基于CPLD的高壓共軌柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于CPLD的高壓共軌柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第5期(總第190期)2021年1O月車用發(fā)動(dòng)機(jī)VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.190)0Ct.2021?設(shè)計(jì)計(jì)算?基于CPLD的高壓共軌柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)王孝,王皤碌,相楠.(1.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,山西大同037036;2.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100191;3.北京啟帆機(jī)電設(shè)備,北京100070)摘要:優(yōu)化了高壓共軌柴油機(jī)電磁閩驅(qū)動(dòng)策略,設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的高壓共軌電磁閥噴油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).采用圖形與硬件描述語言(HDL)混合設(shè)計(jì)方式,對CPLD進(jìn)行模塊化編程,實(shí)現(xiàn)了對電磁閥

2、的電流驅(qū)動(dòng)控制.該系統(tǒng)集成度高,靈活性強(qiáng),響應(yīng)速度快,將電磁閥驅(qū)動(dòng)開關(guān)的PWM調(diào)制頻率降至50kHz以內(nèi),提高了驅(qū)動(dòng)性能和能源利用率,降低了系統(tǒng)功耗,并具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性.關(guān)鍵詞:柴油機(jī);高壓共軌;復(fù)雜可編程邏輯器件;電磁閥;驅(qū)動(dòng)中圖分類號(hào):TK421文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):10012222(2021)05000703高壓共軌噴射技術(shù)的出現(xiàn)是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)開展中的一大飛躍1,同時(shí),為了滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī),除了對進(jìn)氣系統(tǒng),潤滑系統(tǒng)等進(jìn)行相應(yīng)的改良外,電控噴射技術(shù)也已經(jīng)成為低排放柴油機(jī)控制的根本手段2,是21世紀(jì)柴油噴射系統(tǒng)的主流.電控高壓共軌系統(tǒng)的核心是電控燃油噴射系統(tǒng),其中電磁閥作為系統(tǒng)的通用

3、執(zhí)行器,對整個(gè)噴油系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用l_4,如何通過控制優(yōu)化得到電磁閥高速,準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程是電控系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的高壓共軌控制系統(tǒng),ECU中的單片機(jī)既要采集各種傳感器信息,又要根據(jù)其數(shù)據(jù)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況,確定適宜的噴油量,噴油定時(shí)等參數(shù),還要通過ECU驅(qū)動(dòng)電磁閥開關(guān),但其固有的串行處理機(jī)制大大限制了其控制的精確性,也使得系統(tǒng)開發(fā)較為復(fù)雜.因此,開發(fā)專用,高效的電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為必然的選擇.本研究開發(fā)了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件(cPLD)的高壓共軌電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),采用優(yōu)化的電磁閥驅(qū)動(dòng)策略,能夠根據(jù)ECU中單片機(jī)的命令,實(shí)現(xiàn)對電磁閥快速,準(zhǔn)確,高效的驅(qū)動(dòng),且系統(tǒng)集成度高,性

4、能可靠,適應(yīng)性高,具有廣泛的應(yīng)用前景.1電磁閥電流驅(qū)動(dòng)策略電磁閥電流驅(qū)動(dòng)策略設(shè)計(jì)原那么是實(shí)現(xiàn)精確,穩(wěn)定的燃油噴射,同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性.按照電磁閥線圈內(nèi)電流調(diào)節(jié)方式的不同,電磁閥驅(qū)動(dòng)電路可以分為可調(diào)電阻式,雙電壓控制式以及脈寬調(diào)制式3種結(jié)構(gòu)5.可調(diào)電阻式結(jié)構(gòu)功耗較大,集成度較低;雙電壓式結(jié)構(gòu)需要DC-DC變換模塊,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,且受電源波動(dòng)干擾較大;脈寬調(diào)制結(jié)構(gòu)與電流反應(yīng)相結(jié)合,能夠精確地調(diào)節(jié)電磁閥電流,具有功耗低,穩(wěn)定性高的特點(diǎn).本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式,并結(jié)合蓄電池電源與高壓電容雙電源結(jié)構(gòu),優(yōu)化了電流驅(qū)動(dòng)策略,所設(shè)計(jì)的電流驅(qū)動(dòng)波形見圖1.圖中工,.分別為開啟電流和保持電流,下腳

5、標(biāo)H表示高電位,L表示低電位.圖1電流驅(qū)動(dòng)波形當(dāng)控制器發(fā)出開啟電磁閥命令后,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除翻開蓄電池通路外,同時(shí)接通高壓電容電源,加快電磁閥的電流上升速度.高壓電容在驅(qū)動(dòng)電磁閥的同時(shí),電壓下降,對電流的驅(qū)動(dòng)能力也下降,因此,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在t時(shí)刻關(guān)閉高壓電容開關(guān),以減少后續(xù)充電時(shí)間,節(jié)省電能,同時(shí)蓄電池繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電磁閥電流上升至開啟電流.電磁閥銜鐵在電磁鐵的驅(qū)動(dòng)下開始動(dòng)作,為了加快吸合速度,電磁閥驅(qū)動(dòng)采用PWM方式維持開啟電流至t.時(shí)刻.t.時(shí)刻后,電磁閥銜鐵收稿日期:20210719;修回日期:20211008作者簡介:王孝(1956一),男,研究員,主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)控制技術(shù);wangxiaodts

6、ina.corn.車用發(fā)動(dòng)機(jī)2021年第5期已被完全吸合,為了節(jié)省電能,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用較低的保持電流維持電磁閥的吸合狀態(tài).在電磁電流的下降過程中,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用其為高壓電容充電以提高電能的利用率.在維持階段,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)亦采用PWM方式維持電流的穩(wěn)定.控制系統(tǒng)在t.時(shí)刻發(fā)出關(guān)閉電磁閥的命令,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迅速切斷電流回路,并引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)線圈為高壓電容充電,使得驅(qū)動(dòng)電流迅速下降.該驅(qū)動(dòng)策略既保證了電磁閥快速,準(zhǔn)確的開啟及關(guān)閉,又充分提高了能量的利用率,節(jié)約了電源電能.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)上述驅(qū)動(dòng)策略,本研究設(shè)計(jì)了一種基于CPLD的高壓共軌柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2.圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)對電磁閥進(jìn)

7、行高精度,高性能的驅(qū)動(dòng),開啟與關(guān)閉信號(hào)由ECU發(fā)出.電磁閥采用高壓電容及蓄電池雙電源供電,分別由MOSFET管T,T.作為相應(yīng)的高邊開關(guān),為電磁閥的低邊開關(guān).T,T,T.均由CPLD通過MOSFET驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行通斷控制,以便加快翻開和關(guān)閉速度,降低開關(guān)損耗.在蓄電池電流通路和電磁閥的低邊電流通路局部均設(shè)置有電流判斷模塊,將電流與參考電壓(由CPLD根據(jù)時(shí)序控制參考電壓模塊生成,且高參考電壓與低參考電壓之間有恒定的差值)確定的閾值相比擬,并將比擬結(jié)果輸出到CPLD的I/O口.同時(shí),在CPLD的控制下,電磁閥可以通過低邊二極管為高壓電容充電,增加能量的利用率.3CPLD程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用MAX7OOO系列CPLD為核心器件.該系列產(chǎn)品是以第二代多陣列矩陣(MAX)架構(gòu)為根底的基于EEPROM的可編程邏輯器件,具有高達(dá)175.4MHz的計(jì)數(shù)頻率以及5ns的管腳到管腳延遲.MAX7000系列產(chǎn)品通過硬件描述語言(HDL)編程,圖形開發(fā)工具等,能夠在片上靈活實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì),其高速性以及并行結(jié)構(gòu)十分適合于開發(fā)高速實(shí)時(shí)系統(tǒng).在開發(fā)過程中,本研究選用的是ALTERA的QuartusII開發(fā)平臺(tái),并采用了VerilogHDL與圖形開發(fā)相結(jié)合的方式.CPLD程序結(jié)構(gòu)見圖3.圖中,低位電流判斷信號(hào)為低邊電流檢測信號(hào)的輸入,高位電流判斷為高邊電流檢測信號(hào)輸人,高壓電容信