新型共轨压电喷油器驱动模块开发及应用

第2期(总第138期) 现代车用动力 N o 2(ser i a lN o 138) 2010年5月 M ODERN VEH ICLE POW ER M ay 2010 do:i10.3969/.j issn.1671-5446.2010.02.006新型共轨压电喷油器驱动模块开发及应用*高崴1,2,寇伟2,宋国民2(1.上海交通大学计算机科学与工程系,上海 200030;2.中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡 214063)摘要:在自主研发的新型共轨压电式喷油器基础上,设计开发了驱动电路,对压电驱动的核心电路进行研究,最后进行相关喷油泵及发动机台架试验验证,结果表明该驱动模块在各种工况下驱动性能良好,从而为下一步压电式共轨系统应用奠定了基础。

关键词:喷油器;压电执行器;驱动;共轨系统中图分类号:TK423.83 文献标识码:A 文章编号:1671-5446(2010)02-0032-04D evelop m ent and Application of New P iezoelectric Injector for Co mm on Rail Syste mGAO W e i1,2,KOU W ei2,SONG Guo m i n2(1.D ept o f Computer Sc i ence&Eng i nee ri ng,Shangha i Ji aotong U n i versity,Shangha i 200030,Ch i na;2.FAW W ux i Fue l In j ection Equip m ent R esea rch Instit ute,W ux i 214063,Ch i na)Abstrac t:D r i v i ng c ircuit of piezoe l ectric ac t uator w as des i gned based on the study o f comm on rail sy stem w ith ne w i ndependent piezoe lectr i c syste m,and key c ircu its of p i ezoe lectr i c actuator we re stud i ed.F i nall y,some f ue l test bench and eng ine experi m ents w ere car ried out.It w as sho w ed by results tha t perfor m ance of dri v ing c i rcuit was good fo r various k i nds of conditions,the re f o re itw ill l ay a sol id foundati on f o r app licati on deve l op m en t of p i ezoe lectr i c co mmon ra il syste m.K ey word s:i n jector;piezoe l ec tric actuator;dr i v i ng;common ra il syste m引 言为满足不断提高的喷射压力及越来越苛刻的环保法规要求,须采用多次喷射控制策略,从而达到对燃烧过程进行优化的目的。

柴油机特别是在中低转速时,必须进行多次喷射,以达到降低发动机工作噪音及优化性能的目的。

对于多次喷射而言,执行器响应速度是关键,常规电磁式执行器由于受到原理限制,在响应提高到一定程度后要继续提高难度较大,压电式执行器正是顺应这种形势而产生,压电执行器作为快速响应执行器的一种,其优势越来越明显,基本代表着未来燃油喷射系统执行器的发展方向[1,2]。

1 压电晶体喷油器驱动设计第1代共轨系统喷油器基于电磁阀电磁力工作,最新共轨技术要求燃油系统进行多次喷射,以便进一步优化发动机燃烧过程,同时降低发动机噪音。

对多次喷射而言,需执行器具有快速响应能力,压电执行器利用压电材料的逆压电效应工作,即压电材料在施加电压后产生机械应力,压电式共轨系统正是利用这种原理进行工作的。

利用压电特性设计的喷油器优势明显,这是由于压电石英晶格的变形速度在100 s以内,所以,压电喷油器的开关响应速度比电磁阀更快,这样对于同样的燃油喷射量,只需更短的喷油持续时间;另一方面,由于采用压电晶体块取代了电磁线圈,在喷油器内整个喷射控制链的累积公差可进一步降低,从而提高了喷射的重复精度,进而可更精确地控制燃油喷射量[1,3]。

1.1 压电晶体喷油器驱动模块介绍压电晶体喷油器驱动开发的核心是驱动回路电压及电流的控制及开发,压电执行器驱动的原理如图1所示。

其中V DC为充电电压,T1为充电高端开关,T2为低端开关,C A代表喷油器执行器,I CA为驱*收稿日期:2009-12-13作者简介:高崴(1981-),男,江苏盐城人,硬件工程师,工程硕士,研究方向为汽车电控系统。

基金项目:江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目,项目编号BK2008535。

动电流,U CA为驱动电压。

图1 压电执行器原理从图1可见,由于压电执行器本质上是容性负载,因此,在驱动过程中需高端及低端开关共同控制,以达到控制执行器电流的目的,驱动模块主要由高压产生(BOOST)电路、高压开放电路、高压泄放电路、高压反馈电压电路、电流维持电路等基本功能组成,驱动电路基本模块如图2所示。

图2 压电晶体驱动模块1.2 BOOST 电路在图2所示的压电晶体驱动模块中,其驱动核心部分是B OOST 电路及电流控制电路。

由于压电执行器变形量与电压呈正比,驱动执行器需要高压(120~200V ),因此,电路板设计中必须产生一个能灵活控制的电压源。

本方案利用专用脉冲宽度调制(P WM )控制芯片,该类芯片专为固定频率电流模式控制器离线和直流至直流变换器应用而设计,提供只需很少的外部元件就能获得成本效益较高的解决方案。

集成电路具有微调振荡器,能进行精确占空比控制、温度补偿参考、高增益误差放大等功能。

电流取样比较器和大电流图腾柱式输出等功能是驱动场效应晶体管(MOS )的理想器件,输出脚直接驱动MOS 栅极,在1nF 负载情况下,能提供高达 2.0A 的峰值驱动电流和典型值为50ns 的上升、下降时间,还附加了一个内部电路,使得任何时候只要欠压锁定有效,输出就进入驱动有效模式,从而可提供稳定的电压,内部参考电压在25 时的精度为1 0%,该比较电压的主要目的是给振荡定时电容提供充电电流,参考电压具有短路保护功能,并能向附加控制电路提供超过20mA 的驱动能力,芯片原理框图如图3所示。

图3 专用PWM 电流模式控制芯片结构图BOOST 电路利用P WM 控制芯片直接驱动MOS ,并利用MOS 的开关功能实现充电,P WM 驱动频率由专用的R T /C T 电路产生,电容C T 由内部的+5.0V 参考电压通过电阻R T 充电,该参考电压在系统正常复位后由内部电路产生,当电容C T 充至一定电压时(2.8V ),再由一个内部电路放电(1.2V ),电流控制型脉宽调制器产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号,控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压,达到稳压目的。

锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号,利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环,利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环,在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节驱动信号占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化,若某种原因使输出电压升高时,脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度,亦即占空比,使斩波后的平均电压下降,达到稳压目的,反之亦然。

控制芯片上电后,系统内部自动产生+5.0V 的比较电压(上电复位需要专门的启动电路处理),通过MOS 的开关作用和感性元件进行能量转换,电容作为高压存储源,系统仅使用1只电容(试验表明可使用2只电容并联),P WM 频率通过电阻及电容进行调整,频率在10~1000k H z 之间连续可调,电容电压通过反馈输入端实现电压峰值控制,电流检测用于当电流超限时产生系统保护[4]。

1.3 电流控制电路压电晶体驱动模块主要是对电容特性的执行器进行电压充放电控制,并且要对电流进行控制,以保护执行器不受破坏,针对压电执行器特点及不同驱动要求,通常有如图4所示的3种驱动方式。

根据实际情况及技术实现的方便程度,系统试验采用第3种电流驱动方式进行驱动;其中高压充电信号与高压放电信号之间的时间差可调,即为驱动脉332010年第2期 高崴,等:新型共轨压电喷油器驱动模块开发及应用宽,该脉宽直接影响喷油量的大小,即喷射脉宽。

图4 压电执行器基本驱动方式由于喷油器利用高压驱动,驱动电路单独设计了高压开放电路用于是否需要加载高压,高压开放的同时进行喷油器驱动,并对驱动电流进行控制,否则容易击穿压电晶体执行器;喷油器驱动采用了高、低端开关控制,提高了系统驱动安全性,高压开放信号主要用于加载高压,即控制喷油器驱动时的峰值电流,驱动信号时序关系,可基本概括为充电、保持、放电3个阶段,控制信号逻辑关系如图5所示。

图5 压电晶体驱动控制信号由于压电晶体可等效为一个容性负载,通过对电容的充电,使其变形,达到驱动的目的。

当高压开放信号为高时高压电路产生的高压加到压电晶体高端;当选缸信号有效时相应地控制MOS 管导通,压电晶体低端被拉低,这时压电晶体两端产生压差,电容充电,压电晶体变形而驱动执行器。

驱动结束时,放电信号为低,相应MOS 管导通,压电晶体高端电荷通过MOS 管和并联在高、低端之间的电阻释放到地,负载两端压差消失。

压电晶体执行器为容性负载,电容两端电压不能突变,电容充放电时间只与电阻和电容值大小有关,与电源电压无关,该时间可表示为电阻、电容的乘积,即时间常数 。

=R !C =U I !Q U =I !TI=T 式中:R 为电阻;C 为电容;U 为电压;I 为电流;Q 为电量;T 为充电时间,在电容单次充电过程中,电路电压的变化规律如下。

V t =V 0+(V 1-V 0)!(1-exp (-t /R C ))(1)式中:V 0为电容上的初始电压值;V 1为电容最终可充到或放到的电压值;V t 为t 时刻电容上的电压值。

从式(1)可见,当V 0为0时,V 1为升压电压时电流非常大,只有采用P WM 方式分次充电才可达到控制电流的目的,控制信号时序关系如图6中的维持电流控制信号所示。

若每个有效脉冲对应的时间为t n ,则实时电压变化可表示为:V t =V n -1+(V n -V n -1)!(1-exp (-t n /RC ))此时电压V t 则由每个脉冲时间实时控制,通过调整P WM 占空比来改变t n ,即间断开放充电MOS 管,从而达到分次控制电流大小的目的。