柴油机共轨喷油器智能驱动模块的设计

2019-03-21刘永春郭庆波齐善东宋卫萍

汽车电器 2019年1期

刘永春，郭庆波，齐善东，宋卫萍

（中国重汽集团技术发展中心，山东济南 250000）

柴油机共轨燃油喷射系统通过喷油驱动电路对喷油器电磁阀进行控制，来实现对喷油量、喷油定时和喷油速率的柔性控制，以达到柴油机排放性能、动力性能和经济性能的最佳匹配。喷油驱动电路的性能直接影响着电控共轨燃油喷射系统的性能，因此，对柴油机喷油驱动模块的设计开发具有重要的现实意义。

理想的喷油驱动模块采用Peak&Hold驱动方式，喷油器开启阶段（即峰值电流驱动阶段）采用较高的驱动电压使电磁线圈有较大的电流通过，从而产生较大的电磁力保证电磁阀快速开启；当喷油器电磁阀打开后（即保持电流驱动阶段），较小的电流就可以维持打开状态，过高的电流会导致喷油器发热并烧坏喷油器；在关闭阶段，电磁阀内电流下降越快越好，以保证电磁阀快速关闭。本文采用芯片MC33816就共轨喷油器的驱动要求设计开发了一种集成式智能喷油控制模块，具有较高的控制精度和控制效果。

1 智能喷油控制单元的设计

1.1 芯片MC33816概述

智能喷油控制芯片MC33816是恩智浦公司开发的专用于电磁阀的精确驱动控制，电源电压范围为5～32 V，内部集成5路外部MOSFET高边预驱动器和7路外部MOSFET低边预驱动器，预驱动器的工作电压可高达72 V，其中一路低边预驱动器可用作DC-DC转换器。内部通过4个独立的微内核、2个代码RAM和2个数据RAM BANK来进行协调管理，通过编程微码来实现MOSFET门控驱动的灵活控制、诊断和保护功能，通过SPI总线接口，实现与单片机信息的交互完成刷写和诊断等功能。设计的智能喷油控制模块主要由DC-DC升压控制模块、喷油驱动的控制模块和故障诊断模块构成，其电路结构框图如图1所示。

1.2 DC-DC升压控制模块

DC-DC升压电路主要由MC33816、续流二极管、电感、输出电容、MOSFET和采样电阻组成，升压电路的原理图见图2。MC33816内部集成用于DC-DC转换的电流检测和电压反馈模块，通过软件设定流过采样电阻的最大值和最小值以及UBOOST输出电压的最大值和最小值。

在升压开始阶段，芯片使能异步模式（即Async Phase），MC33816通过采样电阻检测流过电路中的电流Isense4与内部设定的电流最大值和最小值实时比较，触发MOSFET的导通和关闭。当电流Isense4低于设定电流的最小值时，MOSFET导通，续流二极管反向截止，流经电感的电流持续增加，Isense4逐渐增大，电感储存一定的能量；当Isense4达到电流设定的上限值，G_LS7输出低电平MOSFET关闭，电流流经续流二极管给电容充电，直到 UBOOST电压达到设定电压的上限值，芯片使能同步模式（即Sync Phase），这时MOSFET一直处于关闭状态，直到UBOOST电压达到电压设定的下限值。如此循环工作，根据工作条件的不同，实时进行调节控制输出的占空比和PWM频率，从而实现升压和稳压的目的，UBOOST电压控制的原理如图3所示。

图2 DC-DC升压电路的原理图

图3 UBOOST电压控制原理

1.3 喷油驱动的控制模块

以某一缸的喷油器驱动电路为例，采用Peak&Hold的电流驱动方式说明喷油驱动的控制原理，其电路结构原理图和驱动电流波形图见图4和图5。电路主要由MC33816、高边的2个MOSFET Q1和Q2、低边的MOSFET Q3、二极管D1、D2和D3、电容和采样电阻构成，通过微码设定峰值驱动电流IPEAK、保持电流IHOLD、保持阶段电流的关闭时间THOLD_OFF等控制参数，通过采样电阻实时反馈电路中的驱动电流值，在不同驱动阶段控制高低边MOSFET的导通和关闭，实现喷油器电流驱动波形的精确控制。MC33816最多可以实现6个缸的喷油驱动控制，芯片引脚START1～START6、DRVEN、RESET、IRQ等需要接入单片机，由单片机控制喷油开启和喷油结束，产生故障时触发单片机中断等，具体工作过程如下。

图4 喷油驱动电路原理图

图5 喷油驱动电流波形

当到达某一缸的喷射时刻，单片机通过START信号控制喷油器的开启，此时进入喷油器的Peak阶段。在Peak驱动阶段，控制高边MOSFET Q1和低边MOSFET Q3导通，Q2 MOSFET关断，高压电源 UBOOST通过高端驱动加到喷油器线圈的上端，电路中电流持续上升直到达到IPEAK。当电流上升到IPEAK时，高边的MOSFET全部关闭，此时进入Bypass阶段，电流开始下降，当计时器到达设定值时，进入Hold驱动阶段，此时高边MOSFET Q2和低边MOSFET Q3导通，Q1 MOSFET关断，电流开始上升，直到上升到保持电流IHOLD的上限值，MOSFET Q2关断，电路中电流开始下降，电流下降到保持电流IHOLD的下限值，高边MOSFET Q2和低边MOSFET Q3又导通，如此周而复始，直到START信号变为低电平，Q1 MOSFET、Q2 MOSFET和Q3 MOSFET都关断喷油结束。

在喷油器关闭瞬间，喷油器线圈中产生很高的反电动势，喷油器电磁阀、续流二极管D3、电容和二极管D2构成能量泄放电路，将喷油器电磁阀中存储的能量快速释放，以保证电磁阀迅速关闭，提高了喷油器的控制精度。

2 诊断模块

对于一个可靠安全的喷油控制驱动系统，喷油器的故障诊断模块必不可少。本文针对喷油故障诊断进行了相应的设计，确保如有故障发生时能够快速准确判断，及时采取故障安全处理措施，保证控制系统的可靠性。

喷油驱动模块的诊断分为两个阶段：预诊断阶段和自动诊断阶段。预诊断阶段在喷油开启信号START信号变为高电平时进行，预诊断结束后进入自动诊断阶段直到喷油结束。MC33816内部设有多个比较器，通过检测多个引脚处的实时电压值与设定的电压比较限值实时进行比较，根据比较器反馈得到的输出值可以判断出短路或开路故障，完成故障诊断功能。可以完成的故障诊断项目有：①高边源极对搭铁短路；②高边开路；③高边漏极和源极短路；④低边开路；⑤低边漏极对搭铁短路；⑥低边漏极对电源短路。

图6 低边开路故障诊断原理图

这些诊断项目的检测根据不同情况分别设置在不同的阶段进行。例如在喷油驱动阶段，低边的MOSFET一直处于导通状态，所以低边漏极对搭铁短路的故障在喷油驱动阶段无法进行诊断，应设置在预诊断阶段完成。下面以低边开路故障为例进行分析说明，其诊断的控制原理图见图6。此故障设置在保持电流驱动阶段进行，此时高边UBAT的MOSFET为导通状态，低边的MOSFET为开路状态，因此图6中U1、U2和U3的电压都为电源电压UBAT。通过比较器与设定的电压限值进行比较，反馈得到相应参数的状态HSx_Vds_Vboost_fbk、HSx_Vsrc_Vboost_fbk、HSx_Vds_Vbat_fbk、LSx_Vds_fbk等，判断参数LSx_Vds_fbk为异常值，从而诊断出喷油器低边开路的故障，其它诊断项目的诊断原理与此类似。

3 试验验证

以某进口共轨喷油器为控制对象使用Peak&Hold电流驱动方式进行设计，喷油器驱动的电参数如下：①峰值驱动电压UBOOST48V，峰值电流IPEAK26A；②保持驱动电压UBAT24V，保持电流平均值IHOLD12A，保持驱动电流变化范围11～13 A。

按照上述驱动要求进行软件配置，应用设计的智能喷油驱动电路，分别在油泵台架和发动机台架上进行试验验证，取得了良好的控制效果。实际测得的喷油器电流驱动波形见图7，通道1为START信号，通道2为电流波形，可以看出当START信号为高电平时喷油器进入峰值电流驱动阶段，驱动电流从0上升到峰值电流，此时采用的是48V高压电源驱动，之后切换到24 V低压电源驱动模块进入保持电流驱动阶段。实测波形与目标喷油器规定的驱动电流和电压很好的吻合，可靠地实现喷油器电磁阀的高速开闭，达到精确控制喷油器的目的。