基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统设计

1、基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统设计第5期(总第190期)2021年1O月车用发动机VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.190)0Ct.2021?设计计算?基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统设计王孝,王皤碌,相楠.(1.中国北方发动机研究所,山西大同037036;2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;3.北京启帆机电设备,北京100070)摘要:优化了高压共轨柴油机电磁闽驱动策略,设计了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的高压共轨电磁阀喷油驱动系统.采用图形与硬件描述语言(HDL)混合设计方式,对CPLD进行模块化编程,实现了对电磁阀

2、的电流驱动控制.该系统集成度高,灵活性强,响应速度快,将电磁阀驱动开关的PWM调制频率降至50kHz以内,提高了驱动性能和能源利用率,降低了系统功耗,并具有较强的稳定性.关键词:柴油机;高压共轨;复杂可编程逻辑器件;电磁阀;驱动中图分类号:TK421文献标志码:B文章编号:10012222(2021)05000703高压共轨喷射技术的出现是内燃机技术开展中的一大飞跃1,同时,为了满足越来越严格的排放法规,除了对进气系统,润滑系统等进行相应的改良外,电控喷射技术也已经成为低排放柴油机控制的根本手段2,是21世纪柴油喷射系统的主流.电控高压共轨系统的核心是电控燃油喷射系统,其中电磁阀作为系统的通用

3、执行器,对整个喷油系统的性能起着至关重要的作用l_4,如何通过控制优化得到电磁阀高速,准确的动态响应过程是电控系统开发的关键.传统的高压共轨控制系统,ECU中的单片机既要采集各种传感器信息,又要根据其数据判断发动机的运行情况,确定适宜的喷油量,喷油定时等参数,还要通过ECU驱动电磁阀开关,但其固有的串行处理机制大大限制了其控制的精确性,也使得系统开发较为复杂.因此,开发专用,高效的电磁阀驱动系统成为必然的选择.本研究开发了一种基于复杂可编程逻辑器件(cPLD)的高压共轨电磁阀驱动系统,采用优化的电磁阀驱动策略,能够根据ECU中单片机的命令,实现对电磁阀快速,准确,高效的驱动,且系统集成度高,性

4、能可靠,适应性高,具有广泛的应用前景.1电磁阀电流驱动策略电磁阀电流驱动策略设计原那么是实现精确,稳定的燃油喷射,同时具有较好的经济性和可靠性.按照电磁阀线圈内电流调节方式的不同,电磁阀驱动电路可以分为可调电阻式,双电压控制式以及脉宽调制式3种结构5.可调电阻式结构功耗较大,集成度较低;双电压式结构需要DC-DC变换模块,增加了系统的复杂性,且受电源波动干扰较大;脉宽调制结构与电流反应相结合,能够精确地调节电磁阀电流,具有功耗低,稳定性高的特点.本系统采用脉宽调制方式,并结合蓄电池电源与高压电容双电源结构,优化了电流驱动策略,所设计的电流驱动波形见图1.图中工,.分别为开启电流和保持电流,下脚

5、标H表示高电位,L表示低电位.图1电流驱动波形当控制器发出开启电磁阀命令后,驱动系统除翻开蓄电池通路外,同时接通高压电容电源,加快电磁阀的电流上升速度.高压电容在驱动电磁阀的同时,电压下降,对电流的驱动能力也下降,因此,驱动系统在t时刻关闭高压电容开关,以减少后续充电时间,节省电能,同时蓄电池继续驱动电磁阀电流上升至开启电流.电磁阀衔铁在电磁铁的驱动下开始动作,为了加快吸合速度,电磁阀驱动采用PWM方式维持开启电流至t.时刻.t.时刻后,电磁阀衔铁收稿日期:20210719;修回日期:20211008作者简介:王孝(1956一),男,研究员,主要研究方向为柴油机控制技术;wangxiaodts

6、ina.corn.车用发动机2021年第5期已被完全吸合,为了节省电能,驱动系统采用较低的保持电流维持电磁阀的吸合状态.在电磁电流的下降过程中,驱动系统利用其为高压电容充电以提高电能的利用率.在维持阶段,驱动系统亦采用PWM方式维持电流的稳定.控制系统在t.时刻发出关闭电磁阀的命令,驱动系统迅速切断电流回路,并引导驱动线圈为高压电容充电,使得驱动电流迅速下降.该驱动策略既保证了电磁阀快速,准确的开启及关闭,又充分提高了能量的利用率,节约了电源电能.2驱动系统结构设计根据上述驱动策略,本研究设计了一种基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统.系统结构见图2.图2系统结构驱动系统仅负责对电磁阀进

7、行高精度,高性能的驱动,开启与关闭信号由ECU发出.电磁阀采用高压电容及蓄电池双电源供电,分别由MOSFET管T,T.作为相应的高边开关,为电磁阀的低边开关.T,T,T.均由CPLD通过MOSFET驱动电路进行通断控制,以便加快翻开和关闭速度,降低开关损耗.在蓄电池电流通路和电磁阀的低边电流通路局部均设置有电流判断模块,将电流与参考电压(由CPLD根据时序控制参考电压模块生成,且高参考电压与低参考电压之间有恒定的差值)确定的阈值相比拟,并将比拟结果输出到CPLD的I/O口.同时,在CPLD的控制下,电磁阀可以通过低边二极管为高压电容充电,增加能量的利用率.3CPLD程序设计本设计采用MAX7OOO系列CPLD为核心器件.该系列产品是以第二代多阵列矩阵(MAX)架构为根底的基于EEPROM的可编程逻辑器件,具有高达175.4MHz的计数频率以及5ns的管脚到管脚延迟.MAX7000系列产品通过硬件描述语言(HDL)编程,图形开发工具等,能够在片上灵活实现复杂的数字电路设计,其高速性以及并行结构十分适合于开发高速实时系统.在开发过程中,本研究选用的是ALTERA的QuartusII开发平台,并采用了VerilogHDL与图形开发相结合的方式.CPLD程序结构见图3.图中,低位电流判断信号为低边电流检测信号的输入,高位电流判断为高边电流检测信号输人,高压电容信