缸内直喷发动机高速电磁阀驱动电路设计

陈林，董小瑞，王艳华

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

缸内直喷发动机高速电磁阀驱动电路设计

陈林，董小瑞，王艳华

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

汽油机缸内直喷技术已经成为实现汽车节能环保的有效措施。控制电磁阀高速启闭是发动机缸内直喷技术实现的关键技术。针对缸内直喷技术对电磁阀响应特性的要求，设计了实现电磁阀快速响应的驱动电路。对电磁阀驱动采用Peak&Hold电流驱动模型，在桌面版级设计软件上搭建基于ACS755XCB-050集成芯片电流反馈控制驱动电路，驱动电磁阀动作、控制喷油器喷油。仿真实验结果表明，基于电流反馈控制的驱动电路能够快速响应电磁阀驱动要求，并控制流过电磁阀驱动电流大小。

汽油机喷油器驱动控制电路电磁阀

1 引言

能源危机和环境污染已经成为全球普遍关注的焦点，并伴随着汽车保有量的持续增加，形势越来越严重。开发具有汽油机优点同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要的研究目标[1]。20世纪50年代德国的Benz300SL车型、20世纪60年代的MAN-FM系统、20世纪70年代美国Texaco的TCCS系统和Ford的PROCO系统就已经开始采用汽油机缸内直喷工作方式[2,3]。不过当时由于内燃机制造水平低和电控喷射技术尚未应用，开发出的缸内直喷汽油机节能环保方面并不理想，没有得到实际应用。20世纪90年代后，随着发动机制造技术进步和电控汽油系统的应用，使得GDⅠ汽油机瞬态响应好，可以实现精确的空燃比控制，具有快速冷起动和减速断油能力以及潜在系统优化能力，比进气道喷射汽油机更优越[4,5]。汽油机缸内直喷技术只有借助先进电子控制技术和电子控制策略才能充分发挥其优势[6]，也使得许多发动机制造企业重新考虑GDⅠ汽油机的潜在优点。采用基于ACS755XCB-050芯片的缸内直喷驱动电路设计可以实现对GDⅠ汽油机更好的驱动，实现喷油定时准确，喷油量控制精确和预喷的良好控制。

2 发动机缸内直喷驱动电路总体设计要求

汽油机缸内直喷技术实现的关键是控制高速电磁阀快速开启和关闭，对电磁阀驱动控制有以下基本要求：

（1）驱动电磁阀具有高速通断的响应特性，以满足不同工况对喷射系统喷射速率、基本喷射量和预喷射的要求。

（2）精确控制电磁阀电磁力大小，以保证电磁阀可靠、迅速地开启、维持和关断。

针对GDⅠ驱动电路设计，外部能量以何种方式通过驱动电路驱动电磁阀，直接决定着驱动功率大小和电磁阀电磁力变化特性，进而决定着电磁阀的响应速度[7]。对电磁阀驱动方式有电压驱动和电流驱动。

电压驱动电磁阀方式的优点是结构简单、稳定，但是驱动电压过小，电磁阀针阀开启缓慢。增大电压，可以提高针阀开启响应速度，但是此时流过电磁阀电流也会增大；关闭电磁阀时，需将电磁阀电流从较大值降为零，减缓电磁阀关闭速度。所以电压驱动方式的GDⅠ喷油器不能有效地控制动态流量范围[8]。电流驱动方式通过控制流过电磁阀的电流大小和波形，进而控制电磁力，实现电磁阀快速响应。电磁力大小和电流的平方成正比。若要增大电磁力，就必须增大流过电磁阀的电流。但是电磁阀中长期流过过大电流，会造成阀体过热。当电磁阀开启后，应当将流过线圈的电流减小到一定值。这样既能维持阀门开启，又可以减小能量损耗，同时便于电磁阀的及时关断，实现快速停油。流过电磁阀理想电流模型[9]如图1所示。该波形特点是先高后低。在实际中采用Peak&Hold电流驱动模型[10]，如图2所示。

图1 电磁阀理想电流模型

图2 Peak&Hold驱动电流波形

Peak&Hold模型主要包括3个阶段，即大电流上升阶段T1、峰值电流Ip维持阶段T2和小电流Is维持阶段T3。在T1和T2阶段流经电磁阀电流快速上升，并经传感器采样后维持在峰值电流一段时间，使电磁阀快速开启并彻底打开。当电磁阀稳定开启后，只需一个小电流就可以保证电磁阀处于打开状态，接着进入小电流维持期T3。当需要电磁阀关闭时，小电流可以快速衰减，使电磁阀迅速、可靠关闭。

基于电磁阀线圈理想电流波形，电磁阀消耗总平均功率有如下计算公式[11]：

式中，Ip为电磁阀线圈的峰值电流；R为电磁阀线圈电阻大小；Tp从电磁阀开启至开始流经电磁阀维持电流时刻的时间；Is维持电磁阀开启维持电流大小。

由公式可知，功耗与电流平方成正比。因此降低流经电磁阀平均电流，有助于功耗的降低。电流以分段方式工作，相比单一工作电流，功耗节省可超过50%；并且随着低电流维持期的增加，损耗会相应明显降低[12]，保证整个喷油系统长期运行。

3 ACS755XCB-050芯片特点

ACS755XCB-050是Allegro MicroSystems公司推出的隔离式电流传感器集成电路。芯片内部包含精密线性霍尔集成电路和信号调理电路，输出电压与一次侧电流成正比。可检测的最大电流为±50 A，工作温度范围为-20～85℃。该集成电路广泛应用于汽车及工业系统中的电流检测、电机控制、过程控制、伺服控制、电源转换、电池监控、过电流保护等领域。

ACS755XCB-050输出电压灵敏度为53-65 mv/A、温度为25°时，灵敏度为60 mv/A、输出阻抗为1Ω、输出电容为10 nF、满量程输出误差为±10%、非线性失真为±5%、静态输出电压为0.5Ⅴ、电源电压范围为4.5～5.5Ⅴ、电源电流消耗最大为10 mA、频率带宽为13 kHz、隔离电压为3 kⅤ。

ACS755XCB-050芯片内部包含精密线性霍尔传感器电路、自动补偿电路、前置放大器、滤波器、输出放大器、温度补偿电路以及稳压器。开环霍尔电流传感器电路包含磁芯和放置在磁芯开口气隙上的霍尔元件。当电流流经穿过磁芯中心孔载流导线时，产生一个与导线电流成比例的磁场。霍尔元件对感应磁场进行检测，经信号放大、滤波和补偿，输出一个与一次侧电流成线性关系的电压信号。

ACS755XCB-050使用范围广、反应灵敏、响应快、精度高、可靠性强，可满足在汽车中的应用要求。

4 基于ACS755XCB-050电流反馈的GDI驱动电路设计

在GDⅠ燃油喷射系统中，为了使流经电磁阀的驱动电流波形为Peak&Hold模型，设计中采用基于ACS755XCB-050集成电路的PWM驱动电路。

4.1 GDⅠ硬件总体电路设计

GDⅠ喷油器驱动电路总体硬件结如图3所示。该电路由ECU模块、电源升压模块、高端自举电路和基于ACS755XCB-050电流PWM控制模块组成。ECU模块用于产生驱动电路控制信号，实现喷油定时、喷油量大小以及预喷的控制。电源升压模块用于实现电源电压变换，将系统电源电压变换成电路设计要求的电压。高端自举电路包含ⅠR2100集成芯片和外围电路，用于接受PWM控制信号，驱动MOSFET开关管Q1的导通和关断，控制流经电磁阀的电流大小。

图3 喷油器驱动电路总体硬件结构

工作原理如下：ECU根据发动机各传感器信号，进行喷油驱动正时，产生选缸信号和高端MOSFET管驱动触发信号，同时通过D/A模块产生参考电压。选缸信号驱动相应缸的低端MOSFET管导通，其脉宽决定了喷油量；触发信号和PWM脉冲信号共同控制高端MOSFET管的导通，一开始使电流以较大的速率上升到峰值电流Ip，驱动电磁阀快速开启；ACS755XCB-050传感器检测流过电磁阀的电流，并转化电压信号，与ECU设定的参考电压共同作用。一旦流过电磁阀电流达到峰值电流，产生峰值保持电流PWM脉冲控制信号，控制Q1的通断，使电路流过稳定电流Ip；峰值保持期T1过后，ECU输出低维持电流电压参考值，产生相应PWM脉冲，控制电磁阀电流Ih,一直到T3结束，关断电磁阀。电路就如此循环往复，控制电磁阀启闭，实现喷油正时、喷油速率和喷油量的控制。对电流波形控制，采用基于电磁阀电流负反馈方式进行控制，可以减小电源电压波动对电磁阀工作特性造成的影响。其控制精度高，是一种可以满足柔性控制要求的理想驱动方式[13]。

4.2 基于ACS755XCB-050芯片的电流反馈控制电路

如图4所示，脉宽调制控制电路采用硬件实现。ACS755XCB-050电流传感器能自动将采样的电流值转化成电压输出。输出的电压与电流的关系如下：

其中U为传感器输出电压，单位为mⅤ，I为流经传感器电流，单位为A，K为比例系数，值为600 mⅤ/A，电压正比于电流。通过对电流采样，将流经电磁阀的电流转变成电压与单片机设定的参考电压进行比较，产生PWM脉冲，高频地控制MOS管Q1的通断，形成反馈，从而控制主电路驱动。驱动电流工作于Peak&Hold工作模式。

简单运放比较器具有结构简单、灵敏度高的特点，但是抗干扰性差。如果输入摆动缓慢，输出摆动也可能相当缓慢。所以在在驱动回路中增加RS触发器，以增强电路抗干扰能力；并通过引入电阻R2和R3的分压，可以调节主电路中电流波动幅度。这样只需控制主电路中的参考电压，即可控制主电路的波形。

5 GDI驱动电路试验验证

在基于ACS755XCB-050芯片电流反馈控制电路中，电路采用60Ⅴ电源电压，设置喷油脉宽4 ms，所测得的电流波形如图5所示。从图可知，从喷油器ECU发出喷油脉冲高定平开始，驱动电流上升到峰值电流时间为198 μs；随后通过ACS755XCB-050实时采集流经电磁阀线圈的电流，产生PWM脉冲，控制高端MOSFET通断，产生稳定持续电流。当喷油脉冲结束时，驱动信号驱动MOSFET关断，电流通过续流回路迅速衰减为0，电磁阀关闭，停止喷油。

图4 喷油器脉宽调制驱动控制电路

图5 电流波形图

6 结束语

通过GDⅠ驱动电路分析和试验模型验证可得出如下结论：

（1）驱动电路通过采用ACS755XCB-050芯片，可以实现对电磁阀基于Peak&Hold电流模型的控制，实现喷油器快速开启和关闭，降低电路功耗，提高喷油器工作的可靠性和稳定性，延长GDⅠ系统寿命。

（2）驱动电路采用电流负反馈，可以改善流过电磁阀线圈中电流波动，提高系统稳定性。对驱动电路采用PWM控制，能提高驱动电路响应速度，实现喷油器喷油正时和喷油量准确控制。

（3）驱动电路能根据发动机不同工况，自动进行PWM控制，结构简单；同时能简化ECU软件设计，降低成本。

1 Michael Grady．Gasoline Direct Injection[J]．Motor Age，2006，125(6)：112-117．2 Zhao F，Lai M，Harrington D.L．A Review of Mixture Preparation and Combustion Control Strategies for Spark-Ignited Direct Injection Gasoline Engines[C]．SAE Paper 970627，1997．

3 Queiroz C，Tomanik E．Gasoline Direct Injection Engines A Bibliographical Review[C]．SAE Paper 973113,1997．

4 Fry M，King J，White C．A Comparison of Gasoline Direct Injection Systems and Discussion of Development Techniques[C]．SAE Paper, 1999-01-0171．

5 Spicher U，Reissing J，Kech J M，et．Gasoline Direct Injection(GDI)Engines Development Potentialities[C]．SAE Paper，1999-01-2938．

6杨世春，李君，李德刚．缸内直喷汽油机技术发展趋势分析．车用发动机，2007(5)：8～10．

7 Schechter M.M．Fast response multiple solenoid．SAE820203，1982，846～857．

8李建文，杨生辉，舒华，等．电喷发动机喷油电路波形的分析．汽车电器，2002：9～11．

9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,2000,21(3): 7～13．

10张科勋，洪木南，周明，等．柴油机电磁阀集成式升压驱动电路设计与分析．上海交通大学学报，2008,8(8)：1367-1371．

11张靖，翟羽键.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):48～49．

12宋军，黄建平，李孝禄，等．柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析.车用发机,2005，10(5)：48～49.

13宋军,李书泽,李孝禄,等．高速电磁阀驱动电路设计及实验分析[J].汽车工程，2005(5)：546～549.

Design of Driving Circuit of High Speed SolenoidⅤalve for Gasoline Direct-Ⅰnjection Engine

Chen Lin,Dong Xiaorui,Wang Yanhua
（College of Mechatronic Engineering,North University f China,Taiyuan 030051,China）

The technology of Gasoline engine of direct-Ⅰnjection has become the effective measure for the energy saving and environmental protection in automobile.Control of high speed on-off solenoid valve is the key technology for such engine.According to the requirements of Gasoline Direct-Ⅰnjection on solenoid valve response characteristics,a new type of driving circuit was designed.The Peak&Hold current model was used for the driving circuit of the solenoid valve,and current feedback driving control circuit was built by the ACS755XCB-050 integrated chip based on design software of desktop level to control the actions of the electromagnetic valve for fuel injection.Simulation results illustrate that the drive circuit based on current feedback control can rapidly respond the requirements of the solenoid valve and control the value of current through it.

gasoline engine,injector,drive control circuit,solenoid valve

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.008

来稿日期：2014-01-06

陈林（1987-），男，硕士，主要研究方向为汽车电子控制技术。