一种能在线调节的电磁阀驱动技术研究

张爱云 张美娟 史定洪 陈 珣 张 雷 吴至锦

（1-无锡职业技术学院汽车与交通学院 江苏 无锡 214121 2-中国一汽无锡油泵油嘴研究所电子控制部）

引言

现代柴油机高压共轨喷射系统中，广泛采用电磁执行器精确控制喷油量，因此对电磁阀的开启和关闭动作有非常严格的要求。由于电磁阀的开启和关闭与驱动电流有密切的关系，所以需要通过精确地控制驱动电流以实现电磁阀动作，以便实现对喷油量的精确控制[1]。不同的喷油器为了获得最佳的喷油性能，需要不断调整驱动参数优化出适当的驱动方式。而在优化过程中，需要做大量的性能试验，试验过程中常需要调整喷油器驱动电流和驱动高压的大小，而传统的方法需要通过修改硬件电路参数才可实现，而器件的标准参数不一定满足调试的需要，并且修改过程麻烦且费时，易出错。如果提供一种能在线调节的电磁阀驱动技术，无需不断调整硬件电路及器件参数，即可实现电磁阀的驱动高压和驱动电流在线可调，用简单易行的方法实现试验或应用场所中所需要的电磁阀驱动模式。

1 能在线调节的电磁阀驱动技术简介

图1 为能在线调节的电磁阀驱动结构示意图。其装置包含如下模块：人机交互模块、MCU 模块、DAC（Digital to Analog Converter（数模转换器））模块、DC/DC Boost 升压模块、电流采样比较调制模块及电磁阀驱动模块等。其中：人机交互模块中主要设定电磁阀的驱动模式为有无尖峰电流，DC/DC 升压电压值，各驱动电流如：峰值电流、一阶维持电流、二阶维持电流大小及相应的脉宽，同时，设定电磁阀驱动输出方式：外部中断触发或CAN 通信触发两种方式。MCU 通过CAN 通信与人机交互模块之间交互数据，MCU 中，接收的DC/DC 升压电压值、峰值电流、一阶维持电流、二阶维持电流大小，MCU 分别与DAC 模块中的DAC0、DAC1、DAC2、DAC3 之间通过SPI 通信模式交互数据，设定4 个模数转换DAC 模块中数字量。DAC0、DAC1、DAC2、DAC3 输出的模拟电压分别对应DC/DC 升压模块Boost 高压闭环阈值电压、尖峰电流、一阶维持电流、二阶维持电流调制电路中阈值电压。

图1 能在线调节的电磁阀驱动结构示意图

DAC0 输出的模拟电压，接比较器U0 同相输入端，电阻R2 为+Boost 高压采样电阻，R2 高端接比较器U0 反向端，比较器U0 的输出控制DC/DC 升压模块的使能状态，最终输出与设定参数相一致的+Boost 电压。

DAC1、DAC2、DAC3 输出的模拟电压接比较器U1、U2、U3 的同相输入端，电磁阀电流采样电阻R3高端输出电压经放大后接比较器U1、U2、U3 的反相输入端，U1、U2、U3 电流调制输出的PWM 信号给CPLD 逻辑单元，同时MCU 根据人机交互模块中设定的高压开放时间、一阶保持时间及总喷油时间输出高压开放脉宽、一阶维持脉宽、二阶维持脉宽、总喷油脉宽4 个信号给CPLD 逻辑处理单元，电流调制PWM 信号及MCU 输出的喷油有效脉宽逻辑运算，最终CPLD 输出电磁阀高端驱动信号，高端晶体管Q1、Q2 导通或截止，Q1 导通时，+Boost 高压加载在电磁阀L 高端，电流快速上升至人机模块中设定的峰值电流，高压开放结束，Q1 截止，电流下降，至人机交互界面设定的一阶维持电流，Q2 导通，电池电压+Batt 加载电磁阀高端，电流上升，大于一阶调制电路上限电流时，U2 电流调制电路输出PWM 为低，Q2 截止，电磁阀L、二极管D3、电阻R3 组成续流回路，电磁阀电流下降，小于一阶调制电路下限电流时，Q2 再次导通，如此往复，直至一阶维持脉宽结束。同理，电磁阀二阶维持电流的工作过程基本相同。能在线调节的电磁阀驱动电路输出与人机交互模块中设定参数相一致的电磁阀驱动电流。

2 能在线调节的电磁阀驱动各关键技术

2.1 能在线调节的电磁阀驱动技术Pspice 参数扫描分析

Pspice 是集成在Cadence 中的一个电子电路模拟软件，其目的是在对所设计的电路硬件实现之前，能通过Pspice 模型先对电路进行模拟仿真来验证电路方案的可行性。参数扫描是Pspice 仿真分析手段之一，将电路中某些元件的参数在一定取值范围内变化时，分析参数变化对电路性能的影响，相当于对电路进行多次不同参数的仿真分析。在线调节电磁阀驱动电路中，参数扫描分析仅用于验证电路方案的可行性[2]。

在线调节电磁阀驱动电路中，分别以Boost 高压阈值电压、电磁阀驱动峰值电流、一阶维持电流、二阶维持电流的阈值电压4 个参数为扫描变量。Boost 升压阈值电压分别设定2 V、2.31 V、2.54 V、2.85 V、3.08 V、3.38 V 6 个扫描参数，升压模块Boost电压Pspice 参数扫描结果如图2 所示。

图2 Boost 高压可调PSpice 仿真

电磁阀驱动参数扫描分析中，设定一阶维持电流9 A，二阶维持电流5 A 不变的情况下，峰值电流阈值电压设定：1.4 V、1.8 V、2.2 V 3 个扫描参数，电磁阀峰值电流仿真结果如图3 所示。以此类推，设定峰值电流18 A，二阶维持电流5 A 不变的情况下，一阶维持电流阈值电压设定：2.4 V、2.0 V、1.7 V、1.4 V 4 个扫描参数，电磁阀一阶维持电流仿真分析结果如图4 所示。设定峰值电流18 A，一阶维持电流12.5 A不变的情况下，二阶维持电流设定：1.0 V、1.4 V、1.8 V，2.2 V 4 个扫描参数，电磁阀二阶维持电流仿真结果如图5 所示。

图3 峰值电流可调PSpice 仿真

图4 一阶维持电流可调PSpice 仿真

图5 二阶维持电流可调PSpice 仿真

2.2 人机交互模块

人机交互模块是指人与电控单元的数据交互界面，它面向实验人员，要具备简单易学，功能清晰的特点。因此该模块使用NI 公司的Labwindows 软件平台开发。该平台在C 语言的基础上集图形化编程和文本语言编程为一体，界面友好，操作简单，可大大缩短系统开发时间，具有实现简单，性能稳定，可靠性好等优点。

人机交互模块通过CAN 总线与控制单元中MCU 实现通讯，波特率为500 kbps，上位机发送ID为0x10，下位机回应ID 为0x11。通讯采用请求/回应模式，上位机发送请求数据帧，下位机回应应答数据帧。根据自主共轨系统开发经验，电磁阀驱动过程中的关键技术参数和调整范围如表1 所示。实现的人机交互界面如图6 所示。

图6 能在线调节的电磁阀驱动人机交互界面

2.3 DAC 模块（数模转换器）

DAC 模块是12 位数字输入，高精度、低功耗、单通道、电压输出的数模转换模块，其结构框图如图7所示。它内部数模转换采用电阻网络模式，VREF由外部基准电源提供，二进制位流从DAC 缓存器移入，通过电阻网络转换成相应的电压，经放大后输出数模转换电压Vout[3]。

图7 DAC 模块结构框图

DAC 模块的输入位流是标准的二进制位流，其输出电压公式为，其中n 为转换精度，本设计中n=12，D 为输入的二进制流对应的十进制值，AVDD为外部基准源电压，本设计VREF=5 V。

MCU 与DAC 模块内部均集成有SPI（Serial Peripheral Interface）模块，MCU 接收人机交互模块中设定的电磁阀驱动参数，为提高控制精度，每个驱动参数经一定数值运算、放大处理后，得到的数值为上述DAC 模块中D 的二进制位流，MCU 通过SPI通信模式将该二进制位流传送给DAC 模块的数据输入引脚。

3 能在线调节的电磁阀驱动实现与分析

按照上述的能在线调节的电磁阀驱动技术，完成了上位机人机交互软件开发及电磁阀驱动电控单元的制作，两者之间通过NI 公司的高速CAN 通信工具MSB-8473 实现数据交互，实现的人机交互界面见图6。

在该界面中，分别设定两组电磁阀驱动参数如下：有尖峰电流，Boost 高压88 V，尖峰电流18 A，高压开放时间200 us，一阶维持电流10 A，时间400 us，二阶维持电流5 A，时间1 400 us，即总的喷油脉宽为2 000 us，电磁阀驱动输出如图8 所示；无尖峰电流，Boost 高压88 V，一阶维持电流15 A，时间400 us，二阶维持电流10 A，二阶维持时间1 600 us，即总的喷油脉宽为1 200 us，电磁阀驱动输出如图9所示。

根据上述控制单元输出，能在线调节的电磁阀驱动技术可以方便快捷地实现其各种驱动模式[4]，为寻求电磁阀最佳驱动参数提供技术支持与帮助。

图8 能在线调节的电磁阀驱动输出1

图9 能在线调节的电磁阀驱动输出2

4 结束语

能在线调节的电磁阀驱动技术，通过人机交互模块设置电磁阀驱动参数，MCU 接收这些驱动参数值且经计算、放大等处理后，再通过SPI 通信模式传送给DAC 模块的数值输入引脚，DAC 模块输出与设定参数相对应的各阈值模拟电压，最终按照设定的驱动参数使电磁阀动作。为此首先应用Pspice 仿真软件中参数扫描分析验证方案可行性，为能在线调节的电磁阀驱动技术提供理论依据，且仿真结果与实际驱动输出完全吻合，在无需改动电路硬件前提下即可实现电磁阀的驱动高压和驱动电流在线可调，较易实现试验或者应用中所需要的驱动模式，减少试验工作量，有效提高工作效率。