汽 车 工 程
2005年(第27卷) 第5期Automotive Engineering 2005(Vol. 27) No. 5
2005136
高速电磁阀驱动电路设计及试验分析
宋 军, 李书泽, 李孝禄, 乔信起, 黄 震
(上海交通大学内燃机研究所, 上海 200030)
[摘要] 分析了3种电磁阀驱动方式的特点, 并基于HEU I 喷油器对PWM 控制方式进行了试验和分析。试验表明, 提高线圈电压有助于实现电磁阀快速开启, 开启脉冲和PWM 占空比决定了不同阶段电流的大小, 三者的有机调节, 可以实现理想的电流波形。试验结果为整机的柔性控制提供了可靠依据。
关键词:高速电磁阀, 驱动电路, 喷油器,PWM
Design and Experimental Analysis of Drive Circuit for
High 2speed Solenoid Valve
Song Jun , Li Shuze , Li Xiaolu , &H Instit ute of Internal Combustion Engi ne , S hanghai , [Abstract] The features of of and a PWM drive circuit for HEU I injector is designed , that increasing the voltage exerted on the winding is conducive to , the opening pulse and PWM pulse duty factor determine the mag 2nitude of current This provides a reliable foundation for flexible control of the engine.
K eyw ords :High 2speed solenoid valve , Drive circuit , Injector , PWM
内产生很强的吸力来克服复位弹簧的拉力, 电磁阀
1 前言
电控共轨式燃油喷射系统能通过高速电磁阀实现对喷油量、喷油正时和喷油速率的精确控制, 是最有发展前途的燃油喷射系统。在共轨系统中, 为了实现电磁阀快速准确地开启与关闭, 除了电磁阀本身精密的制作工艺外, 还需要设计一个高效的驱动电路。
的快速响应特性为实现最小喷油量和预喷射提供了系统硬件保证。
2
由公式F =K (IW ) 2S /δ×9. 8×10-8(F 为
电磁吸引力; K 为常数; I 为线圈电流; W 为线圈匝数; S 为铁芯截面积; δ为气隙大小) 可知[1], 电磁吸力与电磁阀线圈中的电流的平方成正比, 要使电磁铁产生足够的吸力必须加大线圈中的电流。而要使线圈电流在短时间内迅速增大, 就要求d i/d t 为一个较大的数值。因为电磁线圈在电路形式上为一个几欧的电阻R 和一个几毫亨的电感L 的串连, 当施加外电压U 时, 线圈中的电流变化规律满足电压平衡方程U =i R +L d i/d t 。在电磁阀结构参数一定的情况下, 尽可能提高驱动能量输入, 即增大外加电压U 值, 可以得到较高的d i/d t , 实现电磁阀的快速开启。但大电流通过线圈必然会造成发热现象, 为了避免电磁阀线圈过热, 当阀门开启后应迅速将线圈电流下降到一个较小的数值。因为在电磁铁
2 高速电磁阀的驱动特性
高速电磁阀是发动机电控喷射系统中的一个关键部件, 微处理器ECU 通过控制它的吸合和释放来控制喷油时刻及喷油持续时间, 以满足不同工况下的喷射要求, 电磁阀的动态响应特性直接影响着整个系统的主要性能指标。由于共轨式燃油喷射系统每次喷射的时间很短, 电磁铁必须能在很短的时间
原稿收到日期为2004年8月17日, 修改稿收到日期为2004年11月15日。
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磁力克服复位弹簧拉力之后, 只需要较小的吸力就可以维持阀门开启状态, 这样既减小功耗, 还便于及时关闭电磁阀, 实现快速停油, 此时的
电流称为维持电流。电磁阀线圈电流在整个工
电磁阀线圈中理想作过程中的理想曲线如图1
电流波形图1所示[2]。
这种先高后低的电流波形, 可以大幅度降低线圈的功率损耗, 保证了整个喷油系统长期可靠运行。以HEU I (hydraulic electronic unit injection ) 喷油器为例, 它的电磁阀线圈阻值为3Ω, 电感量为2mH 。由于电感是不消耗功率的, 因此可以根据电流波形和线圈负载电阻计算出最高转速时各缸电磁阀消耗的总平均功率[3]
(P L =
(=
式中I P 为电磁阀线圈的峰值电流; R 为电磁阀线圈的铜阻; T P 为达到最大峰值的持续时间; I S 为电磁阀开启后维持电流的大小; T S 为维持电流持续时间; T D 为喷油循环工作周期。由公式分析可知, 电磁阀开启阶段消耗的功率占较大比例, 若使用单一大电流, 线圈功耗将达108W , 而分段工作方式节省功率接近50%, 并且随着电流维持阶段所占比例的增大, 会产生更少的功率损耗。
3 电磁阀驱动电路的几种形式
在共轨式电控燃油喷射系统中, 为了实现电磁阀控制的理想波形, 一般采用3种驱动方案。这3种方案按照产生线圈电流的方式不同, 可分为可调电阻式驱动电路、双电压式驱动电路和脉宽调制式(PWM ,pulse width [4]
, 其基2. 1, 易于实现。这种驱动方, 来实现对电流波形的控制。当窄脉冲到来时, 功率管A 1
) 2R ×2T P +I 2S R T S
T D
2
) ×3×2×131=(W )
图2 电磁阀驱动电路
导通, 电压直接作用在线圈上; 窄脉冲结束后, 电压
作用在线圈与分压电阻的串连回路上, 使流过线圈的电流减小。维持电流可通过改变电阻值的大小进行调节。但是, 此电路在电流维持阶段的功率, 很大一部分消耗在分压电阻上, 造成了功率的无效损耗, 而且受到电阻额定功率和尺寸的限制, 在电路板上布置不便, 不符合高集成度的要求。3. 2 双电压式驱动电路
控制电路通过改变工作过程不同阶段的工作电压幅值, 达到提供较小维持电流, 减小能量消耗的目的。因为要提供2种不同的电压, 所以受到电源形式的限制, 需要进行DC 2DC 变换, 实现起来比较困难, 增加了整个电路的复杂性。而且电路易受到电源波动的影响, 工作的可靠性很难得到保证。3. 3 脉宽调制式驱动电路
在该电路中, 可以利用PWM 硬件电路或者充分发挥微处理器的PWM 功能, 对电路进行控制。图3对PWM 控制原理进行了说明, 图3(a ) 中的u 为控制基准信号, 将该信号与一高频三角波信号进行比较, 如果在某时刻u 的值大于三角波的值, 则输出高脉冲, 否则输出低脉冲, 从而得到如图3(b ) 所示的一系列控制指令。将这一系列指令(电压) 施
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加到电磁阀线圈上, 于
是在每一个循环时间T c 内, 有T on 的时间线圈上得到电压。由于PWM 脉冲周期远远小于线圈的充放电时间, T on 时间越长, 线圈的平均电流也就越大, 如图3(c ) 所示。时间T on 与T c 之比称为占空比。电磁阀线圈的维持电流便可以通
过控制高频PWM 脉冲波的占空比方便地进行调节。如果与电流负反图3 PWM 控制原理馈功能结合起来, 可以
减小电源电压波动对电磁阀工作特性造成的影响。与前两种驱动方式相比, 它的技术含量高, 可以达到很高的控制精度, 是一种可以满足柔性控制要求的理想驱动方式。
压力大于针阀弹簧开启压力, 喷油开始; 喷油脉冲结束时, 提升阀回位, 增压活塞回升, 机油通过回油通道卸压, 针阀关闭。由于增压活塞上下面积比为7∶1, 故实际喷射压力可达28～161MPa , 保证了燃油的良好雾化。另外, 增压活塞下降过程中, 精密计量的预喷射泄流孔接通, 在主喷射之前会进行预喷射, 可以优化燃烧过程[5]。4. 2 PWM 驱动电路设计
如图5所示, 设计中采用硬件电路实现PWM 功能, 完成对HEU I 喷油器的驱动控制, 这样可以减轻微处理器ECU 的软件负担, ECU 只需要发出控制喷油时间长短的方波即可。PWM 驱动控制单元主要由延时电路、PWM 波形产生电路和功率驱动电路3部分组成。延时电路为一单稳触发器, 由ECU , 形成电磁阀打开初期的开启脉冲RC
。PWM , 这一三角
, 同外部设置的控制信, 产生一系列宽度可变的高频脉冲列。电磁阀经开启脉冲打开以后, 驱动电路立即转为PWM 运转方式, 线圈上的电流也随之降低, 这时的
4 PWM 利用HEU I , 对电磁阀PWM 驱动方式中影响电流波形的各个因素进行了试验和分析。4. 1 HEUI 喷油器结构
HEU I 喷油器是美国Caterpillar 公司推出的用于其共轨系统的核心部件, 通过电磁阀来实现喷油控制。不同于其它的共轨系统, HEU I 喷油系统的油压控制回路和燃油喷射回路完全隔离, 其共轨中为高黏度的机油, 而喷射的燃油为柴油。使用机油不仅有助于系统的润滑, 而且可以实现良好的冷启动特性。另外, 该系统高压的产生是通过喷油器中的增压活塞实现的, 共轨中的油压只有4～23MPa , 属于中压共轨系统, 这样可以降低整个系统的高压负担。HEU I 喷油器的具体结构如图4所示。当喷油脉冲到来时, 高速电磁阀打开, 提升阀抬起, 关闭了回油通道, 机油由共轨进入增压活塞上腔, 从而使活塞克服弹簧力下行, 这时燃油通道关闭, 活塞下方燃油开始升压, 一旦其
电流为维持电流, 其大小可通过PWM 占空比调节电路进行控制。电磁阀上施加的是大电压大电流, 必须通过驱动电路进行功率放大, D 、R 2构成电感电流泄放回路, C 、R 3构成功率MOS 管的保护电路, 同时为了便于观察线圈中的电流波形, 使用了一个小阻值的纯阻性负载进行电流采样
。
图5 HEU I 电磁阀驱动电路
4. 3 驱动电路试验分析
4. 3. 1 线圈电压对电流波形的影响
对线圈施加不同的电压, 可以看出电压对电磁阀快速响应特性的影响。如图6所示, 从2ms 到3ms 为开启脉冲, 当线圈电压为一个较小的数值时, 虽然实现了先高后低的电流波形, 但电流无法在
图4 HEU I 喷油器结构
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1ms 的开启脉冲内上升到一个较大的数值使电磁铁
获得足够的吸力打开电磁阀。当线圈电压增大到40V 时, 才开始听到阀体动作的声音, 这时的线圈电流为3. 5A , 是电磁阀开启所需的最小电流。随着电压升高到60V , 达到开启电流所需的时间从1ms 降到了0. 57ms 。可见, 线圈电压的增大, 加快了电流的上升速度, 有助于实现电磁阀的快速开启
。
从图8可以看出改变PWM 占空比所引起的电流波形变化。此时, 开启脉冲为1ms , 线圈电压为60V , 随着PWM 占空比的增大, 维持电流会随之变大。当占空比为一较高的数值时, 线圈电流增长迅速, 其波形与延长开启脉冲时基本一致, 造成了功率损耗过多。当占空比较小时, 小电流不能确保稳定地维持开启状态。因此, 占空比的选择应能使维持电流的大小约为开启电流的1/3左右, 取30%～40%较好。结合图6、图7占空比保持不变时的电流波形可知, 维持电流不受开启脉冲的影响, 其大小是由线圈电压和PWM 占空比共同决定的
。
图6 不同线圈电压产生的电流波形
4. 3. 2 宽的延长, , 线圈回路的阻值决定了最大电流为16A 左右, 之后电流略有下降趋势, 这主要是由于电磁阀的感性负载特性决定的, 并且与线圈的磁力分布有关。电磁阀开启以后, 过大的电流将产生不必要的功率损耗, 所以, 电路除了需要高电压驱动之外, 还需要选择合适的开启脉宽, 以便保证线圈能够在较短的时间内获得足够的开启电流, 同时还要避免因时间延长产生的大电流而造成的阀体过热
。
图8 不同占空比下的电流波形
5 结论
(1) 不同于一般电磁阀的单脉冲驱动, 高速电磁
阀线圈上先高后低的电流波形, 可以大幅度降低线
圈功率损耗, 而PWM 驱动方式能够灵活准确地完成对电流波形的调控。
(2) 增大线圈电压提高了电磁阀的开启速度, 合适的开启脉冲可以保证快速响应性而不至于使线圈电流过大, PWM 占空比是维持电流的主要决定因素, 理想电流波形的获得需要3方面的协同调节。
(3) 维持电流受负载的影响存在不稳定性, 若采用负反馈控制方法, 可以增加系统的稳定性。
参考文献
1 陈维龙, 王辉. 高速电磁阀的驱动方式探讨. 中国机电工业,2001,
(22) 2 项占琴, 吕福在. 高速强力电磁阀在柴油机电喷系统中的应用研究. 内燃机工程,2000, (3) 3 张靖, 翟羽健 等. 基于功率吸收原理的高速电磁阀驱动方法. 测控技术,2002,21(6) 4 连长震, 李建秋 等. 电控燃油喷射用高速电磁阀驱动方式研究.
汽车工程,2002,24(4)
5 G lassey S F ,Stockner A R ,Flinn M A. HEU I —A New Direction for
Diesel Engine Fuel Systems. SAE Paper ,930270
图7 不同开启脉冲下的电流波形
4. 3. 3 占空比对电流波形的影响