基于嵌入式系统的天然气喷嘴驱动系统的研究

蒋兆杰，张礼林

0 引言

随着能源危机的加剧以及愈来愈严格的尾气排放法规的实施，天然气发动机相对普通内燃机的优势逐渐体现出来，可以说天然气发动机是内燃机发展的一个新方向。天然气喷嘴作为天然气发动机的主要零部件，其性能的对天然气发动机有着至关重要的影响，随着科技的进步，天然气发动机燃油喷射系统已经从单纯的机械混合进气发展到电控多点喷射。在电控天然气发动机燃油喷射系统中，天然气喷嘴的驱动技术是整个系统正常运行的关键。

可靠的天然气喷嘴驱动系统是天然气喷嘴稳定工作的保障，本文根据天然气喷嘴的工作原理，设计了一套基于嵌入式操作系统的天然气喷嘴驱动系统，该系统不仅仅可以提供天然气喷嘴的驱动，同时具有相应的天然气喷嘴故障诊断功能，经过试验验证，该系统驱动稳定可靠，在天然气喷嘴发生故障时可以有效的保护整个系统。

1 天然气喷嘴驱动系统分析

一般情况下ECU通过控制天然气发动机喷嘴的通断来控制天然气喷嘴的打开与关闭，由于天然气喷嘴电磁铁为电感元件，因此在电路系统中，天然气喷嘴电磁铁可以视为一只电阻与一只电感的串联。稳定可靠的天然气喷嘴驱动系统是天然气喷嘴稳定工作的保障，在其设计过程中需要考虑天然气发动机喷嘴的响应、功耗、可靠性等因素，即根据天然气喷嘴的不同状态控制流经其电磁铁的电流的大小。一般情况下天然气喷嘴的驱动电流采用峰值-维持式，及通过峰值电流使其能够快速打开，通过维持电流将天然气喷嘴维持在打开状态，其电流波形，如图1所示：

图1 天然气发动机喷嘴驱动电流波形

通过综合考虑各个因素，天然气喷嘴的驱动峰值电流为5A，保持电流为2.5A，保持电流阈值1A，驱动电压为24V。

在嵌入式系统中，主控制器是整个系统的大脑，主控制器的选型对整个系统有至关重要的影响。天然气喷嘴驱动系统采用XC167单片机作为主控制器。XC167单片机有丰富的外部资源，可以产生驱动天然气喷嘴的PWM信号，根据天然气喷嘴驱动的反馈信号进行故障诊断，可以进行外部模拟量的采集如温度、压力等，同时可以与外部其他系统进行通信，驱动系统框图，如图2所示：

图2 驱动系统框图

根据整个驱动系统的功能，整个系统可以划分为两个部分，天然气喷嘴驱动模块和天然气喷嘴故障诊断模块，为了最大程度的减少反复过程、缩短开发周期，节省开发成本，主要的硬件电路都经过仿真平台验证。

2 天然气喷嘴驱动模块的设计

天然气喷嘴波形控制模块如图3所示：

图3 驱动系统框图

峰值电流控制电路和保持电流控制电路同时连接到执行器，峰值电流控制电路控制驱动电流的峰值，保持电流控制电路控制流经天然气喷嘴的电流在保持电流的阈值范围内振荡，直至结束。为了进一步提高驱动系统的可靠性，只有当峰值控制信号或者保持控制信号与选缸信号共同作用，天然气喷嘴才可以打开工作。

当天然气喷嘴开始工作时，峰值控制信号和保持控制信号同时使能峰值电流控制电路和保持电流控制电路向天然气喷嘴供电，此时流经天然气喷嘴的电流随着时间而增长；当电流保持电流的阈值上限时，保持电流控制电路停止向天然气喷嘴供电，此时峰值控制电路继续向天然气喷嘴供电；当电流超过峰值电流时，主控制器禁止峰值电流使能信号，由于天然气喷嘴电磁铁为电感元件，流经天然气喷嘴的电流不会立刻消失为零，而是逐渐的下降；当电流下降到保持电流阈值下限时，保持电流控制电路向天然气喷嘴供电，此时流经天然气喷嘴的电流逐渐增加；当电流增加到保持电流的上限时，保持电流控制电路停止供电，直到电流下降到保持电流下限。保持电流周而复始的工作，把流经天然气喷嘴的电流始终控制在保持电流的阈值内。

保持电流控制电路利用施密特触发器原理来控制天然气喷嘴的通断，即将施密特触发器的翻转阈值设置为天然气喷嘴保持电流的上下阈值。利用施密特触发器可以精确的控制流经天然气喷嘴的电流。保持电流控制电路，如图4所示：

图4 保持电流控制电路

3 天然气喷嘴故障诊断模块设计

在工作过程中，天然气喷嘴的故障会对真个系统造成严重的破坏，特别是执行器短路故障。如果发生短路，需要立即停止驱动输出，如果停止的不及时，会导致驱动电路烧毁。所以对故障诊断模块的要求不仅仅是判断准确，还需要快速反应。所以系统在试验过程中需要一直对执行器的状态进行监控。系统主要通过软件对执行器的电流反馈信号分析来完成故障诊断。

天然气喷嘴故障诊断模块软件流程，如图5所示：

图5 故障诊断程序流程图

在天然气喷嘴的驱动信号使能后，进行该通道天然气喷嘴的故障诊断。故障诊断的硬件信号来自电流采样电阻，采样电阻与天然气喷嘴串联，因此采样电阻的电流与天然气喷嘴电流相同，采样电阻两端的电压与驱动电流成正比，电流采样电阻为阻值为0.1欧姆，因此基本上不会对驱动造成很大的影响。由于采样电阻阻值很小，因此转化成电压后，电压信号的幅值很小，需要对该电压信号进行放大。放大后的电压信号就是故障诊断的输入信号，该信号与预设定的电压值进行比较，当超过预定值时，比较器将触发相应的脉冲信号，MCU采集到该脉冲时，进行相关的计算和判断。在流程图中，斜率ABC的值为C>A>B；其中C为短路最小斜率，A为电感值或电阻过小的最小斜率，B为电阻值或者电感值过大的最大斜率。

4 驱动系统功能验证

天然气喷嘴驱动印刷线路板，由于在设计过程中对主要电路做了大量的仿真计算，在印刷线路板制作完成之后，在很短的时间就可以完成线路板的调试工作。示波器采集天然气喷嘴电流波形，其中示波器刻度每格为1A，从图可以看出峰值电流为5A，保持电流为2.5A，范围为2A～3A，符合天然气喷嘴的驱动要求，如图6，图7所示：

图6 驱动线路板

图7 试验电流波形

图8为通过示波器采集的短路瞬间电流波形，深颜色为喷嘴电流波形，浅颜色为驱动停止信号波形，模块动作在故障发生后的12us左右，短路电流不超过30A，不会损坏驱动电路。

图8 短路瞬间电流波形

5 结束语

结合天然喷嘴工作原理，设计了天然气喷嘴的驱动系统，试验表明该驱动系统工作稳定可靠，能够准确的对天然气喷嘴的各种故障进行诊断，并且能够及时正确的处理，能够满足天然气喷嘴试验的需要。由于天然气喷嘴驱动是天然气发动机电控单元的核心模块，因此该系统的开发为下阶段天然气发动机电控单元的开发打下了基础。

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