李捷輝，冷易凌，段暢

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，排放法規(guī)日益嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)正朝著更清潔的排放和更好的燃油經(jīng)濟(jì)性方向邁進(jìn)。高壓共軌柴油機(jī)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(qū)動和燃油計量單元電磁閥驅(qū)動的開發(fā)是高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)的重點(diǎn)。更高的控制要求需要更穩(wěn)定的控制器硬件和更高實(shí)時性的驅(qū)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(qū)動成為了設(shè)計的關(guān)鍵。傳統(tǒng)電磁閥驅(qū)動電路中的升壓芯片通過調(diào)節(jié)負(fù)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(qū)動芯片mc33pt2000，芯片內(nèi)部集成了6個微控制器，由編程實(shí)現(xiàn)升壓電壓0～80 V可調(diào)、電磁閥升壓和維持階段的電流可調(diào)，使電壓電流調(diào)試更加精確。mc33pt2000可以調(diào)節(jié)電磁閥從開啟到關(guān)閉期間驅(qū)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(qū)動設(shè)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(qū)動電路和驅(qū)動軟件，圖1示出高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥設(shè)計整體框圖。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅(qū)動分為硬件驅(qū)動電路[2]、mc33pt2000驅(qū)動軟件及控制單元驅(qū)動軟件3個部分。

圖1 電磁閥設(shè)計整體框圖

具體設(shè)計方案如下：根據(jù)硬件電路原理圖，分別設(shè)計升壓電路、噴油器驅(qū)動電路和燃油計量單元驅(qū)動電路。設(shè)計eTPU的PWM程序為mc33pt2000驅(qū)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(shè)計的SPI程序分別寫入mc33pt2000的Data RAM和Code RAM中，從而控制mc33pt2000驅(qū)動電磁閥驅(qū)動電路的工作。設(shè)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(qū)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(qū)動控制電磁閥的開啟和關(guān)閉。

2 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

為了提高燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅(qū)動的靈活性，以mc33pt2000為控制芯片設(shè)計了高壓共軌電磁閥燃油噴射系統(tǒng)驅(qū)動電路，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥驅(qū)動硬件電路主要包括Boost升壓電路、噴油電磁閥驅(qū)動電路及燃油計量單元電磁閥驅(qū)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(qū)動芯片[5]，通過編程調(diào)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(qiáng)大，集成了6個微控制器，可以執(zhí)行6項控制任務(wù)。7路mos管高邊驅(qū)動，8路mos管低邊驅(qū)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(qū)動電路；2路高頻率的開關(guān)驅(qū)動，可用于DC/DC轉(zhuǎn)換；同時具有6路電流高低邊監(jiān)測和診斷，可以實(shí)時監(jiān)測電路的電流變化。

2.2 電磁閥升壓電路設(shè)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(jìn)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(dāng)采樣電阻Rx上的電流高于電流上限值時，mos管關(guān)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(dá)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(dāng)升壓電壓達(dá)到VBoost_High時，VBoost進(jìn)入同步模式，mos管柵極輸入低電平信號，mos管關(guān)閉，VBoost下降，直到VBoost低于VBoost_Low閾值，重新進(jìn)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(jìn)行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果維持電路中電流的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。當(dāng)采樣電流Isense大于上限采樣電流Isense_High時，反饋信號標(biāo)志位置1，G_LS輸出低電平，mos管關(guān)閉，電流在Thold_off/Tpeak_off時間內(nèi)下降，當(dāng)下降到下限采樣電流Isense_Low時，反饋信號標(biāo)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(qū)動電路設(shè)計

噴油驅(qū)動電路分為高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)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(qū)動電路，驅(qū)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(qū)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(hù)電路的作用。

本設(shè)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(jìn)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(jìn)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(qū)動電路，G_LS1和G_LS2端輸入發(fā)動機(jī)選缸信號，用來控制噴油器電磁閥的開啟和關(guān)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(guān)閉，控制低邊驅(qū)動電路。

圖4 噴油器電磁閥高邊驅(qū)動電路

圖5 噴油器電磁閥低邊驅(qū)動電路

燃油計量單元驅(qū)動電路分為高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)動兩個部分。圖6示出燃油計量單元電磁閥驅(qū)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(diào)節(jié)輸入控制信號的占空比，改變?nèi)加陀嬃繂卧姶砰y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(jìn)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(qū)動電路

3 電磁閥驅(qū)動軟件設(shè)計

為了驗證硬件驅(qū)動電路設(shè)計的正確性和穩(wěn)定性，設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動軟件，實(shí)現(xiàn)電路升壓電壓和各階段電流的調(diào)節(jié)且驅(qū)動電路可靠運(yùn)行。驅(qū)動軟件設(shè)計包含控制芯片驅(qū)動程序和控制單元驅(qū)動程序兩個部分，控制芯片驅(qū)動程序包括升壓驅(qū)動程序、電磁閥驅(qū)動程序，控制單元驅(qū)動程序包括eTPU模塊控制驅(qū)動程序和SPI驅(qū)動程序。圖7示出控制總體程序流程。程序運(yùn)行開始進(jìn)入初始化階段，使能Drive后進(jìn)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(qū)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(diào)試時間。在mc33pt2000 DevStudio軟件配置窗口中對mc33pt2000的寄存器進(jìn)行配置，在DRAM配置窗口中設(shè)定升壓電壓、各個階段的電流以及時間參數(shù)的十進(jìn)制DAC_Value值?？刂菩酒?qū)動程序設(shè)計分為升壓程序和電磁閥驅(qū)動程序。

3.1.1升壓驅(qū)動程序

升壓驅(qū)動程序的設(shè)計根據(jù)升壓電路的硬件設(shè)計原理進(jìn)行設(shè)計。首先設(shè)置增益系數(shù)，設(shè)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(jìn)入異步模式階段，開啟升壓。當(dāng)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(jìn)入同步模式階段，升壓關(guān)閉。當(dāng)升壓電壓VBoost小于VBoost_Low時，循環(huán)進(jìn)入異步模式[8]。

3.1.2電磁閥驅(qū)動程序

根據(jù)電磁閥驅(qū)動電路的原理設(shè)計電磁閥驅(qū)動程序。噴油器電磁閥驅(qū)動軟件的設(shè)計，首先進(jìn)入初始化階段，設(shè)置增益系數(shù)。進(jìn)入升壓階段，讀取設(shè)定的電流的上限值及峰值階段的電流Ipeak，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定的上限值時，電流下降，進(jìn)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(jìn)入旁通階段。讀取旁通階段時間Tbypass和維持階段電流Ihold，當(dāng)計數(shù)器時間到達(dá)Tbypass，同時電流降低到Ihold，進(jìn)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(dāng)計數(shù)器計數(shù)值與Thold_tot匹配時，進(jìn)入噴油停止階段。燃油計量單元驅(qū)動軟件相比于噴油器驅(qū)動軟件缺少了峰值和旁通階段，軟件設(shè)計原理相同。

3.2 MCU控制單元驅(qū)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(yīng)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?qū)懭雖c33pt2000的相應(yīng)的地址中，同時在程序運(yùn)行時，主控制器可以通過SPI實(shí)時修改電路中的電壓、電流以及時間參數(shù)。

增強(qiáng)型時間處理單元(eTPU)是為定時控制而設(shè)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(yīng)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(yīng)的信號控制Startx端，實(shí)現(xiàn)各次噴油脈寬的調(diào)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(shè)計的驅(qū)動電路和驅(qū)動軟件的可靠性、準(zhǔn)確性，根據(jù)設(shè)計的電路原理圖，設(shè)計硬件控制器，在HIL臺架上進(jìn)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(qū)動電路和燃油計量單元驅(qū)動電路進(jìn)行測試。

4.1 升壓驅(qū)動驗證

由于噴油器驅(qū)動電路開始階段由升壓電壓驅(qū)動，因此測試噴油器驅(qū)動電路時可以同時進(jìn)行升壓測試。測試在HIL臺架上完成，通過模擬發(fā)動運(yùn)行過程進(jìn)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(shè)計完成的ECU噴油器驅(qū)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(qū)動驗證

通過eTPU模塊輸出控制信號，控制噴油器的開啟和關(guān)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(nèi)升高到最大值，然后進(jìn)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(jìn)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(nèi)。實(shí)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(qū)動電路和驅(qū)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(qū)動驗證

圖10示出燃油計量單元電磁閥驅(qū)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(jìn)入維持階段，實(shí)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(diào)節(jié)，關(guān)閉時間為100 μs，滿足燃油計量單元電磁閥穩(wěn)定調(diào)節(jié)的要求，驗證了燃油計量單元驅(qū)動電路和驅(qū)動軟件的可靠性。

圖10 燃油計量單元驅(qū)動電流波形

4.4 噴油器響應(yīng)特性和能耗分析

電路設(shè)計中，主要是針對驅(qū)動電流和電壓的調(diào)節(jié)，噴油器電磁閥開啟和關(guān)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)?？焖俚纳龎汉托沽髂軌蛱岣邍娪土亢蛧娪蜁r刻的精確性，但是過高的升壓壓力會導(dǎo)致噴油器電磁閥功耗增加，發(fā)熱嚴(yán)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(diào)，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(dá)到最大電流的時間和從維持電流關(guān)閉至0電流的時間，將其與固定時間內(nèi)單次噴油的能耗進(jìn)行對比。測得的噴油器電磁閥的響應(yīng)時間和能耗見表1。

表1 不同電壓下響應(yīng)時間與能耗

具體設(shè)定如下：通過軟件編程設(shè)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(shè)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(diǎn)。泄流時間與能耗關(guān)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(diǎn)。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(guān)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(shí)現(xiàn)快速開啟和快速泄流。

圖11 開啟時間與能耗的關(guān)系

圖12 泄流時間與能耗的關(guān)系

5 結(jié)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(qū)動電路和驅(qū)動程序，在HIL臺架上，對噴油器和燃油計量單元驅(qū)動電流進(jìn)行測試，監(jiān)測電流波形，電流穩(wěn)定可靠，響應(yīng)時間滿足電磁閥響應(yīng)時間要求。試驗結(jié)果表明該驅(qū)動電路和驅(qū)動軟件具有可行性。同時利用該芯片的便利性設(shè)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(yīng)時間和能耗，確定最優(yōu)升壓電壓為50 V。