CN105386912B - 能在线调节的压电式喷油器驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能在线调节的压电式喷油器驱动装置，包括：人机交互模块，用于在线设置压电式喷油器的驱动电压的参数值，并向与人机交互模块连接的微控制器发送；微控制器，用于产生控制驱动电压闭环控制电路工作的信号；DAC转换单元，所述DAC转换单元的输出端连接驱动电压闭环控制电路；驱动电压闭环控制电路，用于在压电式喷油器开始动作至喷油过程中，在受限于充电电流最大值的情况下对压电式喷油器充电，使得压电式喷油器的高端驱动电压从小变大直至达到与设定驱动电压参数值相对应的驱动电压，且在喷油过程中维持；还用于控制压电式喷油器放电。本发明对压电式喷油器驱动电压的在线灵活控制较传统的频繁更换硬件器件，简单快捷，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机高压共轨技术领域，尤其是一种能在线调节的喷油器驱动装置。
背景技术
目前在国内，高压共轨压电执行器（如压电式喷油器）研究与传统电磁阀执行器（电磁阀喷油器）相比较，起步较晚，也不成熟，压电晶体执行器利用其逆压电效应，将电能转换为机械运动，因此共轨压电执行器驱动力与行程是由其驱动电压决定的，为实现压电执行器最佳驱动性能，在整个喷油过程中，保持在压电执行器两端的电压要维持不变，且不同机械参数压电执行器其驱动电压也不尽相同，为寻求该参数的合理值，按照传统方法，不断更换硬件参数，经计算、硬件焊接、调试等过程，整个过程繁琐复杂，且易出错。
目前压电执行器驱动电路中，其驱动电压由其闭环控制电路中阈值比较器分压电阻大小决定，采用不断调整各分压电阻的大小来实现不同的压电式喷油器驱动电压。通过频繁修改比较器电路硬件参数实现压电执行器驱动电压调节，修改过程繁琐费时，且易出错，而且硬件器件的标准化根本无法实现驱动电压任意大小的调节。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种能在线调节的压电式喷油器驱动装置，压电式喷油器驱动电压可通过软件在线设定，无需修改硬件电路参数，通过在线参数设定、D/A转换、驱动电压闭环控制等过程，输出与在线设定参数相对应的驱动电压，该压电式喷油器驱动装置简单可靠，效率高，且在整个喷油过程中，实时监控压电式喷油器高端驱动电压，使其高端驱动电压在整个喷油过程中一直维持软件在线调节的对应电压值。并且该压电式喷油器驱动装置还能够在压电式喷油器喷油过程和放电过程中控制电流大小，防止电流过大损坏压电式喷油器。本发明采用的技术方案是：
一种能在线调节的压电式喷油器驱动装置，包括：
人机交互模块，用于在线设置压电式喷油器C的驱动电压的参数值，并向与人机交互模块连接的微控制器发送；
微控制器，与DAC转换单元连接，用于将驱动电压的参数值发送给DAC转换单元进行数模转换；且用于产生控制驱动电压闭环控制电路工作的信号；
DAC转换单元，所述DAC转换单元的输出端连接驱动电压闭环控制电路，向驱动电压闭环控制电路提供与设定的驱动电压参数值相对应的模拟参考电压；
驱动电压闭环控制电路，用于在压电式喷油器C开始动作至喷油过程中，在受限于充电电流最大值的情况下对压电式喷油器C充电，使得压电式喷油器C的高端驱动电压从小变大直至达到与设定驱动电压参数值相对应的驱动电压，且在喷油过程中维持；还用于在压电式喷油器C放电过程中，在受限于放电电流最大值的情况下对压电式喷油器C进行放电。
进一步地，
驱动电压闭环控制电路包括比较器U1、CPLD逻辑单元、充电驱动电路、放电驱动电路、充电电流闭环调制控制电路、放电电流闭环调制控制电路、低端驱动电路，功率开关管Q1、Q2、Q3；二极管D1、D2、D3、D4；电阻R1、R2、R3；所述充电电流闭环调制控制电路包括比较器U3、电阻R4、R5、R6；所述放电电流闭环调制控制电路包括运算放大器U2、比较器U4，电阻R7、R8、R9、R10、R11和R12；
比较器U1的同相输入端接DAC转换单元的输出端；比较器U1的输出端产生驱动电压闭环控制信号S4并输入CPLD逻辑单元；
微控制器产生的喷油器低端使能信号S0输入低端驱动电路；微控制器产生的充电使能信号S1、放电使能信号S5按时间先后输入CPLD逻辑单元；比较器U3的输出端产生充电电流调制信号S2并输入CPLD逻辑单元；比较器U4的输出端产生放电电流调制信号S6并输入CPLD逻辑单元；
CPLD逻辑单元在充电使能信号S1、充电电流调制信号S2和驱动电压闭环控制信号S4作用下产生充电回路预驱动信号S3，并输入充电驱动电路；CPLD逻辑单元在放电使能信号S5和放电电流调制信号S6作用下产生放电回路预驱动信号S7，并输入放电驱动电路；
充电驱动电路的输出端接功率开关管Q1的栅极，Q1的漏极接高压源Boost，二极管D2和D3的阴极；Q1的源极接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接二极管D2的阳极，电感L的一端以及功率开关管Q2的漏极；放电驱动电路的输出端接功率开关管Q2的栅极，Q2的源极接地；电感L的另一端接二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、电阻R1的一端，以及压电式喷油器C的一端；电阻R1另一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R1和R2连接的节点连接比较器U1的反相输入端；
低端驱动电路的输出端接功率开关管Q3的栅极，Q3的源极接地，漏极接压电式喷油器C的另一端，电阻R3的一端、比较器U3的反相输入端，以及通过电阻R8连接运算放大器U2的反相输入端；电阻R3的另一端接地；
比较器U3的同相输入端接电阻R5的一端，电阻R4的一端，并通过电阻R6连接U3的输出端；电阻R5的另一端接地；电阻R4的另一端接供电电压+V；比较器U3的输出端接CPLD逻辑单元；
运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接地，反相输入端通过电阻R9接U2的输出端；运算放大器U2的输出端接比较器U4的反相输入端，比较器U4的同相输入端接电阻R11的一端，电阻R10的一端，并通过电阻R12连接U4的输出端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接供电电压+V；比较器U4的输出端接CPLD逻辑单元；
比较器U3的同相输入端接电阻R5的一端，电阻R4的一端，并通过电阻R6连接U3的输出端；电阻R5的另一端接地；电阻R4的另一端接供电电压+V；比较器U3的输出端接CPLD逻辑单元；
运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接地，反相输入端通过电阻R9接U2的输出端；运算放大器U2的输出端接比较器U4的反相输入端，比较器U4的同相输入端接电阻R11的一端，电阻R10的一端，并通过电阻R12连接U4的输出端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接供电电压+V；比较器U4的输出端接CPLD逻辑单元。
本发明的优点在于：驱动电压闭环控制电路中比较器U1的阈值电压能够在线修改，且在整个喷油过程中，驱动电压闭环控制电路一直处于有效状态，实时监测压电式喷油器高端电压，使其高端驱动电压在整个喷油过程中一直维持软件在线调节对应的电压值。可以方便灵活地调节压电式喷油器高端驱动电压。而传统方法通过不断更换硬件电路器件实现的不同的压电式喷油器驱动电压。
实时监控压电式喷油器高端驱动电压，当由于各种原因导致其下降时，高压源会再次给压电式喷油器充电至预设参数对应的电压，直至喷油过程结束。
本驱动装置实现了对压电式喷油器驱动电压的在线灵活控制，较传统的频繁更换硬件器件，简单快捷，效率高，同时也避免了由于硬件器件的差异所引起的压电式喷油器驱动电压的不一致。同时对驱动电压的实时监控与实时闭环补偿控制，有助于在喷油过程中保持压电式喷油器形变的一致性，提高压电喷油器性能。
充电电流和放电电流实现了闭环控制，防止电流过大造成压电式喷油器损坏或性能过早衰退。
附图说明
图1为本发明的电原理示意图。
图2为本发明的主要信号时序图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出的能在线调节的压电式喷油器驱动装置，如图1所示，包括：
人机交互模块10，用于在线设置压电式喷油器C的驱动电压的参数值，并向与人机交互模块10连接的微控制器20发送；
微控制器20，与DAC转换单元30连接，用于将驱动电压的参数值发送给DAC转换单元30进行数模转换；且用于产生控制驱动电压闭环控制电路40工作的信号；
DAC转换单元30，所述DAC转换单元30的输出端连接驱动电压闭环控制电路40，向驱动电压闭环控制电路40提供与设定的驱动电压参数值相对应的模拟参考电压；
驱动电压闭环控制电路40，用于在压电式喷油器C开始动作至喷油过程中，在受限于充电电流最大值的情况下对压电式喷油器C充电，使得压电式喷油器C的高端驱动电压从小变大直至达到与设定驱动电压参数值相对应的驱动电压，且在喷油过程中维持；还用于在压电式喷油器C放电过程中，在受限于放电电流最大值的情况下对压电式喷油器C进行放电。
人机交互模块10通常在一台计算机中通过编程实现，主要提供参数设置的界面，当然，为了提高DAC转换单元30的D/A转换精度，还可以先对设置的驱动电压的参数值进行线性放大的数值变换再输出。
微控制器20一方面将驱动电压的参数值（可先线性放大）发送给DAC转换单元30，另一方面主要用于控制驱动电压闭环控制电路40工作，产生相应的控制信号，比如图1中的喷油器低端使能信号S0、充电使能信号S1、放电使能信号S5；
图1中，压电式喷油器C需要一个较高电压驱动，在压电式喷油器C喷油过程中，需要维持大约150v左右的高端驱动电压，即图1中e点（压电式喷油器C高端）电压需要在喷油过程中保持在150v；不同型号的压电式喷油器，需要的高端驱动电压也不同，而通过人机交互模块10的在线设置参数，以及驱动电压闭环控制电路40根据在线设置驱动电压参数值和采集电压反馈信号，联合产生控制作用，就可以获得需要的高端驱动电压，并且高端驱动电压还可以灵活的在线调整，以和不同型号的压电式喷油器适配。
高压源Boost提供压电式喷油器C充电的电能，高压源Boost的电压通常在200v左右。
驱动电压闭环控制电路40包括比较器U1、CPLD逻辑单元41、充电驱动电路42、放电驱动电路43、充电电流闭环调制控制电路44、放电电流闭环调制控制电路45、低端驱动电路46，功率开关管Q1、Q2、Q3；二极管D1、D2、D3、D4；电阻R1、R2、R3；所述充电电流闭环调制控制电路44包括比较器U3、电阻R4、R5、R6；所述放电电流闭环调制控制电路45包括运算放大器U2、比较器U4，电阻R7、R8、R9、R10、R11和R12；
比较器U1的同相输入端接DAC转换单元30的输出端；比较器U1的输出端产生驱动电压闭环控制信号S4并输入CPLD逻辑单元41；
微控制器20产生的喷油器低端使能信号S0输入低端驱动电路46；微控制器产生的充电使能信号S1、放电使能信号S5按时间先后输入CPLD逻辑单元41；比较器U3的输出端产生充电电流调制信号S2并输入CPLD逻辑单元41；比较器U4的输出端产生放电电流调制信号S6并输入CPLD逻辑单元41；
CPLD逻辑单元41在充电使能信号S1、充电电流调制信号S2和驱动电压闭环控制信号S4作用下产生充电回路预驱动信号S3，并输入充电驱动电路42；CPLD逻辑单元41在放电使能信号S5和放电电流调制信号S6作用下产生放电回路预驱动信号S7，并输入放电驱动电路43；CPLD逻辑单元的特点是只需要关注输入和输出信号的逻辑关系，而内部的逻辑可以在线烧录而成，也方便进行修改。
充电驱动电路42、放电驱动电路43和低端驱动电路46可采用现有技术中的功率开关管（如MOS管）驱动电路，本发明不做详细介绍。
功率开关管Q1、Q2、Q3都可采用NMOS管。
充电驱动电路42的输出端接功率开关管Q1的栅极，Q1的漏极接高压源Boost，二极管D2和D3的阴极；Q1的源极接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接二极管D2的阳极，电感L的一端以及功率开关管Q2的漏极；放电驱动电路43的输出端接功率开关管Q2的栅极，Q2的源极接地；电感L的另一端接二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、电阻R1的一端，以及压电式喷油器C的一端（图1中的节点e，节点e上的电压就是压电式喷油器C的高端驱动电压)；电阻R1另一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R1和R2连接的节点（图1中的节点b)连接比较器U1的反相输入端；
低端驱动电路46的输出端接功率开关管Q3的栅极，Q3的源极接地，漏极接压电式喷油器C的另一端（图1中的节点a，也就是压电式喷油器C的低端），电阻R3的一端、比较器U3的反相输入端，以及通过电阻R8连接运算放大器U2的反相输入端；电阻R3的另一端接地；
比较器U3的同相输入端接电阻R5的一端，电阻R4的一端，并通过电阻R6连接U3的输出端；电阻R5的另一端接地；电阻R4的另一端接供电电压+V；比较器U3的输出端接CPLD逻辑单元41；
运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接地，反相输入端通过电阻R9接U2的输出端；运算放大器U2的输出端接比较器U4的反相输入端，比较器U4的同相输入端接电阻R11的一端，电阻R10的一端，并通过电阻R12连接U4的输出端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接供电电压+V；比较器U4的输出端接CPLD逻辑单元41；
比较器U1作为压电式喷油器驱动电压的阈值比较器，其同相输入端与DAC转换单元30输出电压相连，实现了比较器U1阈值电压的在线修改。节点a上获得了电流采样信号，当流过压电式喷油器C的电流变化时，节点a上的电压也会变化，反馈控制后可以使得压电式喷油器C的充电电流和放电电流都控制在相应电流阈值之下，使得压电式喷油器C不容易损坏。节点b上获得电压采样信号，反馈控制后，可以使得压电式喷油器C的高端驱动电压维持在设定驱动电压参数值相对应的驱动电压，不会导致压电式喷油器C的高端驱动电压过高。
下面结合图2中各控制信号的时序关系，对本发明的工作过程作介绍。
当压电式喷油器C开始动作时，如图2中的t1时刻开始，微控制器20输出充电使能信号S1和喷油器低端使能信号S0；信号S0脉宽决定了其喷油时长。
t1时刻压电式喷油器C高端驱动电压趋于0，非常低，因为此时还未充电，压电式喷油器C的充电电流为零；在充电电流闭环调制控制电路44中，电阻R4、R5获得的分压电压输入U3的同相输入端，其决定了压电式喷油器C充电电流大小；此时U3输出的S2为高电平；电阻R1和R2组成的反馈网络反馈的节点b电压也非常低，趋于0；比较器U1输出的S4信号为高电平；信号S1、S2、S4输入至CPLD逻辑单元41后输出信号S3；
在t1-t2时刻，信号S3为高电平，功率开关管Q1打开，高压源Boost的电压经过Q1、二极管D1、电感L、压电式喷油器C、采样电阻R3向压电式喷油器C充电；电感L此时起限流作用，防止电流急剧上升；此时充电电流I不断上升，当上升到设定阈值时（t2时刻），比较器U3的反相输入端电压高于同相输入端电压，比较器U3输出的信号S2变为低电平，信号S3也变为低电平，功率开关管Q1关断；
在t2-t3时刻，电感L中储存的能量继续向压电式喷油器C充电，此时充电电流I下降，当充电电流下降到一定值时，比较器U3的反相输入端电压低于同相输入端电压，U3输出的信号S2变为高电平（t3时刻）；此时信号S3也输出高电平，功率开关管Q1打开，高压源Boost的电压向压电式喷油器C充电；充电电流I增大，达到其充电电流阈值时，U3输出低电平，电感L中储存的能量再继续向压电式喷油器C充电，电流下降，如此往复，直至压电式喷油器C高端驱动电压达到其设定的阈值，节点b反馈的电压高于比较器U1同相输入端的阈值电压，比较器U1输出低电平，彻底关断其整个充电过程。在压电式喷油器C整个喷油过程中，不断检测压电式喷油器C的高端驱动电压，当压电式喷油器C高端的充电电压下降时，若节点b反馈的电压低于比较器U1同相输入端的阈值电压，U1输出高电平，重复上述充电过程，实现了对其驱动电压的实时监控和动态维持。
当喷油过程结束，压电式喷油器C需要放电时，微控制器20输出放电使能信号S5，由于放电电流I′和充电电流I方向相反，在放电电流闭环调制控制电路45中，U2实现了放电电流反相处理。在放电过程中，节点a的电压为负值，通过U2转换为一个正值电压，送到比较器U4的反相输入端进行电压比较。电阻R10、R11组成的分压电压输入U4的同相输入端，其决定了压电式喷油器C放电电流大小。一开始压电式喷油器C的放电电流为零，比较器U4输出高电平，其放电电流调制信号见信号S6所示；放电使能信号S5和放电电流调制信号S6输入至CPLD逻辑单元41产生放电回路预驱动信号S7；在t7时刻开始，信号S7为高电平，放电驱动电路43驱动功率开关管Q2打开，压电式喷油器C通过电阻R3、压电式喷油器C、电感L、Q2、地这样一个回路释放能量，放电电流I′逐渐上升；，当上升至其设定阈值时（t8时刻），节点a的负值电压的绝对值足够大，使得U4的反向输入端电压高于同相输入端电压，U4输出信号S6变为低电平，CPLD逻辑单元41输出的信号S7也变为低电平，功率开关管Q2关闭，从t8-t9时刻，压电式喷油器C通过电感L、电阻R3、二极管D2向高压源Boost充电，放电电流下降，当下降至其设定值时，U4输出高电平，Q2打开，压电式喷油器C通过电阻R3、压电式喷油器C、电感L、Q2、地这样一个回路继续释放电压，如此往复，直至压电式喷油器C高端电压为零，放电过程结束。
上述压电式喷油器C喷油过程中，实现了充电电流的闭环控制，以及高端驱动电压的实时闭环补偿控制，使得充电电流不会过大以损坏压电式喷油器C，而且在喷油过程中使得压电式喷油器C的高端驱动电压一直保持与在线设定驱动电压参数值相对应的电压。放电过程中，压电式喷油器C的放电电流也实现了闭环控制，防止电流过大，避免压电式喷油器C损坏或者早衰。
Claims (3)
1.一种能在线调节的压电式喷油器驱动装置，其特征在于，包括：
人机交互模块(10)，用于在线设置压电式喷油器C的驱动电压的参数值，并向与人机交互模块(10)连接的微控制器(20)发送；
微控制器(20)，与DAC转换单元(30)连接，用于将驱动电压的参数值发送给DAC转换单元(30)进行数模转换；且用于产生控制驱动电压闭环控制电路(40)工作的信号；
DAC转换单元(30)，所述DAC转换单元(30)的输出端连接驱动电压闭环控制电路(40)，向驱动电压闭环控制电路(40)提供与设定的驱动电压参数值相对应的模拟参考电压；
驱动电压闭环控制电路(40)，用于在压电式喷油器C开始动作至喷油过程中，在受限于充电电流最大值的情况下对压电式喷油器C充电，使得压电式喷油器C的高端驱动电压从小变大直至达到与设定驱动电压参数值相对应的驱动电压，且在喷油过程中维持；还用于在压电式喷油器C放电过程中，在受限于放电电流最大值的情况下对压电式喷油器C进行放电；
驱动电压闭环控制电路(40)包括比较器U1、CPLD逻辑单元(41)、充电驱动电路(42)、放电驱动电路(43)、充电电流闭环调制控制电路(44)、放电电流闭环调制控制电路(45)、低端驱动电路(46)，功率开关管Q1、Q2、Q3；二极管D1、D2、D3、D4；电阻R1、R2、R3；所述充电电流闭环调制控制电路(44)包括比较器U3、电阻R4、R5、R6；所述放电电流闭环调制控制电路(45)包括运算放大器U2、比较器U4，电阻R7、R8、R9、R10、R11和R12；
比较器U1的同相输入端接DAC转换单元(30)的输出端；比较器U1的输出端产生驱动电压闭环控制信号S4并输入CPLD逻辑单元(41)；
微控制器(20)产生的喷油器低端使能信号S0输入低端驱动电路(46)；微控制器产生的充电使能信号S1、放电使能信号S5按时间先后输入CPLD逻辑单元(41)；比较器U3的输出端产生充电电流调制信号S2并输入CPLD逻辑单元(41)；比较器U4的输出端产生放电电流调制信号S6并输入CPLD逻辑单元(41)；
CPLD逻辑单元(41)在充电使能信号S1、充电电流调制信号S2和驱动电压闭环控制信号S4作用下产生充电回路预驱动信号S3，并输入充电驱动电路(42)；CPLD逻辑单元(41)在放电使能信号S5和放电电流调制信号S6作用下产生放电回路预驱动信号S7，并输入放电驱动电路(43)；
充电驱动电路(42)的输出端接功率开关管Q1的栅极，Q1的漏极接高压源Boost，二极管D2和D3的阴极；Q1的源极接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接二极管D2的阳极，电感L的一端以及功率开关管Q2的漏极；放电驱动电路(43)的输出端接功率开关管Q2的栅极，Q2的源极接地；电感L的另一端接二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、电阻R1的一端，以及压电式喷油器C的一端；电阻R1另一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R1和R2连接的节点连接比较器U1的反相输入端；
低端驱动电路(46)的输出端接功率开关管Q3的栅极，Q3的源极接地，漏极接压电式喷油器C的另一端，电阻R3的一端、比较器U3的反相输入端，以及通过电阻R8连接运算放大器U2的反相输入端；电阻R3的另一端接地；
比较器U3的同相输入端接电阻R5的一端，电阻R4的一端，并通过电阻R6连接U3的输出端；电阻R5的另一端接地；电阻R4的另一端接供电电压+V；比较器U3的输出端接CPLD逻辑单元(41)；
运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接地，反相输入端通过电阻R9接U2的输出端；运算放大器U2的输出端接比较器U4的反相输入端，比较器U4的同相输入端接电阻R11的一端，电阻R10的一端，并通过电阻R12连接U4的输出端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接供电电压+V；比较器U4的输出端接CPLD逻辑单元(41)；
比较器U3的同相输入端接电阻R5的一端，电阻R4的一端，并通过电阻R6连接U3的输出端；电阻R5的另一端接地；电阻R4的另一端接供电电压+V；比较器U3的输出端接CPLD逻辑单元41；
运算放大器U2的同相输入端通过电阻R7接地，反相输入端通过电阻R9接U2的输出端；运算放大器U2的输出端接比较器U4的反相输入端，比较器U4的同相输入端接电阻R11的一端，电阻R10的一端，并通过电阻R12连接U4的输出端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接供电电压+V；比较器U4的输出端接CPLD逻辑单元(41)。
2.如权利要求1所述的能在线调节的压电式喷油器驱动装置，其特征在于：
功率开关管Q1、Q2、Q3均采用NMOS管。
3.如权利要求1所述的能在线调节的压电式喷油器驱动装置，其特征在于：
在人机交互模块(10)中，对设置的驱动电压的参数值进行线性放大的数值变换再输出。
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