謝木森， 馬 帥， 涂 撰， 華 金， 馮 寧

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

基于MC33816芯片的高速電磁閥驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

謝木森， 馬 帥， 涂 撰， 華 金， 馮 寧

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

基于上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所自主研制的高速電磁閥驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)，采用MC33816 DevStudio開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)雙電源、雙維持型式的電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形。MC33816 DevStudio軟件可靈活設(shè)定Vboost電壓值、強(qiáng)激電流、峰值維持電流、低壓維持電流、峰值維持時(shí)間和低壓電流維持時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，MC33816芯片內(nèi)部的高頻A/D采樣反饋可精確調(diào)制出電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形。在該軟件基礎(chǔ)上成功開(kāi)發(fā)了高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)程序，并進(jìn)行HHM340新型船用低速柴油機(jī)的單缸機(jī)臺(tái)架實(shí)證，驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)程序的優(yōu)良性能。

MC33816芯片；MC33816 DevStudio；燃油噴射閥驅(qū)動(dòng)

0 引 言

燃油噴射電磁閥的驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為柴油機(jī)燃油噴射電控系統(tǒng)的核心技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化是提升柴油機(jī)燃燒質(zhì)量的關(guān)鍵，直接影響著燃油噴射系統(tǒng)乃至整個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所運(yùn)用嵌入式技術(shù)，研制了一款基于飛思卡爾MC33816芯片的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊具有響應(yīng)速度快和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足目前大多數(shù)常見(jiàn)的高速開(kāi)關(guān)電磁閥的驅(qū)動(dòng)需求。

這里采用MC33816芯片的專用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境MC33816 DevStudio，設(shè)計(jì)一種雙電源、雙維持型式的電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形。在HHM340新型船用低速電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)該電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行900 bar高油壓的燃油噴射試驗(yàn)，驗(yàn)證其工作性能。

1 電磁閥驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

1.1高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)原理

根據(jù)高速電磁閥的響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)一種新型雙電壓、雙維持的驅(qū)動(dòng)電流波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速噴油閥的快速啟閉控制。燃油噴射電磁閥的電阻一般較小，通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)可保證電磁閥響應(yīng)的快速性，利用較大的強(qiáng)激電流實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的快速開(kāi)啟，待電磁閥完全打開(kāi)后，轉(zhuǎn)而利用較小的維持電流保證電磁閥的穩(wěn)定開(kāi)啟。

當(dāng)芯片STARTx引腳采集到上升沿信號(hào)時(shí)，通過(guò)Vboost強(qiáng)激電壓產(chǎn)生大電流并維持一定時(shí)間，可保證高速電磁閥的完全開(kāi)啟，再經(jīng)過(guò)Bypass大電流衰減階段，切換至24 V電源供電，利用較小的Hold維持電流，保持高速電磁閥的開(kāi)啟狀態(tài)，Hold維持階段直到芯片STARTx引腳采集到下降沿信號(hào)結(jié)束，進(jìn)入End截止階段結(jié)束單個(gè)噴油過(guò)程。驅(qū)動(dòng)高速電磁閥的目標(biāo)雙電壓、雙維持電流波形見(jiàn)圖1。

以MC33816芯片的第1路Channel 1上微內(nèi)核Ch1uC 0所控制的其中1個(gè)燃油噴射電磁閥的驅(qū)動(dòng)過(guò)程為例，詳細(xì)說(shuō)明芯片的編程開(kāi)發(fā)流程。

1.2芯片資源分配

MC33816芯片最多可采集6路STARTx信號(hào)，分別控制6路高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)輸出，這里設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)4路高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制。設(shè)計(jì)芯片Channel 2第一個(gè)核Ch2uC 0建立Vboost電壓，通過(guò)芯片DC-DC升壓電路把24 V電源泵升為60 V穩(wěn)定的Vboost電壓。設(shè)計(jì)芯片Channel 1的Ch1uC 0和Ch1uC 1分別控制2路電磁閥的驅(qū)動(dòng)輸出，配置Ch1uC 0采集Start 1和Start 2的啟動(dòng)信號(hào)，設(shè)置Ch1uC 1采集Start 3和Start 4的啟動(dòng)信號(hào)。為防止同處一路的2個(gè)STARTx信號(hào)在同一時(shí)刻被觸發(fā)，通過(guò)寄存器設(shè)置芯片的SmartStart智能啟動(dòng)功能，管理所有采集到的STARTx信號(hào)。

基于DC-DC升壓電路的建立原理，需分配第4路專用A/D用于采集Boost強(qiáng)激過(guò)程中的電流波動(dòng)，另外分別分配一個(gè)A/D給微內(nèi)核Ch1uC 0和Ch1uC 1，用于對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行采樣反饋。

1.3Boost強(qiáng)激程序設(shè)計(jì)

MC33816的最大Vboost電壓可達(dá)72 V，根據(jù)實(shí)際電磁閥所需強(qiáng)激電流的大小，可通過(guò)寄存器配置Vboost電壓值，低電壓維持階段采用的是外部Vbat電源，外部Vbat電采用24 V恒壓源。DC-DC強(qiáng)激過(guò)程的具體流程見(jiàn)圖2。

DC-DC升壓過(guò)程中采用基于上下限電流的實(shí)時(shí)電流采集控制方式，所以MC33816芯片的驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)Boost階段的目標(biāo)強(qiáng)激電流值 Vboost_high、目標(biāo)Vboost電壓的下限值 Vboost_low、DC-DC電路中的采樣電路上限電流值 Isense4_high、DC-DC電路中的采樣電路下限電流值 Isense4_low等4個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并把這些數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)在Channel 2專用的數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)DRAM 2中。

1.4驅(qū)動(dòng)電流波形的設(shè)計(jì)

因采用基于上限電流加關(guān)斷時(shí)間的實(shí)時(shí)電流采集控制方式，MC33816的驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)Boost強(qiáng)激階段的強(qiáng)激電流值 I_boost、Peak峰值保持階段的維持電流值 I_peak、Peak峰值保持階段的總時(shí)長(zhǎng) T_peak_tot、Peak峰值保持階段中每次觸上限電流后的關(guān)斷時(shí)間 T_ peak_off、Bypass電流衰減階段總時(shí)間 T_bypass、Hold低壓保持階段的維持電流值 I_hold、Hold低壓保持階段的總時(shí)長(zhǎng) T_hold_tot、Hold低壓保持階段中每次觸上限電流后的關(guān)斷時(shí)間 T_hold _off等8個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括3個(gè)電流值和5個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度值，并把這些數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)在Channel 1專用的數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)DRAM1中。

強(qiáng)激電流值I_boost的選擇需針對(duì)電磁閥的動(dòng)作特性進(jìn)行標(biāo)定，在保證電磁閥完全打開(kāi)的前提下，既要保證閥的快速響應(yīng)特性，又要避免電感線圈因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間通過(guò)大電流造成破損。在Peak峰值維持階段和Hold維持階段，需根據(jù)電磁閥的電磁特性匹配每次觸上限電流后的關(guān)斷時(shí)間，以保證維持過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性。電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形的軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖3。

2 功能性能驗(yàn)證

對(duì)某新型燃油噴射電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)連接圖見(jiàn)圖4，電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用24 V穩(wěn)壓源供電，電磁閥的閥上電流利用電流互感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)顯示在示波器上。通過(guò)合理的參數(shù)配置調(diào)制出目標(biāo)電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流波形，強(qiáng)激過(guò)程僅耗時(shí)300 μs即可產(chǎn)生高達(dá)50 A的強(qiáng)激電流，并在峰值階段保持1 ms后，200 μs內(nèi)迅速衰減到10 A，并可維持200 ms的時(shí)間長(zhǎng)度，關(guān)斷時(shí)間迅速僅需約50 μs，且Vboost電壓在噴射過(guò)程中跌落≤10%，充分滿足高壓共軌柴油機(jī)系統(tǒng)中燃油噴射電磁閥的驅(qū)動(dòng)需求。

使用MC33816 DevStudio開(kāi)發(fā)軟件靈活配置Vboost電壓值、強(qiáng)激電流、峰值維持電流、低壓維持電流、峰值維持時(shí)間和低壓電流維持時(shí)間等各項(xiàng)電流波形參數(shù)，可精確調(diào)制出目標(biāo)電磁閥所需的驅(qū)動(dòng)電流波形，滿足大多數(shù)高速開(kāi)關(guān)電磁閥的驅(qū)動(dòng)需求。

在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)某新型船用低速電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸機(jī)進(jìn)行900 bar燃油噴射油壓的燃油噴射試驗(yàn)，該電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快和工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)良特性。3 Hz噴油頻率，每次噴油15 ms的燃油噴射過(guò)程見(jiàn)圖5，其中較為平穩(wěn)的是300 bar的伺服油共軌油壓波形，多次沖擊的是燃油噴射油壓波形。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用MC33816 DevStudio開(kāi)發(fā)了一套高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)程序，可靈活配置驅(qū)動(dòng)電流波形的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)電磁閥的驅(qū)動(dòng)功能性能需求。經(jīng)過(guò)HHM340新型船用低速柴油機(jī)的單缸機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了本電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)良驅(qū)動(dòng)性能。

[1] 賀玉海.船用低速柴油機(jī)噴油控制用電磁閥研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2015．

[2] 謝榮.船用柴油機(jī)電控共軌噴油技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[J].船舶工程,2009,31(5)：17-19.

[3] Carl Erik Egeberg，Thomas S．Knudsen，M．Per Sorensen．The Electronically Controlled ME/ME-C series will lead the Two-stroke Diesel Engine Concept into the Future[C]．International Council on Combustion Engines，2004：82．

[4] W?rtsil? SwtZerland Ltd.．W?rtsil? RT-Flex Controls WECS-9520 [M]．Switzerland：W?rtsil? SwtZerland Ltd.，2005：256-259．

SoftwareDesignforDrivingHigh-SpeedSolenoidValveBasedonMC33816Chip

XIEMusen,MAShuai,TUZhuan,HUAJin,FENGNing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Techology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The software design for the high-speed solenoid valve drive module developed by Shanghai Ship and Shipping Institute is introduced. And the new design of a dual-power-and- dual-maintaining solenoid valve drive current waveform is achieved by MC33816 DevStudio software,whitch can flexibly set the Vboost voltage, I_boost current, I_peak current, I_hold current, T_peak time, T_hold time and other parameters. MC33816 can modulate variable current waveforms with the internal high frequency A/D sampling modulation. The design is verified through the operation during the bench test of HHM340 diesel engine.

MC33816 chip; MC33816 DevStudio; fuel injection valve drive

TK423

A

2017-05-25

謝木森(1991—)，男，山東淄博人，碩士，主要從事嵌入式設(shè)備研發(fā)工作。

1674-5949(2017)03-0038-04