CN106838432B - 一种电控单体泵电磁阀驱动电路及其控制方法 - Google Patents

一种电控单体泵电磁阀驱动电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电控单体泵电磁阀驱动电路及其控制方法，属于发动机电子控制技术领域。驱动电路包括电源，DC/DC升压模块、MOS管QA、高端驱动芯片、二极管DA、MOS管QB、低端驱动芯片、电磁阀、二极管DB、霍尔电流传感器和单片机，MOS管QA受控于单片机PWM模块输出的高端控制信号，配合霍尔电流传感器提供的电流反馈信号，实现对电路驱动电压的调制；MOS管QB受控于单片机PWM模块输出的低端控制信号，控制电路的通断、建立续流回路和实现快速泄流。本发明的驱动电路采用霍尔电流传感器具有响应时间少、温漂小、输出线性好和耐用性高等优点，驱动电路配合控制方法可以降低MOS管QA的开关频率，减少电路工作噪声。

Description

一种电控单体泵电磁阀驱动电路及其控制方法
技术领域
本发明属于发动机电子控制技术领域，具体地说，本发明涉及一种电控单体泵电磁阀驱动电路及其控制方法。
背景技术
环境污染问题成为近年来困扰着世界各国经济发展、改善人们生活环境急需解决的难题，特别是发展中国家，环境问题尤为突出。因此，各国政府通过加严乘用车和非道路发动机排放法规，促使相关生产厂商对现有产品进行技术升级。电控单体泵系统具有较高的喷射压力，能够适应现有的排放法规要求降低排放。我国是内燃机生产大国，而单缸或小型非道路柴油机又是我国内燃机行业的一大特色，具有年产量和社会保有量大、减排空间巨大的特点。随着非道路柴油机排放法规的加严，电控单体泵系统的应用将更加广泛。
电控单体泵中的电磁阀是电控系统中的主要执行器，也是实现燃油喷射的主要控制对象。电磁阀驱动从能耗、性能等方面考虑采用经典的Peak&Hold驱动方式，即高压快速关断阀门，低电压保持阀门关闭状态同时保证快速泄流。从驱动电压波形来看，主要的控制要点在于高压的快速开启及保持阶段电压波动控制，同时兼顾其他驱动要求。
电磁阀驱动电路主要包括四个部分，分别是DC/DC升压电路、高端低端控制信号驱动电路、续流/泄流电路和电流采样电路。其中续流/泄流电路用于在电磁阀关断过程中降低驱动电压的稳态误差，降低相应元器件的工作噪声，并在电磁阀开启的时刻快速释放掉电磁阀线圈中的感应电动势。电流采样电路则在电磁阀工作工程中对电路中的电压电流进行实时监测并反馈到单片机，实现对电磁阀驱动电压的准确控制。
传统的电磁阀驱动电路中电流采样电路多采用精密电阻来进行电压电流监测，并通过运放输入到MCU，称之为电阻采样方式。电阻采样方式具有一定的优点，但其缺点也是很明显的，主要是响应速度慢，运放电路比较多，容易受到干扰，电阻的温漂比较严重等。本发明的电流采样电路可以采用霍尔电流传感器，即霍尔采样方式，具有响应速度快、温漂小、线性度好和外围电路简单等优点。
发明内容
本发明对现有的电控单体泵电磁阀驱动电路进行改进，即驱动电路中电流采样方式采用霍尔采样，并对续流/泄流回路进行了优化，结合相应的驱动控制方法使电控单体泵电磁阀在满足Peak&Hold驱动方式的同时，能够快速关断和打开阀门，对电压波动进行了很好的控制。
本发明所采用的技术方案是：
一种电控单体泵电磁阀驱动电路，包括电源、DC/DC升压模块、MOS管QA、高端驱动芯片、二极管DA、MOS管QB、低端驱动芯片、电磁阀、二极管DB、霍尔电流传感器H和单片机；
所述电源的输出端口连接到DC/DC升压模块的输入端口，所述DC/DC升压模块将电源的电压升压后输入到MOS管QA的漏极，所述MOS管QA的栅极与高端驱动芯片的输出端口相连，对驱动电压进行调制；所述高端驱动芯片输入端口与单片机的PWM模块相连，提升来自单片机高端控制信号的驱动力；所述MOS管QA的源极输入到二极管DA的正极，所述二极管DA的负极与MOS管QB的漏极相连，所述MOS管QB的栅极与低端驱动芯片输出端口相连，通过低端控制信号实现电磁阀驱动电路的选通、建立续流回路和快速泄流；所述低端驱动芯片输入端口与单片机的PWM模块相连，提升来自单片机低端控制信号的驱动力；所述MOS管QB的源极与电磁阀的正极相连，所述电磁阀的负极分别与二极管DB的正极、霍尔电流传感器H的输入端口相连接，所述二极管DB的负极连接到MOS管QB的漏极，所述霍尔电流传感器H的输出端口连接到单片机的A/D模块，用于对电磁阀的驱动电压进行检测并反馈到单片机中构成闭环控制；所述单片机的电源输入引脚连接到电源的输出端口。
上述方案中，所述DC/DC升压模块采用的芯片是LM3488。
上述方案中，所述二极管DB为肖特基二极管。
上述方案中，所述MOS管QB与电磁阀、二极管DB建立续流回路和实现快速泄流。
一种电控单体泵电磁阀驱动电路的控制方法，单片机控制高端和低端两路控制信号输出，霍尔电流传感器H获得的电流采样信号输入到单片机，具体如下：
(1)目标驱动电压及脉宽取决于确定工况下既定的相关喷油参数，并作为PID控制器的目标参考值；
(2)霍尔电流传感器的输出值作为PID控制器的反馈值；
(3)PID控制器基于目标参考值和反馈值做出误差控制输入到PWM调制模块中，PWM调制模块产生高端控制信号，用于控制电路电压的调制及电路的通断；
(4)低端控制信号控制电路的选通，并建立续流回路及实现快速泄流控制；低端控制信号由喷油脉宽参数确定，在电磁阀关断的时候，低端控制信号控制建立续流回路；在电磁阀打开的瞬间，低端控制信号断开续流回路，实现快速泄流。
本发明的有益效果为：本发明所提供的驱动电路，电路结构相对简单且性能稳定；MOS管QB与电磁阀、二极管DB建立的续流回路能够减少电路中驱动电压的稳态波动、降低稳态误差及MOS管QA的开关频率，从而减少工作噪声，并且通过低端控制信号可以实现快速泄流，提高电磁阀控制下的燃油喷射稳定性；驱动电路采用霍尔电流传感器实现了对驱动电压的闭环控制，具有响应时间少、温漂小、输出线性好和耐用性高等优点。另外，基于电磁阀驱动电路的控制方法具有针对性的电压误差控制，使实际驱动电压对目标参考电压具有快速响应和趋向的优点。
附图说明
图1为电控单体泵电磁阀Peak&Hold驱动方式示意图；
图2为本发明电磁阀驱动电路结构示意图；
图3为本发明高、低端控制信号示例波形图，图3(a)为高端控制信号示例波形图，图3(b)为低端控制信号示例波形图；
图4为基于本发明驱动电路的控制方法流程图；
图5为本发明基于高、低端控制信号下续流/泄流回路仿真驱动电压波形效果图。
图中：1-电源；2-DC/DC升压模块；3-MOS管QA；4-高端驱动芯片；5-二极管DA；6-MOS管QB；7-低端驱动芯片；8-电磁阀；9-二极管DB；10-霍尔电流传感器H；11-单片机。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅作为示例性不限定本发明的保护范围。
实施例：
图1所示为电控单体泵电磁阀采用Peak&Hold驱动方式，将其划分为五个阶段：需要供给大电压使电磁阀门快速闭合的第一阶段，保持峰值电压以便阀门快速落座的第二阶段，峰值电压向低电压过渡的第三阶段，保持电磁阀闭合状态的低压保持第四阶段和实现快速泄流的第五阶段；其中在二、四阶段需要配合霍尔电流传感器对电压波动进行准确控制，在第五阶段配合图2中的泄流电路(图2中虚线部分)实现电磁阀的快速泄流。
图2所示为本发明电磁阀驱动电路，包括电源1、DC/DC升压模块2、MOS管QA3、高端驱动芯片4、二极管DA5、MOS管QB 6、低端驱动芯片7、电磁阀8、肖特基二极管DB 9、霍尔电流传感器H10和单片机11，DC/DC升压模块2采用的芯片是LM3488；
电源1的输出端口连接到DC/DC升压模块2的输入端口，DC/DC升压模块2将蓄电池12/24V电压升压到60V以驱动单体泵电磁阀快速闭合，并受控于高端控制信号提供各个驱动阶段的调制电压；DC/DC升压模块2的输出端口连接到MOS管QA 3的漏极，MOS管QA 3的栅极与高端驱动芯片4的输出端口相连，并受控于单片机11的高端控制信号(PWM信号，占空比85％，频率1kHz，高端控制信号示例波形图如图3(a)所示)实现对电路驱动电压的调制，使电压满足各个驱动阶段的电压要求；高端驱动芯片4输入端口与单片机11的PWM模块相连，接收单片机11的高端控制信号并提升其驱动力；MOS管QA 3的源极输入到二极管DA 5的正极，二极管DA 5的负极与MOS管QB 6的漏极相连，MOS管QB 6的栅极与低端驱动芯片7输出端口相连，并受控于单片机11的低端控制信号(示例波形图如图3(b)所示)实现电磁阀驱动电路的选通、建立续流回路(图2中虚线部分)和快速泄流；低端驱动芯片7输入端口与单片机11的PWM模块相连，接收单片机11的低端控制信号并提升其驱动力；MOS管QB 6的源极与电磁阀8的正极相连，电磁阀8的负极分别与肖特基二极管DB 9的正极、霍尔电流传感器H 10的输入端口相连接，肖特基二极管DB 9的负极连接到MOS管QB 6的漏极，霍尔电流传感器H10的输出端口连接到单片机11的A/D模块，用于对电磁阀8的驱动电压进行检测并反馈到单片机11中构成闭环控制；MOS管QB 6与电磁阀8、二极管DB 9建立续流回路和实现快速泄流，同时可降低驱动电压稳态误差、减少电压波动、降低电路工作噪声；单片机11的电源输入引脚连接到电源1的输出端口，电源1将蓄电池电压进行降压输入到单片机11。
本发明电磁阀驱动电路的工作过程为：
电源1通过DC/DC升压模块2将蓄电池电压进行升压，在喷油时刻到来之前，高端控制信号输出低电平控制MOS管QA 3断开状态。当喷油时刻到来时，高端控制信号输出高电平控制MOS管QA 3处于导通状态，由于在不同喷射阶段(即图1中的二、三、四阶段)，电磁阀对驱动电压的要求也不相同，这时通过输出一定占空比和频率的PWM高端控制信号，对应MOS管QA 3不停地开关动作，从而实现对来自DC/DC升压模块2的驱动电压进行调制，获得所需要的目标电压，电路中电压的波动情况由霍尔电流传感器H 10反馈到单片机11，最终输出确定的高端控制信号。MOS管QB 6、电磁阀8和二极管DB 9则在电磁阀导通状态(即图1中一、二、三、四阶段)构成续流回路，此时低端控制信号输出高电平，MOS管QB 6处于导通状态，目的在于当MOS管QA 3处于断开状态时，电磁阀8中的感应电动势通过续流回路的作用不会迅速降低，从而降低电压波动。当喷油时刻结束时(即图1中第五阶段)，此时，高端控制信号输出低电平控制MOS管QA 3断开，同时低端控制信号输出低电平控制MOS管QB 6断开，即断开续流回路，此时电磁阀8中的感应电动势迅速下降，称为泄流。电路中高端驱动芯片4、低端驱动芯片7作用在于提升高、低端控制信号的驱动能力，霍尔电流传感器H 10作用是在图1中一、二、三、四阶段对电路中的电压进行检测和反馈，实现对电压波动的闭环控制。
图4所示为针对本发明电路的电磁阀驱动控制方法，对应两路控制信号输出，即高端控制信号和低端控制信号，对应一个电流采样信号的输入，具体为：
(1)目标驱动电压及脉宽取决于确定工况下既定的相关喷油参数，并作为PID控制器的目标参考值；
(2)霍尔电流传感器的输出值作为PID控制器的反馈值；
(3)PID控制器基于目标参考值和反馈值做出误差控制输入到PWM调制模块中，PWM调制模块产生高端控制信号，用于控制电路电压的调制及电路的通断；
(4)低端控制信号控制电路的选通，并建立续流回路及实现快速泄流控制；低端控制信号由喷油脉宽参数确定，在电磁阀关断的时候，低端控制信号控制建立续流回路；在电磁阀打开的瞬间，低端控制信号断开续流回路，实现快速泄流。
在图4中由输入到单片机11的转速油门信号确定发动机当前运行工况，执行当前工况下对应的喷油方法，确定下一个曲轴周期对应的喷油脉宽，喷油脉宽再转变成对应的高端和低端两路控制信号，分别控制MOS管QA3和MOS管QB 6；低端控制信号直接输入到低端驱动芯片7以提升驱动能力并最终作用到MOS管QB 6，高端控制信号则主要由高端目标信号输入到PID控制器与来自霍尔电流传感器H 10采集到的电流信号做PID控制，通过PID控制器实现实际电压信号对高端目标信号的响应与追踪，并将PID输出用于PWM调制，最终得到高端控制信号经高端驱动芯片4提升驱动力作用于MOS管QA3，实现对驱动电压的控制。低端控制信号用于电路的导通，建立续流回路和实现快速泄流，其输出电平在喷油开始前为低电平，使得MOS管QB 6为截止状态；在整个喷油阶段输出高电平，与肖特基二极管DB 9一起建立续流回路，可以显著降低驱动电压的稳态误差、降低电压波动及高端控制信号驱动频率(如图5所示，图中a为本发明电磁阀驱动电路中续流/泄流回路仿真驱动电压波形，b为半桥电路仿真驱动电压波形)，从而降低电路噪声；喷油结束后，低端控制信号则输出低电平，电路断路，电磁阀8内的感应电动势迅速下降实现快速泄流。本发明驱动电路中电流采样元件采用了霍尔电流传感器H 10，具有响应时间短、温漂小，电路线性度好，耐用度高等特点，同时由于其采用霍尔效应原理，不会对驱动电路产生压降等影响，从而能够保证测量精度。
如上所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电控单体泵电磁阀驱动电路，其特征在于，包括电源(1)、DC/DC升压模块(2)、MOS管QA(3)、高端驱动芯片(4)、二极管DA(5)、MOS管QB(6)、低端驱动芯片(7)、电磁阀(8)、二极管DB(9)、霍尔电流传感器H(10)和单片机(11)；
所述电源(1)的输出端口连接到DC/DC升压模块(2)的输入端口，所述DC/DC升压模块(2)将电源(1)的电压升压后输入到MOS管QA(3)的漏极，所述MOS管QA(3)的栅极与高端驱动芯片(4)的输出端口相连，对驱动电压进行调制；所述高端驱动芯片(4)输入端口与单片机(11)的PWM模块相连，提升来自单片机(11)高端控制信号的驱动力；所述MOS管QA(3)的源极输入到二极管DA(5)的正极，所述二极管DA(5)的负极与MOS管QB(6)的漏极相连，所述MOS管QB(6)的栅极与低端驱动芯片(7)输出端口相连，通过低端控制信号实现电磁阀驱动电路的选通、建立续流回路和快速泄流；所述低端驱动芯片(7)输入端口与单片机(11)的PWM模块相连，提升来自单片机(11)低端控制信号的驱动力；所述MOS管QB(6)的源极与电磁阀(8)的正极相连，所述电磁阀(8)的负极分别与二极管DB(9)的正极、霍尔电流传感器H(10)的输入端口相连接，所述二极管DB(9)的负极连接到MOS管QB(6)的漏极，所述霍尔电流传感器H(10)的输出端口连接到单片机(11)的A/D模块，用于对电磁阀(8)的驱动电压进行检测并反馈到单片机(11)中构成闭环控制；所述单片机(11)的电源输入引脚连接到电源(1)的输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种电控单体泵电磁阀驱动电路，其特征在于，所述DC/DC升压模块(2)采用的芯片是LM3488。
3.根据权利要求1所述的一种电控单体泵电磁阀驱动电路，其特征在于，所述二极管DB(9)为肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述的一种电控单体泵电磁阀驱动电路，其特征在于，所述MOS管QB(6)与电磁阀(8)、二极管DB(9)建立续流回路和实现快速泄流。
5.一种电控单体泵电磁阀驱动电路的控制方法，其特征在于，单片机(11)控制高端和低端两路控制信号输出，霍尔电流传感器H(10)获得的电流采样信号输入到单片机(11)，具体如下：
(1)目标驱动电压及脉宽取决于确定工况下既定的相关喷油参数，并作为PID控制器的目标参考值；
(2)霍尔电流传感器(10)的输出值作为PID控制器的反馈值；
(3)PID控制器基于目标参考值和反馈值做出误差控制输入到PWM调制模块中，PWM调制模块产生高端控制信号，用于控制电路电压的调制及电路的通断；
(4)低端控制信号控制电路的选通，并建立续流回路及实现快速泄流控制；低端控制信号由喷油脉宽参数确定，在电磁阀关断的时候，低端控制信号控制建立续流回路；在电磁阀打开的瞬间，低端控制信号断开续流回路，实现快速泄流。
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