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柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)-德國(guó)萊克LIK品牌
發(fā)布時(shí)間:2023/4/13
本文分析了高壓共軌系統(tǒng)中噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)特性，對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的工作原理進(jìn)行了詳盡的闡述。針對(duì)量產(chǎn)時(shí)PCBA噴油器模塊的檢測(cè)手段，通過(guò)對(duì)噴油器工作波形的處理，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試工裝內(nèi)部MCU的讀取和判定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCBA噴油器模塊的篩選。
關(guān)鍵詞：高壓共軌；電子控制單元；升壓電路；測(cè)試工裝
近年國(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件企業(yè)涌現(xiàn)出電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)熱潮，其中電子控制單元（ECU）的開(kāi)發(fā)成為柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的重點(diǎn)，尤其是隨著國(guó)家尾氣排放法規(guī)的升級(jí)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)已成為主流產(chǎn)品。因此ECU電路中對(duì)燃油噴射量的控制變得尤為重要。在柴油機(jī)高壓燃油噴射系統(tǒng)中，油泵負(fù)責(zé)產(chǎn)生燃油的高壓，噴油器負(fù)責(zé)高壓燃油的噴射，而噴油器電磁閥則負(fù)責(zé)對(duì)燃油噴射進(jìn)行精準(zhǔn)控制，包括對(duì)噴油正時(shí)、噴油量和噴射速率的控制等。為了精確計(jì)量燃油，要求噴油器電磁閥的開(kāi)啟響應(yīng)和關(guān)閉響應(yīng)快速。因此，對(duì)電磁閥的控制策略將直接影響著柴油機(jī)的排放和燃燒質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的研究對(duì)于提高柴油機(jī)的性能起著舉足輕重的作用。
1.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1.1噴油器高速電磁閥工作特性
噴油器高速電磁閥的工作過(guò)程可分為5個(gè)階段（如圖1所示)：快速吸合階段t1、高維持電流階段t2、由IH到IL的低維持電流快速切換階段t3、IL吸合階段t4、快速關(guān)斷階段t5。電控噴油器是高壓共軌燃油噴油系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它的開(kāi)發(fā)是噴油系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作中至關(guān)重要的一環(huán)，電控噴油器功能的實(shí)現(xiàn)需要噴油器電磁閥的快速響應(yīng)。電磁閥理想的驅(qū)動(dòng)特性：需要快速注入峰值電流，使其迅速吸合，即t1階段。吸合吸合后，因磁路中氣隙減小磁阻降低，電磁閥僅需較小的電流就能夠維持吸合，即t2和t3階段。在維持吸合階段只需采用較小的維持電流，一方面可以加快電磁閥的釋放速度；另一方面可以減少電磁閥線(xiàn)圈的發(fā)熱，保證整個(gè)噴油系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，即t4階段。最后，為減少電磁閥的釋放延時(shí)，應(yīng)盡快切斷驅(qū)動(dòng)電流，即t5階段。為實(shí)現(xiàn)噴油器電磁閥的快速響應(yīng)，需要引入升壓電路。
1.2噴油器升壓電路原理
一般情況下，噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)電壓越高時(shí)，其閉合速度也就越快，噴油器的響應(yīng)速度也就越快。電磁閥驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具備分階段驅(qū)動(dòng)、高低電壓分時(shí)供電的特性，以滿(mǎn)足電磁閥大電流快速開(kāi)啟、低電流可靠維持的要求。這種特性既利于減小電磁閥線(xiàn)圈的功耗，又便于及時(shí)關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)快速斷油。為實(shí)現(xiàn)這種理想的驅(qū)動(dòng)方式，目前最常使用的是PWM升壓驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。升壓電路主要有升壓儲(chǔ)能電感L，儲(chǔ)能電解電容C，開(kāi)關(guān)二極管D以及功率NMOS管Q組成。當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)電感L，電感線(xiàn)圈飽和之前，線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，E的方向與電流變化方向相反；同時(shí)C向負(fù)載放電，快速回復(fù)二極管D承受反向電壓，儲(chǔ)能電容C不會(huì)通過(guò)二極管放電；當(dāng)Q截止時(shí)，電感線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與電源電壓形成串聯(lián)，以很高的電壓通過(guò)快速二極管向C充電，C兩端形成高壓，并向負(fù)載供電。
1.3噴油器升壓電路設(shè)計(jì)
本研究采用Boost原理進(jìn)行噴油器升壓電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)遵循原則如下：（a）設(shè)計(jì)電磁閥電源電壓為12V，用以提供電磁閥低電流可靠維持的要求；（b）對(duì)蓄電池12V電源進(jìn)行升壓至48V，用以提供電磁閥開(kāi)啟時(shí)的高壓驅(qū)動(dòng)電流；（c）采用PWM方式控制MOS管通斷，實(shí)現(xiàn)電磁閥高低壓驅(qū)動(dòng)電流保持在一個(gè)固定值。此設(shè)計(jì)以ST品牌的L9781TR作為升壓電路控制芯片，通過(guò)預(yù)驅(qū)直接控制MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)升壓功能。12V電源接入L9781TR的VBAT供電端，經(jīng)GLS_T腳產(chǎn)生PWM信號(hào)輸入到MOS管Q的柵極，以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，完成對(duì)電感的充電過(guò)程。MOS管的源極接入毫歐級(jí)的檢流電阻R1，R1兩端分別接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端，利用該芯片內(nèi)部集成的觸發(fā)器和比較器，從而實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換控制。Q關(guān)斷時(shí)，二極管D導(dǎo)通，對(duì)電解電容C開(kāi)始充電，產(chǎn)生輸出電壓Vout，通過(guò)合理設(shè)定R2、R3、R4的值，將VT_FB處電壓維持在2.47~2.60，并輸入至L9781TR對(duì)應(yīng)第12腳來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)Vout數(shù)值，將Vout維持在48V左右。
1.4噴油器高邊控制
電路（圖4）L9781TR通過(guò)GHST_A輸出模擬信號(hào)來(lái)控制Q1的通斷，Q1導(dǎo)通時(shí)將48V高電壓提供給噴油器電磁閥工作。同樣，L9781TR通過(guò)GHSB_A輸出模擬信號(hào)來(lái)控制Q2的導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通時(shí)將12V電源電壓提供給噴油器電磁閥工作。毫歐級(jí)電阻R9用來(lái)進(jìn)行過(guò)流監(jiān)測(cè)，其兩端RSPHS_A和INJH_A分別接至L9781TR的第15腳和第17腳。通過(guò)設(shè)置兩腳之間的電壓差來(lái)間接控制噴油器高邊的通斷。
1.5噴油器低邊控制
電路（圖5）L9781TR通過(guò)GLS_AX輸出模擬信號(hào)來(lái)控制Q3的通斷，Q3的Vgson取[8.5，10]伏間電壓時(shí)，Q3導(dǎo)通，若對(duì)應(yīng)高邊也接通時(shí)噴油器電磁閥就開(kāi)始工作。同理，Q4導(dǎo)通時(shí)，另一路噴油器電磁閥開(kāi)始工作。毫歐級(jí)電阻R15用來(lái)進(jìn)行過(guò)流監(jiān)測(cè)，與圖3中R9的功能相同。
2.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路生產(chǎn)檢測(cè)
由于噴油器電磁閥工作時(shí)電流波形的特殊性，如圖6所示，MCU無(wú)法直接對(duì)該波形進(jìn)行讀取，因此生產(chǎn)簡(jiǎn)易工裝需要對(duì)該波形進(jìn)行特殊處理后才能檢測(cè)。將毫歐級(jí)電阻R16與電磁閥電路串聯(lián)，用TI品牌的INA271將R16的電流變化轉(zhuǎn)化成兩端的電壓變化，見(jiàn)圖7中的波形一，再用電壓比較器對(duì)電壓波形進(jìn)行處理，高維持電流處理后的波形見(jiàn)圖7中的波形三，低維持電流處理后的波形見(jiàn)圖8中的波形四。通過(guò)MCU讀取處理后波形的脈寬，用來(lái)判斷電磁閥是否正常。結(jié)語(yǔ)本文選用L9781TR芯片對(duì)升壓電路及電磁閥進(jìn)行控制，集成度高，可以實(shí)現(xiàn)12V電源情況下噴油器的精準(zhǔn)控制。通過(guò)改善其批量生產(chǎn)時(shí)的檢測(cè)手段，可以在一定程度上篩選出制程中出現(xiàn)的不良品。但由于貼片時(shí)不良品種類(lèi)的不可控性，ECU噴油器電磁閥電路的不良品檢測(cè)方法需要不斷的積累和研究。
關(guān)鍵詞：高壓共軌；電子控制單元；升壓電路；測(cè)試工裝
近年國(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件企業(yè)涌現(xiàn)出電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)熱潮，其中電子控制單元（ECU）的開(kāi)發(fā)成為柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的重點(diǎn)，尤其是隨著國(guó)家尾氣排放法規(guī)的升級(jí)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)已成為主流產(chǎn)品。因此ECU電路中對(duì)燃油噴射量的控制變得尤為重要。在柴油機(jī)高壓燃油噴射系統(tǒng)中，油泵負(fù)責(zé)產(chǎn)生燃油的高壓，噴油器負(fù)責(zé)高壓燃油的噴射，而噴油器電磁閥則負(fù)責(zé)對(duì)燃油噴射進(jìn)行精準(zhǔn)控制，包括對(duì)噴油正時(shí)、噴油量和噴射速率的控制等。為了精確計(jì)量燃油，要求噴油器電磁閥的開(kāi)啟響應(yīng)和關(guān)閉響應(yīng)快速。因此，對(duì)電磁閥的控制策略將直接影響著柴油機(jī)的排放和燃燒質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的研究對(duì)于提高柴油機(jī)的性能起著舉足輕重的作用。
1.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1.1噴油器高速電磁閥工作特性
噴油器高速電磁閥的工作過(guò)程可分為5個(gè)階段（如圖1所示)：快速吸合階段t1、高維持電流階段t2、由IH到IL的低維持電流快速切換階段t3、IL吸合階段t4、快速關(guān)斷階段t5。電控噴油器是高壓共軌燃油噴油系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它的開(kāi)發(fā)是噴油系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作中至關(guān)重要的一環(huán)，電控噴油器功能的實(shí)現(xiàn)需要噴油器電磁閥的快速響應(yīng)。電磁閥理想的驅(qū)動(dòng)特性：需要快速注入峰值電流，使其迅速吸合，即t1階段。吸合吸合后，因磁路中氣隙減小磁阻降低，電磁閥僅需較小的電流就能夠維持吸合，即t2和t3階段。在維持吸合階段只需采用較小的維持電流，一方面可以加快電磁閥的釋放速度；另一方面可以減少電磁閥線(xiàn)圈的發(fā)熱，保證整個(gè)噴油系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，即t4階段。最后，為減少電磁閥的釋放延時(shí)，應(yīng)盡快切斷驅(qū)動(dòng)電流，即t5階段。為實(shí)現(xiàn)噴油器電磁閥的快速響應(yīng)，需要引入升壓電路。
1.2噴油器升壓電路原理
一般情況下，噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)電壓越高時(shí)，其閉合速度也就越快，噴油器的響應(yīng)速度也就越快。電磁閥驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具備分階段驅(qū)動(dòng)、高低電壓分時(shí)供電的特性，以滿(mǎn)足電磁閥大電流快速開(kāi)啟、低電流可靠維持的要求。這種特性既利于減小電磁閥線(xiàn)圈的功耗，又便于及時(shí)關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)快速斷油。為實(shí)現(xiàn)這種理想的驅(qū)動(dòng)方式，目前最常使用的是PWM升壓驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。升壓電路主要有升壓儲(chǔ)能電感L，儲(chǔ)能電解電容C，開(kāi)關(guān)二極管D以及功率NMOS管Q組成。當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)電感L，電感線(xiàn)圈飽和之前，線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，E的方向與電流變化方向相反；同時(shí)C向負(fù)載放電，快速回復(fù)二極管D承受反向電壓，儲(chǔ)能電容C不會(huì)通過(guò)二極管放電；當(dāng)Q截止時(shí)，電感線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與電源電壓形成串聯(lián)，以很高的電壓通過(guò)快速二極管向C充電，C兩端形成高壓，并向負(fù)載供電。
1.3噴油器升壓電路設(shè)計(jì)
本研究采用Boost原理進(jìn)行噴油器升壓電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)遵循原則如下：（a）設(shè)計(jì)電磁閥電源電壓為12V，用以提供電磁閥低電流可靠維持的要求；（b）對(duì)蓄電池12V電源進(jìn)行升壓至48V，用以提供電磁閥開(kāi)啟時(shí)的高壓驅(qū)動(dòng)電流；（c）采用PWM方式控制MOS管通斷，實(shí)現(xiàn)電磁閥高低壓驅(qū)動(dòng)電流保持在一個(gè)固定值。此設(shè)計(jì)以ST品牌的L9781TR作為升壓電路控制芯片，通過(guò)預(yù)驅(qū)直接控制MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)升壓功能。12V電源接入L9781TR的VBAT供電端，經(jīng)GLS_T腳產(chǎn)生PWM信號(hào)輸入到MOS管Q的柵極，以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，完成對(duì)電感的充電過(guò)程。MOS管的源極接入毫歐級(jí)的檢流電阻R1，R1兩端分別接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端，利用該芯片內(nèi)部集成的觸發(fā)器和比較器，從而實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換控制。Q關(guān)斷時(shí)，二極管D導(dǎo)通，對(duì)電解電容C開(kāi)始充電，產(chǎn)生輸出電壓Vout，通過(guò)合理設(shè)定R2、R3、R4的值，將VT_FB處電壓維持在2.47~2.60，并輸入至L9781TR對(duì)應(yīng)第12腳來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)Vout數(shù)值，將Vout維持在48V左右。
1.4噴油器高邊控制
電路（圖4）L9781TR通過(guò)GHST_A輸出模擬信號(hào)來(lái)控制Q1的通斷，Q1導(dǎo)通時(shí)將48V高電壓提供給噴油器電磁閥工作。同樣，L9781TR通過(guò)GHSB_A輸出模擬信號(hào)來(lái)控制Q2的導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通時(shí)將12V電源電壓提供給噴油器電磁閥工作。毫歐級(jí)電阻R9用來(lái)進(jìn)行過(guò)流監(jiān)測(cè)，其兩端RSPHS_A和INJH_A分別接至L9781TR的第15腳和第17腳。通過(guò)設(shè)置兩腳之間的電壓差來(lái)間接控制噴油器高邊的通斷。
1.5噴油器低邊控制
電路（圖5）L9781TR通過(guò)GLS_AX輸出模擬信號(hào)來(lái)控制Q3的通斷，Q3的Vgson取[8.5，10]伏間電壓時(shí)，Q3導(dǎo)通，若對(duì)應(yīng)高邊也接通時(shí)噴油器電磁閥就開(kāi)始工作。同理，Q4導(dǎo)通時(shí)，另一路噴油器電磁閥開(kāi)始工作。毫歐級(jí)電阻R15用來(lái)進(jìn)行過(guò)流監(jiān)測(cè)，與圖3中R9的功能相同。
2.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路生產(chǎn)檢測(cè)
由于噴油器電磁閥工作時(shí)電流波形的特殊性，如圖6所示，MCU無(wú)法直接對(duì)該波形進(jìn)行讀取，因此生產(chǎn)簡(jiǎn)易工裝需要對(duì)該波形進(jìn)行特殊處理后才能檢測(cè)。將毫歐級(jí)電阻R16與電磁閥電路串聯(lián)，用TI品牌的INA271將R16的電流變化轉(zhuǎn)化成兩端的電壓變化，見(jiàn)圖7中的波形一，再用電壓比較器對(duì)電壓波形進(jìn)行處理，高維持電流處理后的波形見(jiàn)圖7中的波形三，低維持電流處理后的波形見(jiàn)圖8中的波形四。通過(guò)MCU讀取處理后波形的脈寬，用來(lái)判斷電磁閥是否正常。結(jié)語(yǔ)本文選用L9781TR芯片對(duì)升壓電路及電磁閥進(jìn)行控制，集成度高，可以實(shí)現(xiàn)12V電源情況下噴油器的精準(zhǔn)控制。通過(guò)改善其批量生產(chǎn)時(shí)的檢測(cè)手段，可以在一定程度上篩選出制程中出現(xiàn)的不良品。但由于貼片時(shí)不良品種類(lèi)的不可控性，ECU噴油器電磁閥電路的不良品檢測(cè)方法需要不斷的積累和研究。
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