基于MPC5634m的高压共轨柴油机喷油模块开发

2015-06-12蒋明远

机械制造 2015年3期

□ 蒋明远

河海大学机电工程学院江苏常州 213022

随着经济的迅猛发展，能源危机和环境问题已经变得越来越突出。柴油机以其显著的动力性和经济性在各个行业中得到了广泛的应用，但是工作噪声大、排放超标限制了柴油机的进一步发展［1］。如今，随着高压共轨喷射技术的日益发展，已很好地解决了这一难题。高压共轨柴油机以其高的喷射压力以及多次喷射的灵活控制，能够很好地改善燃烧特性，从而进一步解决日趋严格的排放法规、输出动力性以及燃油经济性之间的关系。由于共轨柴油发动机的控制对象多、控制算法复杂、控制精度和实时性要求高，这对于单片机的运算速度及实时处理能力要求极高［2］。因此，高压共轨柴油机喷油模块的开发具有重要的现实意义。

1 喷油驱动电路设计

喷油阀一般采用Peak（峰值）和Hold（维持）电流驱动方式［3］，如图1所示。喷油电磁阀为高速强力电磁阀，发动机高速运转时，电磁阀需要频繁地动作，控制电路必须能快速响应电磁阀的关闭和打开。

由于喷油电磁阀线圈为感性负载，电磁阀闭合时，必须使其线圈上的电流迅速上升并达到一定的大小，以保证在电感储能的同时，喷油电磁阀能够快速地开启；喷油电磁阀快速开启后，必须使其线圈上的电流迅速下降到维持电流，以降低电磁阀驱动电路的功耗，同时减少功率器件的发热量；喷油结束后，必须使其线圈上的电流迅速下降为零，也就是必须要有快速的电流释放回路。为此，设计了参考电压可调的单电源恒流斩波驱动电路，如图2所示。

▲图1 Peak﹠Hold驱动电流方式

▲图2 单电源恒流斩波驱动电路

高压电源由低压电源通过BOOST升压电路变换得到，电流的控制由高端恒流斩波来实现，高压控制脉冲和比较器的输出共同决定了高压控制端Q1的开通和关断。比较器一端输入参考电压，一端输入放大后的电流采样信号。为了实现Peak和Hold波形，专门设计了参考电压可调电路，使在峰值阶段的参考电压值比维持阶段大。一定的时间过后，参考电压自动回复到保持阶段的参考电压。当Q1关断后，电磁阀线圈、Q2、采样电阻Rs和续流二极管D2共同形成了恒流斩波的续流回路；当Q1、Q2同时关断后，电磁阀线圈、续流二极管D1、D2和储能电容共同形成了喷油结束后的续流回路，保证电磁阀线圈中的电流迅速下降。

参考电压可调电路（如图3所示）设计的峰值电流是13 A，维持电流是6.5 A。当参考电流控制端DA输出是高电平5 V时，比较器的参考电压约为1.43 V，则可得到采样电流为13 A；当参考电流控制端DA输出是低电平0 V时，比较器的参考电压约为0.716 V，则可得到采样电流为6.5 A。峰值和维持的时间则由高压控制脉冲（HSW）和参考电流控制（DA）共同决定，当HSW和DA输出都是高电平时为峰值阶段，当HSW输出高电平、DA输出低电平时为维持阶段，当HSW和DA输出都是低电平时电流迅速下降，电磁阀关闭。

▲图3 参考电压可调电路

2 喷油函数开发

为了满足柴油机不断提高的喷射压力和越来越苛刻的环保排放要求，必须采用预喷、主喷、后喷相结合的多次喷射方法，对燃烧过程进行不断的优化处理［4］。另外，精确的系统定时机制也是电控柴油机燃油喷射控制的基础［5］。 Freescale公司的32位微处理器MPC5634m，采用双核结构，其中拥有 32通道的 eTPU（增强型时序处理单元）更是具有强大的定时处理功能，特别适合对发动机的控制。因此，采用了基于eTPU模块的三次喷油控制方案。

▲图5 参考电流控制脉冲（DA）

▲图4 eTPU通道配置

笔者采用36-2的曲轴齿，每个曲轴齿信号的上升沿都会触发CPU中断进入eTPU中的喷油程序，喷油起始角需要换算为曲轴整齿数和小于10°的延时角度。如某缸的喷油起始角为45°，则在程序中表示为5个曲轴整齿数+5°延时角度。在完成eTPU通道配置以及相关函数初始化后，喷油控制函数在eTPUch0ISR（）中断函数中执行。eTPU通道配置如图4所示。

首先，根据crank_tooth_num=fs_etpu_eng_pos_get_tooth_number（）以及crank_speed=fs_etpu_eng_pos_get_engine_speed（etpu_a_tcr1_freq）获取当前齿号和曲轴转速。进入喷油执行程序需要判断3个条件：曲轴整齿数、缸号和喷油次数是否符合要求。笔者采用的四缸柴油机按照1-3-4-2顺序进行喷油控制，主程序初始化时缸号cylinder=1，喷油次数fuel_num=1（预喷），当由当前获取的曲轴齿号等于喷油起始角曲轴整图高压控制脉冲（齿数时，进入喷油执行程序，程序如下。

▲6 HSW）

▲图7 oIni_1、oInj_4控制脉冲

▲图8 oInj_2、oIni_3控制脉冲

if（crank_tooth_num=TS_tooth_num0﹠﹠cylinder=1﹠﹠fuel_num=1）/*1缸预喷*/

{

delay_count=TS_delay_deg0*5000000/crank_speed;

my_QOM_event_array［0］.p=（（delay_count-450）＜＜1） +FS_ETPU_PIN_HIGH;

my_QOM_event_array［1］.p=（tmpFUI0＜＜1）+FS_ETPU_PIN_LOW;

error_code=fs_etpu_qom_init（）;

：

}

进入喷油执行程序后，根据延时角度TS_delay_deg0得到TCR1延时计数值，填充在my_QOM_event_array［0］.p中，即到达喷油起始点时，将所选通道置于高电平；根据喷油时长tmpFUI0得到延时计数值，填充在 my_QOM_event_array［1］.p 中，即喷油结束后，将所选通道置低。fs_etpu_qom_init（）函数根据上述参数，对所选的通道进行脉冲输出来控制喷油驱动电路。三次喷油需要调用三次qom函数，这样可以灵活实现预喷、主喷和后喷的调节。

▲图9 三次喷油波形

▲图1 1 主喷波形

每一次喷油都需要一个与之对应的参考电流控制脉冲（DA）和高压控制脉冲（HSW），每一缸需要进行预喷、主喷、后喷三次喷油，对于四缸柴油机，曲轴转一圈需要进行两缸喷油，即得到曲轴转一圈需要6个参考电流控制脉冲（DA）和6个高压控制脉冲（HSW），如图5、图6所示。鉴于CPU在输出喷油脉冲前需要从CRANK函数中读取crank_num和crank_speed进行计算，造成eTPU在输出喷油脉冲时有一定的延时，因此需要适当减小TCR1延时计数值予以修正，以满足输出喷油脉冲的实时性，这样可以控制喷油脉冲触发误差在1～2 μs范围内。曲轴转两圈完成4个缸的喷油周期，4个缸的喷油顺序为1-3-4-2，则相邻两次喷油间隔为180°，1缸与4缸喷油相隔360°，3缸与2缸喷油相隔360°。1缸、4缸的三次喷油控制脉冲如图7所示，2缸、3缸的三次喷油控制脉冲如图8所示。

3 实验测试

通过ECU接入曲轴信号，对本电路及喷油控制程序进行测试。用120 μH的线圈代替喷油电磁阀，设计的BOOST升压电路可将12 V电压升至56 V。根据电感元件上的电压、电流和电感之间的关系：。可得到线圈上电流上升至13 A电流所需的时间约为：Δt=Δi=13×12056 ≈0.028 ms。主程序中用于控制峰值电流的DA控制端高电平时间为0.4 ms，预喷、主喷、后喷的喷油时间分别设置为0.8 ms、2 ms、0.8 ms。喷油起始点转换为以缺齿后第一个上升沿为0°，预喷、主喷、后喷的喷油起始点分别为 58°、92°、150°。通过示波器可以检测到经放大后的采样电压波形，图9为三次喷油的采样电压放大后的波形，图10、11、12分别为预喷、主喷、后喷的采样电压放大波形。