基于MC33816芯片的高速电磁阀驱动软件设计

谢木森， 马 帅， 涂 撰， 华 金， 冯 宁

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

基于MC33816芯片的高速电磁阀驱动软件设计

谢木森， 马 帅， 涂 撰， 华 金， 冯 宁

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

基于上海船舶运输科学研究所自主研制的高速电磁阀驱动板的驱动软件设计，采用MC33816 DevStudio开发软件设计双电源、双维持型式的电磁阀驱动电流波形。MC33816 DevStudio软件可灵活设定Vboost电压值、强激电流、峰值维持电流、低压维持电流、峰值维持时间和低压电流维持时间等关键参数，MC33816芯片内部的高频A/D采样反馈可精确调制出电磁阀驱动电流波形。在该软件基础上成功开发了高速电磁阀的驱动程序，并进行HHM340新型船用低速柴油机的单缸机台架实证，验证该驱动程序的优良性能。

MC33816芯片；MC33816 DevStudio；燃油喷射阀驱动

0 引 言

燃油喷射电磁阀的驱动技术作为柴油机燃油喷射电控系统的核心技术，对其进行优化是提升柴油机燃烧质量的关键，直接影响着燃油喷射系统乃至整个柴油发动机的动力性能。上海船舶运输科学研究所运用嵌入式技术，研制了一款基于飞思卡尔MC33816芯片的电磁阀驱动模块，该驱动模块具有响应速度快和驱动能力强等优点，能满足目前大多数常见的高速开关电磁阀的驱动需求。

这里采用MC33816芯片的专用软件开发环境MC33816 DevStudio，设计一种双电源、双维持型式的电磁阀驱动电流波形。在HHM340新型船用低速电喷柴油发动机的单缸机试验台架上对该电磁阀驱动系统进行900 bar高油压的燃油喷射试验，验证其工作性能。

1 电磁阀驱动程序设计

1.1高速电磁阀的驱动原理

根据高速电磁阀的响应特性，设计一种新型双电压、双维持的驱动电流波形，以实现对高速喷油阀的快速启闭控制。燃油喷射电磁阀的电阻一般较小，通过电流驱动可保证电磁阀响应的快速性，利用较大的强激电流实现对电磁阀的快速开启，待电磁阀完全打开后，转而利用较小的维持电流保证电磁阀的稳定开启。

当芯片STARTx引脚采集到上升沿信号时，通过Vboost强激电压产生大电流并维持一定时间，可保证高速电磁阀的完全开启，再经过Bypass大电流衰减阶段，切换至24 V电源供电，利用较小的Hold维持电流，保持高速电磁阀的开启状态，Hold维持阶段直到芯片STARTx引脚采集到下降沿信号结束，进入End截止阶段结束单个喷油过程。驱动高速电磁阀的目标双电压、双维持电流波形见图1。

以MC33816芯片的第1路Channel 1上微内核Ch1uC 0所控制的其中1个燃油喷射电磁阀的驱动过程为例，详细说明芯片的编程开发流程。

1.2芯片资源分配

MC33816芯片最多可采集6路STARTx信号，分别控制6路高速电磁阀的驱动输出，这里设计实现了对4路高速电磁阀的驱动控制。设计芯片Channel 2第一个核Ch2uC 0建立Vboost电压，通过芯片DC-DC升压电路把24 V电源泵升为60 V稳定的Vboost电压。设计芯片Channel 1的Ch1uC 0和Ch1uC 1分别控制2路电磁阀的驱动输出，配置Ch1uC 0采集Start 1和Start 2的启动信号，设置Ch1uC 1采集Start 3和Start 4的启动信号。为防止同处一路的2个STARTx信号在同一时刻被触发，通过寄存器设置芯片的SmartStart智能启动功能，管理所有采集到的STARTx信号。

基于DC-DC升压电路的建立原理，需分配第4路专用A/D用于采集Boost强激过程中的电流波动，另外分别分配一个A/D给微内核Ch1uC 0和Ch1uC 1，用于对驱动电流进行采样反馈。

1.3Boost强激程序设计

MC33816的最大Vboost电压可达72 V，根据实际电磁阀所需强激电流的大小，可通过寄存器配置Vboost电压值，低电压维持阶段采用的是外部Vbat电源，外部Vbat电采用24 V恒压源。DC-DC强激过程的具体流程见图2。

DC-DC升压过程中采用基于上下限电流的实时电流采集控制方式，所以MC33816芯片的驱动程序需要对Boost阶段的目标强激电流值 Vboost_high、目标Vboost电压的下限值 Vboost_low、DC-DC电路中的采样电路上限电流值 Isense4_high、DC-DC电路中的采样电路下限电流值 Isense4_low等4个参数进行设定，并把这些数据值存储在Channel 2专用的数据内存区DRAM 2中。

1.4驱动电流波形的设计

因采用基于上限电流加关断时间的实时电流采集控制方式，MC33816的驱动程序需要对Boost强激阶段的强激电流值 I_boost、Peak峰值保持阶段的维持电流值 I_peak、Peak峰值保持阶段的总时长 T_peak_tot、Peak峰值保持阶段中每次触上限电流后的关断时间 T_ peak_off、Bypass电流衰减阶段总时间 T_bypass、Hold低压保持阶段的维持电流值 I_hold、Hold低压保持阶段的总时长 T_hold_tot、Hold低压保持阶段中每次触上限电流后的关断时间 T_hold _off等8个参数进行设定，包括3个电流值和5个时间长度值，并把这些数据值存储在Channel 1专用的数据内存区DRAM1中。

强激电流值I_boost的选择需针对电磁阀的动作特性进行标定，在保证电磁阀完全打开的前提下，既要保证阀的快速响应特性，又要避免电感线圈因为长时间通过大电流造成破损。在Peak峰值维持阶段和Hold维持阶段，需根据电磁阀的电磁特性匹配每次触上限电流后的关断时间，以保证维持过程中的驱动电流的稳定性。电磁阀驱动电流波形的软件设计流程见图3。

2 功能性能验证

对某新型燃油喷射电磁阀进行驱动试验，试验连接图见图4，电磁阀驱动系统采用24 V稳压源供电，电磁阀的阀上电流利用电流互感器转化为电压信号显示在示波器上。通过合理的参数配置调制出目标电磁阀的驱动电流波形，强激过程仅耗时300 μs即可产生高达50 A的强激电流，并在峰值阶段保持1 ms后，200 μs内迅速衰减到10 A，并可维持200 ms的时间长度，关断时间迅速仅需约50 μs，且Vboost电压在喷射过程中跌落≤10%，充分满足高压共轨柴油机系统中燃油喷射电磁阀的驱动需求。

使用MC33816 DevStudio开发软件灵活配置Vboost电压值、强激电流、峰值维持电流、低压维持电流、峰值维持时间和低压电流维持时间等各项电流波形参数，可精确调制出目标电磁阀所需的驱动电流波形，满足大多数高速开关电磁阀的驱动需求。

在试验台架上对某新型船用低速电喷柴油发动机的单缸机进行900 bar燃油喷射油压的燃油喷射试验，该电磁阀驱动系统具有驱动响应快和工作稳定可靠等优良特性。3 Hz喷油频率，每次喷油15 ms的燃油喷射过程见图5，其中较为平稳的是300 bar的伺服油共轨油压波形，多次冲击的是燃油喷射油压波形。

5 结 语

采用MC33816 DevStudio开发了一套高速电磁阀的驱动程序，可灵活配置驱动电流波形的各项参数，实现对目标电磁阀的驱动功能性能需求。经过HHM340新型船用低速柴油机的单缸机台架试验，验证了本电磁阀驱动系统的优良驱动性能。

[1] 贺玉海.船用低速柴油机喷油控制用电磁阀研究[D]．武汉：武汉理工大学，2015．

[2] 谢荣.船用柴油机电控共轨喷油技术开发的关键技术[J].船舶工程,2009,31(5)：17-19.

[3] Carl Erik Egeberg，Thomas S．Knudsen，M．Per Sorensen．The Electronically Controlled ME/ME-C series will lead the Two-stroke Diesel Engine Concept into the Future[C]．International Council on Combustion Engines，2004：82．

[4] Wärtsilä SwtZerland Ltd.．Wärtsilä RT-Flex Controls WECS-9520 [M]．Switzerland：Wärtsilä SwtZerland Ltd.，2005：256-259．

SoftwareDesignforDrivingHigh-SpeedSolenoidValveBasedonMC33816Chip

XIEMusen,MAShuai,TUZhuan,HUAJin,FENGNing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Techology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The software design for the high-speed solenoid valve drive module developed by Shanghai Ship and Shipping Institute is introduced. And the new design of a dual-power-and- dual-maintaining solenoid valve drive current waveform is achieved by MC33816 DevStudio software,whitch can flexibly set the Vboost voltage, I_boost current, I_peak current, I_hold current, T_peak time, T_hold time and other parameters. MC33816 can modulate variable current waveforms with the internal high frequency A/D sampling modulation. The design is verified through the operation during the bench test of HHM340 diesel engine.

MC33816 chip; MC33816 DevStudio; fuel injection valve drive

TK423

A

2017-05-25

谢木森(1991—)，男，山东淄博人，硕士，主要从事嵌入式设备研发工作。

1674-5949(2017)03-0038-04