、MOS管和檢測電阻；當MOS管截止時，電流流經二極管輸出給電容。達到VBOOST的上限值之后，內核使能同步模式，直到電容電壓低于VBOOST的下限值。異步和同步模式交替作用，這樣便能獲得穩定的電容輸出電壓值。

2.2 高低邊驅動模塊

MC33816芯片內集成有5路獨立的高邊預驅動和7路獨立的低邊預驅動單元，都由VCCP提供驅動電壓。其中高邊預驅動器需要外接自舉電容，當高邊MOS管接通時用來提高柵極和源極之間的驅動電壓VGS，保證高邊MOS管的正常工作。低邊預驅動器結構與高邊類似，只是不包括自舉電容充電部分。芯片微控制核控制低邊MOS管的開關狀態，用以接通噴油器對地的回路，實現噴油。

2.3 電流波形反饋控制模塊

在低邊驅動中，與MOS管源極相連有電流檢測電阻，用以實時監測不同階段驅動電流閾值，實現噴油器驅動波形的精確反饋控制。具體反饋控制原理如下圖3所示：

圖3 電流波形反饋控制原理圖

在Boost階段，與VBOOST電壓相連的高邊MOS管打開，此時電流在高壓下迅速上升；當電流上升到Iboost時，高邊MOS管全部關閉，此時進入Peak階段。MC33-816內部計時器開始工作，到達Tpeak_off后，電源切換，與VBAT相連的高邊MOS管打開；當電流上升到Ipeak，MOS管關閉，繼續等待計時器到達Tpeak_off，然后再判斷電流是否達到Ipeak，依次循環進行直到達到總時間Tpeak_total。此時進入續流階段，當計時器到達Tbypass時，結束該階段進入保持階段。與Peak階段類似，當計時器達到Thold_off，打開與VBAT相連的高邊MOS管，當電流上升到Ihold，關閉該MOS管，再次等待計時到達Thold_off，依次循環直到計時達到Thold_total結束噴油，這里如果噴油脈沖結束，那么即使計時沒有達到Thold_total也會立即結束噴油。

通過調節不同階段的電流閾值以及時間參數，可以靈活改變驅動電流波形，以適應不同類型噴油器驅動要求。

2.4 噴油器驅動電路總體設計

噴油器控制系統包含控制電路和驅動電路兩個部分，控制電路以MCU為核心，接收傳感器信號和上位機控制信號，計算滿足發動機運轉狀態的燃油噴射量，然后確定噴油器的噴油時刻和持續期，最后發出控制信號給驅動電路[6][7]。基于MC33816搭建的噴油器驅動電路原理圖如下圖4和圖5所示。

圖4 DC-DC升壓電路

圖5 高低邊驅動電路

在DC-DC模塊中，輸入電壓要特別穩定，BOOST電壓才能波動小、控制精確，因此電池電壓要經過π型濾波器輸出。該驅動電路中，采用分時復用的設計，兩路噴油共用電流檢測模塊和高邊驅動，驅動電壓由微控制核在驅動電流的不同階段切換。為了防止高壓端MOS管打開后對低壓部分的沖擊，須增加一個二極管。MCU通過數字I/O以及SPI接口可實現對噴油觸發和故障檢測的控制。

3、驅動單元軟件設計

MC33816具有兩個微控制核心并有自己的指令系統，通過對芯片編程可以實現DC-DC轉換以及最多6路噴油器驅動。驅動軟件設計包含兩部分，一是實現對芯片的初始化（對相應寄存器進行配置），二是對高低邊MOS管驅動信號、電流檢測模塊、DC-DC升壓模塊和故障診斷進行軟件設計。

3.1 MC33816的初始化

對MC33816進行初始化，包括六大部分，分別是對Main寄存器、I/O寄存器、channel1寄存器、channel2寄存器、Diag-nosis寄存器和DataRam寄存器進行配置。完成驅動單元系統時鐘設置、雙核控制資源分配、噴油觸發信號選擇和數據管理等。

3.2 升壓和噴油驅動軟件設計

圖6給出了DC-DC升壓模塊的程序設計框圖。

圖6 DC-DC升壓程序流程

值得注意的是，在開啟異步和同步模式時必須首先載入VBOOST的最大值和最小值，用來作為模式變換的條件。這里FLAG0為噴油是否開始的狀態標志，噴油時FLAG0被置低，沒有噴油信號時為高。噴油驅動不同階段的程序框圖見圖7。

圖7 噴油驅動不同階段程序流程

4、試驗驗證

依據圖4和圖5搭建智能驅動電路，并在油泵試驗臺上進行了試驗驗證。實際測得的噴油器驅動波形見圖。實驗采用博世共軌噴油器，電磁閥直流電阻0.3±0.1Ω，電感0.22 ±0.1mH。；電路采用24V供電，BOOST電壓為70V；設定噴油脈寬0.4ms。由實驗數據可知，峰值電流在56us內迅速上升至22A，峰值持續階段電流波動較小，為19.7±1A；在保持階段電流十分平穩，波動范圍10.5±0.5A，并且噴油器關閉延遲時間為20us，動態響應性能優越。

圖9和圖10示出不同BOOST電壓下的電流變化情況以及響應特性[8]。

圖9 不同BOOST電壓下電流波形

圖10 不同BOOST電壓下響應特性曲線

從圖中可以看出隨著BOOST電壓逐漸增大，開啟電流上升速率以及關閉電流下降速率變大，噴油器開啟和關閉的延遲時間相應減小，動態響應變好。

5、結論

所設計的智能噴油器驅動電路結構簡單，大大減少了MCU外圍器件數量，提高了系統的集成度。實驗證明該驅動單元具有很高的響應速度，運行可靠，通過對芯片的編程可靈活調節驅動電流波形，可適應于多種電磁閥的智能驅動。

[1]Lu, H., Deng, J., Hu, Z., Wu, Z. et al., Impact of Control Methods on Dynamic Characteristic of High Speed Solenoid Injectors[J].SAEP aper 2014-01-1445.

[2]MooneyJ D.Drive circuit modeling and analysis of electronically controlled fuel injectorsfordieselengines[C].SAEPaper 2003-01-3361.

[3]徐權奎,祝軻卿,陳自強,孫佩生,楊林. 高壓共軌式柴油機電磁閥驅動響應性研究[J]. 內燃機工程,2007,(03)：15-19.

[4]郭樹滿,蘇萬華,劉二喜,陳禮勇. 基于自舉電路的共軌噴油器驅動電路優化設計[J]. 農業機械學報,2012,(05)：11-15.

[6]胡穎智,滕勤,劉井生. 缸內直噴汽油機高壓噴油器驅動電路的設計[J]. 電子設計工程,2011,(11)：139-141+144.

[7]陳琛,李云清,王德福. 基于L9707芯片的GDI噴油器驅動電路設計及實驗驗證[J]. 內燃機與動力裝置,2010,(01)：1-6+10.

[8]李克,李廣霞,崔國旭等.一種智能、可靠的電磁噴油器驅動單元的開發[J].汽車工程2013,35(1)：78-81.DOI：10.3969/j.issn.1000-680X. 2013.01.017.

The Design of Driving Circuit of Common-rail Injector Based on MC33816 Chip

Liu Xinghua, Li Cong, An Xiaodong, Yue Guangzhao, Chen Yanan
( Beijing university of technology school of mechanical and vehicle, Beijing 100081 )

According to the driving requirements of the common rail injector, an intelligent electric driving unit based on the solenoid valve driving chip MC33816 was designed, and the corresponding software control strategy was developed. The unit includes DC-DC boost module, high & low side driver module and current waveform feedback control module, and successfully achieves the Peak & Hold driving mode. The experimental results showed that the intelligent driving circuit had excellent performance, fast response and reliable operation, and achieved the purpose of precise control of injection quantity and injection timing.

Common rail injector; MC33816; Injection control; Driving waveform; Intelligent driving unit

U461.9

A

1671-7988(2017)02-34-04

劉興華（1963—），男，副教授，博士生導師，就職于北京理工大學。主要研究方向為發動機電控系統設計、內燃機環境污染與控制。

李聰（1990—），男，碩士，就讀于北京理工大學。研究方向為轉子發動機電控系統設計開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.012