高压共轨喷油器驱动技术的研究

吴至锦

摘 要：随着能源短缺和环境问题愈发严重，我国也将在2020年施行国5标准，与此同时汽车电控燃油喷油技术为了满足节能减排的要求也逐步提升，电控系统中电磁阀执行器驱动越来越多，且越来越复杂。其中柴油机的高压共轨喷油器的控制是如今柴油机喷油器精确控制的主要技术。于是为了满足最新排放法规，本项目围绕柴油机电控系统的核心部分-电路驱动展开研究，设计并完成了高压共轨喷油器的软硬件部分，为了满足性能需求我们采用了飞思卡尔MC9S12XEP100的32位单片机和MEP240T100 CPLD复杂可编程逻辑器件，并且主要对驱动电路和电流调制电路进行了改进。

关键词：电磁阀;驱动电路;高压共轨柴油机

1 喷油器驱动设计

1.1 喷油器驱动电路模块设计

喷油器驱动模块的核心是EPM240T100C5N，是一个低成本、低功耗CPLD、即时启动，非易失性架构、当前低至25?A备用、提供快速传播延迟和时钟到输出时间、提供4个全球时钟，每个逻辑阵列块有两个时钟、用于非易失性存储的UFM块并且最多可达8kbit、多节芯，可为任意设备提供外部电源电压3.3V/2.5V或1.8V。

本文所设计的喷油器可以在CPLD的支持下，实现对车用电磁阀的开启、关闭进行快速的控制。并在每次关闭的瞬间将电磁阀上贮存的能量回收到BOOST模块的输出电容中，并实现电磁阀的迅速关闭，在回收能量的同时，增加了电磁阀的响应速度。该电路还可以全面提供车用电磁阀的诊断信息。

1.2 喷油器驱动结构设计

本项目为了能喷油器在高速运转和多次喷射的极端环境下可靠，所以设计了此喷油器电路拖布结构如图1-1所示，图中的MOS管的与BOOST高压相连接，并与多个MOS管的形成串联结构，并且MOS管会与二极管和电压相连，这种结构可以使喷油器在工作时使每个驱动电路可以由一个调制MOS管所驱动控制这可以大大增加在极端环境下电路设备的承受能力。

电路的结构图如图1-2所示，该图采用了高，低端驱动结构，其中高端开关采用集成的高端功率开关，如英飞凌公司的BTS428。低端开关一般采用MOS管。在整个驱动过程中，如果运行正常的话，高端开关保持恒开。通过控制低端MOS管T1的高速开关，来实现对电磁阀的高速开关控制。

当在驱动过程中，出现需要诊断保护的异常状况，CPLD将同时关闭高，低端的控制输出，从而实现实时诊断保护的功能，并输出诊断信息。每次电磁阀关闭的瞬间，通过D1，D2，电磁阀，C1形成续流回路，将电磁阀上贮存的能量，回收到BOOST模块的输出电容C1中。

本发明电路的诊断相位图如图1-3所示，当诊断指示信号出现上升沿时，该上升沿将截断正常时的低端驱动信号以及正常时的高端驱动信号。图1-3中的信号1和信号2，信号3和信号4可以反映出在诊断保护时刻，正常信号和非正常信号的区别。通过截断正常信号，实现实时的诊断保护，确保驱动电路的稳定，可靠工作。

1.3 喷油器驱动设计衍生

本项目所设计的不仅可以对喷油器电磁阀进行驱动控制，而且可以在只改变CPLD逻辑功能的条件下进行油泵的驱动。

正常工作时，高端驱动信号为恒高，低端驱动信号为脉冲信号。当电磁阀关闭的瞬间，驱动电流在很短的时间t内下降到0，大大缩小了油泵实际的关闭时间，提高了油泵的快速响应能力。

2 喷油器BOOST模块设计

2.1 BOOST模块功能简述

喷油器工作情况中存在两种基本工作情况那就是电磁阀闭合和维持，而电磁阀的维持时间的长短就基本决定了喷油器所喷油量多少，为了能精准控制喷油量，喷油器电磁阀必须要有较高的响应速度并尽可能快的使电磁阀进行闭合为了能简单从硬件上达到这个目的，经过前人的研究，可以提高喷油器电磁阀在进行闭合时的电压，与此同时增加其驱动电流，电磁力变大，从而使得噴油器电磁阀快速闭合达到要求，而为了达到较高的电压就必须有BOOST升压电路，使原本24V电源电压在需要进行喷油脉宽调制时升压到87V，从而在喷油完毕后立马闭合电磁阀。

2.2 BOOST模块电路设计

BOOST升压电路控制芯片主要是UCC27324门驱动装置、UC2843开关控制器构成并与之并联。

UCC27424：双速MOSFET驱动提供4A源和4A吸收峰值电流，是有效驱动MOSFET在米勒平坦区（曲线）是最为需要的。它有一个独特的双极和MOSFET混合输出阶段并行还允许有效的当前资源和电源电压低时下沉。

UC2843：其控制集成电路提供了实现离线或dc-to-dc固定频率电流模式控制方案所必需的特性，并且外部组件的数量最少。内部的电路包括一个欠压锁定和一个精度基准，该基准在误差放大器输入端进行了精度调整。IHLP6767：功率电感是高电流降压和升压转换器配置、在高电流电源分布式电力系统中的DC/DC转换器高电流噪声滤波器，在本项目中起到储能电感作用。

CAT5172：是一个256位线性锥形数字罐，非常适合替代机械电位器和可变电阻。和机械电位器一样，CAT5172也有一个电阻元件，它可以跨V接地或漂浮在电源轨道之间的任何地方，这里主要起到调整输出电压的作用。

FFB20UP20DN：使一种续流二极管经常和储能元件一起使用，防止电压电流突变，提供通路。电感可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用。

工作原理：如图2-1中输入电压：

作为开关管以UCC27424和UC2843A所设定的周期频率开关。使电感储存能量并释放能量。

当开关导通时，电感以的速度充电，把能量储存在中。当截止时，产生反向感应电压，通过整流器把储存的电能以的速度释放到输出电容器C46和C47中，从而输出电压。

有一数字电位器CAT5172与UC2843A并联，其主要功能就是方便調节电压大小。

在UC2843A信号端外串联了一对三极管和，它们是要进行信号与的工作。在正常工作下由GROUP1端信号源起到控制作用，使BOOST电路正常工作，当GROUP2端发出信号后，就不以GROUP1端信号工作且BOOST电路停止工作。

3 喷油器驱动电路设计

（1）高低压驱动电路：根据上述方案设计，本项目所使用的是IR2127芯片作为高低端的驱动芯片，IR2127是一个高电压，高速功率MOSFET和IGBT驱动。逻辑输入与标准CMOS或LSTTL输出兼容，可达3.3V。保护电路检测驱动功率晶体管中的过电流并终止栅极驱动电压。提供了一个开路漏极故障信号，表明发生了过电流停机。输出驱动程序具有为最小交叉传导设计的高脉冲电流。可操作地运行到+600V，门驱动电源范围从10到20V。它驱动的是SUD25N15 MOSFET管，其开启延时为25ns、关闭延迟时间为40ns。正常运作时PWM信号从使能口IN进入，进而控制MOSFET管的开闭情况。

（2）电流调制电路是为了使驱动电路中的电流更加精确，本项目使用了DAC8563是16位是低功耗，电压输出，双通道数模转换器和SN74LVC1G3157是种单通道单刀双掷（SPDT）模拟开关，设计用于1.65-5.5V的VCC操作。

本项目的电流调制电路是分为一阶电流调制单元、二阶电流调制单元和高压开放峰值限制，它们的工作原理是电流处于上升阶段时，比较器LM2903被设定为电流波峰阈值，当电流上升到大于阈值24A时，比较器LM2903逻辑输出改变，电流变为下降阶段同时比较器LM2903阈值改变为波谷电路阈值，当电流下降到低于波谷电路阈值8A时，比较器LM2903的逻辑输出改变，电流变为上升阶段，LM2903的逻辑结构设定为电流波峰阈值。最终完成一个循环。

4 本章小结

本章节主要是对于柴油机高压共轨喷油器驱动电路的硬件设计。然后根据总体设计方案设计了单片机功能模块、BOOST升压模块、喷油器驱动模块和电流调制模块，其中喷油器驱动电路是方案设计的核心，我们主要介绍了驱动电路的运行原理和BOOST升压模块生成，并设计了喷油器驱动模块和BOOST升压模块电路图，并为了达到更进一步的电流控制我们还设计了电流调职模块的电路图，最终我们针对各部模块功能进行介绍，再进行分析和介绍实现方式，最终展开对电路的详细设计的描述。

参考文献：

[1]邓东密，邓萍.柴油机喷油系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]徐家龙.柴油机电控喷油技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]王尚勇，杨青.柴油机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]谭浩强.C语言程序设计（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2012.