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    柴油機電磁閥驅(qū)動電路設計-德國萊克LIK品牌
    發(fā)布時間:2023/4/13
    本文分析了高壓共軌系統(tǒng)中噴油器電磁閥的驅(qū)動特性,對電磁閥驅(qū)動電路的工作原理進行了詳盡的闡述。針對量產(chǎn)時PCBA噴油器模塊的檢測手段,通過對噴油器工作波形的處理,可以實現(xiàn)測試工裝內(nèi)部MCU的讀取和判定。通過實驗驗證,可以實現(xiàn)對PCBA噴油器模塊的篩選。
    關鍵詞:高壓共軌;電子控制單元;升壓電路;測試工裝
    近年國內(nèi)汽車零部件企業(yè)涌現(xiàn)出電控系統(tǒng)的開發(fā)熱潮,其中電子控制單元(ECU)的開發(fā)成為柴油機燃油噴射系統(tǒng)的重點,尤其是隨著國家尾氣排放法規(guī)的升級,高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)已成為主流產(chǎn)品。因此ECU電路中對燃油噴射量的控制變得尤為重要。在柴油機高壓燃油噴射系統(tǒng)中,油泵負責產(chǎn)生燃油的高壓,噴油器負責高壓燃油的噴射,而噴油器電磁閥則負責對燃油噴射進行精準控制,包括對噴油正時、噴油量和噴射速率的控制等。為了精確計量燃油,要求噴油器電磁閥的開啟響應和關閉響應快速。因此,對電磁閥的控制策略將直接影響著柴油機的排放和燃燒質(zhì)量,加強對電磁閥驅(qū)動電路的研究對于提高柴油機的性能起著舉足輕重的作用。
    1.電磁閥驅(qū)動電路設計
    1.1噴油器高速電磁閥工作特性
    噴油器高速電磁閥的工作過程可分為5個階段(如圖1所示):快速吸合階段t1、高維持電流階段t2、由IH到IL的低維持電流快速切換階段t3、IL吸合階段t4、快速關斷階段t5。電控噴油器是高壓共軌燃油噴油系統(tǒng)中的關鍵部件,它的開發(fā)是噴油系統(tǒng)開發(fā)工作中至關重要的一環(huán),電控噴油器功能的實現(xiàn)需要噴油器電磁閥的快速響應。電磁閥理想的驅(qū)動特性:需要快速注入峰值電流,使其迅速吸合,即t1階段。吸合吸合后,因磁路中氣隙減小磁阻降低,電磁閥僅需較小的電流就能夠維持吸合,即t2和t3階段。在維持吸合階段只需采用較小的維持電流,一方面可以加快電磁閥的釋放速度;另一方面可以減少電磁閥線圈的發(fā)熱,保證整個噴油系統(tǒng)長期可靠地運行,即t4階段。最后,為減少電磁閥的釋放延時,應盡快切斷驅(qū)動電流,即t5階段。為實現(xiàn)噴油器電磁閥的快速響應,需要引入升壓電路。
    1.2噴油器升壓電路原理
    一般情況下,噴油器電磁閥的驅(qū)動電壓越高時,其閉合速度也就越快,噴油器的響應速度也就越快。電磁閥驅(qū)動電源應具備分階段驅(qū)動、高低電壓分時供電的特性,以滿足電磁閥大電流快速開啟、低電流可靠維持的要求。這種特性既利于減小電磁閥線圈的功耗,又便于及時關閉電磁閥,實現(xiàn)快速斷油。為實現(xiàn)這種理想的驅(qū)動方式,目前最常使用的是PWM升壓驅(qū)動電路,如圖2所示。升壓電路主要有升壓儲能電感L,儲能電解電容C,開關二極管D以及功率NMOS管Q組成。當Q導通時,電流流經(jīng)電感L,電感線圈飽和之前,線圈中產(chǎn)生感應電動勢E,E的方向與電流變化方向相反;同時C向負載放電,快速回復二極管D承受反向電壓,儲能電容C不會通過二極管放電;當Q截止時,電感線圈中產(chǎn)生的感應電動勢E與電源電壓形成串聯(lián),以很高的電壓通過快速二極管向C充電,C兩端形成高壓,并向負載供電。
    1.3噴油器升壓電路設計
    本研究采用Boost原理進行噴油器升壓電路設計,設計時遵循原則如下:(a)設計電磁閥電源電壓為12V,用以提供電磁閥低電流可靠維持的要求;(b)對蓄電池12V電源進行升壓至48V,用以提供電磁閥開啟時的高壓驅(qū)動電流;(c)采用PWM方式控制MOS管通斷,實現(xiàn)電磁閥高低壓驅(qū)動電流保持在一個固定值。此設計以ST品牌的L9781TR作為升壓電路控制芯片,通過預驅(qū)直接控制MOS管的通斷,實現(xiàn)升壓功能。12V電源接入L9781TR的VBAT供電端,經(jīng)GLS_T腳產(chǎn)生PWM信號輸入到MOS管Q的柵極,以實現(xiàn)對MOS管的導通和關斷,完成對電感的充電過程。MOS管的源極接入毫歐級的檢流電阻R1,R1兩端分別接到L9781TR的RSP_T和RSN_T端,利用該芯片內(nèi)部集成的觸發(fā)器和比較器,從而實現(xiàn)DC/DC轉換控制。Q關斷時,二極管D導通,對電解電容C開始充電,產(chǎn)生輸出電壓Vout,通過合理設定R2、R3、R4的值,將VT_FB處電壓維持在2.47~2.60,并輸入至L9781TR對應第12腳來實時檢測Vout數(shù)值,將Vout維持在48V左右。
    1.4噴油器高邊控制
    電路(圖4)L9781TR通過GHST_A輸出模擬信號來控制Q1的通斷,Q1導通時將48V高電壓提供給噴油器電磁閥工作。同樣,L9781TR通過GHSB_A輸出模擬信號來控制Q2的導通,Q2導通時將12V電源電壓提供給噴油器電磁閥工作。毫歐級電阻R9用來進行過流監(jiān)測,其兩端RSPHS_A和INJH_A分別接至L9781TR的第15腳和第17腳。通過設置兩腳之間的電壓差來間接控制噴油器高邊的通斷。
    1.5噴油器低邊控制
    電路(圖5)L9781TR通過GLS_AX輸出模擬信號來控制Q3的通斷,Q3的Vgson取[8.5,10]伏間電壓時,Q3導通,若對應高邊也接通時噴油器電磁閥就開始工作。同理,Q4導通時,另一路噴油器電磁閥開始工作。毫歐級電阻R15用來進行過流監(jiān)測,與圖3中R9的功能相同。
    2.電磁閥驅(qū)動電路生產(chǎn)檢測
    由于噴油器電磁閥工作時電流波形的特殊性,如圖6所示,MCU無法直接對該波形進行讀取,因此生產(chǎn)簡易工裝需要對該波形進行特殊處理后才能檢測。將毫歐級電阻R16與電磁閥電路串聯(lián),用TI品牌的INA271將R16的電流變化轉化成兩端的電壓變化,見圖7中的波形一,再用電壓比較器對電壓波形進行處理,高維持電流處理后的波形見圖7中的波形三,低維持電流處理后的波形見圖8中的波形四。通過MCU讀取處理后波形的脈寬,用來判斷電磁閥是否正常。結語本文選用L9781TR芯片對升壓電路及電磁閥進行控制,集成度高,可以實現(xiàn)12V電源情況下噴油器的精準控制。通過改善其批量生產(chǎn)時的檢測手段,可以在一定程度上篩選出制程中出現(xiàn)的不良品。但由于貼片時不良品種類的不可控性,ECU噴油器電磁閥電路的不良品檢測方法需要不斷的積累和研究。


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