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电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制
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更新日期:2008-5-8

高压共轨燃油喷射系统是柴油发动机的发展方向之一。该系统通过控制燃油的共轨压力和喷油器的快速启闭来保证发动机对喷油正时、精确喷油量及理想喷油率等方面的要求。其中关键执行器件是高速电磁阀,其电流响应特性决定其驱动电路应满足下列基本要求。

  1. 电磁控制阀开启前的能量强激功率驱动模块应以尽可能高的速率为电磁阀注入能量, 确保电磁控制阀在开启过程中产生足够大的电磁作用力, 缩短开启响应时间。

  2. 电磁控制阀开启后, 因工作气隙较小, 磁路磁阻很低, 电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力以保证电磁控制阀的可靠开启。小的保持电流可以降低能量消耗, 减小线圈发热, 同时有利于电磁控制阀的快速闭合。 

  综上所述,电磁阀驱动电路的设计要求在电磁阀的不同工作阶段应维持相应的理想驱动电流。

  目前常见的电磁阀驱动电路大致分为可调电阻式、双电压式、脉宽调制式和双电压脉宽调制式4种。

  其中可调电阻式驱动电路结构简单但功耗较大,双电压式功耗有所减小但仍不理想。脉宽调制式与双电压脉宽调制式均采用PWM来控制电磁阀保持电流,大大减小了功耗。与脉宽调制式相比,双电压脉宽调制式的好处在于电磁阀保持电流由蓄电池提供,减轻了DC/DC升压电路的负载。

  然而上述的几种驱动电路存在的共同问题是难以确保在喷油脉宽时序重叠的情况下电磁阀的正常打开。这是因为当两路喷油信号在相位上重叠时,其中一路电磁阀的导通将导致DC/DC升压电路的电压瞬时下降,这时的电压将无法保证另一路电磁阀的正常打开。

电容在放电的过程中电压同时在下降。这完全符合前述的电磁阀工作特性。与双电压脉宽调制式驱动电路相比,电容储能式的驱动电路功耗更小。且由于电容每次储能是有限的,所以可防止在某些意外状况下电磁阀发生过载烧毁。

  同时,电容储能式驱动电路无需象其他几种驱动电路那样必须通过喷油脉宽同步产生一个开启脉宽做为高压的控制信号,从而简化了电路逻辑。

  电容器的选择 

  为保证高压开启部分能提供足够的能量,需对放电电容的容量进行计算。

 电磁阀电流波形,对曲线进行近似积分,估算电磁阀开启所需电量C约为24mF,考虑一定的余量后,选择容量为33mF的电容。需要注意这里的放电电容应满足高压、高频、大电流工作条件下的反复充放。经过比较后本设计选用了金属化聚丙烯薄膜电容器。

  高端电流检测电路

  本驱动电路的另一特点是采用了高端电流检测反馈控制PWM输出。与恒定PWM占空比控制方式相比,电流闭环反馈PWM控制可在电池电压变化的情况下保证电磁阀保持电流的恒定。这一点对于保证喷油量的精确是很必要的。

  目前一般的电流反馈控制往往采用在低端设置接地电阻进行电流采样。这种方式的好处在于结构简单,成本低。然而却存在一些问题,如电流检测时电磁阀续流环难以包含在内,精度较低等。

  本驱动电路采用了高端电流检测的方法。高端电流检测的好处在于不仅解决了其电流检测时续流环难以包含在内的问题而且提供了高端部分的短路保护,此外,测量精度也较高。

  但高速电磁阀的开启电压高达100V,远远超过普通IC的工作电压。一般来说高端电流检测芯片往往由于自身工作电压的限制难以在高压领域得到应用。因此在应用中需设计搭建外围电路来实现电流检测芯片的浮地工作

  电容储能式电磁阀驱动电路具有以下特点。

  1. 特别适用于如转子机中引燃和主喷两个喷油脉宽时序上可能重叠的情况。可确保电磁阀开启高压的稳定;

  2.电容放电模式更符合电磁阀的电流响应特点。有利于保护电磁阀并降低功耗;

  3.无需产生开启脉宽。只需单片机给出喷油脉宽即可工作,简化了驱动电路;

  4.电路采用高端电流检测反馈控制的PWM输出。与低端设置采样电阻的电流检测方法相比,不仅能精确控制电磁阀保持电流,解决了电流检测时电磁阀续流环难以包含在内的问题,而且提供了高端部分的短路保护。

  通过在发动机电控系统中应用这种新型驱动电路,已初步实现了转子机的稳定运转。


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