基于mc33pt2000的共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅動電路與底層軟件開發(fā)

李捷輝，冷易凌，段暢

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著環(huán)境污染的日益嚴重，排放法規(guī)日益嚴格，內燃機行業(yè)正朝著更清潔的排放和更好的燃油經(jīng)濟性方向邁進。高壓共軌柴油機在電子控制單元(ECU)的控制下，能夠精確控制燃油供給量和噴射量[1]，從而降低排放，提高能源的利用效率。噴油器電磁閥驅動和燃油計量單元電磁閥驅動的開發(fā)是高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)驅動開發(fā)的重點。更高的控制要求需要更穩(wěn)定的控制器硬件和更高實時性的驅動軟件，因此穩(wěn)定、可靠的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的執(zhí)行器驅動成為了設計的關鍵。傳統(tǒng)電磁閥驅動電路中的升壓芯片通過調節(jié)負載電路電阻改變升壓電壓，靈活性較低，升壓電壓會存在誤差。本研究選用可編程電磁閥驅動芯片mc33pt2000，芯片內部集成了6個微控制器，由編程實現(xiàn)升壓電壓0～80 V可調、電磁閥升壓和維持階段的電流可調，使電壓電流調試更加精確。mc33pt2000可以調節(jié)電磁閥從開啟到關閉期間驅動電流各階段的控制時間，提高供油和噴油的靈活性。

1 電磁閥驅動設計的整體方案

為了精確控制高壓共軌燃油供給量和噴射量，研究開發(fā)了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅動電路和驅動軟件，圖1示出高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥設計整體框圖。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅動分為硬件驅動電路[2]、mc33pt2000驅動軟件及控制單元驅動軟件3個部分。

圖1 電磁閥設計整體框圖

具體設計方案如下：根據(jù)硬件電路原理圖，分別設計升壓電路、噴油器驅動電路和燃油計量單元驅動電路。設計eTPU的PWM程序為mc33pt2000驅動芯片提供時鐘源信號，確保芯片的穩(wěn)定工作。電壓、電流、時間參數(shù)和控制程序通過設計的SPI程序分別寫入mc33pt2000的Data RAM和Code RAM中，從而控制mc33pt2000驅動電磁閥驅動電路的工作。設計eTPU的QOM程序[3]，mc33pt2000工作時，多路eTPU模塊輸出控制信號，分別控制噴油器電磁閥和燃油計量單元電磁閥，eTPU噴油驅動程序控制噴油脈寬和各脈寬之間的間隔時間[4]，eTPU燃油計量單元驅動控制電磁閥的開啟和關閉。

2 電磁閥驅動電路設計

為了提高燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅動的靈活性，以mc33pt2000為控制芯片設計了高壓共軌電磁閥燃油噴射系統(tǒng)驅動電路，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅動硬件電路主要包括Boost升壓電路、噴油電磁閥驅動電路及燃油計量單元電磁閥驅動電路。

2.1 芯片選型

mc33pt2000是一款用于精確控制電磁閥的可編程驅動芯片[5]，通過編程調節(jié)電壓、電流和控制時間，提高了噴油器電磁閥和燃油計量單元電磁閥控制的靈活性。mc33pt2000功能強大，集成了6個微控制器，可以執(zhí)行6項控制任務。7路mos管高邊驅動，8路mos管低邊驅動，用于高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，可以分別控制多路電磁閥驅動電路；2路高頻率的開關驅動，可用于DC/DC轉換；同時具有6路電流高低邊監(jiān)測和診斷，可以實時監(jiān)測電路的電流變化。

2.2 電磁閥升壓電路設計

圖2示出兩種模式下電路中電壓、電流的變化情況。升壓開始階段進入異步模式，mos管打開，24 V蓄電池電壓經(jīng)過穩(wěn)壓后給電感L充電，mos管和采樣電阻Rx兩端電流上升，當采樣電阻Rx上的電流高于電流上限值時，mos管關閉(見圖3)。此時，電流加載到升壓電容上，升壓電容上的電流達到最大值后開始下降，采樣電阻Rx兩端電流下降，升壓電壓VBoost升高。當升壓電壓達到VBoost_High時，VBoost進入同步模式，mos管柵極輸入低電平信號，mos管關閉，VBoost下降，直到VBoost低于VBoost_Low閾值，重新進入異步模式。以此循環(huán)控制升壓電路中的電流和電壓的穩(wěn)定。

該升壓電路具有電流反饋控制，mc33pt2000由VSENSEP和VSENSEN對電阻Rx上的電流進行采樣，根據(jù)采樣結果維持電路中電流的穩(wěn)定，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。當采樣電流Isense大于上限采樣電流Isense_High時，反饋信號標志位置1，G_LS輸出低電平，mos管關閉，電流在Thold_off/Tpeak_off時間內下降，當下降到下限采樣電流Isense_Low時，反饋信號標志位置0，G_LS輸出高電平，mos管打開，電流上升，以此保持電磁閥中電流的穩(wěn)定。

圖2 升壓電路電壓電流變化

圖3 Boost升壓電路

2.3 電磁閥驅動電路設計

噴油驅動電路分為高邊驅動和低邊驅動兩個部分[6]。mc33pt2000輸出控制信號分別控制G_HS和G_LS端。圖4示出噴油器電磁閥驅動電路，驅動兩路噴油器。G_HS1輸入控制信號時，電路由升壓后的高電壓控制，電磁閥快速打開，G_HS2輸入控制信號時，蓄電池低壓經(jīng)濾波后控制噴油驅動電路，維持電磁閥開啟狀態(tài)。電路中二極管防止電流倒灌，起保護電路的作用。

本設計電路選擇N溝道m(xù)os管，N溝道m(xù)os管開啟時，柵極電壓必須大于源極電壓，S_HSx端對mos管源極電壓進行監(jiān)測,得到源極電壓VS_HS，通過自舉升壓，柵極電壓VG_HS比源極電壓VS_HS升高6.5～8 V，確保N溝mos管能夠打開，B_HSx端對自舉升壓電壓VB_HS進行監(jiān)測，確保自舉升壓后的電壓大于源極電壓。

圖5示出噴油器電磁閥低邊驅動電路，G_LS1和G_LS2端輸入發(fā)動機選缸信號，用來控制噴油器電磁閥的開啟和關閉。mc33pt2000輸出控制信號，G_LS端控制mos管的柵極開閉。柵極電壓在G_LS輸入高電平信號時大于源極電壓，mos管打開，低邊柵極電壓在G_LS輸入低電平信號時小于源極電壓，mos管關閉，控制低邊驅動電路。

圖4 噴油器電磁閥高邊驅動電路

圖5 噴油器電磁閥低邊驅動電路

燃油計量單元驅動電路分為高邊驅動和低邊驅動兩個部分。圖6示出燃油計量單元電磁閥驅動電路，mc33pt2000輸出控制信號，分別控制G_HS7和G_LS7端，G_HS7和G_LS7同時輸入控制信號時，燃油計量單元電磁閥打開。通過調節(jié)輸入控制信號的占空比，改變燃油計量單元電磁閥的開度，從而改變高壓油泵的供油量。B_HS7端對自舉升壓電壓VB_HS進行監(jiān)測，確保自舉升壓后的電壓大于源極電壓[7]。

圖6 燃油計量單元驅動電路

3 電磁閥驅動軟件設計

為了驗證硬件驅動電路設計的正確性和穩(wěn)定性，設計相應的驅動軟件，實現(xiàn)電路升壓電壓和各階段電流的調節(jié)且驅動電路可靠運行。驅動軟件設計包含控制芯片驅動程序和控制單元驅動程序兩個部分，控制芯片驅動程序包括升壓驅動程序、電磁閥驅動程序，控制單元驅動程序包括eTPU模塊控制驅動程序和SPI驅動程序。圖7示出控制總體程序流程。程序運行開始進入初始化階段，使能Drive后進入升壓階段。Start端由eTPU控制，根據(jù)Start端的信號控制噴油器和燃油計量單元電磁閥的開閉。

圖7 控制程序流程

3.1 mc33pt2000控制芯片驅動程序

通過使用mc33pt2000 DevStudio編寫控制程序，生成加密的mc33pt2000數(shù)字化代碼，提高了軟件的安全性，并且縮短了開發(fā)調試時間。在mc33pt2000 DevStudio軟件配置窗口中對mc33pt2000的寄存器進行配置，在DRAM配置窗口中設定升壓電壓、各個階段的電流以及時間參數(shù)的十進制DAC_Value值。控制芯片驅動程序設計分為升壓程序和電磁閥驅動程序。

3.1.1升壓驅動程序

升壓驅動程序的設計根據(jù)升壓電路的硬件設計原理進行設計。首先設置增益系數(shù)，設置mc33pt2000的工作模式為升壓模式。讀取升壓上限值VBoost_High, 使能異步模式，進入異步模式階段，開啟升壓。當升壓電壓VBoost大于VBoost_High，讀取升壓下限值VBoost_Low，使能同步模式，進入同步模式階段，升壓關閉。當升壓電壓VBoost小于VBoost_Low時，循環(huán)進入異步模式[8]。

3.1.2電磁閥驅動程序

根據(jù)電磁閥驅動電路的原理設計電磁閥驅動程序。噴油器電磁閥驅動軟件的設計，首先進入初始化階段，設置增益系數(shù)。進入升壓階段，讀取設定的電流的上限值及峰值階段的電流Ipeak，當電流達到設定的上限值時，電流下降，進入峰值階段。讀取峰值階段電流持續(xù)時間Tpeak_tot，計時器計數(shù)到Tpeak_tot進入旁通階段。讀取旁通階段時間Tbypass和維持階段電流Ihold，當計數(shù)器時間到達Tbypass，同時電流降低到Ihold，進入維持階段，讀取維持階段時間Thold_tot和噴油停止階段時間Teoi，當計數(shù)器計數(shù)值與Thold_tot匹配時，進入噴油停止階段。燃油計量單元驅動軟件相比于噴油器驅動軟件缺少了峰值和旁通階段，軟件設計原理相同。

3.2 MCU控制單元驅動程序

mc33pt2000 DevStudio軟件生成的數(shù)字化代碼存放在MC33PT2000_LoadData.c文件中，包含了各個寄存器的配置信息，電壓、電流和時間參數(shù)都會生成相對應的地址，存放在MC33PT2000_dram.h文件中。在初始化函數(shù)中，通過SPI將mc33pt2000寄存器配置的數(shù)字化程序寫入mc33pt2000的相應的地址中，同時在程序運行時，主控制器可以通過SPI實時修改電路中的電壓、電流以及時間參數(shù)。

增強型時間處理單元(eTPU)是為定時控制而設計的智能型協(xié)處理器[9]。將各噴油脈寬、各噴油脈寬之間的間隔時間以及所對應的高低電平信號存放到共用體中，編寫eTPU的QOM函數(shù)[10]，根據(jù)共用體的參數(shù)值，輸出相應的信號控制Startx端，實現(xiàn)各次噴油脈寬的調節(jié)。eTPU向mc33pt2000提供時鐘源信號，由PWM函數(shù)輸出50%占空比的頻率信號。其中單次噴油程序如下：

fs_etpu_qom_init();//QOM函數(shù)初始化

single_injection()//單次噴射Start控制程序

{

my_QOM_event_arrayA[0].p=T1+FS_ETPU_PIN_LOW;//輸出低電平控制Start端，時間為T1

my_QOM_event_arrayA[1].p=T2+FS_ETPU_PIN_HIGH;//輸出高電平控制Start端，時間為T2

my_QOM_event_arrayA[0].p=T1+FS_ETPU_PIN_LOW;//輸出低電平控制Start端，時間為T3

}

4 試驗驗證與分析

為了驗證所設計的驅動電路和驅動軟件的可靠性、準確性，根據(jù)設計的電路原理圖，設計硬件控制器，在HIL臺架上進行測試，測試使用的儀器為示波器和電流鉗，分別對噴油器電磁閥驅動電路和燃油計量單元驅動電路進行測試。

4.1 升壓驅動驗證

由于噴油器驅動電路開始階段由升壓電壓驅動，因此測試噴油器驅動電路時可以同時進行升壓測試。測試在HIL臺架上完成，通過模擬發(fā)動運行過程進行測試，具體如下：將ECU接入dSPACE中，將噴油器兩端分別用線束連接至設計完成的ECU噴油器驅動電路的高邊和低邊引腳，將電流鉗一端連接在示波器上，另外一端夾在高邊線束上。燃油計量單元的連接方法與噴油器連接方式一樣。連接完成后，ECU上電，將程序刷寫到ECU中。用示波器測得升壓電壓為48 V。圖8示出示波器測得的升壓電壓。

圖8 48 V升壓電壓測試

4.2 噴油器電磁閥驅動驗證

通過eTPU模塊輸出控制信號，控制噴油器的開啟和關閉，測得的多次噴油的電流波形見圖9，電路采用24 V電壓供電，Boost升壓電壓穩(wěn)定為48 V，電磁閥峰值電流為16 A，保持電流為 8 A。各次噴油的電流可以在100 μs內升高到最大值，然后進入到峰值電流保持階段，持續(xù)時間為0.15 ms，電流衰減后進入維持階段，維持時間為0.15～0.4 ms，最后快速泄流，泄流時間在50 μs之內。實現(xiàn)了噴油器電磁閥雙電壓、雙維持的控制，滿足噴油器電磁閥快速升壓、快速泄流的要求，驗證了噴油驅動電路和驅動軟件的可靠性。

圖9 多次噴油電流波形

4.3 燃油計量單元電磁閥驅動驗證

圖10示出燃油計量單元電磁閥驅動電流波形，初始電壓為蓄電池提供的24 V電壓，經(jīng)過200 μs上升到最大電流后，進入維持階段，實現(xiàn)了燃油計量單元電磁閥單維持的控制。維持電流和電壓可以精確調節(jié)，關閉時間為100 μs，滿足燃油計量單元電磁閥穩(wěn)定調節(jié)的要求，驗證了燃油計量單元驅動電路和驅動軟件的可靠性。

圖10 燃油計量單元驅動電流波形

4.4 噴油器響應特性和能耗分析

電路設計中，主要是針對驅動電流和電壓的調節(jié)，噴油器電磁閥開啟和關閉時，要求能夠快速地升壓和泄流，開啟之后，只需要較小的電流維持其開啟狀態(tài)。快速的升壓和泄流能夠提高噴油量和噴油時刻的精確性，但是過高的升壓壓力會導致噴油器電磁閥功耗增加，發(fā)熱嚴重，長時間的工作對噴油器壽命會有影響。

本研究選用的控制芯片能夠精確控制升壓電壓在0～80 V任意可調，因此測得30～70 V多組電壓下的噴油器電磁閥上的電流波形，并且測得噴油器電磁閥從開啟至達到最大電流的時間和從維持電流關閉至0電流的時間，將其與固定時間內單次噴油的能耗進行對比。測得的噴油器電磁閥的響應時間和能耗見表1。

表1 不同電壓下響應時間與能耗

具體設定如下：通過軟件編程設定最大電流為21 A，峰值階段電流為18 A，維持階段電流為9 A，設定峰值階段持續(xù)時間為0.15 ms，維持階段持續(xù)時間為0.15 ms，30～70 V之間，每隔5 V修改一次電壓值。低電壓采用24 V蓄電池電壓。

多組電壓下開啟時間與能耗見圖11，開啟時間隨著電壓的升高而降低，能耗隨電壓升高而升高，50～70 V之間開啟時間隨電壓的變化率較小，45～50 V之間，開啟時間曲線和電壓曲線存在交點。泄流時間與能耗關系見圖12。由圖12可知，泄流時間隨著電壓的升高而降低，50～70 V泄流時間隨電壓的變化率較小，45～50 V之間，泄流時間曲線和電壓曲線存在交點。由此可以得出，升壓電壓大于50 V時，能耗較高，升壓電壓低于50 V時，開啟和關閉的時間較長，時間隨電壓的變化速率加快，因此噴油器電磁閥最優(yōu)升壓電壓可以選擇在50 V附近，可使噴油器在能耗較低的工作狀態(tài)下，實現(xiàn)快速開啟和快速泄流。

圖11 開啟時間與能耗的關系

圖12 泄流時間與能耗的關系

5 結束語

采用飛思卡爾新一代可編程控制芯片mc33pt2000開發(fā)了可控電磁閥驅動電路和驅動程序，在HIL臺架上，對噴油器和燃油計量單元驅動電流進行測試，監(jiān)測電流波形，電流穩(wěn)定可靠，響應時間滿足電磁閥響應時間要求。試驗結果表明該驅動電路和驅動軟件具有可行性。同時利用該芯片的便利性設定指定的電壓、電流和各個階段時間，測試并分析不同電壓下的響應時間和能耗，確定最優(yōu)升壓電壓為50 V。