張愛云 張美娟 史定洪 陳 珣 張 雷 吳至錦

（1-無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院 江蘇 無錫 214121 2-中國一汽無錫油泵油嘴研究所電子控制部）

引言

現(xiàn)代柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)中，廣泛采用電磁執(zhí)行器精確控制噴油量，因此對電磁閥的開啟和關(guān)閉動(dòng)作有非常嚴(yán)格的要求。由于電磁閥的開啟和關(guān)閉與驅(qū)動(dòng)電流有密切的關(guān)系，所以需要通過精確地控制驅(qū)動(dòng)電流以實(shí)現(xiàn)電磁閥動(dòng)作，以便實(shí)現(xiàn)對噴油量的精確控制[1]。不同的噴油器為了獲得最佳的噴油性能，需要不斷調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化出適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)方式。而在優(yōu)化過程中，需要做大量的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中常需要調(diào)整噴油器驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)高壓的大小，而傳統(tǒng)的方法需要通過修改硬件電路參數(shù)才可實(shí)現(xiàn)，而器件的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不一定滿足調(diào)試的需要，并且修改過程麻煩且費(fèi)時(shí)，易出錯(cuò)。如果提供一種能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)，無需不斷調(diào)整硬件電路及器件參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)電磁閥的驅(qū)動(dòng)高壓和驅(qū)動(dòng)電流在線可調(diào)，用簡單易行的方法實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)或應(yīng)用場所中所需要的電磁閥驅(qū)動(dòng)模式。

1 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡介

圖1 為能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。其裝置包含如下模塊：人機(jī)交互模塊、MCU 模塊、DAC（Digital to Analog Converter（數(shù)模轉(zhuǎn)換器））模塊、DC/DC Boost 升壓模塊、電流采樣比較調(diào)制模塊及電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊等。其中：人機(jī)交互模塊中主要設(shè)定電磁閥的驅(qū)動(dòng)模式為有無尖峰電流，DC/DC 升壓電壓值，各驅(qū)動(dòng)電流如：峰值電流、一階維持電流、二階維持電流大小及相應(yīng)的脈寬，同時(shí)，設(shè)定電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出方式：外部中斷觸發(fā)或CAN 通信觸發(fā)兩種方式。MCU 通過CAN 通信與人機(jī)交互模塊之間交互數(shù)據(jù)，MCU 中，接收的DC/DC 升壓電壓值、峰值電流、一階維持電流、二階維持電流大小，MCU 分別與DAC 模塊中的DAC0、DAC1、DAC2、DAC3 之間通過SPI 通信模式交互數(shù)據(jù)，設(shè)定4 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換DAC 模塊中數(shù)字量。DAC0、DAC1、DAC2、DAC3 輸出的模擬電壓分別對應(yīng)DC/DC 升壓模塊Boost 高壓閉環(huán)閾值電壓、尖峰電流、一階維持電流、二階維持電流調(diào)制電路中閾值電壓。

圖1 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

DAC0 輸出的模擬電壓，接比較器U0 同相輸入端，電阻R2 為+Boost 高壓采樣電阻，R2 高端接比較器U0 反向端，比較器U0 的輸出控制DC/DC 升壓模塊的使能狀態(tài)，最終輸出與設(shè)定參數(shù)相一致的+Boost 電壓。

DAC1、DAC2、DAC3 輸出的模擬電壓接比較器U1、U2、U3 的同相輸入端，電磁閥電流采樣電阻R3高端輸出電壓經(jīng)放大后接比較器U1、U2、U3 的反相輸入端，U1、U2、U3 電流調(diào)制輸出的PWM 信號給CPLD 邏輯單元，同時(shí)MCU 根據(jù)人機(jī)交互模塊中設(shè)定的高壓開放時(shí)間、一階保持時(shí)間及總噴油時(shí)間輸出高壓開放脈寬、一階維持脈寬、二階維持脈寬、總噴油脈寬4 個(gè)信號給CPLD 邏輯處理單元，電流調(diào)制PWM 信號及MCU 輸出的噴油有效脈寬邏輯運(yùn)算，最終CPLD 輸出電磁閥高端驅(qū)動(dòng)信號，高端晶體管Q1、Q2 導(dǎo)通或截止，Q1 導(dǎo)通時(shí)，+Boost 高壓加載在電磁閥L 高端，電流快速上升至人機(jī)模塊中設(shè)定的峰值電流，高壓開放結(jié)束，Q1 截止，電流下降，至人機(jī)交互界面設(shè)定的一階維持電流，Q2 導(dǎo)通，電池電壓+Batt 加載電磁閥高端，電流上升，大于一階調(diào)制電路上限電流時(shí)，U2 電流調(diào)制電路輸出PWM 為低，Q2 截止，電磁閥L、二極管D3、電阻R3 組成續(xù)流回路，電磁閥電流下降，小于一階調(diào)制電路下限電流時(shí)，Q2 再次導(dǎo)通，如此往復(fù)，直至一階維持脈寬結(jié)束。同理，電磁閥二階維持電流的工作過程基本相同。能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路輸出與人機(jī)交互模塊中設(shè)定參數(shù)相一致的電磁閥驅(qū)動(dòng)電流。

2 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)各關(guān)鍵技術(shù)

2.1 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)Pspice 參數(shù)掃描分析

Pspice 是集成在Cadence 中的一個(gè)電子電路模擬軟件，其目的是在對所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，能通過Pspice 模型先對電路進(jìn)行模擬仿真來驗(yàn)證電路方案的可行性。參數(shù)掃描是Pspice 仿真分析手段之一，將電路中某些元件的參數(shù)在一定取值范圍內(nèi)變化時(shí)，分析參數(shù)變化對電路性能的影響，相當(dāng)于對電路進(jìn)行多次不同參數(shù)的仿真分析。在線調(diào)節(jié)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中，參數(shù)掃描分析僅用于驗(yàn)證電路方案的可行性[2]。

在線調(diào)節(jié)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中，分別以Boost 高壓閾值電壓、電磁閥驅(qū)動(dòng)峰值電流、一階維持電流、二階維持電流的閾值電壓4 個(gè)參數(shù)為掃描變量。Boost 升壓閾值電壓分別設(shè)定2 V、2.31 V、2.54 V、2.85 V、3.08 V、3.38 V 6 個(gè)掃描參數(shù)，升壓模塊Boost電壓Pspice 參數(shù)掃描結(jié)果如圖2 所示。

圖2 Boost 高壓可調(diào)PSpice 仿真

電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)掃描分析中，設(shè)定一階維持電流9 A，二階維持電流5 A 不變的情況下，峰值電流閾值電壓設(shè)定：1.4 V、1.8 V、2.2 V 3 個(gè)掃描參數(shù)，電磁閥峰值電流仿真結(jié)果如圖3 所示。以此類推，設(shè)定峰值電流18 A，二階維持電流5 A 不變的情況下，一階維持電流閾值電壓設(shè)定：2.4 V、2.0 V、1.7 V、1.4 V 4 個(gè)掃描參數(shù)，電磁閥一階維持電流仿真分析結(jié)果如圖4 所示。設(shè)定峰值電流18 A，一階維持電流12.5 A不變的情況下，二階維持電流設(shè)定：1.0 V、1.4 V、1.8 V，2.2 V 4 個(gè)掃描參數(shù)，電磁閥二階維持電流仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖3 峰值電流可調(diào)PSpice 仿真

圖4 一階維持電流可調(diào)PSpice 仿真

圖5 二階維持電流可調(diào)PSpice 仿真

2.2 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊是指人與電控單元的數(shù)據(jù)交互界面，它面向?qū)嶒?yàn)人員，要具備簡單易學(xué)，功能清晰的特點(diǎn)。因此該模塊使用NI 公司的Labwindows 軟件平臺(tái)開發(fā)。該平臺(tái)在C 語言的基礎(chǔ)上集圖形化編程和文本語言編程為一體，界面友好，操作簡單，可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，具有實(shí)現(xiàn)簡單，性能穩(wěn)定，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

人機(jī)交互模塊通過CAN 總線與控制單元中MCU 實(shí)現(xiàn)通訊，波特率為500 kbps，上位機(jī)發(fā)送ID為0x10，下位機(jī)回應(yīng)ID 為0x11。通訊采用請求/回應(yīng)模式，上位機(jī)發(fā)送請求數(shù)據(jù)幀，下位機(jī)回應(yīng)應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。根據(jù)自主共軌系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，電磁閥驅(qū)動(dòng)過程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和調(diào)整范圍如表1 所示。實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面如圖6 所示。

圖6 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)人機(jī)交互界面

2.3 DAC 模塊（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）

DAC 模塊是12 位數(shù)字輸入，高精度、低功耗、單通道、電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。它內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換采用電阻網(wǎng)絡(luò)模式，VREF由外部基準(zhǔn)電源提供，二進(jìn)制位流從DAC 緩存器移入，通過電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，經(jīng)放大后輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓Vout[3]。

圖7 DAC 模塊結(jié)構(gòu)框圖

DAC 模塊的輸入位流是標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制位流，其輸出電壓公式為，其中n 為轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計(jì)中n=12，D 為輸入的二進(jìn)制流對應(yīng)的十進(jìn)制值，AVDD為外部基準(zhǔn)源電壓，本設(shè)計(jì)VREF=5 V。

MCU 與DAC 模塊內(nèi)部均集成有SPI（Serial Peripheral Interface）模塊，MCU 接收人機(jī)交互模塊中設(shè)定的電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)，為提高控制精度，每個(gè)驅(qū)動(dòng)參數(shù)經(jīng)一定數(shù)值運(yùn)算、放大處理后，得到的數(shù)值為上述DAC 模塊中D 的二進(jìn)制位流，MCU 通過SPI通信模式將該二進(jìn)制位流傳送給DAC 模塊的數(shù)據(jù)輸入引腳。

3 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與分析

按照上述的能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)，完成了上位機(jī)人機(jī)交互軟件開發(fā)及電磁閥驅(qū)動(dòng)電控單元的制作，兩者之間通過NI 公司的高速CAN 通信工具M(jìn)SB-8473 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面見圖6。

在該界面中，分別設(shè)定兩組電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)如下：有尖峰電流，Boost 高壓88 V，尖峰電流18 A，高壓開放時(shí)間200 us，一階維持電流10 A，時(shí)間400 us，二階維持電流5 A，時(shí)間1 400 us，即總的噴油脈寬為2 000 us，電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出如圖8 所示；無尖峰電流，Boost 高壓88 V，一階維持電流15 A，時(shí)間400 us，二階維持電流10 A，二階維持時(shí)間1 600 us，即總的噴油脈寬為1 200 us，電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出如圖9所示。

根據(jù)上述控制單元輸出，能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)其各種驅(qū)動(dòng)模式[4]，為尋求電磁閥最佳驅(qū)動(dòng)參數(shù)提供技術(shù)支持與幫助。

圖8 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出1

圖9 能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出2

4 結(jié)束語

能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過人機(jī)交互模塊設(shè)置電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)，MCU 接收這些驅(qū)動(dòng)參數(shù)值且經(jīng)計(jì)算、放大等處理后，再通過SPI 通信模式傳送給DAC 模塊的數(shù)值輸入引腳，DAC 模塊輸出與設(shè)定參數(shù)相對應(yīng)的各閾值模擬電壓，最終按照設(shè)定的驅(qū)動(dòng)參數(shù)使電磁閥動(dòng)作。為此首先應(yīng)用Pspice 仿真軟件中參數(shù)掃描分析驗(yàn)證方案可行性，為能在線調(diào)節(jié)的電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供理論依據(jù)，且仿真結(jié)果與實(shí)際驅(qū)動(dòng)輸出完全吻合，在無需改動(dòng)電路硬件前提下即可實(shí)現(xiàn)電磁閥的驅(qū)動(dòng)高壓和驅(qū)動(dòng)電流在線可調(diào)，較易實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)或者應(yīng)用中所需要的驅(qū)動(dòng)模式，減少試驗(yàn)工作量，有效提高工作效率。