CN1125494A - 控制高速电磁螺线管驱动装置的系统和方法 - Google Patents

控制高速电磁螺线管驱动装置的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种控制高速电磁螺线管激励装置(18)的系统和方法，这种装置例如是电磁控制的高压燃料喷射器，它要求一起动高电源电压(21)驱动电磁衔铁的运动，接着通过一中等电压(23)维持该衔铁运动直至其终端位置，和一低功率控制(25)保持该衔铁在其终端位置上，当电源脉冲消失时，该衔铁返回其静止或起始位置。该系统的逻辑和控制分为六个电源控制时段(21-26)，包括电压和电流控制，它不仅能使衔铁从其初始位置高速移动到其终端位置，而且能使其高速返回其初始位置。

Description

控制高速电磁螺线管驱动装置的系统和方法
本发明的领域
本发明涉及一种电子控制电源电路系统，特别是一种用于控制高压燃料喷射器的电源电路系统，其中该电路包括一小电流信号处理系统，能控制施加增压和具有可控电压波形的正常电压。
本发明的背景技术
电磁螺线管驱动装置的内在特性体现在当有一个电压施加到该装置上时，它产生一定的延迟。而对于某些装置而言，例如直接将燃料喷射到二冲程内燃机的燃烧室内的高压燃料喷射器，减小这一延迟是相当重要的，而且还要求保持这一最小延迟不变。此外，螺线管驱动装置的内在特性还体现在当所施加的电压消失时，它又产生另一延迟，因此在螺线管线圈断开时，重要的是不会产生大电流。螺线管断开所必须消耗的能量越大，这个延迟越长。
本发明涉及一种可响应一脉冲输入信号工作的开关电路。这个脉冲输入信号触发该螺线管驱动装置，例如一个高压燃料喷射器。并且该电路在螺线管线圈两端产生一特定形状的电压波形。这个电压波形控制通过螺线管线圈的电流，以便使该装置按所改善的速度高效工作。一旦启动后，该电路使电流以可控的速率下降，到一吸持水平，即使该螺线管保持激励的足够高的电流，同时该电流又要足够低，以致当脉冲信号消失时，保证能量能快速消耗掉。
按本发明实现的一电子控制电源电路系统包括一小电流信号处理部分和一高功率开关部分，它控制流过螺线管的电流，这一控制过程与该信号处理部分的控制有关。在本发明的推荐实施例中，其信号处理部分由分立的电路器件构成，不过应该理解为，这种信号处理可以用微处理器来完成，它同样能执行适当的算法以实现由上述信号处理电路完成的相同功能。本发明的概述
一种用于控制高速螺线管驱动装置例如在内燃机内的高压燃料喷射器的方法包括以下步骤：产生一具有等于该装置启动总时间的时间间隔的一激励脉冲，这个时间间隔分成六个时间段，前五个时间段之和等于该激励脉冲的这个时间间隔。在激励脉冲的第一段，并且相应于该激励脉冲的前沿，该螺线管驱动装置具有一第一电压电平，以产生一电流，开始驱动螺线管的衔铁运动。在这个第一段期间测出电流的峰值；而在第二时间周期来临时，该螺线管驱动装置不再具有第一电压。
在第二段中，该电流减小到低于该电流峰值的值，仍提供足以继续移动衔铁的能量。在包含第三段的时间周期内，一变换的正常电压施加到螺线管驱动装置上，使电流继续流过螺线管，以便维持衔铁一直运动到其端部位置。在第三段结尾和第四段期间，去掉施加到螺线管驱动装置上的交变的正常电压，使电流从其第二值下降到第三值。
在包含第五段的时间周期内，将一变换的正常电压施加到螺线管驱动装置上，以减小流过螺线管的电流，以便将衔铁磁性保持在其端部位置上。在包含第六段的时间周期内，去掉加到螺线管驱动装置上的电压，施加一反极性的电压到螺线管驱动装置上至第五电压电平，从而消除在螺线管内的电磁场，使衔铁装置回归其静止位置。附图的详细描述
在附图中：
图1是本发明电路的方框图；
图2是输入脉冲的波形图；
图3是螺线管线圈电压的波形图；
图4是流过螺线管线圈的电流的波形图；
图5A和5B是该电路的示意图。
较佳实施例的描述
图5所示电路的主要波形表示在图2，3和4中的直角坐标系中。这三个波形10，12，14的每个横座标用同样的时间刻度表示，以利于理解各波形间的关系。图2是该电路的脉冲输入波形10，其波形已经输入噪声滤波器和整形器16整形。如图所示这是一个典型的方波脉冲输入，尤其在本实施例中，它具有一从250微秒到3毫秒长度变化的激励时间周期。
图3表示电压波形12，它是由小电流信号处理电路20响应图2的输入波形在螺线管线圈18的高功率区产生的。这个波形分成六个电压波形，分为段21，22，23，24，25，26。第一段21是波形12的开始处增大的高电压，这个第一电压电平为70伏。在第二段22中，高压消失，第二电压电平是地电位，电压通过负电压箝位方式相对于该第二电压变为第三电压电平，即大约-0.6伏。在第三段23中，一个12伏的变换或斩波电压作为正常电压电平施加到螺线管线圈18上。在第三段的尾部，第四段24中显示出电压变为负的15伏，这是第四电压电平，第五段25是变换的正常的电压电平，为12伏，该电压持续到电源断开即输入脉冲10的尾部为止，接着是第六段26，螺线管线圈18形成尖峰的第五电压电平，即达到负向最大值，大约75伏，快速消耗掉线圈18内的电磁能量。前面五个时间段之和等于该输入脉冲的总激励时间。
图4表示与前述的电压波形的每个波形段相对应的电流波形14。在第一电压波形段21中，电流上升到最大峰值10安培。当这个峰值电流测出后，在受控情况下产生第二电压波形段22，使该最大电流减小到所要求的程度。这一减小时间持续直到第三电压波形段23为止，此时线圈电流保持在第二电流电平，大约为6安培。这个电平称为静态(dwell)电平。当电压波形进入其第四阶段24时，第二电流电平根据控制情况快速下降，达到第三电流电平，或吸持电流电平，大约3安培，该电平一直维持到第五段25直到输入脉冲10结束为止。当该脉冲结束时，电流应迅速下降，以便能覆盖输入脉冲时间的全程，精确控制喷射器的燃料流。当电流从较高值下降到较低电平时，重要的是不会出现负尖峰。在第六段26期间，该线圈电压快速下降到第五电压电平，消耗掉在螺线管线圈18中的电磁能量，使电流下降为零。
现在参见图1的总方框图，该电路包括小电流信号处理系统20和带有螺线管线圈18的电源变换系统28。小电流信号处理系统20包括噪音滤波器和整形器电路16，线圈激励开关控制器30，偏置开关电路32，峰值电流检测器和大电流静止控制34，以及大电流偏移控制36。电源变换系统28包括可选线圈激励电压和控制系统38，电源开关Q2和线圈反向电压控制系统40，它包括线圈电流反馈电阻R25。螺线管线圈18是指在该装置中受控的螺线管，例如用于汽车中的高压燃料喷射器。
参见图1和图5A所示的小电流信号处理电路20，一个图2所示的输入脉冲10施加到在噪声滤波器和整形电路(或噪音滤波器)16中的输入电阻R1上，噪声滤波器16的作用是从输入脉冲中除去任何不希望的噪声和对提供给该电路的脉冲整形，噪声滤波器16的输出经电阻R4送到输入电阻R8和位于线圈激励开关控制器30内的第一比较器44的非反向输入端42上，以及经过第一和第二可变电阻R5和R6送到位于偏置变换电路32中的第一和第二开关控制晶体管Q3和Q4上。此外噪声滤波器的输出还提供到峰值检测器34中的第二比较器52。当电流信号达到一预定值时，由第二比较器52发出一高电平输出脉冲。
当输入脉冲不存在时，一个高电平的反向输入脉冲经过二极管D6传送到电流偏移控制，以确保偏移控制电路36中的输出晶体管Q6在燃料喷射器脉冲开始时复位。此外，该反向输入脉冲经过一电阻R20连接到第一比较器44的反向输入端54上以及调节第一个比较器44。
偏置开关电路32的输出用于控制提供给线圈激励开关控制器30的偏压电平。当两个开关控制晶体管Q3和Q4截止时，来自噪声滤波器16的输出脉冲控制如图3所示的电压波形12的峰值电平或第一时段21。当第一开关控制晶体管Q3导通时，在第二可变电阻R6的中间抽头上的电压为地电压或第二电压电平，噪声滤波器16的输出信号控制图3的电压波形12的峰值静止电平或第三时段23，当第二开关控制晶体管Q4导通时，短接第二可变电阻R6，由第一可变电阻R5确定的电流控制图4的电流波形14变为吸持电平或第三电流电平即第五时段25。
线圈激励开关控制器30的输出级是一个开关晶体管Q1，它控制位于线圈激励开关中的开关电源晶体管Q2的工作。线圈激励开关与一可选线圈激励电压和控制系统38相连接，接收各电压的范围，包括增压或第一电压电平，或正常或运行电压电平，这些电压通过线圈激励开关晶体管Q2提供给螺线管线圈18。线圈激励开关Q2的输出与螺线管相连，通过二极管D2连接线圈反向电压控制系统40，以及通过电阻R28连接到位于电流偏移控制电路36中的触发器48的复位输入端46上。
线圈反向电压控制系统40接收晶体管Q5的栅极49的输入信号，该信号包括来自电流偏移控制电路36的输出晶体管Q6的信号，它使晶体管Q5导通，以便如电压波形12的第二段22所示提供一大约为0.6伏的负箝位电压，这个电压等于二极管D2的压降。线圈反向电压控制系统40的作用是控制在电流波形14电流波形段21-26中流过螺线管线圈18的电流。
响应流过线圈18的电流大小，由电阻R25两端的电压降产生一线圈电流反馈信号，这个电阻R25是与螺线管线圈串连连接的。这个反馈信号通过电阻R24送到峰值检测器的峰值检测电路35内的第二比较器52的非反向输入端50和送到大电流静止控制电路34上。根据收到的噪声滤波器输出脉冲，第二比较器52允许电流达到一预定值或达到峰值，这由电阻R17-R19和电容器C6决定，从而由第二比较器52提供一高输出脉冲。由第二比较器产生的高输出送到第一开关控制晶体管Q3，使其导通，降低第一比较器44上的输入电压。此外，第二比较器52的输出还送到可选线圈激励电压控制器38，以便中断大电压。在第二时段22中，峰值电流下降到峰值静止电平，并且维持该电平，直到第一比较器44的非反向输入42的电压由于第二开关控制晶体管Q4的动作而降低为止。
线圈电流反馈信号也通过电阻R16送至位于线圈激励开关控制电路30内的第一比较器44的反向输入端54。这个峰值电流检测器35测出在电流波形14的第一时段21内的最大电流值，这个电流驱动螺线管线圈18激励图中未示出的衔铁装置，使衔铁从静止位置移动。在电流波形14的第二和第三段22和23中的电流电平将继续该衔铁的运动直到其端部位置。
从峰值检测电路35内的第二比较器52的输出送到峰值电流检测器的大电流静止控制电路37和大电流静止控制电路34以及第一开关控制晶体管Q3的栅极56。第二比较器52的输出还送到可选电压和控制系统38，以便在电压波形12的第一时段21结束时变换施加到线圈激励开关Q2上的电压，即从高电压变成运行电压。大电流静止控制系统37的输出信号是一延时信号，它提供到开关晶体管Q4的栅极58，并通过一包含电容C11和电阻R26的RC电路60传送到位于电流偏移控制电路36中的触发器48的设置输入62上。这个经大电流静止的延时由图中所示的电流波形14的第二和第三时段22和23表示。在第三段23的尾部，大电流静止控制37的输出信号提供给触发器48的设置输入端62，使输出晶体管Q6导通，为线圈反向电压控制电路40中的晶体管Q5的栅极49施加一正电压。于是电压波形12的第四段为负向波形，达到齐纳二极管D3的极值，约为-70伏。
第一比较器44的输出使线圈激励开关Q1导通，向线圈18施加电压，根据所接收的噪声滤波器的输出脉冲，第二比较器52允许电流信号在其达到一预定值时，由第二比较器52输出一高输出脉冲。这一来自第二比较器的高输出作用到第一开关控制晶体管Q3，使其导通，降低第一比较器44上的输入电压，并且提供给可选线圈激励电压控制38，以中断高电压。峰值电流下降到峰值静止电平，这时处于第二时段22中，并保持这一电压电平直到由于第二开关控制晶体管Q4动作使第一比较器44的非反向输入42上的电压下降为止。
来自第二比较器的高电平输出作用到一定时电路，在其过时(timing out)之后，使第二开关控制晶体管导通，降低施加到第一比较器的输入端上的电压电平。其结果是将螺线管电压降到一吸持电压。这个定时器的作用是提供从峰值电流电平到吸持电流电平的时间，即第二和第三电压波形段的时间间隔，以提供足够长时间周期的峰值静止电流电平，充分地激励该高压喷射器。
线圈激励开关控制电路的作用是控制线圈激励电路中的电源开关晶体管。当输入脉冲刚出现时，如前所述，它驱动激励电压选择逻辑电路，提供一高压到线圈激励开关电路。同时，该输入脉冲激励该线圈激励开关控制电路，通过第一比较器使低功率开关晶体管导通，使线圈激励开关电路闭合。由于在线圈激励开关上作用有增大的电压，这个高压在电压波形的第一时段保持不变，直到峰值检测器检测出峰值电流，该线圈提供一信号截止该开关晶体管为止。
这个截止电压作用到该线圈和通过与线圈18并联的线圈反向电压控制电路或抑制电路使电压下降，降到大约-0.6伏，即电压波形的第二段。该控制电路从第一比较器到低功率开关晶体管提供一个对该比较器的输入的磁滞控制，这个磁滞作为第二时段的定时。一旦向第一比较器输入的脉冲足以产生能导通开关晶体管的输出信号，在该电路中反馈，如众所周知的，使该开关晶体管导通，以及在第三段或峰值静止时间内截止。这种变换的作用是使电流维持在保证喷射器充分激励的水平上。
当计时器超时后，作用在第一比较器上的偏压改变，吸持电流偏移控制电路也设置为大电流状态。这种操作用于控制线圈反向电压控制电路。在电压波形的第三段尾部，该开关晶体管截止，施加到该线圈上的电压允许在该抑制电路的控制下降为一负电压电平。这个抑制电路具有一场效应晶体管，它可限制由于截止引起的电压变化程度。触发器48用于控制该场效应晶体管，使大电流供给吸持电流偏移控制电路。触发器48可以使该抑制电路提供一流过螺线管线圈的电流，该电流从峰值静止电平下降到吸持电流电平，并且不会在第四段尾部出现负尖峰。当触发器48超时后，该场效应晶体管导通，并且开关晶体管也导通，向线圈施加工作电压。
在第五时段期间，由于线圈激励开关控制电路中出现磁滞现象，该开关晶体管工作在一种脉冲断断续续(On-off)方式下，这种方式持续直到输入给噪声滤波器的脉冲消失，且该开关晶体管截止为止。当抑制电路中的场效应晶体管截止后，高压齐纳二极管允许线圈两端的电压从工作电压变为该齐纳二极管的负值，在本发明推荐的实施例中为75伏。于是消耗掉该线圈中的能量，该螺线管线圈去激，其衔铁装置返回其静止位置。
输入脉冲的消失，使该燃料喷射器驱动系统复位到其正常状态，为下一次接收控制输入脉冲作好准备。

Claims (12)

1.一种电子电源控制系统，用于激励一电磁螺线管激励装置，控制至少三种电流电平，即峰值，静止电平和吸持电平，使这些电流作用于具有一衔铁装置的螺线管激励装置，该控制系统包括：
一输入装置，用于接收一指示螺线管激励装置的激励时间的输入脉冲，并产生一具有六个时间分段的激励脉冲，前五个时段之和等于这个激励时间；
一线圈激励开关控制器，可控地与所述输入装置连接，并响应所述激励脉冲的前沿，控制一开关在第一段时间周期内对该螺线管激励装置施加一第一电压，从而在该螺线管线圈中产生一电磁场，驱动衔铁装置开始运动，从其静止位置移向其终端位置；
峰值电流检测器，根据流过该线圈的电流的大小，产生一表示峰值电流的电信号，所述电信号可控地消除所述第一电压电平，在第二时段周期内减小流过该线圈的电流；
延时装置，根据表示峰值电流的电信号，在所述延迟的末端产生一静止电平电流电信号，所述电信号用于提供一正常电压到该线圈上，从而在第三段预定时间周期内维持该线圈内已建立的电磁场，使衔铁装置继续运动到其端部位置上；
解耦装置，根据所述延时电信号的后缘，去除加到该线圈上的第二电压，并且在第四段预定时间周期内将静止电平电流减小到更小的吸持电流电平；
根据所述小吸持电流电平施加所述正常电压到该线圈的装置，维持在该线圈内形成的电磁场，使衔铁装置在第五段时间周期内仍保持在其端部位置上；以及
根据所述激励脉冲的后沿去除该线圈上的所述正常电压的装置，以便在该线圈中的感生的电磁场能量使衔铁装置返回其静止位置。
2.根据权利要求1所述的激励电磁激励装置的电子电源控制系统，其中第一电压电平是一个增压，它比正常电压高得多，正常电压指用于操纵该电磁激励装置所需的基本电源电压。
3.根据权利要求1所述的激励一电磁激励装置的电子电源控制系统，其中对第一电压解耦，将极性相反的第一电压通过负压箝位至第二电压电平，转换成第三电压电平。
4.根据权利要求3的激励一电磁激励装置的电子电源控制系统，其中第二电压电平的值是零。
5.根据权利要求1的激励一电磁激励装置的电子电源控制系统，其中对正常电压电平去耦，将极性相反的正常电压通过负压箝制到第二电压电平，继而转换为第四电压电平。
6.根据权利要求5的激励一电磁激励装置的电子电源控制系统，其中第二电压电平的值是零，第三预定电压值负向小于第四电压电平，而后者负向小于第五电压电平的值。
7.一种控制高速电磁螺线管激励装置的方法，例如装在内燃机中的高压燃料喷射器，该方法包括的步骤是：
产生一激励脉冲，该脉冲持续时间等于该装置工作所需的总时间，这个时间间隔分成六个时段，前五个时段之和等于这一时间间隔；
耦合，在激励工作脉冲的第一段并且响应该工作脉冲的前沿，有一第一电压电平作用到该电磁激励装置上，产生一流过该装置的电流，所述电流控制该装置的衔铁开始离开其静止位置运动；
在第一时段检测电流的峰值；以及
去耦合，根据检出的峰值，去掉施加到该装置上的第一电压电平，在包括第二时段的时间周期内，使电流减小到小于峰值的第二值，提供足够的电源使衔铁继续运动；
在第三时段周期中，施加一交替变换的正常电压电平到该装置上，使电流持续流过该螺线管线圈，以便维持该衔铁向其端部位置的运动；
在第四时段周期内去掉作用到该装置上的正常电压电平，使电流从第二电流电平减小到第三电流值；
在第五时段周期内，将交变的正常电压电平施加到该电磁激励装置上，使减小的第三电流值流过该线圈，从而磁吸持该衔铁在其端部位置上；接着
去掉作用到该装置上的交变的正常电压，在第六时段周期内向该电磁激励装置施加一反极性电压，作为第五电压电平，消耗掉存在线圈内的磁场，使衔铁返回其静止位置。
8.根据权利要求7的控制高速电磁激励装置的方法，其中第一电压电平是一增压，比正常电压电平大得多，正常电压是指用于操纵该电磁激励装置所需的基本电源电压。
9.根据权利要求7的控制高速电磁激励装置的方法，其中对第一电压去耦合，将极性相反的第一电压通过负压箝位至第二电压，再转换成第三电压电平。
10.根据权利要求9的控制高速电磁激励装置的方法，其中第二电压电平的值为零。
11.根据权利要求7的控制高速电磁激励装置的方法，其中去掉正常电压电平，将极性相反的正常电压通过负压箝制到第二电压电平，继而变为第四电压电平。
12.根据权利要求11的控制高速电磁激励装置的方法，其中第三电压电平的值负向小于第四电压电平值，而后者负向小于第五电压电平的值。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C01 Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication