（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨高速电磁阀驱动控制平台设计.pdf

哈尔演丁程大学硕十学f 7 ：论文 摘要 随着发动机排放法规的制定和实施日趋严格，各种应用于发动机的节能减排技术成 为该领域的重要研究内容。柴油机高压共轨技术大幅度提升柴油机经济性能、排放性能。 本文以高压共轨技术的核心技术高速电磁阀驱动控制技术为研究内容。 针对高压共轨高速电磁阀驱动控制技术建立数学模型，分析高压共轨高速电磁阀驱 动电路中放电电容容量，高压驱动电压对电磁阀响应实时性的影响，为不同负载电磁阀 驱动电路参数匹配提供理论依据。在理论分析的基础上，根据电磁阀响应实时性要求， 匹配设计高压共轨高速电磁阀驱动电路参数。 在此基础上依据高低压驱动方式设计高压共轨高速电磁阀实验甲台。实验甲台由升 压电路，电磁阀驱动控制电路，电流采样电路，通讯电路，监控界面和曲轴转速脉冲发 生电路组成。在高速电磁阀实验平台硬件系统基础上编写c 语言驱动程序，曲轴脉冲发 生器程序。程序中，高低压驱动时间，高低压维持电流可通过配套编写的l a b v i e w 上位 机监控界面程序进行在线修改。 进行高速电磁阀驱动实验，电磁阀电感测量值6 1 8 u h ，放电电容容量4 4 0 u f ，采样 电阻1 0 艘，升压电压8 1 v 。实验结果表明，电磁阀开启时间小于1 5 0 u s ，关断时间小 于1 0 0 u s ，电容电压下降5 v ，满足高压共轨高速电磁阀响应实时性要求。进而针对三种 不同型号电磁阀进行驱动实验，电磁阀电感值分别为6 1 8 u h ，2 5 3 u h ，2 5 9 u h ，高压驱 动电压仍为8 1 v ，放电电容4 4 0 u f 。将实验结果和理论计算结果进行比较，三种电磁阀 驱动电流理论值和实验值误差分别为6 6 ，8 o ，3 9 ，电磁阀驱动理论计算方法可 以作为电磁阀驱动系统设计依据。 关键词：高速电磁阀；柴油机；高压共轨；时间压力式燃油喷射控制系统 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 量曼鲁曼鲁, i i 鼍鼍冀 a b s t r a c t i i lo r d e rt os a v ee n e r g y , i m p r o v et h ee n g i n ee f f i c i e n c ya n dp r o t e c te n v i r o n m e n t , m o r ea n dm o r e s t r i c t l ye m i s s i o nr e g m a t i o n sh a v e b e e ni s s u e da n di m p l e m e n t e d t h e r e f o r e ，k i n d so fe n g i n e e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yb e c o m et h em a i n r e s e a r c hs u b j e c t so f t h i sf i l e d c o m r n o n - r a i lt e c h n o l o g y u s e do nt h ed i e s e le n g i n ec a nl a r g e l yi m p r o v et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c y , s h o r t e nt h eh a r m f u l e m i s s i o n , c o m m o n - r a i lt e c h n o l o g yb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n g i n ee l e c t r o n i c - c o n t r o l l e d t e c h n o l o g y r a p i dr e s p o n s es o l e n o i dv a l v ec o n t r o l l i n gi st h ec o r et e c h n o l o g yo fc o m m o n - r a i l ，s o r a p i dr e s p o n s es o l e n o i dv a l v ec o n t r o lm e t h o d i sr e s e a r c h e di st h i s 群i p e i no r d e rt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s p o n s eo fs o l e n o i dv a l v ea n dd i f f e r e n t c a p a c i t a n c ev o l u m e ，d i f f e r e n td r i v e n - v o l t a g e ，as i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e li sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h ea n a l y s i sr e s u l ts u p p l yt h e o r yf o rm a t c h i n gd i f f e r e n tv a l v el o a dw i t hd i f f e r e n tc i r c u i t p a r a m e t e r s o nt h eb a s i s , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h er a p i dr e s p o n s ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma 陀 d e s i g n e do u t t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e b o o s t1 3 ( 3 d c s w i t c h i n gp o w e rc i r c u i t , v a l v e d r i v e n - c o n t r o lc i r c u i t , c u r r e n t - p i c kc i r c u i t , c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t , m o n i t o r i n gi n t e r f a c ea n d c r a n k - p u l s e sg e n e r a t o rc i r c u i t o n t h e b a s i so ft h eh a r d w a r e ，as e to fs o t t w a r ei n c l u d i n g d r i v e n - c o n t r o ls o f t w a r e ( 1 a n g u a g ec ) ，m o r f i t o t i n gi n t e r f a c es o f t w a r e ( 1 a n g u a g el a b v i e w ) a n dc r a n k p u l s e sg e n e r a t o rs o f t w a r ew a sw r i t t e nt oc o n t r o la n dm o n i t o rt h ed r i v e np r o c e s sa n dr e v i s et h e c o n t r o lp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ev a l v ed r i v e ne x p e r i m e n tr e s u l t s ，v a l v ei n d u c t a n c e6 18 u h ，c a pv o l u m e4 4 0 u f , c u r r e n tp i c kr e s i s t o rl o i l l q v a l v et a mo nd e l a yl e s st h a n1 5 0 u s ，t u r no f f d e l a yl e s st h a nl o o u s ，c a p v o l t a g ed r o p5 v , m e e t i n gt h ev a l v er e s p o n s er e q u e s t a n o t h e rs e to f d r i v e ne x p e r i m e n ta i m i l l gt o t h r e ek i n dv a l v ew f l sc a r r i e do u to nt h ep l a t f o r m , i n d u c t a n c ei s618 u h ，2 5 3 u h ，2 5 9 u hr e s p e c t i v e l y , d r i v e nv o l t a g eslv , c a pv o l u m e4 4 0 u f c o m p a r et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc a l c u l a t i n gr e s u l t s , r e s u l t se r r o ri s6 舭，8 o ，3 9 r e s p e c t i v e l y t h ep a r a m e t e r - m a t c h i n gm e t h o d sc a l lb eu s e da s m p i dr e s p o n s ev a l v ec o n t r o ls y s t e md e s i g nm e t h o d k e y w o r d s ：r a p i dr e s p o n s es o l e n o i dv a l v e ；d i e s e l ；c o m m o n r a i l ；t i m e p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m 第一幸绪论 1 1 引言 第1 章绪论 二十世纪末期发动机电控制技术逐渐兴起，经过几十年的发展，发动机电控技术功 能和可靠性等各方面得到了快速的发展，为发动机经济性、排放性、可靠性带来了重要 提高。发动机电控技术逐渐成为发动机在二十一世纪的重要发展方向。发动机电控技术 从最初的辅助功能逐渐向核心功能发展，如从最初的安保系统到电子调速器、单体泵控 制系统、高压共轨控制系统、故障诊断系统、e g r 系统、s c r 系统、v g t 系统l lj 。发 动机核心控制功能电控化是发动机技术的发展趋势。 柴油机燃油喷射系统控制是柴油发动机的核心部件，燃油喷射系统与电子控制技术 相结合以来先后发展了位置式控制系统、时间控制式系统、时间一压力式控制系统。三 种燃油喷射控制系统依次递进，为柴油发动机经济性、排放性的逐渐提高提供技术支持。 结合我国柴油发动机燃油喷射电控技术发展现状：位置式燃油喷射系统已经得以全面解 决、时间控制式燃油喷射系统也得到较为的广泛的应用，且面市产品众多。使用时间控 制式燃油喷射系统的柴油发动机排放达标国i i i 标准【2 】。国产时间压力式燃油喷射控制 系统在国内仍然未能得以广泛工程应用。时间压力式燃油喷射系统是当前国内相关单 位的重点研究课题如：清华大学、无锡油泵油嘴厂、大连理工大学、上海交通大学、成 都威特公司等单位对柴油机高压共轨控制系统进行了深入研究，并开发出试验样机取得 阶段性成果，但是广泛的工程应用仍未能全面铺开。上述所介绍研究所或者科研院所均 对时间一压力式燃油喷射系统的核心研究内同进行技术保密，不对外进行公布。当前国 产时间一压力式燃油喷射系统( 包括控制系统软件、控制系统硬件) 由于可靠性、实时 性、功能完备性等一系列问题不能实现大批量配机应用。 高速电磁阀驱动控制软硬件系统是时间一压力式燃油喷射控制系统研究的核心内 容，对高速电磁阀驱动控制软硬件研究是进行时间一压力式燃油控制系统研究的关键内 容，对高速电磁阀驱动控制进行深入研究仍是我国柴油发动机电控技术的主要工作，具 备重要研究意义。 本文以燃油喷射控制系统高速电磁阀驱动技术为研究对象，以高速电磁阀快速响应 性能为研究目标，是当前国内发动机电控技术研究的核心内容。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 发动机燃油喷射控制系统发展历程 发动机燃油喷油控制系统是发动机控制系统中的核心部分。喷油控制系统的发展代 表着发动机控制系统的发展。 发动机燃油喷射系统发展至今可以分为三个重要阶段。机械式调速器，第一代燃油 喷射系统。该种形式燃油喷射控制系统可分为两极式和全程式调速器。由于燃油升压动 力由凸轮轴提供，燃油压力受发动机转速影响明显，且机械式调速器设计完成后由于结 构确定，调速器特性曲线便确定下来【3 】。针对特定场合需要使用不同特性的机械式调速 器，面对不同发动机需要重复开发或者选择调速器型号，给同一型号发动机应用于不同 工作环境带不便。机械式调速精度低、响应速度慢，是上世纪柴油发动机的主要配件。 电子调速器，第二代燃油喷射系统。该种燃油喷射系统相对机械式调速器改动不大。 通过采集发动机转速，在原有机械式调速器基础上，安装电磁执行器( 如：比例电磁铁、 有限转角力矩电机、无刷电机) 驱动机械式调速器中的齿条，通过控制燃油喷射量终点 调节控制燃油喷射量【4 】。该种形式燃油喷射控制系统相对机械式调速器对原有发动机改 动较小，从功能上分析有如下几点改进。 1 ) 燃油喷射终点通过软件设定，可以根据不同使用情况进行修正，加强了发动机 的适应性。 2 ) 发动机燃油限制曲线可通过软件设定为m a p 图，根据实际需要可通过参数修改 方式进行调整，灵活性增加。 3 ) 发动机喷油量可以根据发动机运行环境温度、发动机冷却水温度进行修正后再 通过执行器输出，电子调速器相对机械式调速器具备相对较强的智能控制能力。 但是电子调速器仍然存在以下两点问题限制了发动机性能提高。 1 ) 电子调速器通过执行器驱动齿条控制发动机喷油终点相位，喷油始点不可控。 2 ) 电子调速器中燃油喷射压力由柱塞泵加压，不受电子调速器控制，因此喷油压 力不可控。 针对电子调速器的上述两点缺陷，研制开发了时间控制式燃油喷射系统，如泵喷嘴， 甭管嘴系统，控制喷油始点和喷油终点，但是喷油压力仍然不可控制。继而研发出时间 压力式燃油喷射系统，柴油机高压共轨燃油喷射控制系统l l j 。 1 2 1 泵管嘴系统 泵管嘴系统和传统单体泵喷油系统相比较，控制燃油喷射量的斜槽和齿条被一个能 够控制燃油开始和结束的电磁阀代替。当电磁阀通电时，燃油的低压通道将被关闭，反 2 菊一争绪沦 之当电磁阀断电时，燃油的低压通道将被打开，以此来控制喷油始点和喷油最瞪l 。杂：管 嘴系统原理图如图1 1 所示。 2 1 2 2 泵喷嘴系统 图1 1 泵管嘴系统原理图 2 电磁一 圈1 2 泵喷嘴系统 泉喷嘴系统中，高压油泵和喷嘴结合在一起，由一个项置凸轮驱动或者由一个顶杆 和摇臂驱动，控制喷油开始和结束的电磁阀安装在高压油泵和喷嘴的结合体上【5 i 。工作 哈尔滨工程大学硕七学位论文 原理图如图1 2 所示。 1 2 3 高压燃油共轨系统( c o m m o nr a i l ) 高压燃油共轨系统中，燃油经过一个高压油泵加压并储存在一个高压腔中( 即共轨 管) ，再经过高压油管到喷油嘴，控制喷油开始和结束的电磁阀安装在喷油器上。控制 器可以通过安装在高压油泵上的电磁阀和共轨管压力传感器闭环控制共轨管内的燃油 压力。共轨管内的燃油压力不受发动机转速和负载的影响。因此相对泵管嘴和泵喷嘴燃 油喷射控制系统，共轨燃油喷射系统最大的优点在于共轨燃油压力可以被控制在相对恒 定的范围内可以不受转速影响。在燃油压力稳定的基础上可以实现燃油的预喷射和后喷 射，以及随外界工况而变的最优化的喷油特性和发动机特性娜13 1 。高压共轨系统原理图 如图1 3 所示。 图1 3 高压共轨燃油系统原理图 通过对上述三代发动机燃油喷射控制系统的介绍，我们可以得出如表1 1 所示比较 结果。纵向比较可以得出结论，第三代燃油喷射控制器是发动机燃油喷射系统的必然趋 势。第三代燃油喷射系统相对机械式调速器和电子调速器具备以下几点优势。 1 ) 喷油始点可控，即可以间接控制发火提前角。 2 ) 喷油压力可控制，特别是高压共轨系统喷油压力稳定可控。 第三代发动机燃油喷射系统可根据应用需求如：追求发动机平和运行过程，防止爆 燃；降低n o x 排放、降低炭烟、增加后燃、提高发动机运行效率进行灵活配置。 横向比较第三代燃油喷射控制系统，高压共轨技术相对泵喷嘴系统、泵管嘴系统具 4 笫一帝绪论 备以下优势。 高压燃油压力通过压力传感器和升压电磁阀闭环控制，将不同发动机转速标定为不 同共轨燃油压力。燃油压力稳定，不受发动机转速影响，从而保证燃油喷射量和时间关 联的准确性。在燃油压力稳定的基础上，可以配置多次喷射，预喷射、主喷射、后喷射 等。提高发动机运行效率，减少发动机污染物排放。 表1 1 燃油喷射系统比较结果 系统名称喷油始点喷油终点智能化 适应性喷油握力技术难度 机械式固定点可控无较差不町控低 位置式固定点 可控初步智能化较好不可控中 泵喷嘴可控可控中等智能化较好可控高 泵管嘴可控可控中等智能化较好可控局 高压共轨 可控可控高智能化很好稳定可控很高 1 3 国内外发动机电控技术现状 我国对柴油发动机电子控制技术的研究起步很晚。相对目前世界先进水平，存在很 大的差距。我国在“八五”期间的汽车工业发展规划中，将电控汽油喷射发动机研发列为 重点研究项目。虽然汽油机和柴油机点火方式不同，但是不同发动机之间的电控技术具 有相互促进发展的作用，特别是缸内直喷汽油机技术和柴油机高压共轨技术应用非常相 似。 近年来，国内很多高校和科研单位对柴油机电子控制技术进行了深入研究，取得了 很多可喜的成绩，很多国产柴油机燃油喷射控制系统已经投入量产。 1 ) 上海交通大学和广西玉林柴油机股份有限公司在2 0 0 2 合作开发的g d1 电控高 压共轨系统应用于y c 6 11 2 柴油机，使用m o t o r o l a 单片机作为主控系统c p u ，通过欧 i i i 排放标准测试【6 】 2 ) 无锡威孚集团和天津大学至1 9 9 7 年合作开发高压共轨喷油器f i r c r i ( 灵活控制 喷油规律的共轨喷油器) 。并在此基础上使用m c 6 8 3 3 2 单片机进行高压共轨e c u 开发， 最高喷油压力可达1 2 0 m p a ，成功在斯太尔发动机上进行台架试验【7 】 3 ) 一汽无锡油泵油嘴研究所至2 0 0 4 年起，使用m a t l a b s i m u l i n k 、 s t a t e f l o w 、d s p a c e 公司的控制原型机a u t o b o x ，开发了完整的柴油机高压共轨 喷油系统电控单元核心算法和快速原型机，实现了高压共轨喷油系统电控单元从功能设 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计到控制算法再到快速原型验证的快速v 模式开发流程。通过柴油机台架试验，试验结 果表明快速原型机a u t o b o x 控制的发动机具有良好的性能【8 】 4 ) 北京理工大学在高压共轨电控喷油系统的控制软件的开发时，使用了实习多任 务操作系统r t o s ( r e a lt i m ec o n t r o ls y s t e m ) ，将汽车嵌入式操作系统 o s e k w o r k s 引入高压共轨燃油喷油系统，使用p o w e rp cm p c 5 5 5 单片机和t o n a r d of o r o s e k w o r k s 集成开发环境，开发了一套用于高压共轨电控喷油系统的核心控制软件。 通过任务划分及可剥夺型内核中断机制，提高c p u 对高优先级中断的响应速度，大大 提高系统响应实时性，确保电控喷油系统的实时性要求，进而有效提高发动机动态响应 性能9 l 5 ) 成都威特电喷集团和清华大学合作于2 0 0 3 年成功试制了电控组合泵燃油喷射系 统，应用于广西玉柴y c 6 m 、y c 4 e 系列柴油机，并已经实现量产 6 ) 湖南衡阳亚新科南岳油泵油嘴公司与上海交通大学汽车电子技术研究所合作， 研发了电控单体泵燃油喷射系统，成功应用于广西玉柴y c 6 、y c 6 a 、y c 4 d 细类发动 机中，亚新科南岳油泵油嘴公司的产品还在锡柴、大连柴油机厂等多型号发动机上应用， 目前已经正式投入量产。 国外发动机电控技术发展起步很早技术相对成熟。现今有很多技术和开发理念，开 发工具是我们应当学习借鉴的。 1 ) 如今很多国外的著名厂商如a v l 、a u d i 、b m w 、r i c a r d o 、b o s c h 、s i m e m 等均 采用v 字开发模式进行发动机电控系统开发。v 字开发模式可以在发动机进行台架试验 之前进行大量系统仿真测试，从而将系统开发过程中一大部分漏洞及时修正，减少实际 台架试验的调试工作量，缩短产品开发周期。 2 ) 面对功能日益复杂的发动机控制系统开发工作，日本和欧美汽车制造商、零件 供应商等于2 0 0 4 年制定了汽车开发系统构架标准( a u t o s a r ，a u t o m o t i v eo p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 。a u t o s a r 简化了开发流程并且使得发动机控制软件可以复用。 为了降低发动机控制系统的开发复杂度，a u t o s a r 提供一套经过试验验证的软件框 架，在此软件框架下开发可复用的应用软件。在实现过程中，a u t o s a r 强调应用程序 和基础模块的分层思想，并将系统软件、硬件分为若干层，若干功能相对独立的功能模 块以实现系统软件的复用性【1 0 】【l i 】。 3 ) 国外发动机控制系统开发工具也有很快发展，德国d s p a c e 公司开发的d s p a c e 实时仿真系统是其中的典型产品。该产品是一套基于m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开 发与测试工具，产品开发过程软件接口可与m a t l a b s i m u l i n k 无缝连接，并拥有高速 6 第一帚绪论 运算能力和功能齐备的板卡，如i o 板卡、计时板卡、处理器板卡。在产品开发初期， 可以将控制系统开发过程中的算法下载到d s p a c e 板卡中运行，通过功能丰富的输入、 输出、处理器板卡与被控对象连接，从而将工作重心放到控制系统算法和控制策略上来 0 2 1 o 由此可见国内发动机电控技术研究正在经历由单体泵向高压共轨技术研发的转型 时期，时间控制式燃油喷射系统如单体泵燃油喷射系统在国内基本已经解决。同时高压 共轨技术仍处于研发状态，对于高压共轨技术中的关键技术，如电磁阀驱动控制实时性， 高压共轨系统标定软件，高压共轨系统e c u 工作可靠性上都还存在很多待解决的技术 难题。与此同时，国外发动机电控技术发展迅速，软件开发现正往智能开发，智能控制 领域发展，硬件开发正在往快速成型上发展，发动机模型为成熟的半物理实时仿真模型， 为发动机相关电控系统开发提供快速仿真实验基础。软件硬件实时验证开发成为国外发 动机电控技术的主流方向。 1 4 柴油机共轨系统的一般研究方法 根据国外公司对柴油机电控系统的研究经验，柴油机高压共轨系统研究过程一般可 分为两个阶段。 1 ) 开发出具有基本喷油控制功能的电控系统，即为单纯的燃油喷油控制系统，其 主要任务只在于能够实现喷油量和喷油正时控制功能，将此系统应用于柴油机验证该系 统的可靠性、功能性。 2 ) 开发有效的控制软件，扩展电控系统控制精度、功能，充分利用电喷系统的高 度灵活性，以修改控制软件为手段优化柴油机电控系统，发挥高压共轨技术潜能1 3 】。 如上节所述，我国柴油机共轨系统研究起步很晚还处于研发过程的初级阶段，因此 研发出高可靠性能且功能完备( 具备喷油量、喷油正式控制功能) 的软硬件系统是当前 的主要任务。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作包括：分析柴油机高压共轨高速电磁阀驱动控制技术的指标需求与 功能需求；高速电磁阀驱动控制系统方案设计；驱动系统硬件、软件设计和调试；调试 界面设计。本文的工作安排如下： 1 ) 通过研究燃油喷射控制系统类别发展现状、趋势，根据柴油发动机燃油喷射系 统的发展趋势和我国柴油机电控技术发展现状，分析得出论文研究方向。 7 哈尔演工程大学硕士学何沦文 2 ) 研究柴油机高压共轨技术对高速电磁阀响应实时性需求，研究高速电磁阀实验 平台得出试验平台功能需求。建立高速电磁阀驱动数学模型，通过理论计算方法研究电 路参数对电磁阀响应实时性影响。根据理论计算结果和电磁阀实验甲台功能设计高速电 磁阀实验平台框架。 3 ) 研究高压共轨高速电磁阀响应特性，高速电磁阀驱动软件程序时序等技术难点。 在此基础上完成高速电磁阀实验平台软硬件设计。 4 ) 通过高速电磁阀驱动实验研究验证电磁阀响应实时性，并由实验结果验证理论 计算方法的正确性。 5 ) 总结高速电磁阀驱动技术中负载匹配方法。 1 6 本章小结 本章首先介绍柴油机电控技术发展现状，明确发动机燃油喷射系统在发动机电控技 术中的核心地位。进而讲述柴油发动机燃油喷射控制系统的发展历程；随后分析国内外 柴油机燃油喷射控制系统的发展现状：最后根据国外柴油发动机控制系统的一般研究步 骤结合国内柴油发动机控制系统的研究现状和本课题组的研究需要以高压共轨高速电 磁阀驱动控制系统研究为本文研究方向。 8 菊：章高速屯磁阀驱动邢论分析和驱功摔制系统设f 第2 章高速电磁阀驱动理论分析和驱动控制系统设计 电磁阀驱动电流响应特性可以通过理论计算得出。通过分析可以将电磁阀驱动电路 简化为如图2 1 所示r l c 二阶电路，通过对二阶电路进行理论计算可以得出不同电路参 数对电磁阀响应特性的影响。 2 1 数学模型 u c r 图2 1 电磁阀工作等效简化图 电磁阀l r l c 二阶电路数学模型由三部分足、c 组成： 其中r 由以下几部分组成。 1 ) m o s f e t 导通电阻r d s ； 2 ) 电流采样电阻r a d ； 3 ) 电磁阀自身电阻r 阱 l 电感为电磁阀电感，但需注意实际测量电磁阀线圈电感和装配衔铁之后的电磁阀 电感差距较大，且装配衔铁的电磁阀电感量一般为线圈电感的二倍。例如：测量得到电 磁阀线圈电感为2 2 0 u h ，可根据经验得出电磁阀电感为4 4 0 u h 。此外还可以根据实验测 量电磁阀实际工作中的电流上升曲线斜率的方法测量电磁阀电感值，该实验值能够更好 代表电磁阀电感量。因此本设计中采用实验值作为电磁阀电感值。 c 电容为d c d c 升压电路放电电容，此处忽略在电容放电过程中d c d c 升压电路 对电容的充电量。如果考虑放电过程中d c d c 电路对电容的充电量，会得出相对更好 的结果，但是鉴于这样计算过程复杂且对结果影响较小，忽略这部分充电电量是合理的。 本节将通过充电电容经过电阻和电感放电的情形来讨论电磁阀的零输入响应。简化 电路如图2 1 所示。在开关闭合之前，即为电磁阀上电之前，电容已经充电，设其电压 为砺，即沈他) = 砺，而电流加夕= 0 。t = 0 开关闭合之后即在t 0 时，有k v l 定 9 譬 阶尔演- e 程大学坝十掌位论义 理【2 0 1 ，有： u c ：ld i + r i ( 2 1 ) 彬 将，：一c 掣 ( 2 2 ) d t 代入，整理可得： c 可d 2 u c + r c 掣+ u c = 0 ( 2 - 3 ) d 1 2 d t 这是一个常系数的二阶线性齐次微分方程，其特征方程为： 三印2 + 尺印+ j = 0 ( 2 4 ) 由此可求得其特征根为： p 悼一瓦r 一( p ) - + l - 1 - d ( 2 - 5 ) p z 一丢一c 会) 2 + 去( 2 - 6 ， 由此可得到电磁阀响应的数学模型。电路参数根据以下条件进行设定。 条件1 ) 所选型号m o s f e t 导通电阻r d s = 2 0 m f 2 ，电路中串联两个m o s f e t ，因 此m o s f e t 总电阻为2 x r o s ； 条件2 ) 采样电阻比d 为1 0 m f 2 ； 条件3 ) 电磁阀线圈电阻为电磁阀测量内阻值r e = 4 0 0 m o ； 条件4 ) 电磁阀电感值通过实验得到。对电磁阀通电一定时间，根据电磁阀两端电 压和电流曲线计算电磁阀实际工作电感值。电磁阀电感值测量将在本文第6 章详细说明。 条件5 ) d c d c 升压电路中所使用电容量设定为4 4 0 u f ，以此电容值为基础计算不 同电容值对电磁阀驱动过程影响。 由以上5 个条件可得， 由于r o 2 4 控制芯片选型 图2 6 高速电磁阀控制试验系统框图 芯片选型是进行驱动控制技术研究的前提，在进行；芯片选型时应该注意将高压共轨 控制器功能考虑进来，否则将控制器制作为高压共轨系统e c u 时，为满足系统功能需 求而需要进行大量功能扩展设计，或者芯片运行任务量过大，将导致大量的硬件扩展工 作，从而增加硬件制作难度，甚至无法将其扩展为功能完整的高压共轨e c u 。 哈尔滨。i 。稃大学硕十学何论丈 基于以上功能扩展考虑，分析高压共轨e c u 应当完成以下功甜1 3 1 ： 1 ) 采集发动机曲轴转速，并计算发动机相位； 2 ) 采集发动机凸轮轴转速，并确定凸轮轴相位； 3 ) 采集发动机运行相关参数，如：发动机冷却水温度、发动机润滑油压力、发动 机进气压力、发动机排气温度、发动机中冷后进气温度、发动机运行，停机控制开关信 号、发动机运行控制输出反馈信号等； 4 ) 完成喷油脉宽计算、定时、输出； 5 ) 发动机控制信号输出，如：选缸信号、e g r 阀控制信号等； 6 ) 数据通讯功能，如c a n 总线通讯功能； 7 ) 其他功能，如：安全保护功能、冗余设计功能等。 按照上述要求本设计中所选择芯片为9 s 1 2 x e p l 0 0 单片机。 选型依据如表2 1 所示： 表2 1 芯片选型功能需求对照表【1 4 】 功能要求所选型号单片机资源备注 曲轴转速采集输入捕获功能e c t ( 增强酗捕获定时器)脉冲信号 凸轮轴转速采集输入捕获功能e c t ( 增强型捕获定时器)脉冲信号 冷却水温度a d 转换器2 4 路1 2 位精度a d电压( o 5 v ) 发动机润滑油压力a d 转换器2 4 路1 2 位精度a d电流( 4 2 0 m a ) 发动机进气压力a d 转换器2 4 路1 2 位精度a d电流( 4 - 2 0 m a ) 发动机排气温度a d 转换器2 4 路1 2 位精度a d电压( m v ) 中冷后进气温度a d 转换器2 4 路1 2 位精度a d电雎信号 运行控制开关信号数字输入数十路普通i o 口数字信号 喷油脉宽计算定时输出 高速运算p l l 内部倍频、倒数计数器 f b = 5 0 m h z 选缸信号数字量输出数十路普通i o 口数字量输出 e g r 阀控制信号p w m 输出p m 配置为8 位1 6 位p w m控制输出 c a n 通讯c a n 总线 4 路1 m b p s c a n 总线收发器 高速通讯 参数存储e e p r o m 片内1 2 8 k e e p r o m 数据存储 1 8 第，二覃两述电磁阀驱动胛论分 j 和驱动捧制系统殴汁 2 5 控制系统子系统功能 2 5 1 主控电路 在高压共轨高速电磁阀驱动控制中，主控电路核心为m c u ，完成信号采集工作、 控制系统中逻辑运算、输出控制信号。 信号采集工作包括转速信号采集任务、凸轮信号采集任务、反馈电流采集任务。逻 辑运算工作包括转速计算曲轴相位计算任务、喷油定时任务、喷油脉宽查询任务、驱动 电流闭环控制调控任务、界面通讯任务。控制信号输出包括高位m o s f e t 驱动控制信 号输出、低位m o s f e t 驱动控制信号输出。 转速信号采集任务由转速信号整形电路和单片机输入捕获功能完成。磁电式转速传 感器或者霍尔传感器采集的转速信号为正弦波信号，整形电路讲正弦波信号整形为方波 信号。方波信号传递到单片机输入捕获口，使用脉冲捕获中断和自由运行计数器溢出中 断功能实现转速测量功能l ”】。实现方式在第4 章中详细介绍。凸轮轴传感器信号处理方 式与转速传感器信号处理方式相同。 反馈电流采集任务由单片机内部集成的a d 模块和驱动电路中的采样电阻、采样电 流信号放大电路完成。驱动电路中串联的采样电阻采集驱动电路中的电流，将其转换为 电压信号，经过比例放大电路之后1 1 6 1 ，传送到单片机a d 引脚，将其转换为数字量，为 电流闭环控制提供反馈信号。 2 5 2 喷射控制逻辑单元 喷射控制程序的主要功能是采集发动机凸轮信号和曲轴信号，将得到的数据传动到 发动机控制系统。按照发动机控制系统得到喷油定时、喷油脉宽并精确的控制喷油。 喷射控制程序模块是高压共轨燃油喷射系统的核心部分。这部分程序实时性要求最 高，计算工作量最大，程序逻辑复杂。喷射控制程序主要包括初始化设置、转速信号处 理、电磁铁驱动控制等功能。这些功能可以通过9 s 1 2 x e p l 0 0 单片机的e c t ( e n h a n c e d c a p t u r et i m e r ) 模块、a d 模块、m c c n 模块、p w m 模块、i o 模块【1 3 】和一个外围的 协处理器x g a t e 模块共同完成。 e c t 是智能化半独立的微控制器，无需c p u 干预便可实现各种与实践相关的操作， 具有8 个独立的通道，每个通过可单独配置为输入捕获和输出比较功能，当设定为输入 捕获时可以用于捕获发动机曲轴脉冲信号和凸轮轴脉冲信号，并由此计算出发动机转速 和发动机转角相位信息，为喷油始点控制、喷油脉宽提供依据。 1 9 哈尔溟 1 7 程大学硕十掌位论义 m c c n 模块为一个1 6 位的可分频主计数器，一个1 6 位的可分频模数向下计数器、 4 个8 位( 或者可配置为2 个1 6 位) 脉冲累加器。x g a t e 和c p u 是两个相对独立的内 核，且协处理器x g a t e 程序执行速度快，访问内部r a m 速度为总线时钟的两倍，最 高可达到1 0 0 m h z m ，主要用于电磁铁的驱动控制。 a d 模块有以下几个方面功能。 1 ) a d 模块用于采集电磁阀驱动电流信号后与设定值进行比较后，输出高速电磁阀 驱动信号。 2 ) a d 模块采集高压共轨压力信号后与共轨压力设定值比较后计算输出高压油泵电 磁阀驱动信号。 3 ) a d 模块可采集电源电压值、排气温度信号值、冷却水温度值、油门信号值、润 滑油压力值等信号，为控制器修正控制提供依据。 p w m 模块有以下几个方面功能。 1 ) 使用p w m 模块控制高压共轨高速电磁阀。 2 ) 使用p w m 模块控制燃油升压电磁阀。 m c c n 模块为喷油脉宽提供定时依据。 i o 模块提供选缸信号、开关量输出信号、开关量输入信号。 2 5 3 升压电路 采用高低压双电源进行电磁阀驱动控制可以显著提高电磁阀响应速度，因此高速电 磁阀驱动控制中高压电源是不可缺少的。但是在实际应用中，如汽车e c u 只有蓄电池 供电，船舶e c u 中也是通过蓄电池供电，蓄电池电压从1 2 v 到2 4 v 不等，并且考虑到 应用过程中蓄电池电压随温度变化而有很大的波动，设计中还应将驱动模块设计得尽可 能小，便于安装。因此性能良好的升压电路是驱动控制器电路中不可缺少的部分。而非 隔离的d c - d c 升压电路因其良好的实时性在功率要求不高的应用场合中具有体积小， 升压性能稳定，响应快等诸多优点f 1 8 】。设计中使用非隔离d c d c 升压电路为电磁阀驱 动高压驱动段提供电源。 2 5 4 半桥自举驱动电路 由所设计原理框图2 6 可知，驱动过程中需要分别对高端驱动m o s f e t 和低端驱动 m o s f e t 分别进行控制。电磁阀开启段，高压电流维持阶段如果使用p w m 控制方式进 行驱动，将使用对高端m o s f e t 进行控制【1 9 】，低端m o s f e t 在整个驱动阶段保持开启 第：牵高速r 乜磁阀驱动邢论分帮i 秆i 职功挎制系统殴汁 状态：高压电流维持阶段如果使用实时电流采集方式进行控制，则刚好相反，需要对低 端m o s f e t 进行开启关断操作。因此在电磁阀驱动控制中，根据不同的控制方式需要 对高低端驱动m o s f e t 进行分别控制。进行高端驱动控制需要使用自举技术完成控制 过程中驱动信号输出，适当的选择自举二极管和自举电容将在后续章节详细说明。 2 6 本章小结 本章首先针对高速电磁阀驱动建立数学模型，并根据理论计算数据得出电磁阀响应 过程中放电电容电压时间函数、电磁阀电感中电流时间函数变化趋势，明确驱动回路中 升压电压值、放电电容值对电磁阀响应实时性的影响。最后根据分析结果总结出高速电 磁阀驱动电路的设计步骤为：修改放电电容值、升压电压值反复验算驱动回路电流响应 速度直到满足电磁阀响应实时性要求，并计算出放电电容电压函数；进而修改d c d c 升压回路工作频率值、升压电路电感值以满足放电电容能量恢复实时性要求。以此保证 高压共轨高速电磁阀的响应速度和d c d c 升压电路路的恢复实时性，可靠性。在对高 压共轨高速电磁阀理论分析的基础上，对共轨高速电磁阀驱动控制实验平台进行功能分 析，并且将功能扩展到了高压共轨e c u 进行了芯片选型，以保证芯片选型的准确。然 后列出了所选芯片资源，将芯片资源与功能需求一一对应。进而完成了驱动控制系统的 原理设计，画出控制系统原理框图，最后对各个子系统在整体系统中所完成的功能及其 要求进行详细说明。 2 l 哈尔滨t 程大学硕 j 学位论史 第3 章高速电磁阀驱动电路设计 3 1 功率电路电流计算 高速电磁阀驱动电路为功率电路，驱动电流可达到数十安培，因此进行高速电磁阀 驱动电路设计时，首先应该对功率电路中所过电流进行计算，以保证电路的可靠性。 3 1 1 电磁阀驱动回路电流 高压电磁阀驱动电流在高压阶段针对不同电磁阀最高可达到2 0 a ，在低压维持阶段 最高位8 1 2 a ，考虑到电路在异常情况下，比如进行参数调整时，电路电流可能超过此 设计值，以1 0 0 为安全系数，设计电磁阀驱动电路设计电流5 0 a 。 3 1 2 单片机及其接口电路电流 单片机系统及其接口电路主要为电磁阀驱动提供信号采样、控制信号输出，电流一 般较小，只需要进行1 a 线宽设计即可。 3 1 3d c d c 升压电路电流计算 d c d c 升压电路理论计算，最大电流计算 本文根据六缸机进行设计。d c d c 升压电路功率是电路的重要参数。表3 1 所示为 电路电流设计依据。 表3 1 电流理论计算设定条件表 序号设计条件数量 l缸数 6 缸 2发动机最高转速6 0 0 0 r p m 3 喷射方式 多次喷射 4电磁阀电感值6 0 0 u h 5驱动回路电阻值4 5 0 m q 发动机转速为6 0 0 0 r p m ，发动机缸数为6 缸，曲轴每转动两圈，各缸需要发火一 次口3 1 。可以得出，每分钟发动机需要进行的发火次数为 扩( 6 0 0 0 2 ) 木6 = 1 8 0 0 0 ( 次) ( 3 1 ) 假设每次发火单缸仅进行一次主喷射。根据喷油时间高压维持阶段2 0 0 u s ，高压电 旃三章高速r t l 磁阀驱动屯路没汁 流2 5 a ，升压电压8 0 v ，可以得出每分钟高压段电量消耗。电量消耗分为两部分： 电磁阀中能量： 既2 l 耽 ( 3 2 ) 其中： 耽为电磁阀能量； 三为喷油器电磁阀电感量； ，为电磁阀中的峰值电流。 既= 1 2 幸( 6 0 0 u h 幸2 5 2 ) 20 1 8 7 5 j ( 3 - 3 ) 回路电阻消耗能量： = ，宰尺 ( 3 4 ) 其中： 尺为回路电阻( 4 5 0 m r 2 ) ； ，为通电时间； ，为回路电流： w r = 2 5 2 木4 5 0 1 0 3 * 2 0 0 奉1 0 6 2 = 0 0 2 8 j ( 3 5 ) 将和既相加即可得到电磁阀高压维持阶段能量消耗量。 + 既= 0 2 1 5 焦耳，每分钟进行1 8 0 0 0 次喷射，共消耗能量：w = 0 2 1 5 1 8 0 0 0 = 3 8 8 1 j ，再除以6 0 s m i r a 可以得到高压段功率需求尸； p=丽w=64(瓦)(3-6) d c d c 升压电路能量由需电磁提供，正常工作条件下，蓄电池电压2 4 v ，计算可 得升压电路前端电流为： p v i n2 6 4 2 4 = 2 6 9 a ( 3 7 ) 考虑最坏情况下，蓄电池电压受温度影响降低一半，v n = 1 2 v ； 由此可得出升压电路前端电流最大值i m 戤为 ，埘烈= 尸= 5 4 a ( 3 8 ) 低压维持阶段电流1 2 a 。低压保持阶段l m s ，维持电压2 4 v ，考虑到蓄电池电压在 寒冷地区受温度影响，蓄电池电压最低降至1 2 v ，可以得出每次喷射低压维持段电量消 耗： 矿= u j 拳f ( 3 - 9 ) 胆2 4 牛1 2 l 1 0 d = 0 2 8 8j ( 3 - 1 0 ) 哈尔滨t 程大学硕卜学位论文 量曼曼皇曼曼皇璺量量置曼皇皇量皇曼曼舅曼璺毫曼曼曼曼量曼曼曼曹曼曼曼曼曼曼曼曼曼i | 1 曼曼曼曼曼曼鼍量鲁曼皇舅舅曼曼皇量曼曼皇置曼鼍曼皇曼曼皇舅 按照高压段计算方法计算可得： 尸= 0 2 8 8 奉1 8 0 0 0 6 0 = 8 6 4w ( 3 1 1 ) 正常工作电流为： ，