蔡勝年，劉京，龐寶麟，徐承韜

(沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110142)

0 引言

隨著地球溫暖化及環(huán)境污染問題的日益加重，各國(guó)對(duì)汽車尾氣，特別是柴油車的尾氣處理要求日益增高。在歐洲，從2011年11月1日開始，歐盟就要求新車型需滿足歐5+排放要求；2014年9月1日開始，新車型需滿足歐6排放要求。在國(guó)內(nèi)，據(jù)悉近期國(guó)家將出臺(tái)實(shí)行國(guó)5排放標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)政策。面對(duì)這種情況，各國(guó)都在尋求綠色能源和研發(fā)高效率燃油系統(tǒng)。采用高壓共軌系統(tǒng)不僅能顯著提高效率、低油耗，還能大大減輕柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排污，對(duì)節(jié)能及環(huán)保具有重大意義。根據(jù)研究，一個(gè)周期內(nèi)噴油次數(shù)和軌壓的提高，能明顯減少有害物質(zhì)的排放。自從第一代高壓共軌系統(tǒng)問世以來(lái)，高壓共軌系統(tǒng)的軌壓和噴油器的工作頻率都在不斷地提高，目前軌壓已經(jīng)達(dá)到250 MPa，電磁驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到了2 000 Hz。系統(tǒng)軌壓的提高在一定程度上滿足了噴油器多次噴射的要求，提高了噴油器的噴射效率，有效地減少有害物質(zhì)的排放，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[1]。要想進(jìn)一步提高噴油器的性能，必須要將高速電磁鐵的快速驅(qū)動(dòng)特性與噴油器驅(qū)動(dòng)特性有效地配合。目前在國(guó)內(nèi)對(duì)噴油器的研究仍處在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和引進(jìn)技術(shù)的消化階段。所以，對(duì)高速電磁鐵的快速驅(qū)動(dòng)控制電路的研究有利于提高我國(guó)在電控柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)噴油技術(shù)方面的自主研發(fā)能力。

文中在對(duì)高速電磁鐵工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以減小閉合時(shí)間和降低系統(tǒng)能耗為優(yōu)化目的的一種高速電磁鐵的驅(qū)動(dòng)方案。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案可行，具有實(shí)用價(jià)值。

1 高速電磁鐵的驅(qū)動(dòng)特性分析

1.1 高速電磁閥工作原理

圖1所示為高速電磁閥的電磁執(zhí)行器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。

在電磁閥沒通電之前，銜鐵在彈簧和重力的作用下保持不動(dòng)，其下接觸面與環(huán)形鐵芯上接觸面緊靠在一起。電磁閥通電以后，在銜鐵和連桿運(yùn)動(dòng)之前，電磁閥中的電流以一定的斜率上升，產(chǎn)生的電磁力逐漸增大。當(dāng)電磁吸力大于起始運(yùn)動(dòng)的靜摩擦力、銜鐵和連桿重力和回位彈簧阻力時(shí)，銜鐵帶動(dòng)連桿一起開始向上運(yùn)動(dòng)，噴射過程開始。此后，隨著電磁閥中電流繼續(xù)增大、磁阻的不斷減小，銜鐵和連桿一起做變加速運(yùn)動(dòng)，直到電磁閥完全開通。噴射過程結(jié)束后，電磁閥斷電，高速電磁閥中電流減小，電磁力減小，當(dāng)電磁力和機(jī)械摩擦力之和小于彈簧的彈力以及銜鐵和連桿重力時(shí)，銜鐵和連桿在合力的作用下向下運(yùn)動(dòng)直到銜鐵回到原位，此時(shí)噴射過程結(jié)束。

1.2 影響高速電磁鐵驅(qū)動(dòng)特性的主要因素

噴油器的快速響應(yīng)特性是實(shí)現(xiàn)多次噴射的前提，影響噴油器的高速驅(qū)動(dòng)性能主要因素有3方面：(1)高速電磁鐵本身的特性參數(shù)，例如電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)械的時(shí)間常數(shù)等；(2)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)特性，例如開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間及能量回收等；(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制算法[2]。文中主要從驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)特性方面進(jìn)行研究，研究目的是使驅(qū)動(dòng)電流能夠快速達(dá)到峰值電流，保證高速電磁鐵在最短的時(shí)間內(nèi)開通并保持一段時(shí)間使其閥芯可靠開通，然后使驅(qū)動(dòng)電流迅速降到最小維持電流值，這樣既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，又能夠減小磁退飽和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高速電磁鐵的快速關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速電磁閥的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)預(yù)噴油量、主噴油量、預(yù)噴間隔、噴油正時(shí)和噴油速率的柔性控制奠定了基礎(chǔ)。

噴油器高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)線圈實(shí)質(zhì)上是有一定內(nèi)阻的電感。當(dāng)給高速電磁閥通電時(shí)，閥芯在某一個(gè)固定位置上時(shí)，線圈兩端的電壓與電流的關(guān)系為：

(1)

式中：i為電磁閥流經(jīng)電流(A)；L為電磁閥的等效電感(H);x為銜鐵和連桿的行程(m)。高速電磁閥中的電磁力可以通過麥克斯韋電磁方程求得，相關(guān)公式如式(2)—(6)所示，由驅(qū)動(dòng)電流在磁路產(chǎn)生電磁場(chǎng)，進(jìn)而磁場(chǎng)儲(chǔ)能，通過磁場(chǎng)儲(chǔ)能的變化產(chǎn)生電磁力完成電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換[3]。

(2)

B=μ·H

(3)

式中：H為磁感強(qiáng)度矢量(A/m)；J為傳導(dǎo)電流密度矢量(A/m2)；D為電通密度(C/m2)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率。

由此建立磁場(chǎng)的儲(chǔ)能為：

(4)

(5)

式中：N為電磁閥線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；δ為工作氣隙長(zhǎng)度(m)。

在電流i建立的磁場(chǎng)中，由經(jīng)典虛位移法，得電磁力公式：

(6)

銜鐵和連桿的運(yùn)動(dòng)過程中，它們受力情況隨工作時(shí)間和位置的變化而變化，由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律得:

(7)

式中：m為銜鐵和連桿的總質(zhì)量(kg)；C為銜鐵和連桿運(yùn)動(dòng)速度阻尼系數(shù)(m·N/s)；K為回位彈簧系數(shù)(N/m)；G為銜鐵和連桿的總重力(kg)；f為機(jī)械摩擦力(N)，開啟過程為“+”，關(guān)閉過程為“-”。

在整個(gè)噴射的過程中，高速電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性主要涉及兩個(gè)方面：高速電磁鐵的開啟和關(guān)斷。為了讓高速電磁閥能夠快速開啟，需要大電流產(chǎn)生起始的電磁力克服彈簧力、銜鐵和連桿的重力、摩擦力等阻力，使電磁閥在最短的時(shí)間內(nèi)開通。噴油結(jié)束后，由于電磁鐵的磁通由最大減小到最小，維持電磁鐵導(dǎo)通狀態(tài)的電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于峰值電流，所以采用PWM調(diào)制方式使電流維持在一個(gè)較小的值保持噴射即可，達(dá)到了減少能量損耗和因減少磁退飽和時(shí)間而提高關(guān)斷速度的效果。理想中的驅(qū)動(dòng)波形如圖2所示。

如圖3所示，高速電磁鐵常用的驅(qū)動(dòng)電路有以下幾種[4]：

可調(diào)電阻式驅(qū)動(dòng)電路利用單電源電路設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)，通過改變電阻值來(lái)達(dá)到改變維持電流大小的目的。但是,電路中電阻耗能較大。 而且受到功率電阻額定功率與尺寸的限制,在電路板上布置不便,不符合高集成度的要求。

脈寬調(diào)制式控制驅(qū)動(dòng)電路可以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以降低能耗。可以通過調(diào)節(jié)高頻PWM波的占空比來(lái)方便地對(duì)電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。不過最高驅(qū)動(dòng)電壓受到電池電壓的限制。

雙電壓式驅(qū)動(dòng)電路通過改變電磁閥工作過程中的工作電壓,達(dá)到了提高快速啟動(dòng)、快速關(guān)斷和減少能量消耗的目的。外設(shè)電源增加電路了的復(fù)雜性和成本。

2 高速電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

前面介紹的常用的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路形式都存在不同的缺點(diǎn)，在快速性和節(jié)能方面還有一定的提升空間。目前，在雙電源的情況下，對(duì)S1采用PWM驅(qū)動(dòng)的方式為現(xiàn)在主要的使用方式[5]。作者在雙電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，綜合了以上的電路優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路。試驗(yàn)用閥的具體參數(shù)：R=340 mΩ，L=140 μH，如圖4所示。

圖4為高速電磁鐵的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，與常用驅(qū)動(dòng)方式相比多了兩個(gè)二極管和一個(gè)Mos驅(qū)動(dòng)開關(guān)S2。在此驅(qū)動(dòng)方式下,一個(gè)開關(guān)過程的驅(qū)動(dòng)電流變化如圖5所示。開關(guān)過程包括4個(gè)階段:第一階段為峰值電流的上升階段,t1時(shí)刻關(guān)閉S2同時(shí)開通S1和S3，此時(shí)48 V高電壓直接作用于電磁閥線圈,加快驅(qū)動(dòng)電流上升速度,t2時(shí)達(dá)峰值電流，快速建立了電磁力，縮短了電磁鐵閉合時(shí)間；第二階段為峰值電流保持階段，當(dāng)電流達(dá)到峰值電流時(shí)關(guān)閉S1同時(shí)開通S2，對(duì)S3用PWM調(diào)制方式進(jìn)行控制，讓電流在峰值電流處保持一定時(shí)間，保證電磁閥的可靠閉合直到t3時(shí)刻； 第三階段為維持電流保持階段，當(dāng)電磁閥完全可靠閉合之后，電磁鐵磁阻達(dá)最小值，需要較小的電磁力就可以維持電磁鐵的閉合狀態(tài)，即需要較小的電流就可以維持電磁鐵的閉合狀態(tài)，所以在t3時(shí)刻關(guān)斷S3,電磁閥中的電流通過D2、S2續(xù)流，在t4時(shí)刻電流下降到維持電流并對(duì)S3運(yùn)用PWM調(diào)制方式進(jìn)行控制。利用較小的電流既可保證噴油器開通狀態(tài),降低了電能消耗也有利于電磁鐵關(guān)閉時(shí)電流的迅速減小為0；第四階段為電磁鐵關(guān)閉階段，t5時(shí)刻S2和S3同時(shí)關(guān)斷，電磁閥能量通過D3、電磁閥和D4回流給電源VH，由于電源電壓的反相作用，電流能快速減小為0。

通過MATLAB Simulink仿真軟件對(duì)圖4電路進(jìn)行仿真，得到仿真電流波形如圖5所示。

由于實(shí)際條件限制，實(shí)驗(yàn)中暫定驅(qū)動(dòng)峰值電流為14 A，維持電流為7 A。改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路與原驅(qū)動(dòng)方式電流波形如圖5所示：紅線為改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的電流波形，藍(lán)線為原驅(qū)動(dòng)電路電流波形，仿真時(shí)間為2 ms左右，峰值電流14 A，保持電流7 A。通過高壓?jiǎn)?dòng)，電流在t=45 μs左右達(dá)到峰值電流，維持60 μs左右后降為保持電流，在保持電流維持500 μs左右后S2和S3同時(shí)斷開，電流開始減小。通過仿真數(shù)據(jù)可知：改進(jìn)前關(guān)閉時(shí)間為580 μs，而改進(jìn)后關(guān)閉時(shí)間可減少為20 μs左右。下降時(shí)間減少95.5%，改進(jìn)效果顯而易見，以上仿真數(shù)據(jù)完全滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在理論分析和仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際的電路搭建，對(duì)設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中高電壓選用48 V，低電壓選用24 V，開啟時(shí)電流保持在14 A左右，有利于電磁鐵的快速動(dòng)作，當(dāng)完全開啟之后，電流保持在7 A左右。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，試驗(yàn)時(shí)間3 ms左右。藍(lán)線波形為常用驅(qū)動(dòng)方式電流曲線圖，開始在高電壓的驅(qū)動(dòng)下，45 μs達(dá)到14 A左右，高速電磁鐵在80 μs左右完全閉合，隨后調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持電流在7 A，最后關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，電流經(jīng)過1.6 ms左右減小到0；紅線波形為改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式電流曲線圖，關(guān)斷時(shí)電流由7 A減小到0用時(shí)74 μs，下降時(shí)間減少了95.3%。通過比較，顯然能看出在最后關(guān)閉電磁閥部分，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式能實(shí)現(xiàn)非?？斓年P(guān)斷效果。

對(duì)比仿真與實(shí)際電路波形，實(shí)際波形較仿真波形在電流下降部分緩慢很多，主要是由實(shí)際高速電磁鐵在閉合后線圈電感值有較大幅度的增大、實(shí)驗(yàn)線路及接觸電阻等影響導(dǎo)致。

通過計(jì)算一個(gè)周期能夠回收能量大約為：

4 結(jié)論

綜上所得結(jié)果，表明文中設(shè)計(jì)的整個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)電路基本能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，達(dá)到了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路、實(shí)現(xiàn)提高電磁鐵快速開啟快速關(guān)斷、降低驅(qū)動(dòng)功耗和能量回收的研究目的。

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