一種發動機用電磁閥驅動電路的製作方法
2023-06-14 14:03:51 2
專利名稱：一種發動機用電磁閥驅動電路的製作方法
技術領域：
一種發動機用電磁閥驅動電路涉及電控柴油機燃油噴射系統中的電磁控制旁通閥驅動，可用於電磁閥驅動的相關技術領域。
背景技術：
在電控發動機噴射系統中，對電磁閥的關閉動作有較嚴格的要求，由於電磁閥的關閉動作與驅動電流有密切關係，所以在完成電磁閥動作時多通過精確控制驅動電流實現，這在發動機電磁閥驅動中表現的尤為明顯，驅動電流常常要求形如附圖4所示的兩段式驅動電流，電磁閥在T1和T2時間段內完成閉合動作，在T3時間段內維持閉合狀態直至結束。為獲得該類型的驅動電流，已開發出一些驅動電路，如傳統的高低端驅動結構各電磁閥共用一套高端驅動電路，包括一個高端驅動電源和一個高端功率三極體，高端驅動電源電壓多採用車載蓄電池電壓——24V；每個電磁閥各有一套低端驅動電路，每套低端驅動電路的主要器件為一個低端功率三級管，為檢測驅動電流，多在各電磁閥的公共端設置一個採樣電阻。工作時，通過改變高端功率三極體控制脈衝的佔空比調整驅動電流大小，通過選通低端功率三極體實現選缸工作。該驅動電路結構簡單，但其缺點也比較明顯首先，電磁閥關閉時間過長。其原因是24V的驅動電源電壓在較短時間內無法提供足夠的能量，導致驅動電流上升緩慢，不足以在短時間內產生足夠的電磁力關閉電磁閥。如果單純的依靠提高驅動電源電壓減小電磁閥關閉時間，將會極大的增加能量消耗，這種改進方案通常不被採用。其次，控制精度低。為將驅動電流的大小調整到符合要求的形狀，需對驅動電流採用電流閉環反饋控制。高低端驅動電路中，由於硬體電路只提供了驅動電流反饋值，所以對驅動電流的採樣、比較以及調整高端功率三極體控制脈衝佔空比等控制動作都必須依靠軟體完成，這種控制方式被稱為軟體電流反饋控制，其控制軟體的編寫非常複雜，而且對佔空比的調整頻率也非常低，一般不超過100Hz，如此低的反饋控制頻率必然導致電流波動幅度較大，控制精度較低。可見，傳統的驅動電路在驅動能力、控制精度上都有待改進。
發明內容
本發明的目的是提出一種發動機用電磁閥驅動電路。該驅動電路的驅動能力強，能夠縮短電磁閥關閉時間，還能夠提高電流控制的精度。
本發明含有分別連接在電磁閥兩端的高端驅動電路和低端驅動電路，其特徵在於，還含有一個信號處理電路，所述信號處理電路接收由發動機電子控制單元發出的控制脈衝A，並分別輸出一個高壓驅動脈衝AH和一個低壓驅動脈衝AL到所述高端驅動電路，同時接收由所述低端驅動電路對所述電磁閥採樣反饋的電流信號，進行處理後調節所述低壓驅動脈衝AL對所述高端驅動電路進行調節控制，從而調節電磁閥的驅動電流，所述低端驅動電路直接接收由發動機電子控制單元發出的脈衝信號B，該脈衝信號與所述控制信號A相同。
所述高端驅動電路含有一個由高電壓驅動的高壓功率三極體MH和一個由低電壓驅動的低壓功率三極體ML，所述高壓功率三極體MH的門極接收上述信號處理電路發出的高壓驅動脈衝AH，所述低壓功率三極體ML的門極接收上述信號處理電路發出的低壓驅動脈衝AL，所述高壓功率三極體MH的發射極連接所述電磁閥的一端，在所述低壓功率三極體ML的發射極和所述高壓功率三極體MH的發射極之間連接一個實現隔離作用的二極體D0。
所述信號處理電路接收發動機電子控制單元發出的控制脈衝A，該控制脈衝A經過一個定時器(1)後輸出上述高壓驅動脈衝AH到上述高端驅動電路；所述發動機電子控制單元發出的控制脈衝A還輸入一個硬體反饋電流閉環反饋控制電路，該反饋控制電路接收上述低端驅動電路反饋的電流信號，該電流信號經過一個放大器U1放大後輸入一個比較器U2與一個參考電壓進行比較；所述控制脈衝A經過另一個定時器(2)後輸入一個三極體T1，並控制該三極體T1的導通和截止，所述比較器U2的參考電壓輸入端與所述三極體T1的發射極之間連接決定所述參考電壓電平的電阻，通過所述三極體T1的導通和截止，改變所述電阻的阻值，從而使參考電壓在高電平UH和低電平UL間切換，該參考電壓與所述放大器U1輸出的電流反饋信號進行比較後輸入一個觸發器，該觸發器輸出信號與所述控制脈衝A共同輸入一個與門U3，該與門U3輸出低壓驅動脈衝AL到所述高端驅動電路。
所述低端驅動電路含有連接在電磁閥一端，且個數與所述電磁閥個數一致的低端功率三極體，所述每一個低端功率三極體的門極接收一路由發動機電子控制單元發出的與上述控制脈衝相同的脈衝信號B，所述低端功率三極體的發射極共同連接一個採樣電阻RS，所述低端功率三極體的集電極分別連接所述各個電磁閥的一端；在所述低端功率三極體的發射極和電磁閥與所述高端驅動電路連接的一端之間還連接有一個續流二極體D1。
所述高壓功率三極體MH的驅動電壓為100V±50V。所述低壓功率三極體ML的驅動電壓是車載蓄電池的輸出電壓。
實驗證明，與現有技術相比，本發明的有益效果為1.縮短了電磁閥關閉時間。本驅動電路中實現了雙電壓分時驅動，其高壓驅動源電壓在100V±50V，可在短時間內向電磁閥提供足夠的能量，迅速提高驅動電流，完成電磁閥關閉動作。2.電流控制精度高。本驅動電路實現了硬體電流反饋控制。對驅動電流的採樣、放大、比較及低壓功率三極體的PWM脈寬調製控制信號的產生全部由硬體自動完成，不需要軟體幹預，故該控制電路的調整頻率較高，可達到20Khz左右，這大大降低了驅動電流的波動範圍，提高了對電流波形的控制精度。3.控制軟體簡單。該控制電路所需的輸入控制信號極其簡單，只需兩段高電平脈衝輸入，中間不再需要進行PWM脈寬調製，這將大大降低控制軟體的複雜程度。
圖1為本發明的驅動電路原理圖(以驅動六路電磁閥為例)。
圖2為圖1的信號處理電路原理圖。
圖3為工作過程部分信號圖。
圖4為電磁閥的驅動電流示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖詳細描述本發明的具體電路以及工作過程。
見圖1，本發明主要包括高端驅動電路、低端驅動電路和信號處理電路三部分。以驅動六路電磁閥為例，高端驅動電路位於電磁閥L1-L6(L2-L5圖中未標出)一端，包括兩套獨立的驅動電源和功率三極體，一套包括高壓驅動電源UH和高壓功率三極體MH(型號為IRFB61N15D)，其中，高壓驅動電源電壓在100V±50V，一般可取100V，高壓功率三極體MH由信號處理電路輸出的AH脈衝信號控制。另一套包括低壓驅動電源UL和低壓功率三極體ML(型號為IRFB61N15D)，兩個功率三極體MH和ML之間採用二極體D0(60CTQ150)實現隔離保護，其中，低壓驅動電源直接使用24V車載蓄電池電源，低壓功率三極體ML由信號處理電路輸出的AL脈衝信號控制。
低端驅動電路位於電磁閥L1-L6(L2-L5圖中未標出)另一端，包括六個功率三極體M1-M6(IRFB61N15D)(M2-M5圖中未標出)，其數目應等於發動機電磁閥數目，這些功率三極體分別連接到每個電磁閥，其控制信號B1-B6直接由發動機電子控制單元(ECU)發出，都是一段高電平脈衝。在各低端功率三極體的發射極公共端設有採樣電阻RS和續流二極體D1(60CTQ150)。
信號處理電路的輸入控制信號是A脈衝，其波形與低端驅動電路控制信號B1-B6脈衝完全一致，也是直接由發動機電子控制單元(ECU)發出的。
見圖2，信號處理電路包括定時器1(74LS123)、定時器2(74LS123)、三極體T1(9013)、放大器U1(AD8051)、比較器U2(LM193)、與門U3(74F08)、觸發器(採用D觸發器74LS74)和時鐘電路等部分。整個信號處理電路的輸入控制信號是A脈衝，其波形與低端驅動電路控制信號B1-B6脈衝完全一致，也是直接由發動機電子控制單元(ECU)發出的。輸出控制信號中，定時器1產生的脈衝信號是控制信號AH，剩餘的部分組成了硬體反饋電流閉環控制電路，產生AL控制信號。在該硬體反饋電流閉環控制電路中，放大器U1負責放大採樣電阻Rs上的採樣電壓信號。比較器U2將參考電壓和反饋電壓的比較結果送到觸發器作為輸入，隨著比較結果的不同，觸發器在時鐘信號的觸發下將會產生PWM控制信號。定時器2所發出的脈衝信號是一段高電平脈衝，其高低電平可分別打開和關閉三極體T1，從而獲得具有高低兩種電平的參考電壓，其中，高電平VH等於峰值驅動電流IH經採樣電阻轉化後的電壓，低電平VL等於維持電流IL經轉換後的電壓。
下面以驅動第一缸電磁閥為例，說明該驅動電路的工作過程首先，在確定電磁閥類型後，應根據電磁閥閉合時間、閉合電磁力大小等要求匹配出如圖4所示驅動電流波形中的控制參數IH、IL、T1和T2，而控制參數T3應由發動機電子控制單元(ECU)根據發動機工況實時調整。
該驅動電路工作過程如圖3所示，t1時刻，發動機電子控制單元(ECU)發出A脈衝和B1脈衝，其高電平周期由發動機管理程序根據發動機工況計算得出。其中，A脈衝上升沿將觸發定時器1和定時器2，兩者被觸發後立刻產生一段高電平脈衝。定時器1產生的脈衝將直接作為AH脈衝輸出，打開高壓功率三極體MH。B1脈衝也將打開低端的功率三極體M1，兩個打開的功率三極體使電磁閥L1驅動電路接通，高壓驅動電源UH快速提升電磁閥L1驅動電流，產生足夠大的電磁力以關閉電磁閥L1。同時，定時器2被A脈衝觸發後也產生一段高電平脈衝，該脈衝將打開三極體T1，這使得參考電壓由R1和R2分壓決定，通過匹配R1和R2的電阻值可獲得峰值驅動電流IH對應的高電壓VH。由於此時驅動電流並沒有達到這個參考電壓，故比較器的結果是高，這一結果被觸發器鎖存，使得觸發器的輸出為高。由於此時A脈衝仍為高電平，觸發器的輸出與A脈衝進行與運算的結果仍為高，這一高電平信號將作為AL控制脈衝打開低壓功率三極體ML，但是由於此時高壓驅動電路已經工作，故低壓驅動電源UL將會被保護二極體D0隔離，不參與電磁閥L1驅動。
t2時刻，定時器1發出的高電平脈衝結束，功率三極體MH將會被關閉，高壓驅動電源UH與電磁閥L1斷開。此時，驅動電流如尚未達到設定的峰值電流IH，低壓功率三極體ML仍處於導通狀態，這使得保護二極體D0被導通，低壓驅動電源UL連通電磁閥驅動電路提升驅動電流。
t3時刻，驅動電流上升至IH，反饋的驅動電流採樣信號將高於參考電壓VH，比較器結果為低，觸發器經時鐘電路的時鐘信號觸發後輸出也為低。這將關閉低壓功率三極體ML，使得電磁閥L1不再獲得能量輸入，驅動電流開始下降。當下降到參考電壓以下後，比較器結果為高，將打開低壓功率三極體ML，低壓驅動電路再次提升驅動電流，由於觸發器的鎖存作用，這一過程將持續一個時鐘周期，這使得驅動電流又超過了IH，將導致低壓驅動電路不再工作，驅動電流下降。之後又由於驅動電流的下降導致低壓驅動電路工作，驅動電流上升。如此反覆，形成低壓驅動電路間斷工作的情況，使驅動電流在一定範圍內波動。而AL脈衝高低電平交替出現的情況則形成了PWM脈寬調製信號。
一般情況下，應通過合理匹配高壓驅動電源UH電壓及AH脈衝寬度使t2時刻到t3時刻的間隔儘量短，即要求使高壓驅動電源UH直接將驅動電流提升至IH，低壓驅動電源UL沒有工作在提升驅動電流模式。這種情況下，驅動電流波形控制參數T1可認為直接對應定時器1產生的AH控制脈衝的高電平脈衝周期，針對不同的電磁閥，控制參數T1的調整可通過改變定時器1的調整電阻實現。
t4時刻，定時器2發出的高電平脈衝結束，三極體T1關閉，參考電壓由R2和R3串連後再與R1分壓，通過匹配可得到VL電平。參考電平的降低將使低壓驅動電路短時間內不再工作，驅動電流下降到維持階段。可見，驅動電流控制參數T1+T2可由參考電壓高電平的持續周期決定，而參考電壓周期由定時器2決定，所以，針對不同的電磁閥，控制參數T2的調整可通過改變定時器2的調整電阻實現。
t5時刻，當驅動電流下降到IL時，參考電壓高於反饋驅動電流信號，低壓驅動電路工作，提升驅動電流，從而使AL脈衝再次進入PWM調製階段，使驅動電流維持在一定的波動範圍內。
t6時刻，A脈衝結束，通過U3與門使AL脈衝變低，關閉低壓功率三極體ML。同時，B1脈衝也結束，將關閉低端功率三極體M1。之後，驅動電流通過續流二極體D1續流，其能量被大量消耗，會快速下降到零，整個驅動過程結束。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果首先，實現了雙電壓分時驅動，在不增加能量損耗的前提下顯著的縮短了電磁閥關閉時間，提高了對電磁閥的驅動能力。其次，實現了硬體電流反饋控制，這極大的縮短了反饋周期，可明顯減小驅動電流波動範圍，提高控制系統精度，實現兩段式驅動電流。最後，本驅動電路所需控制信號及其簡單，這將極大得簡化控制軟體設計。
權利要求
1.一種發動機用電磁閥驅動電路，含有分別連接在電磁閥兩端的高端驅動電路和低端驅動電路，其特徵在於，還含有一個信號處理電路，所述信號處理電路接收由發動機電子控制單元發出的控制脈衝A，並分別輸出一個高壓驅動脈衝AH和一個低壓驅動脈衝AL到所述高端驅動電路，同時接收由所述低端驅動電路對所述電磁閥採樣反饋的電流信號，進行處理後調節所述低壓驅動脈衝AL對所述高端驅動電路進行調節控制，從而調節電磁閥的驅動電流，所述低端驅動電路直接接收由發動機電子控制單元發出的脈衝信號B，該脈衝信號與所述控制信號A相同。
2.如權利要求1所述的一種發動機用電磁閥驅動電路，其特徵在於，所述高端驅動電路含有一個由高電壓驅動的高壓功率三極體MH和一個由低電壓驅動的低壓功率三極體ML，所述高壓功率三極體MH的門極接收上述信號處理電路發出的高壓驅動脈衝AH，所述低壓功率三極體ML的門極接收上述信號處理電路發出的低壓驅動脈衝AL，所述高壓功率三極體MH的發射極連接所述電磁閥的一端，在所述低壓功率三極體ML的發射極和所述高壓功率三極體MH的發射極之間連接一個實現隔離作用的二極體D0。
3.如權利要求1所述的一種發動機用電磁閥驅動電路，其特徵在於，所述信號處理電路接收發動機電子控制單元發出的控制脈衝A，該控制脈衝A經過一個定時器(1)後輸出上述高壓驅動脈衝AH到上述高端驅動電路；所述發動機電子控制單元發出的控制脈衝A還輸入一個硬體反饋電流閉環反饋控制電路，該反饋控制電路接收上述低端驅動電路反饋的電流信號，該電流信號經過一個放大器U1放大後輸入一個比較器U2與一個參考電壓進行比較；所述控制脈衝A經過另一個定時器(2)後輸入一個三極體T1，並控制該三極體T1的導通和截止，所述比較器U2的參考電壓輸入端與所述三極體T1的發射極之間連接決定所述參考電壓電平的電阻，通過所述三極體T1的導通和截止，改變所述電阻的阻值，從而使參考電壓在高電平UH和低電平UL間切換，該參考電壓與所述放大器U1輸出的電流反饋信號進行比較後輸入一個觸發器，該觸發器輸出信號與所述控制脈衝A共同輸入一個與門U3，該與門U3輸出低壓驅動脈衝AL到所述高端驅動電路。
4.如權利要求1所述的一種發動機用電磁閥驅動電路，其特徵在於，所述低端驅動電路含有連接在電磁閥一端，且個數與所述電磁閥個數一致的低端功率三極體，所述每一個低端功率三極體的門極接收一路由發動機電子控制單元發出的與上述控制脈衝相同的脈衝信號B，所述低端功率三極體的發射極共同連接一個採樣電阻RS，所述低端功率三極體的集電極分別連接所述各個電磁閥的一端；在所述低端功率三極體的發射極和電磁閥與所述高端驅動電路連接的一端之間還連接有一個續流二極體D1。
5.如權利要求2所示的一種發動機用電磁閥驅動電路，其特徵在於，所述高壓功率三極體MH的驅動電壓為100V±50V。
6.如權利要求2所示的一種發動機用電磁閥驅動電路，其特徵在於，所述低壓功率三極體ML的驅動電壓是車載蓄電池的輸出電壓。
全文摘要
一種發動機用電磁閥驅動電路涉及電控柴油機燃油噴射系統中的電磁控制旁通閥驅動技術領域。其特徵是，它含有一個信號處理電路，該電路接收由發動機電子控制單元發出的控制脈衝A，並分別輸出高壓驅動脈衝A
文檔編號F02D41/14GK1563691SQ20041003377
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月16日 優先權日2004年4月16日
發明者張科勳, 鹿笑冬, 張奇, 李建秋, 歐陽明高 申請人:清華大學