高壓共軌噴油器驅動技術的研究

吳至錦

摘 要：隨著能源短缺和環境問題愈發嚴重，我國也將在2020年施行國5標準，與此同時汽車電控燃油噴油技術為了滿足節能減排的要求也逐步提升，電控系統中電磁閥執行器驅動越來越多，且越來越復雜。其中柴油機的高壓共軌噴油器的控制是如今柴油機噴油器精確控制的主要技術。于是為了滿足最新排放法規，本項目圍繞柴油機電控系統的核心部分-電路驅動展開研究，設計并完成了高壓共軌噴油器的軟硬件部分，為了滿足性能需求我們采用了飛思卡爾MC9S12XEP100的32位單片機和MEP240T100 CPLD復雜可編程邏輯器件，并且主要對驅動電路和電流調制電路進行了改進。

關鍵詞：電磁閥;驅動電路;高壓共軌柴油機

1 噴油器驅動設計

1.1 噴油器驅動電路模塊設計

噴油器驅動模塊的核心是EPM240T100C5N，是一個低成本、低功耗CPLD、即時啟動，非易失性架構、當前低至25?A備用、提供快速傳播延遲和時鐘到輸出時間、提供4個全球時鐘，每個邏輯陣列塊有兩個時鐘、用于非易失性存儲的UFM塊并且最多可達8kbit、多節芯，可為任意設備提供外部電源電壓3.3V/2.5V或1.8V。

本文所設計的噴油器可以在CPLD的支持下，實現對車用電磁閥的開啟、關閉進行快速的控制。并在每次關閉的瞬間將電磁閥上貯存的能量回收到BOOST模塊的輸出電容中，并實現電磁閥的迅速關閉，在回收能量的同時，增加了電磁閥的響應速度。該電路還可以全面提供車用電磁閥的診斷信息。

1.2 噴油器驅動結構設計

本項目為了能噴油器在高速運轉和多次噴射的極端環境下可靠，所以設計了此噴油器電路拖布結構如圖1-1所示，圖中的MOS管的與BOOST高壓相連接，并與多個MOS管的形成串聯結構，并且MOS管會與二極管和電壓相連，這種結構可以使噴油器在工作時使每個驅動電路可以由一個調制MOS管所驅動控制這可以大大增加在極端環境下電路設備的承受能力。

電路的結構圖如圖1-2所示，該圖采用了高，低端驅動結構，其中高端開關采用集成的高端功率開關，如英飛凌公司的BTS428。低端開關一般采用MOS管。在整個驅動過程中，如果運行正常的話，高端開關保持恒開。通過控制低端MOS管T1的高速開關，來實現對電磁閥的高速開關控制。

當在驅動過程中，出現需要診斷保護的異常狀況，CPLD將同時關閉高，低端的控制輸出，從而實現實時診斷保護的功能，并輸出診斷信息。每次電磁閥關閉的瞬間，通過D1，D2，電磁閥，C1形成續流回路，將電磁閥上貯存的能量，回收到BOOST模塊的輸出電容C1中。

本發明電路的診斷相位圖如圖1-3所示，當診斷指示信號出現上升沿時，該上升沿將截斷正常時的低端驅動信號以及正常時的高端驅動信號。圖1-3中的信號1和信號2，信號3和信號4可以反映出在診斷保護時刻，正常信號和非正常信號的區別。通過截斷正常信號，實現實時的診斷保護，確保驅動電路的穩定，可靠工作。

1.3 噴油器驅動設計衍生

本項目所設計的不僅可以對噴油器電磁閥進行驅動控制，而且可以在只改變CPLD邏輯功能的條件下進行油泵的驅動。

正常工作時，高端驅動信號為恒高，低端驅動信號為脈沖信號。當電磁閥關閉的瞬間，驅動電流在很短的時間t內下降到0，大大縮小了油泵實際的關閉時間，提高了油泵的快速響應能力。

2 噴油器BOOST模塊設計

2.1 BOOST模塊功能簡述

噴油器工作情況中存在兩種基本工作情況那就是電磁閥閉合和維持，而電磁閥的維持時間的長短就基本決定了噴油器所噴油量多少，為了能精準控制噴油量，噴油器電磁閥必須要有較高的響應速度并盡可能快的使電磁閥進行閉合為了能簡單從硬件上達到這個目的，經過前人的研究，可以提高噴油器電磁閥在進行閉合時的電壓，與此同時增加其驅動電流，電磁力變大，從而使得噴油器電磁閥快速閉合達到要求，而為了達到較高的電壓就必須有BOOST升壓電路，使原本24V電源電壓在需要進行噴油脈寬調制時升壓到87V，從而在噴油完畢后立馬閉合電磁閥。

2.2 BOOST模塊電路設計

BOOST升壓電路控制芯片主要是UCC27324門驅動裝置、UC2843開關控制器構成并與之并聯。

UCC27424：雙速MOSFET驅動提供4A源和4A吸收峰值電流，是有效驅動MOSFET在米勒平坦區（曲線）是最為需要的。它有一個獨特的雙極和MOSFET混合輸出階段并行還允許有效的當前資源和電源電壓低時下沉。

UC2843：其控制集成電路提供了實現離線或dc-to-dc固定頻率電流模式控制方案所必需的特性，并且外部組件的數量最少。內部的電路包括一個欠壓鎖定和一個精度基準，該基準在誤差放大器輸入端進行了精度調整。IHLP6767：功率電感是高電流降壓和升壓轉換器配置、在高電流電源分布式電力系統中的DC/DC轉換器高電流噪聲濾波器，在本項目中起到儲能電感作用。

CAT5172：是一個256位線性錐形數字罐，非常適合替代機械電位器和可變電阻。和機械電位器一樣，CAT5172也有一個電阻元件，它可以跨V接地或漂浮在電源軌道之間的任何地方，這里主要起到調整輸出電壓的作用。

FFB20UP20DN：使一種續流二極管經常和儲能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路。電感可以經過它給負載提供持續的電流，以免負載電流突變，起到平滑電流的作用。

工作原理：如圖2-1中輸入電壓：

作為開關管以UCC27424和UC2843A所設定的周期頻率開關。使電感儲存能量并釋放能量。

當開關導通時，電感以的速度充電，把能量儲存在中。當截止時，產生反向感應電壓，通過整流器把儲存的電能以的速度釋放到輸出電容器C46和C47中，從而輸出電壓。

有一數字電位器CAT5172與UC2843A并聯，其主要功能就是方便調節電壓大小。

在UC2843A信號端外串聯了一對三極管和，它們是要進行信號與的工作。在正常工作下由GROUP1端信號源起到控制作用，使BOOST電路正常工作，當GROUP2端發出信號后，就不以GROUP1端信號工作且BOOST電路停止工作。

3 噴油器驅動電路設計

（1）高低壓驅動電路：根據上述方案設計，本項目所使用的是IR2127芯片作為高低端的驅動芯片，IR2127是一個高電壓，高速功率MOSFET和IGBT驅動。邏輯輸入與標準CMOS或LSTTL輸出兼容，可達3.3V。保護電路檢測驅動功率晶體管中的過電流并終止柵極驅動電壓。提供了一個開路漏極故障信號，表明發生了過電流停機。輸出驅動程序具有為最小交叉傳導設計的高脈沖電流。可操作地運行到+600V，門驅動電源范圍從10到20V。它驅動的是SUD25N15 MOSFET管，其開啟延時為25ns、關閉延遲時間為40ns。正常運作時PWM信號從使能口IN進入，進而控制MOSFET管的開閉情況。

（2）電流調制電路是為了使驅動電路中的電流更加精確，本項目使用了DAC8563是16位是低功耗，電壓輸出，雙通道數模轉換器和SN74LVC1G3157是種單通道單刀雙擲（SPDT）模擬開關，設計用于1.65-5.5V的VCC操作。

本項目的電流調制電路是分為一階電流調制單元、二階電流調制單元和高壓開放峰值限制，它們的工作原理是電流處于上升階段時，比較器LM2903被設定為電流波峰閾值，當電流上升到大于閾值24A時，比較器LM2903邏輯輸出改變，電流變為下降階段同時比較器LM2903閾值改變為波谷電路閾值，當電流下降到低于波谷電路閾值8A時，比較器LM2903的邏輯輸出改變，電流變為上升階段，LM2903的邏輯結構設定為電流波峰閾值。最終完成一個循環。

4 本章小結

本章節主要是對于柴油機高壓共軌噴油器驅動電路的硬件設計。然后根據總體設計方案設計了單片機功能模塊、BOOST升壓模塊、噴油器驅動模塊和電流調制模塊，其中噴油器驅動電路是方案設計的核心，我們主要介紹了驅動電路的運行原理和BOOST升壓模塊生成，并設計了噴油器驅動模塊和BOOST升壓模塊電路圖，并為了達到更進一步的電流控制我們還設計了電流調職模塊的電路圖，最終我們針對各部模塊功能進行介紹，再進行分析和介紹實現方式，最終展開對電路的詳細設計的描述。

參考文獻：

[1]鄧東密，鄧萍.柴油機噴油系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]徐家龍.柴油機電控噴油技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]王尚勇，楊青.柴油機電子控制技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]譚浩強.C語言程序設計（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2012.