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柴油機電磁閥驅動電路設計-德國萊克LIK品牌
發布時間:2023/4/13
本文分析了高壓共軌系統中噴油器電磁閥的驅動特性，對電磁閥驅動電路的工作原理進行了詳盡的闡述。針對量產時PCBA噴油器模塊的檢測手段，通過對噴油器工作波形的處理，可以實現測試工裝內部MCU的讀取和判定。通過實驗驗證，可以實現對PCBA噴油器模塊的篩選。
關鍵詞：高壓共軌；電子控制單元；升壓電路；測試工裝
近年國內汽車零部件企業涌現出電控系統的開發熱潮，其中電子控制單元（ECU）的開發成為柴油機燃油噴射系統的重點，尤其是隨著國家尾氣排放法規的升級，高壓共軌燃油噴射系統已成為主流產品。因此ECU電路中對燃油噴射量的控制變得尤為重要。在柴油機高壓燃油噴射系統中，油泵負責產生燃油的高壓，噴油器負責高壓燃油的噴射，而噴油器電磁閥則負責對燃油噴射進行精準控制，包括對噴油正時、噴油量和噴射速率的控制等。為了精確計量燃油，要求噴油器電磁閥的開啟響應和關閉響應快速。因此，對電磁閥的控制策略將直接影響著柴油機的排放和燃燒質量，加強對電磁閥驅動電路的研究對于提高柴油機的性能起著舉足輕重的作用。
1.電磁閥驅動電路設計
1.1噴油器高速電磁閥工作特性
噴油器高速電磁閥的工作過程可分為5個階段（如圖1所示)：快速吸合階段t1、高維持電流階段t2、由IH到IL的低維持電流快速切換階段t3、IL吸合階段t4、快速關斷階段t5。電控噴油器是高壓共軌燃油噴油系統中的關鍵部件，它的開發是噴油系統開發工作中至關重要的一環，電控噴油器功能的實現需要噴油器電磁閥的快速響應。電磁閥理想的驅動特性：需要快速注入峰值電流，使其迅速吸合，即t1階段。吸合吸合后，因磁路中氣隙減小磁阻降低，電磁閥僅需較小的電流就能夠維持吸合，即t2和t3階段。在維持吸合階段只需采用較小的維持電流，一方面可以加快電磁閥的釋放速度；另一方面可以減少電磁閥線圈的發熱，保證整個噴油系統長期可靠地運行，即t4階段。最后，為減少電磁閥的釋放延時，應盡快切斷驅動電流，即t5階段。為實現噴油器電磁閥的快速響應，需要引入升壓電路。
1.2噴油器升壓電路原理
一般情況下，噴油器電磁閥的驅動電壓越高時，其閉合速度也就越快，噴油器的響應速度也就越快。電磁閥驅動電源應具備分階段驅動、高低電壓分時供電的特性，以滿足電磁閥大電流快速開啟、低電流可靠維持的要求。這種特性既利于減小電磁閥線圈的功耗，又便于及時關閉電磁閥，實現快速斷油。為實現這種理想的驅動方式，目前最常使用的是PWM升壓驅動電路，如圖2所示。升壓電路主要有升壓儲能電感L，儲能電解電容C，開關二極管D以及功率NMOS管Q組成。當Q導通時，電流流經電感L，電感線圈飽和之前，線圈中產生感應電動勢E，E的方向與電流變化方向相反；同時C向負載放電，快速回復二極管D承受反向電壓，儲能電容C不會通過二極管放電；當Q截止時，電感線圈中產生的感應電動勢E與電源電壓形成串聯，以很高的電壓通過快速二極管向C充電，C兩端形成高壓，并向負載供電。
1.3噴油器升壓電路設計
本研究采用Boost原理進行噴油器升壓電路設計，設計時遵循原則如下：（a）設計電磁閥電源電壓為12V，用以提供電磁閥低電流可靠維持的要求；（b）對蓄電池12V電源進行升壓至48V，用以提供電磁閥開啟時的高壓驅動電流；（c）采用PWM方式控制MOS管通斷，實現電磁閥高低壓驅動電流保持在一個固定值。此設計以ST品牌的L9781TR作為升壓電路控制芯片，通過預驅直接控制MOS管的通斷，實現升壓功能。12V電源接入L9781TR的VBAT供電端，經GLS_T腳產生PWM信號輸入到MOS管Q的柵極，以實現對MOS管的導通和關斷，完成對電感的充電過程。MOS管的源極接入毫歐級的檢流電阻R1，R1兩端分別接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端，利用該芯片內部集成的觸發器和比較器，從而實現DC/DC轉換控制。Q關斷時，二極管D導通，對電解電容C開始充電，產生輸出電壓Vout，通過合理設定R2、R3、R4的值，將VT_FB處電壓維持在2.47~2.60，并輸入至L9781TR對應第12腳來實時檢測Vout數值，將Vout維持在48V左右。
1.4噴油器高邊控制
電路（圖4）L9781TR通過GHST_A輸出模擬信號來控制Q1的通斷，Q1導通時將48V高電壓提供給噴油器電磁閥工作。同樣，L9781TR通過GHSB_A輸出模擬信號來控制Q2的導通，Q2導通時將12V電源電壓提供給噴油器電磁閥工作。毫歐級電阻R9用來進行過流監測，其兩端RSPHS_A和INJH_A分別接至L9781TR的第15腳和第17腳。通過設置兩腳之間的電壓差來間接控制噴油器高邊的通斷。
1.5噴油器低邊控制
電路（圖5）L9781TR通過GLS_AX輸出模擬信號來控制Q3的通斷，Q3的Vgson取[8.5，10]伏間電壓時，Q3導通，若對應高邊也接通時噴油器電磁閥就開始工作。同理，Q4導通時，另一路噴油器電磁閥開始工作。毫歐級電阻R15用來進行過流監測，與圖3中R9的功能相同。
2.電磁閥驅動電路生產檢測
由于噴油器電磁閥工作時電流波形的特殊性，如圖6所示，MCU無法直接對該波形進行讀取，因此生產簡易工裝需要對該波形進行特殊處理后才能檢測。將毫歐級電阻R16與電磁閥電路串聯，用TI品牌的INA271將R16的電流變化轉化成兩端的電壓變化，見圖7中的波形一，再用電壓比較器對電壓波形進行處理，高維持電流處理后的波形見圖7中的波形三，低維持電流處理后的波形見圖8中的波形四。通過MCU讀取處理后波形的脈寬，用來判斷電磁閥是否正常。結語本文選用L9781TR芯片對升壓電路及電磁閥進行控制，集成度高，可以實現12V電源情況下噴油器的精準控制。通過改善其批量生產時的檢測手段，可以在一定程度上篩選出制程中出現的不良品。但由于貼片時不良品種類的不可控性，ECU噴油器電磁閥電路的不良品檢測方法需要不斷的積累和研究。
關鍵詞：高壓共軌；電子控制單元；升壓電路；測試工裝
近年國內汽車零部件企業涌現出電控系統的開發熱潮，其中電子控制單元（ECU）的開發成為柴油機燃油噴射系統的重點，尤其是隨著國家尾氣排放法規的升級，高壓共軌燃油噴射系統已成為主流產品。因此ECU電路中對燃油噴射量的控制變得尤為重要。在柴油機高壓燃油噴射系統中，油泵負責產生燃油的高壓，噴油器負責高壓燃油的噴射，而噴油器電磁閥則負責對燃油噴射進行精準控制，包括對噴油正時、噴油量和噴射速率的控制等。為了精確計量燃油，要求噴油器電磁閥的開啟響應和關閉響應快速。因此，對電磁閥的控制策略將直接影響著柴油機的排放和燃燒質量，加強對電磁閥驅動電路的研究對于提高柴油機的性能起著舉足輕重的作用。
1.電磁閥驅動電路設計
1.1噴油器高速電磁閥工作特性
噴油器高速電磁閥的工作過程可分為5個階段（如圖1所示)：快速吸合階段t1、高維持電流階段t2、由IH到IL的低維持電流快速切換階段t3、IL吸合階段t4、快速關斷階段t5。電控噴油器是高壓共軌燃油噴油系統中的關鍵部件，它的開發是噴油系統開發工作中至關重要的一環，電控噴油器功能的實現需要噴油器電磁閥的快速響應。電磁閥理想的驅動特性：需要快速注入峰值電流，使其迅速吸合，即t1階段。吸合吸合后，因磁路中氣隙減小磁阻降低，電磁閥僅需較小的電流就能夠維持吸合，即t2和t3階段。在維持吸合階段只需采用較小的維持電流，一方面可以加快電磁閥的釋放速度；另一方面可以減少電磁閥線圈的發熱，保證整個噴油系統長期可靠地運行，即t4階段。最后，為減少電磁閥的釋放延時，應盡快切斷驅動電流，即t5階段。為實現噴油器電磁閥的快速響應，需要引入升壓電路。
1.2噴油器升壓電路原理
一般情況下，噴油器電磁閥的驅動電壓越高時，其閉合速度也就越快，噴油器的響應速度也就越快。電磁閥驅動電源應具備分階段驅動、高低電壓分時供電的特性，以滿足電磁閥大電流快速開啟、低電流可靠維持的要求。這種特性既利于減小電磁閥線圈的功耗，又便于及時關閉電磁閥，實現快速斷油。為實現這種理想的驅動方式，目前最常使用的是PWM升壓驅動電路，如圖2所示。升壓電路主要有升壓儲能電感L，儲能電解電容C，開關二極管D以及功率NMOS管Q組成。當Q導通時，電流流經電感L，電感線圈飽和之前，線圈中產生感應電動勢E，E的方向與電流變化方向相反；同時C向負載放電，快速回復二極管D承受反向電壓，儲能電容C不會通過二極管放電；當Q截止時，電感線圈中產生的感應電動勢E與電源電壓形成串聯，以很高的電壓通過快速二極管向C充電，C兩端形成高壓，并向負載供電。
1.3噴油器升壓電路設計
本研究采用Boost原理進行噴油器升壓電路設計，設計時遵循原則如下：（a）設計電磁閥電源電壓為12V，用以提供電磁閥低電流可靠維持的要求；（b）對蓄電池12V電源進行升壓至48V，用以提供電磁閥開啟時的高壓驅動電流；（c）采用PWM方式控制MOS管通斷，實現電磁閥高低壓驅動電流保持在一個固定值。此設計以ST品牌的L9781TR作為升壓電路控制芯片，通過預驅直接控制MOS管的通斷，實現升壓功能。12V電源接入L9781TR的VBAT供電端，經GLS_T腳產生PWM信號輸入到MOS管Q的柵極，以實現對MOS管的導通和關斷，完成對電感的充電過程。MOS管的源極接入毫歐級的檢流電阻R1，R1兩端分別接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端，利用該芯片內部集成的觸發器和比較器，從而實現DC/DC轉換控制。Q關斷時，二極管D導通，對電解電容C開始充電，產生輸出電壓Vout，通過合理設定R2、R3、R4的值，將VT_FB處電壓維持在2.47~2.60，并輸入至L9781TR對應第12腳來實時檢測Vout數值，將Vout維持在48V左右。
1.4噴油器高邊控制
電路（圖4）L9781TR通過GHST_A輸出模擬信號來控制Q1的通斷，Q1導通時將48V高電壓提供給噴油器電磁閥工作。同樣，L9781TR通過GHSB_A輸出模擬信號來控制Q2的導通，Q2導通時將12V電源電壓提供給噴油器電磁閥工作。毫歐級電阻R9用來進行過流監測，其兩端RSPHS_A和INJH_A分別接至L9781TR的第15腳和第17腳。通過設置兩腳之間的電壓差來間接控制噴油器高邊的通斷。
1.5噴油器低邊控制
電路（圖5）L9781TR通過GLS_AX輸出模擬信號來控制Q3的通斷，Q3的Vgson取[8.5，10]伏間電壓時，Q3導通，若對應高邊也接通時噴油器電磁閥就開始工作。同理，Q4導通時，另一路噴油器電磁閥開始工作。毫歐級電阻R15用來進行過流監測，與圖3中R9的功能相同。
2.電磁閥驅動電路生產檢測
由于噴油器電磁閥工作時電流波形的特殊性，如圖6所示，MCU無法直接對該波形進行讀取，因此生產簡易工裝需要對該波形進行特殊處理后才能檢測。將毫歐級電阻R16與電磁閥電路串聯，用TI品牌的INA271將R16的電流變化轉化成兩端的電壓變化，見圖7中的波形一，再用電壓比較器對電壓波形進行處理，高維持電流處理后的波形見圖7中的波形三，低維持電流處理后的波形見圖8中的波形四。通過MCU讀取處理后波形的脈寬，用來判斷電磁閥是否正常。結語本文選用L9781TR芯片對升壓電路及電磁閥進行控制，集成度高，可以實現12V電源情況下噴油器的精準控制。通過改善其批量生產時的檢測手段，可以在一定程度上篩選出制程中出現的不良品。但由于貼片時不良品種類的不可控性，ECU噴油器電磁閥電路的不良品檢測方法需要不斷的積累和研究。
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