謝宏斌 蔣兆杰 張美娟 張愛云 蔡沈衛(wèi)

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214121；2.中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063）

主題詞：高壓共軌 電流自校正 噴油器驅(qū)動方法

1 前言

在柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中，噴油器是通過高速電磁閥實(shí)現(xiàn)噴射控制的，電磁閥的性能直接影響噴油器的響應(yīng)速度和控制精度，因而電磁閥是噴油器總成的核心元件。目前，主流的高壓共軌噴油器電磁閥驅(qū)動電路采用雙電源、PEAK_HOLD模式[1-4]。其電流調(diào)制方式主要有硬件調(diào)理電路[5-7]和脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比[8-12]調(diào)節(jié)2種方式。

噴油器驅(qū)動回路由線束和電控單元印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上的驅(qū)動線構(gòu)成，PCB 的布局和發(fā)動機(jī)缸體的布置會導(dǎo)致各缸驅(qū)動回路的實(shí)際長度（由PCB走線以及線束構(gòu)成）始終存在差異，使各缸驅(qū)動回路的阻抗存在較大差異[13]，進(jìn)而導(dǎo)致各缸驅(qū)動電流不一致。

噴油器電磁閥長時間使用后，會出現(xiàn)阻抗增加，驅(qū)動電流上升斜率降低的情況，采用硬件調(diào)理法會減小電流峰值，導(dǎo)致電磁力下降，進(jìn)而影響噴油器的噴油特性。目前的2 種電流調(diào)制方式均無法適應(yīng)驅(qū)動回路阻抗的差異以及電磁閥老化后出現(xiàn)的參數(shù)差異。文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]介紹了2 款專用噴油器驅(qū)動芯片MC33816、MC33PT2000，可以配置驅(qū)動電流的形態(tài)、不同階段電流的峰值和谷值，峰值和谷值的設(shè)置通過配置開關(guān)管的開通、關(guān)斷時間實(shí)現(xiàn)。然而，驅(qū)動回路阻抗差異較大或電磁閥線圈出現(xiàn)老化會導(dǎo)致驅(qū)動電流上升斜率變緩，進(jìn)而使驅(qū)動電流的控制精度下降。

針對現(xiàn)有控制方式的不足，本文提出一種噴油器驅(qū)動方法，取消硬件調(diào)理電路，基于單片機(jī)MPC57xx的豐富外設(shè)，構(gòu)建一種能適應(yīng)驅(qū)動回路參數(shù)變化并自動校正驅(qū)動電流的精確控制方法。

2 現(xiàn)有噴油器驅(qū)動電流調(diào)制方式分析

2.1 硬件調(diào)理電路的延時效應(yīng)分析

實(shí)際應(yīng)用的硬件調(diào)理電路主要由運(yùn)算放大器、比較器等電子元件構(gòu)成。運(yùn)算放大器主要用于放大由驅(qū)動電流生成的電壓信號，比較器將采樣的電壓信號與設(shè)定的電壓閾值比較，當(dāng)超過閾值時，比較器翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷驅(qū)動信號，反之則接通驅(qū)動信號。假設(shè)采樣信號在某一時刻T已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的電壓閾值，但是驅(qū)動電路在延遲一段時間Δt后，才會真正關(guān)閉驅(qū)動電路。關(guān)閉時的實(shí)際電流峰值為：

式中，I為設(shè)定的電流；k為驅(qū)動電流的斜率。

延遲時間Δt與硬件調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)以及采用器件的性能有關(guān)。

在優(yōu)化調(diào)理電路參數(shù)時，會使設(shè)定的電流I小于目標(biāo)電流，以使實(shí)際電流峰值等于目標(biāo)電流。調(diào)理電路參數(shù)確定后，其延時即確定，可以認(rèn)為在整個生命周期內(nèi)不會出現(xiàn)較大改變，各缸驅(qū)動回路阻抗的差異性會導(dǎo)致斜率k不同，由式（1）可知，各缸驅(qū)動電流的峰值并不一致。噴油器老化時，線圈阻抗變大，k變小，由于Δt不變，實(shí)際驅(qū)動電流峰值變小。上述現(xiàn)象會對噴油器開啟峰值電流的控制造成一定的負(fù)面影響，嚴(yán)重時峰值電流出現(xiàn)明顯下降，導(dǎo)致電磁力不足，進(jìn)而嚴(yán)重影響噴油特性。

2.2 PWM調(diào)節(jié)方式分析

PWM 調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的方式有2 種。一種是開環(huán)法[8-11]，即針對某種型號的噴油器進(jìn)行大量試驗，從而得到控制最優(yōu)的占空比。該方法較為簡單，但控制精度低，如果出現(xiàn)老化及驅(qū)動回路阻抗差異較大的現(xiàn)象，控制精度會下降。

另一種是閉環(huán)法，文獻(xiàn)[12]介紹了一種使用模糊PID算法調(diào)制驅(qū)動電流的智能控制方法，可在一定程度上緩解由于前述現(xiàn)象導(dǎo)致的驅(qū)動電流均值下降問題，但是該方法只是將驅(qū)動電流平均值控制在目標(biāo)值附近，沒有對驅(qū)動電流各階段的峰、谷值進(jìn)行控制。

2.3 噴油器驅(qū)動專用芯片調(diào)節(jié)方式分析

近年來，飛思卡爾公司推出了2款噴油器驅(qū)動專用芯片MC33816 和MC33PT2000[13-14]，驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

圖1 專用驅(qū)動芯片的電流相位

其中：Tboost為高壓開放時間，決定驅(qū)動電流的上升峰值；Tpeak_off為一階電流振蕩下行時間，決定振蕩幅值；Tbypass為一階振蕩到二階振蕩的過渡時間；Thold_off為二階電流振蕩下行時間，決定二階電流的振蕩幅值；Teoi為關(guān)閉時間，由續(xù)流回路決定。在電磁閥參數(shù)不變的情況下，用時長表征驅(qū)動電流的大小是可行的，電磁閥如果出現(xiàn)前述現(xiàn)象，驅(qū)動電流的上升斜率發(fā)生改變，此時若繼續(xù)使用初始標(biāo)定的時間值，就會導(dǎo)致控制精度下降，并出現(xiàn)與硬件調(diào)理電路調(diào)節(jié)方式相同的弊端。

3 電流可自校正的噴油器驅(qū)動電路工作原理

噴油器電磁閥的結(jié)構(gòu)、材料組成確定后，電磁力由驅(qū)動電流j、氣隙長度δ決定。在磁芯材料未達(dá)到磁飽和的情況下，忽略導(dǎo)磁材料的遲滯誤差、渦流效應(yīng)、熱損耗等因素的影響，電磁力F[16]為：

式中，N為線圈匝數(shù)；A為電磁閥吸合時的有效面積；μ0為真空磁導(dǎo)率。

從式（2）可知，噴油器出廠后，其結(jié)構(gòu)參數(shù)即確定，驅(qū)動電流是影響噴油器噴射性能的最關(guān)鍵參數(shù)。因此，精確控制驅(qū)動電流至關(guān)重要。

本文提出一種電流可自校正的驅(qū)動電路，驅(qū)動電流可始終保持在設(shè)定的值，即使各缸驅(qū)動回路阻抗有差異或電磁閥出現(xiàn)老化而導(dǎo)致阻抗、電感參數(shù)變化，其也能將驅(qū)動電流控制在設(shè)定值，確保驅(qū)動電流的精度。

3.1 驅(qū)動電路的改進(jìn)

電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用噴油器電磁閥驅(qū)動電路常用的雙電壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)，取消一般驅(qū)動電路中的電流調(diào)理電路，只保留電流采樣電路，驅(qū)動電流的峰值、一階電流的振蕩峰值和谷值、二階電流的峰值和谷值均通過調(diào)節(jié)驅(qū)動PWM波形的占空比來控制。

圖2 電流可自校正驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)

驅(qū)動電路的高邊輸出端A（見圖2）經(jīng)限壓電路后，引入復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD），目的是將電路輸出端實(shí)際的開關(guān)脈沖作為電流采樣觸發(fā)脈沖。輸出端的開關(guān)脈沖能準(zhǔn)確反映驅(qū)動電路實(shí)時的通斷狀態(tài)，因此在該脈沖的上、下沿觸發(fā)電流采樣即可準(zhǔn)確檢測到實(shí)時的電流峰值、一階電流的振蕩峰值、谷值以及二階電流的峰值、谷值。使用輸出端開關(guān)脈沖合成電流采樣驅(qū)動脈沖，避免了從輸入驅(qū)動脈沖到電路實(shí)際開始響應(yīng)之間存在的延時，使電流采樣值更加接近實(shí)際電流。由于高壓開放、高端調(diào)制、驅(qū)動使能信號均由CPLD輸出，它們與電流采樣觸發(fā)脈沖存在一定延時，如圖3 中的Δt，電流采樣觸發(fā)脈沖與實(shí)際的電流波形保持一致。

圖3 電流可自校正驅(qū)動方法的相位

由于驅(qū)動電流結(jié)構(gòu)為PEAK_HOLD模式，驅(qū)動端的開關(guān)脈沖實(shí)際上是由一個驅(qū)動高壓與一組驅(qū)動電池電壓組成，所以在接入CPLD前需對電壓進(jìn)行限幅。

3.2 驅(qū)動電流特征值的定義

該電路的工作相位圖見圖3，驅(qū)動過程分為3個階段：

a.高壓開放階段（t0～t1時刻）：M2導(dǎo)通（整個驅(qū)動過程M3始終導(dǎo)通），開放時間T0決定驅(qū)動電流波形的峰值。

b.一階電流維持階段（t1～t2時刻）：當(dāng)M1、M2關(guān)斷時，處在達(dá)到峰值電流后的續(xù)流階段，續(xù)流時間T3決定一階電流振蕩谷值。續(xù)流結(jié)束后，M1重新導(dǎo)通，電流開始爬升，經(jīng)歷爬升時間T1后，達(dá)到一階電流的振蕩峰值，T1決定了一階驅(qū)動電流振蕩峰值。T1結(jié)束后，M1再次關(guān)斷，此時電流進(jìn)入下降通道，T2決定了一階驅(qū)動電流振蕩谷值。時間T8為一階電流維持階段的時長。在一階電流維持階段，振蕩電流如此周期性爬升和下降，直至一階電流維持階段結(jié)束。

c.二階電流維持階段（t2～t3時刻）：一階驅(qū)動電流結(jié)束后，M1、M2關(guān)斷，此時處在一階電流過渡到二階電流的續(xù)流階段，續(xù)流時間T5決定二階電流振蕩谷值。續(xù)流結(jié)束后，M1重新導(dǎo)通，電流開始爬升，經(jīng)歷T6后，達(dá)到二階電流的振蕩峰值，T6決定了二階驅(qū)動電流振蕩峰值。此時，M1再次關(guān)斷，電流進(jìn)入下降通道，T7決定了二階驅(qū)動電流振蕩谷值。在二階電流維持階段，振蕩電流也周期性爬升和下降，直至該階段結(jié)束。

T0～T8決定了驅(qū)動電流的物理特點(diǎn)，包括驅(qū)動電流峰值、一階維持電流起始電流、一階維持電流的峰值和谷值、二階維持電流起始電流、二階維持電流的峰值和谷值，以及一階電流維持階段的時長。T0～T8決定了驅(qū)動電流的形態(tài)，稱之為驅(qū)動電流的特征值。

3.3 驅(qū)動電流在線自校正技術(shù)工作原理

如圖3 所示，CPLD 根據(jù)驅(qū)動電路高邊輸出端的開關(guān)脈沖信號合成電流采樣觸發(fā)脈沖。微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）接收該脈沖，并在上、下沿觸發(fā)MCU的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）采樣模塊，實(shí)時采樣獲取驅(qū)動電流的峰值、一階維持電流的峰值和谷值以及二階電流的峰值和谷值，并通過MCU 的直接存儲器存?。―irect Memory Access，DMA）通道將數(shù)據(jù)存入隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory，RAM），供MCU 分析使用，使用DMA 通道可以使數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存不受主MCU 干預(yù)，從而節(jié)省主MCU的資源。

MCU 在輸出下次驅(qū)動信號前，分析采樣數(shù)據(jù)是否符合要求，如不符合要求，在線調(diào)節(jié)電流特征值（T0～T8），直到實(shí)際驅(qū)動電流的各參數(shù)符合要求。該調(diào)節(jié)過程在整個電控單元運(yùn)行過程中始終進(jìn)行，這種閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)確保了噴油器驅(qū)動波形的一致性。驅(qū)動電流在線調(diào)節(jié)技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 電流調(diào)節(jié)流程

本文通過電流采樣觸發(fā)脈沖的上、下沿實(shí)時采樣驅(qū)動電流的峰值和谷值，MCU的AD模塊可在1 μs內(nèi)完成采樣，由于采樣轉(zhuǎn)換時間非常短，即使電流上升斜率變化幅值較大，反饋的電流值仍能精確反映實(shí)際電路中的真實(shí)電流。

噴油器電磁閥使用較長時間后，電感老化，阻抗增加，電感參數(shù)出現(xiàn)一定程度的離散，實(shí)際應(yīng)用中各缸噴油器的驅(qū)動回路阻抗也存在一定差異，通過該電流閉環(huán)技術(shù)可以自動校正驅(qū)動電流，保持驅(qū)動電流的一致。

在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同型號的噴油器，可通過試驗先確定T0～T8的基礎(chǔ)值，并將這些數(shù)據(jù)存入MCU的閃存（Flash）中，作為驅(qū)動噴油器電流波形的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一個電控單元中可以存入多種型號噴油器的基礎(chǔ)驅(qū)動數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)兼容驅(qū)動。

3.4 驅(qū)動電流的采樣過程

MCU需要根據(jù)上一次驅(qū)動過程中的電流采樣值動態(tài)調(diào)整驅(qū)動電流的特征值，然后依據(jù)調(diào)整后的電流特征值合成驅(qū)動脈沖，進(jìn)行下一次驅(qū)動。電流采樣值是在每個觸發(fā)脈沖的上、下沿進(jìn)行采樣獲得的，因此每次實(shí)際電流采樣的結(jié)果是與電流采樣觸發(fā)脈沖上、下沿對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電流采樣值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.5 驅(qū)動電流自校正模糊控制

本文使用模糊控制[17]的方法在線調(diào)整電流特征值，如圖6所示，模糊控制器的輸入為當(dāng)前周期與上一周期電流差值Iec和當(dāng)前周期電流值與目標(biāo)控制電流的差值Ie。

圖6 驅(qū)動電流模糊控制結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中，通常通過測量電壓信號換算成電流信號，即100 mV對應(yīng)1 A，因此使用U(Ie)、U(Iec)表示電流Ie、Iec對應(yīng)的電壓值。設(shè)U(Ie)、U(Iec)以及驅(qū)動電流的特征值Ti(i=0,1,…,8)的模糊語言值均為{PL,PM,PS,O,NS,NM,NL}，隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)形式。U(Ie)的隸屬度矢量如表1所示。

在進(jìn)行模糊化劃分時，并不是按照等分的原則，當(dāng)Ie＞1 A時，即認(rèn)為差值較大，Ie≤1 A時，劃分的單元較小，有利于精確控制。U(Iec)的隸屬度矢量如表2表示。

實(shí)際調(diào)整時，Iec的變化不會很大，以500 mA為步長進(jìn)行處理符合實(shí)際情況。

表1 U(Ie)的隸屬度矢量

表2 U(Iec)的隸屬度矢量

驅(qū)動電流和驅(qū)動時間的關(guān)系為：

式中，U為驅(qū)動電壓；L為電磁閥電感；ΔT為驅(qū)動時間。

由式（3）可看出，驅(qū)動時間與驅(qū)動電流為線性關(guān)系，但電磁閥工作時的電流均超過其飽和電流，此時的電感參數(shù)會隨著電流的增加而快速下降，電流會隨著驅(qū)動時間的增加而加速增長。因此在制定模糊規(guī)則時，當(dāng)Ie較大，同時Iec相對于目標(biāo)控制值逆向變化時，需采用最大的步長增大或減小時間特征值。其他情況需要采用較小的步長增大或減小時間特征值。表3 所示為本文采用的模糊規(guī)則，其中ΔTi為驅(qū)動電流特征值。

表3 ΔTi模糊規(guī)則

根據(jù)輸入變量Ie及Iec的隸屬度矢量表以及模糊規(guī)則表建立Ie、Iec、ΔTi模糊控制查詢表如表4所示。

表4 ΔTi模糊控制查詢表

當(dāng)誤差較小時，采用小步長修正驅(qū)動電流的特征值，僅在電流差值以及電流變化值較大時采用大步長修正。

本方法的特點(diǎn)是每次驅(qū)動結(jié)束后會得到一組電流采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)和設(shè)定的電流目標(biāo)值決定是否在線調(diào)節(jié)電流特征值。如果各缸噴油器的驅(qū)動回路阻抗有差異，那么ECU在上電初期就會開啟調(diào)節(jié)過程，經(jīng)過幾個噴射周期后，即可確定各缸噴油器的驅(qū)動特征值，并在較長時間內(nèi)保持驅(qū)動電流各控制目標(biāo)值的一致，調(diào)整后的電流特征值在每次下電后存儲在MCU的電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）中，每次上電后，將該數(shù)據(jù)調(diào)出到RAM中，供驅(qū)動程序使用。電磁閥老化，阻抗增加是長期漸進(jìn)的過程，當(dāng)電感參數(shù)、阻抗變化到一定閾值時，驅(qū)動程序就會自行調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的特征值以適應(yīng)噴油器電磁閥參數(shù)的變化，保證驅(qū)動電流長期保持一致，這將有效緩解電磁閥老化導(dǎo)致噴油特性惡化的負(fù)面影響，延長噴油器的使用壽命。

4 試驗分析

本文方法的最大優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)驅(qū)動回路阻抗的差異，自動調(diào)整驅(qū)動電流的特征值，確保驅(qū)動電流的控制精度。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由于PCB 布線以及線束布置的差異，各缸噴油器阻抗差異的數(shù)量級為100 mΩ，為此設(shè)計一組試驗來模擬驅(qū)動回路阻抗參數(shù)的變化，在一固定的噴油器驅(qū)動回路中，分別串接0 Ω、0.2 Ω、0.4 Ω、0.8 Ω的電阻，采用博世公司的二代噴油器，其內(nèi)阻約0.23 Ω。在這4種情況下分別用硬件調(diào)理電路和本文提出的驅(qū)動電路來驅(qū)動噴油器，觀察驅(qū)動電流的變化情況。

采用硬件調(diào)理電路的驅(qū)動波形如圖7所示，隨著回路阻抗逐漸變大，驅(qū)動電流的峰值逐漸減小，當(dāng)串接阻抗為0.8 Ω時，驅(qū)動電流的峰值出現(xiàn)了較大降幅，同時，電磁閥的電磁力明顯下降，噴油器的開啟延時變長，嚴(yán)重影響噴油特性。

圖7 采用硬件調(diào)理電路的驅(qū)動波形

在不同阻抗驅(qū)動回路下，采用本文提出的方法，驅(qū)動電流的峰值及保持電流的峰值基本一致，但驅(qū)動電流的上升斜率出現(xiàn)了變緩的趨勢，這是因為驅(qū)動回路阻抗變大，如圖8所示。

圖8 采用驅(qū)動電流自校正方法的驅(qū)動波形

5 保持驅(qū)動電流一致性對噴油特性的影響

本文提出的方法可以在不同的回路阻抗條件下保證驅(qū)動電流的峰值以及維持電流的峰、谷值的一致性，但是無法改變因阻抗變大導(dǎo)致的電流上升斜率變緩的現(xiàn)象。為此，在單次噴射儀上對不同阻抗的驅(qū)動回路進(jìn)行測試，采用博世的二代噴油器，噴射脈寬1 800 μs,噴射壓力160 MPa。使用硬件調(diào)理電路控制驅(qū)動電流時，其噴油特性數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 采用硬件調(diào)理電路時的噴油特性參數(shù)

由表5 可以看出，隨著驅(qū)動回路阻抗的變化，各階段驅(qū)動電流都開始下降，開啟延時變長，關(guān)閉延時變短，噴油持續(xù)時間縮短，噴油量下降，趨勢變化是非線性的，當(dāng)驅(qū)動回路阻抗增大到某一閾值（0.4 Ω）時，噴油量明顯減小。

使用本文提出的驅(qū)動方法控制驅(qū)動電流，其噴油特性數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 采用電流可自校正驅(qū)動方法的噴油特性參數(shù)

由表6可以看出，本文提出的驅(qū)動方法可以自動校正驅(qū)動電流以適應(yīng)回路阻抗的變化。驅(qū)動回路阻抗在較小范圍內(nèi)變化時，各階段驅(qū)動電流基本保持不變。當(dāng)回路阻抗增加到較大數(shù)值時（＞0.4 Ω），各階段驅(qū)動電流的控制精度明顯下降，噴油量也有所下降，但比硬件調(diào)理方法更能適應(yīng)驅(qū)動回路阻抗的變化，且保持各缸驅(qū)動電流的一致性。

保持驅(qū)動電流的一致性雖然不能完全解決因驅(qū)動回路阻抗差異導(dǎo)致的噴油特性惡化問題，但可以改善噴油特性，特別是當(dāng)阻抗的差異較小時，可以保持噴油特性基本不變，即使在阻抗差異較大的情況下，也可以顯著改善噴油特性。噴油器電磁閥的老化過程實(shí)質(zhì)上就是驅(qū)動回路阻抗以及電磁閥電感參數(shù)離散的過程，使用本文方法可以很好地適應(yīng)這種參數(shù)的變化，當(dāng)驅(qū)動回路參數(shù)變化較小時，噴油特性不受影響，當(dāng)驅(qū)動回路參數(shù)變化較大時，改善噴油特性，進(jìn)而延長噴油器電磁閥的使用壽命。

6 結(jié)束語

針對現(xiàn)有驅(qū)動電路不能自動適應(yīng)驅(qū)動回路阻抗變化而導(dǎo)致電流控制精度下降的問題，本文提出了一種電流可自校正的噴油器驅(qū)動方法，利用電流特征值描述驅(qū)動電流的物理形態(tài)，在每個驅(qū)動周期內(nèi)高速采樣驅(qū)動電流各階段的峰值和谷值，然后依據(jù)實(shí)際值和控制值之間的偏差構(gòu)建模糊控制規(guī)則，并基于該規(guī)則在線調(diào)節(jié)特征值實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電流自校正。試驗結(jié)果表明，該方法能適應(yīng)驅(qū)動回路阻抗的變化，自動校正驅(qū)動電流，使其保持在目標(biāo)值附近，確保各缸噴油特性的一致。電磁閥老化的進(jìn)程，實(shí)質(zhì)是阻抗?jié)u進(jìn)增加的過程，因此采用本方法能抑制電磁閥老化對驅(qū)動電流的不利影響，有助于延緩噴油特性的惡化速度并延長電磁閥的使用壽命。