基于MC33816芯片的共轨喷油器驱动单元的设计Word文件下载.docx
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基于MC33816芯片的共轨喷油器驱动单元的设计Word文件下载.docx
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喷射控制;
驱动波形;
智能驱动单元
中图分类号:
U461.9文献标识码:
A文章编号:
1671-7988(2017)02-34-04
TheDesignofDrivingCircuitofCommon-railInjectorBasedonMC33816Chip
LiuXinghua,LiCong,AnXiaodong,YueGuangzhao,ChenYanan
(Beijinguniversityoftechnologyschoolofmechanicalandvehicle,Beijing100081)
Abstract:
Accordingtothedrivingrequirementsofthecommonrailinjector,anintelligentelectricdrivingunitbasedonthesolenoidvalvedrivingchipMC33816wasdesigned,andthecorrespondingsoftwarecontrolstrategywasdeveloped.TheunitincludesDC-DCboostmodule,high&
lowsidedrivermoduleandcurrentwaveformfeedbackcontrolmodule,andsuccessfullyachievesthePeak&
Holddrivingmode.Theexperimentalresultsshowedthattheintelligentdrivingcircuithadexcellentperformance,fastresponseandreliableoperation,andachievedthepurposeofprecisecontrolofinjectionquantityandinjectiontiming.
Keywords:
Commonrailinjector;
MC33816;
Injectioncontrol;
Drivingwaveform;
Intelligentdrivingunit
CLCNO.:
U461.9DocumentCode:
AArticleID:
1671-7988(2017)02-34-04
前言
高压共轨系统具有很高的喷油压力并且独立于发动机转速,可以实现对喷油量和喷油定时的灵活、精确控制,这对改善柴油机排放、油耗和动力性等方面具有重要意义。
喷油
器作为最重要的执行器,其电磁阀对开关动作的响应延时是降低控制精度的主要因素[1]。
因此,共轨喷油器驱动电路要
求能实现在很高的开关频率下高效快速的响应,同时尽可能
作者简介:
刘兴华(1963—),男,副教授,博士生导师,就职于北京理工大学。
主要研究方向为发动机电控系统设计、内燃机环境污染与控制。
通讯作者:
李聪(1990—),男,硕士,就读于北京理工大学。
研究方向为转子发动机电控系统设计开发。
多地降低电能消耗。
目前国内外在对高速电磁阀喷油器驱动电路的研究中,多集中在电源管理,驱动电流反馈控制,以及快速提升开启电流和优化续流电路,减少外围器件等方面。
目的是减少喷油器开关的响应时间同时降低能耗,保证喷油器长时间稳定可靠工作。
本文采用智能电磁阀控制芯片
MC33816设计喷油器驱动电路,并给出喷油驱动的控制策略,减少不同阶段电流的波动,实现对驱动电流的精确控制。
1、共轨喷油器驱动方式和对驱动电流的要求
理想的喷油器驱动电路通常采用Peak&
Hold驱动方式
[2],该方式属于电流驱动型,其典型的驱动电流如图1所示。
在喷油器开启阶段,要求尽可能快地提升至峰值电流,提高
35 汽车实用技术
2017年第2期
电磁阀开阀响应速度;
开启后,较小的电流就可以维持电磁阀的开启状态,同时不仅能降低能量消耗,减少发热量,而且还能缩短电磁阀关闭的延时时间。
在关闭阶段,为了减少电磁阀的释放延时,应快速抑制驱动电流,迅速释放掉电磁
度
阀内的能量,提高控制精[3]。
图1Peak&
Hold驱动电流波形
在喷油器打开到关闭过程中的不同阶段对驱动电流的变化速率要求不同,并不总是越快越好,而是在不同阶段期望不同的电流变化速率。
在图中的Boost阶段,当喷油器注入高电压时,为了缩短开启迟滞时间,要求电压越大越好,以获得最大的电流上升速率,快速开启电磁阀。
为了确保完全打开,峰值电流需要持续一段时间,如图中的Peak阶段,该阶段电流下降速率应尽量缓慢,波动应小。
当完全打开后,电磁阀磁路气隙减小,磁阻降低,较小的电流就可维持打开状态,过高的电流反而会导致发热并可能烧毁喷油器,因此要将其降低到保持阶段的电流。
在过渡阶段即图中Bypass阶段所示,此阶段的电流下降速率应尽量缓慢并且不能出现较大的下跌,否则有可能导致喷油器关闭。
保持阶段,即图中Hold阶段所示,驱动电流下降到一个合适值,需要保持在一个合适范围使喷油持续打开。
此时要求电流波动越小越好,同时电流下降速率应较小,以使驱动电流尽量平滑。
在喷油器关闭阶段,即图中EndofInjection阶段所示,此时希望电磁阀线圈内的能量迅速释放掉,电流迅速下降,使喷油器迅速关闭,以提高
喷油持续期的控制精度[4]。
2、基于MC33816芯片的驱动电路设计
MC33816是恩智浦公司开发的智能电磁阀驱动芯片。
该芯片专门用于电磁阀的精确控制,并能通过编程实现DC-DC升压范围的调节、驱动电流波形的精确调整以及故障监测和诊断。
芯片上还提供SPI数据通讯接口,用来与MCU进行通讯,完成控制和诊断信息的交流。
2.1DC-DC升压模块
DC-DC升压电路采用BOOST方式,最大输出电压可达
72V。
芯片内部集成有用于DC-DC转换的电流检测和电压反馈模块。
电流检测模块的作用是设定流过电感电流的上限值和下限值,进而控制存储在电感中的能量和BOOST输出电容电压升高速率,降低输出电压纹波的幅度,使其维持在较
低水平。
电压反馈模块用来确定BOOST输出电压值,可以编程控制电压波动范围,最小可控制在0.3V左右。
该模块具备变频工作模式,工作时输出电容和电感共用电流检测模块,其负极连接到MOS管的源极。
该模式下,当电流低于设定最小值和超过最大值时触发MOS管的开关动作;
随着工作条件的不同,占空比和频率也随之改变。
DC-DC模块输出电压控制原理如下图2:
图2BOOST电压控制原理
在升压开始阶段,芯片使能异步模式,此时流过电感的电流值介于0和电感饱和电流值Isat之间。
当MOS管导通时,电流流过电感、MOS管和检测电阻;
当MOS管截止时,电流流经二极管输出给电容。
达到VBOOST的上限值之后,内核使能同步模式,直到电容电压低于VBOOST的下限值。
异步和同步模式交替作用,这样便能获得稳定的电容输出电压值。
2.2高低边驱动模块
MC33816芯片内集成有5路独立的高边预驱动和7路独立的低边预驱动单元,都由VCCP提供驱动电压。
其中高边预驱动器需要外接自举电容,当高边MOS管接通时用来提高栅极和源极之间的驱动电压VGS,保证高边MOS管的正常工作。
低边预驱动器结构与高边类似,只是不包括自举电容充电部分。
芯片微控制核控制低边MOS管的开关状态,用以接通喷油器对地的回路,实现喷油。
2.3电流波形反馈控制模块
在低边驱动中,与MOS管源极相连有电流检测电阻,用以实时监测不同阶段驱动电流阈值,实现喷油器驱动波形的精确反馈控制。
具体反馈控制原理如下图3所示:
图3电流波形反馈控制原理图
在Boost阶段,与VBOOST电压相连的高边MOS管打开,此时电流在高压下迅速上升;
当电流上升到Iboost时,高边MOS管全部关闭,此时进入Peak阶段。
MC33-816内部计时器开始工作,到达Tpeak_off后,电源切换,与VBAT相连的高边MOS管打开;
当电流上升到Ipeak,MOS管关闭,继
2017年第2期
刘兴华等:
基于MC33816芯片的共轨喷油器驱动单元的设计 36
续等待计时器到达Tpeak_off,然后再判断电流是否达到Ipeak,依次循环进行直到达到总时间Tpeak_total。
此时进入续流阶段,当计时器到达Tbypass时,结束该阶段进入保持阶段。
与Peak阶段类似,当计时器达到Thold_off,打开与VBAT相连的高边
MOS管,当电流上升到Ihold,关闭该MOS管,再次等待计时到达Thold_off,依次循环直到计时达到Thold_total结束喷油,这里如果喷油脉冲结束,那么即使计时没有达到Thold_total也会立即结束喷油。
通过调节不同阶段的电流阈值以及时间参数,可以灵活改变驱动电流波形,以适应不同类型喷油器驱动要求。
2.4喷油器驱动电路总体设计
喷油器控制系统包含控制电路和驱动电路两个部分,控制电路以MCU为核心,接收传感器信号和上位机控制信号,计算满足发动机运转状态的燃油喷射量,然后确定喷油器的
喷油时刻和持续期,最后发出控制信号给驱动电路[6][7]。
基
于MC33816搭建的喷油器驱动电路原理图如下图4和图5
所示。
图4DC-DC升压电路
图5高低边驱动电路
在DC-DC模块中,输入电压要特别稳定,BOOST电压才能波动小、控制精确,因此电池电压要经过π型滤波器输
出。
该驱动电路中,采用分时复用的设计,两路喷油共用电流检测模块和高边驱动,驱动电压由微控制核在驱动电流的不同阶段切换。
为了防止高压端MOS管打开后对低压部分的冲击,须增加一个二极管。
MCU通过数字I/O以及SPI接口可实现对喷油触发和故障检测的控制。
3、驱动单元软件设计
MC33816具有两个微控制核心并有自己的指令系统,通过对芯片编程可以实现DC-DC转换以及最多6路喷油器驱动。
驱动软件设计包含两部分,一是实现对芯片的初始化(对相应寄存器进行配置),二是对高低边MOS管驱动信号、电
流检测模块、DC-DC升压模块和故障诊断进行软件设计。
3.1MC33816的初始化
对MC33816进行初始化,包括六大部分,分别是对Main寄存器、I/O寄存器、channel1寄存器、channel2寄存器、Diag-nosis寄存器和DataRam寄存器进行配置。
完成驱
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