基于CPLD的高壓共軌柴油機電磁閥驅(qū)動系統(tǒng)設計

1、基于CPLD的高壓共軌柴油機電磁閥驅(qū)動系統(tǒng)設計第5期(總第190期)2021年1O月車用發(fā)動機VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.190)0Ct.2021?設計計算?基于CPLD的高壓共軌柴油機電磁閥驅(qū)動系統(tǒng)設計王孝,王皤碌,相楠.(1.中國北方發(fā)動機研究所,山西大同037036;2.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院,北京100191;3.北京啟帆機電設備,北京100070)摘要:優(yōu)化了高壓共軌柴油機電磁閩驅(qū)動策略,設計了基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的高壓共軌電磁閥噴油驅(qū)動系統(tǒng).采用圖形與硬件描述語言(HDL)混合設計方式,對CPLD進行模塊化編程,實現(xiàn)了對電磁閥

2、的電流驅(qū)動控制.該系統(tǒng)集成度高,靈活性強,響應速度快,將電磁閥驅(qū)動開關的PWM調(diào)制頻率降至50kHz以內(nèi),提高了驅(qū)動性能和能源利用率,降低了系統(tǒng)功耗,并具有較強的穩(wěn)定性.關鍵詞:柴油機;高壓共軌;復雜可編程邏輯器件;電磁閥;驅(qū)動中圖分類號:TK421文獻標志碼:B文章編號:10012222(2021)05000703高壓共軌噴射技術的出現(xiàn)是內(nèi)燃機技術開展中的一大飛躍1,同時,為了滿足越來越嚴格的排放法規(guī),除了對進氣系統(tǒng),潤滑系統(tǒng)等進行相應的改良外,電控噴射技術也已經(jīng)成為低排放柴油機控制的根本手段2,是21世紀柴油噴射系統(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,對整個噴油系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用l_4,如何通過控制優(yōu)化得到電磁閥高速,準確的動態(tài)響應過程是電控系統(tǒng)開發(fā)的關鍵.傳統(tǒng)的高壓共軌控制系統(tǒng),ECU中的單片機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)動機的運行情況,確定適宜的噴油量,噴油定時等參數(shù),還要通過ECU驅(qū)動電磁閥開關,但其固有的串行處理機制大大限制了其控制的精確性,也使得系統(tǒng)開發(fā)較為復雜.因此,開發(fā)專用,高效的電磁閥驅(qū)動系統(tǒng)成為必然的選擇.本研究開發(fā)了一種基于復雜可編程邏輯器件(cPLD)的高壓共軌電磁閥驅(qū)動系統(tǒng),采用優(yōu)化的電磁閥驅(qū)動策略,能夠根據(jù)ECU中單片機的命令,實現(xiàn)對電磁閥快速,準確,高效的驅(qū)動,且系統(tǒng)集成度高,性

4、能可靠,適應性高,具有廣泛的應用前景.1電磁閥電流驅(qū)動策略電磁閥電流驅(qū)動策略設計原那么是實現(xiàn)精確,穩(wěn)定的燃油噴射,同時具有較好的經(jīng)濟性和可靠性.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種結構5.可調(diào)電阻式結構功耗較大,集成度較低;雙電壓式結構需要DC-DC變換模塊,增加了系統(tǒng)的復雜性,且受電源波動干擾較大;脈寬調(diào)制結構與電流反應相結合,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.本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式,并結合蓄電池電源與高壓電容雙電源結構,優(yōu)化了電流驅(qū)動策略,所設計的電流驅(qū)動波形見圖1.圖中工,.分別為開啟電流和保持電流,下腳

5、標H表示高電位,L表示低電位.圖1電流驅(qū)動波形當控制器發(fā)出開啟電磁閥命令后,驅(qū)動系統(tǒng)除翻開蓄電池通路外,同時接通高壓電容電源,加快電磁閥的電流上升速度.高壓電容在驅(qū)動電磁閥的同時,電壓下降,對電流的驅(qū)動能力也下降,因此,驅(qū)動系統(tǒng)在t時刻關閉高壓電容開關,以減少后續(xù)充電時間,節(jié)省電能,同時蓄電池繼續(xù)驅(qū)動電磁閥電流上升至開啟電流.電磁閥銜鐵在電磁鐵的驅(qū)動下開始動作,為了加快吸合速度,電磁閥驅(qū)動采用PWM方式維持開啟電流至t.時刻.t.時刻后,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,主要研究方向為柴油機控制技術;wangxiaodts

6、ina.corn.車用發(fā)動機2021年第5期已被完全吸合,為了節(jié)省電能,驅(qū)動系統(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.時刻發(fā)出關閉電磁閥的命令,驅(qū)動系統(tǒng)迅速切斷電流回路,并引導驅(qū)動線圈為高壓電容充電,使得驅(qū)動電流迅速下降.該驅(qū)動策略既保證了電磁閥快速,準確的開啟及關閉,又充分提高了能量的利用率,節(jié)約了電源電能.2驅(qū)動系統(tǒng)結構設計根據(jù)上述驅(qū)動策略,本研究設計了一種基于CPLD的高壓共軌柴油機電磁閥驅(qū)動系統(tǒng).系統(tǒng)結構見圖2.圖2系統(tǒng)結構驅(qū)動系統(tǒng)僅負責對電磁閥進

7、行高精度,高性能的驅(qū)動,開啟與關閉信號由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.作為相應的高邊開關,為電磁閥的低邊開關.T,T,T.均由CPLD通過MOSFET驅(qū)動電路進行通斷控制,以便加快翻開和關閉速度,降低開關損耗.在蓄電池電流通路和電磁閥的低邊電流通路局部均設置有電流判斷模塊,將電流與參考電壓(由CPLD根據(jù)時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,并將比擬結果輸出到CPLD的I/O口.同時,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程序設計本設計采用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)架構為根底的基于EEPROM的可編程邏輯器件,具有高達175.4MHz的計數(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,能夠在片上靈活實現(xiàn)復雜的數(shù)字電路設計,其高速性以及并行結構十分適合于開發(fā)高速實時系統(tǒng).在開發(fā)過程中,本研究選用的是ALTERA的QuartusII開發(fā)平臺,并采用了VerilogHDL與圖形開發(fā)相結合的方式.CPLD程序結構見圖3.圖中,低位電流判斷信號為低邊電流檢測信號的輸入,高位電流判斷為高邊電流檢測信號輸人,高壓電容信