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柴油机电磁阀驱动电路设计-德国莱克LIK品牌
发布时间:2023/4/13
本文分析了高压共轨系统中喷油器电磁阀的驱动特性，对电磁阀驱动电路的工作原理进行了详尽的阐述。针对量产时PCBA喷油器模块的检测手段，通过对喷油器工作波形的处理，可以实现测试工装内部MCU的读取和判定。通过实验验证，可以实现对PCBA喷油器模块的筛选。
关键词：高压共轨；电子控制单元；升压电路；测试工装
近年国内汽车零部件企业涌现出电控系统的开发热潮，其中电子控制单元（ECU）的开发成为柴油机燃油喷射系统的重点，尤其是随着国家尾气排放法规的升级，高压共轨燃油喷射系统已成为主流产品。因此ECU电路中对燃油喷射量的控制变得尤为重要。在柴油机高压燃油喷射系统中，油泵负责产生燃油的高压，喷油器负责高压燃油的喷射，而喷油器电磁阀则负责对燃油喷射进行精准控制，包括对喷油正时、喷油量和喷射速率的控制等。为了精确计量燃油，要求喷油器电磁阀的开启响应和关闭响应快速。因此，对电磁阀的控制策略将直接影响着柴油机的排放和燃烧质量，加强对电磁阀驱动电路的研究对于提高柴油机的性能起着举足轻重的作用。
1.电磁阀驱动电路设计
1.1喷油器高速电磁阀工作特性
喷油器高速电磁阀的工作过程可分为5个阶段（如图1所示)：快速吸合阶段t1、高维持电流阶段t2、由IH到IL的低维持电流快速切换阶段t3、IL吸合阶段t4、快速关断阶段t5。电控喷油器是高压共轨燃油喷油系统中的关键部件，它的开发是喷油系统开发工作中至关重要的一环，电控喷油器功能的实现需要喷油器电磁阀的快速响应。电磁阀理想的驱动特性：需要快速注入峰值电流，使其迅速吸合，即t1阶段。吸合吸合后，因磁路中气隙减小磁阻降低，电磁阀仅需较小的电流就能够维持吸合，即t2和t3阶段。在维持吸合阶段只需采用较小的维持电流，一方面可以加快电磁阀的释放速度；另一方面可以减少电磁阀线圈的发热，保证整个喷油系统长期可靠地运行，即t4阶段。最后，为减少电磁阀的释放延时，应尽快切断驱动电流，即t5阶段。为实现喷油器电磁阀的快速响应，需要引入升压电路。
1.2喷油器升压电路原理
一般情况下，喷油器电磁阀的驱动电压越高时，其闭合速度也就越快，喷油器的响应速度也就越快。电磁阀驱动电源应具备分阶段驱动、高低电压分时供电的特性，以满足电磁阀大电流快速开启、低电流可靠维持的要求。这种特性既利于减小电磁阀线圈的功耗，又便于及时关闭电磁阀，实现快速断油。为实现这种理想的驱动方式，目前最常使用的是PWM升压驱动电路，如图2所示。升压电路主要有升压储能电感L，储能电解电容C，开关二极管D以及功率NMOS管Q组成。当Q导通时，电流流经电感L，电感线圈饱和之前，线圈中产生感应电动势E，E的方向与电流变化方向相反；同时C向负载放电，快速回复二极管D承受反向电压，储能电容C不会通过二极管放电；当Q截止时，电感线圈中产生的感应电动势E与电源电压形成串联，以很高的电压通过快速二极管向C充电，C两端形成高压，并向负载供电。
1.3喷油器升压电路设计
本研究采用Boost原理进行喷油器升压电路设计，设计时遵循原则如下：（a）设计电磁阀电源电压为12V，用以提供电磁阀低电流可靠维持的要求；（b）对蓄电池12V电源进行升压至48V，用以提供电磁阀开启时的高压驱动电流；（c）采用PWM方式控制MOS管通断，实现电磁阀高低压驱动电流保持在一个固定值。此设计以ST品牌的L9781TR作为升压电路控制芯片，通过预驱直接控制MOS管的通断，实现升压功能。12V电源接入L9781TR的VBAT供电端，经GLS_T脚产生PWM信号输入到MOS管Q的栅极，以实现对MOS管的导通和关断，完成对电感的充电过程。MOS管的源极接入毫欧级的检流电阻R1，R1两端分别接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端，利用该芯片内部集成的触发器和比较器，从而实现DC/DC转换控制。Q关断时，二极管D导通，对电解电容C开始充电，产生输出电压Vout，通过合理设定R2、R3、R4的值，将VT_FB处电压维持在2.47~2.60，并输入至L9781TR对应第12脚来实时检测Vout数值，将Vout维持在48V左右。
1.4喷油器高边控制
电路（图4）L9781TR通过GHST_A输出模拟信号来控制Q1的通断，Q1导通时将48V高电压提供给喷油器电磁阀工作。同样，L9781TR通过GHSB_A输出模拟信号来控制Q2的导通，Q2导通时将12V电源电压提供给喷油器电磁阀工作。毫欧级电阻R9用来进行过流监测，其两端RSPHS_A和INJH_A分别接至L9781TR的第15脚和第17脚。通过设置两脚之间的电压差来间接控制喷油器高边的通断。
1.5喷油器低边控制
电路（图5）L9781TR通过GLS_AX输出模拟信号来控制Q3的通断，Q3的Vgson取[8.5，10]伏间电压时，Q3导通，若对应高边也接通时喷油器电磁阀就开始工作。同理，Q4导通时，另一路喷油器电磁阀开始工作。毫欧级电阻R15用来进行过流监测，与图3中R9的功能相同。
2.电磁阀驱动电路生产检测
由于喷油器电磁阀工作时电流波形的特殊性，如图6所示，MCU无法直接对该波形进行读取，因此生产简易工装需要对该波形进行特殊处理后才能检测。将毫欧级电阻R16与电磁阀电路串联，用TI品牌的INA271将R16的电流变化转化成两端的电压变化，见图7中的波形一，再用电压比较器对电压波形进行处理，高维持电流处理后的波形见图7中的波形三，低维持电流处理后的波形见图8中的波形四。通过MCU读取处理后波形的脉宽，用来判断电磁阀是否正常。结语本文选用L9781TR芯片对升压电路及电磁阀进行控制，集成度高，可以实现12V电源情况下喷油器的精准控制。通过改善其批量生产时的检测手段，可以在一定程度上筛选出制程中出现的不良品。但由于贴片时不良品种类的不可控性，ECU喷油器电磁阀电路的不良品检测方法需要不断的积累和研究。
关键词：高压共轨；电子控制单元；升压电路；测试工装
近年国内汽车零部件企业涌现出电控系统的开发热潮，其中电子控制单元（ECU）的开发成为柴油机燃油喷射系统的重点，尤其是随着国家尾气排放法规的升级，高压共轨燃油喷射系统已成为主流产品。因此ECU电路中对燃油喷射量的控制变得尤为重要。在柴油机高压燃油喷射系统中，油泵负责产生燃油的高压，喷油器负责高压燃油的喷射，而喷油器电磁阀则负责对燃油喷射进行精准控制，包括对喷油正时、喷油量和喷射速率的控制等。为了精确计量燃油，要求喷油器电磁阀的开启响应和关闭响应快速。因此，对电磁阀的控制策略将直接影响着柴油机的排放和燃烧质量，加强对电磁阀驱动电路的研究对于提高柴油机的性能起着举足轻重的作用。
1.电磁阀驱动电路设计
1.1喷油器高速电磁阀工作特性
喷油器高速电磁阀的工作过程可分为5个阶段（如图1所示)：快速吸合阶段t1、高维持电流阶段t2、由IH到IL的低维持电流快速切换阶段t3、IL吸合阶段t4、快速关断阶段t5。电控喷油器是高压共轨燃油喷油系统中的关键部件，它的开发是喷油系统开发工作中至关重要的一环，电控喷油器功能的实现需要喷油器电磁阀的快速响应。电磁阀理想的驱动特性：需要快速注入峰值电流，使其迅速吸合，即t1阶段。吸合吸合后，因磁路中气隙减小磁阻降低，电磁阀仅需较小的电流就能够维持吸合，即t2和t3阶段。在维持吸合阶段只需采用较小的维持电流，一方面可以加快电磁阀的释放速度；另一方面可以减少电磁阀线圈的发热，保证整个喷油系统长期可靠地运行，即t4阶段。最后，为减少电磁阀的释放延时，应尽快切断驱动电流，即t5阶段。为实现喷油器电磁阀的快速响应，需要引入升压电路。
1.2喷油器升压电路原理
一般情况下，喷油器电磁阀的驱动电压越高时，其闭合速度也就越快，喷油器的响应速度也就越快。电磁阀驱动电源应具备分阶段驱动、高低电压分时供电的特性，以满足电磁阀大电流快速开启、低电流可靠维持的要求。这种特性既利于减小电磁阀线圈的功耗，又便于及时关闭电磁阀，实现快速断油。为实现这种理想的驱动方式，目前最常使用的是PWM升压驱动电路，如图2所示。升压电路主要有升压储能电感L，储能电解电容C，开关二极管D以及功率NMOS管Q组成。当Q导通时，电流流经电感L，电感线圈饱和之前，线圈中产生感应电动势E，E的方向与电流变化方向相反；同时C向负载放电，快速回复二极管D承受反向电压，储能电容C不会通过二极管放电；当Q截止时，电感线圈中产生的感应电动势E与电源电压形成串联，以很高的电压通过快速二极管向C充电，C两端形成高压，并向负载供电。
1.3喷油器升压电路设计
本研究采用Boost原理进行喷油器升压电路设计，设计时遵循原则如下：（a）设计电磁阀电源电压为12V，用以提供电磁阀低电流可靠维持的要求；（b）对蓄电池12V电源进行升压至48V，用以提供电磁阀开启时的高压驱动电流；（c）采用PWM方式控制MOS管通断，实现电磁阀高低压驱动电流保持在一个固定值。此设计以ST品牌的L9781TR作为升压电路控制芯片，通过预驱直接控制MOS管的通断，实现升压功能。12V电源接入L9781TR的VBAT供电端，经GLS_T脚产生PWM信号输入到MOS管Q的栅极，以实现对MOS管的导通和关断，完成对电感的充电过程。MOS管的源极接入毫欧级的检流电阻R1，R1两端分别接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端，利用该芯片内部集成的触发器和比较器，从而实现DC/DC转换控制。Q关断时，二极管D导通，对电解电容C开始充电，产生输出电压Vout，通过合理设定R2、R3、R4的值，将VT_FB处电压维持在2.47~2.60，并输入至L9781TR对应第12脚来实时检测Vout数值，将Vout维持在48V左右。
1.4喷油器高边控制
电路（图4）L9781TR通过GHST_A输出模拟信号来控制Q1的通断，Q1导通时将48V高电压提供给喷油器电磁阀工作。同样，L9781TR通过GHSB_A输出模拟信号来控制Q2的导通，Q2导通时将12V电源电压提供给喷油器电磁阀工作。毫欧级电阻R9用来进行过流监测，其两端RSPHS_A和INJH_A分别接至L9781TR的第15脚和第17脚。通过设置两脚之间的电压差来间接控制喷油器高边的通断。
1.5喷油器低边控制
电路（图5）L9781TR通过GLS_AX输出模拟信号来控制Q3的通断，Q3的Vgson取[8.5，10]伏间电压时，Q3导通，若对应高边也接通时喷油器电磁阀就开始工作。同理，Q4导通时，另一路喷油器电磁阀开始工作。毫欧级电阻R15用来进行过流监测，与图3中R9的功能相同。
2.电磁阀驱动电路生产检测
由于喷油器电磁阀工作时电流波形的特殊性，如图6所示，MCU无法直接对该波形进行读取，因此生产简易工装需要对该波形进行特殊处理后才能检测。将毫欧级电阻R16与电磁阀电路串联，用TI品牌的INA271将R16的电流变化转化成两端的电压变化，见图7中的波形一，再用电压比较器对电压波形进行处理，高维持电流处理后的波形见图7中的波形三，低维持电流处理后的波形见图8中的波形四。通过MCU读取处理后波形的脉宽，用来判断电磁阀是否正常。结语本文选用L9781TR芯片对升压电路及电磁阀进行控制，集成度高，可以实现12V电源情况下喷油器的精准控制。通过改善其批量生产时的检测手段，可以在一定程度上筛选出制程中出现的不良品。但由于贴片时不良品种类的不可控性，ECU喷油器电磁阀电路的不良品检测方法需要不断的积累和研究。
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