基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统设计第5期(总第190期)2021年1O月车用发动机VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.190)0Ct.2021?设计计算?基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统设计王孝,王皤碌,相楠.(1.中国北方发动机研究所,山西大同037036;2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;3.北京启帆机电设备,北京100070)摘要:优化了高压共轨柴油机电磁闽驱动策略,设计了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的高压共轨电磁阀喷油驱动系统.采用图形与硬件描述语言(HDL)混合设计方式,对CPLD进行模块化编程,实现了对电磁阀的电流驱动控制.该系统集成度高,灵活性强,响应速度快,将电磁阀驱动开关的PWM调制频率降至50kHz以内,提高了驱动性能和能源利用率,降低了系统功耗,并具有较强的稳定性.关键词:柴油机;高压共轨;复杂可编程逻辑器件;电磁阀;驱动:TK421文献标志码:B:1001—2222(2021)05—0007—03高压共轨喷射技术的出现是内燃机技术开展中的一大飞跃[1],同时,为了满足越来越严格的排放法规,除了对进气系统,润滑系统等进行相应的改良外,电控喷射技术也已经成为低排放柴油机控制的根本手段[2],是21世纪柴油喷射系统的主流.电控高压共轨系统的核心是电控燃油喷射系统,其中电磁阀作为系统的通用执行器,对整个喷油系统的性能起着至关重要的作用l_4],如何通过控制优化得到电磁阀高速,准确的动态响应过程是电控系统开发的关键.传统的高压共轨控制系统,ECU中的单片机既要采集各种传感器信息,又要根据其数据判断发动机的运行情况,确定适宜的喷油量,喷油定时等参数,还要通过ECU驱动电磁阀开关,但其固有的串行处理机制大大限制了其控制的精确性,也使得系统开发较为复杂.因此,开发专用,高效的电磁阀驱动系统成为必然的选择.本研究开发了一种基于复杂可编程逻辑器件(cPLD)的高压共轨电磁阀驱动系统,采用优化的电磁阀驱动策略,能够根据ECU中单片机的命令,实现对电磁阀快速,准确,高效的驱动,且系统集成度高,性能可靠,适应性高,具有广泛的应用前景.1电磁阀电流驱动策略电磁阀电流驱动策略设计原则是实现精确,稳定的燃油喷射,同时具有较好的经济性和可靠性.按照电磁阀线圈内电流调节方式的不同,电磁阀驱动电路可以分为可调电阻式,双电压控制式以及脉宽调制式3种结构[5].可调电阻式结构功耗较大,集成度较低;双电压式结构需要DC--DC变换模块,增加了系统的复杂性,且受电源波动干扰较大;脉宽调制结构与电流反应相结合,能够精确地调节电磁阀电流,具有功耗低,稳定性高的特点.本系统采用脉宽调制方式,并结合蓄电池电源与高压电容双电源结构,优化了电流驱动策略,所设计的电流驱动波形见图1.图中工,.分别为开启电流和保持电流,下脚标H表示高电位,L表示低电位.图1电流驱动波形当控制器发出开启电磁阀命令后,驱动系统除翻开蓄电池通路外,同时接通高压电容电源,加快电磁阀的电流上升速度.高压电容在驱动电磁阀的同时,电压下降,对电流的驱动能力也下降,因此,驱动系统在t时刻关闭高压电容开关,以减少后续充电时间,节省电能,同时蓄电池继续驱动电磁阀电流上升至开启电流.电磁阀衔铁在电磁铁的驱动下开始动作,为了加快吸合速度,电磁阀驱动采用PWM方式维持开启电流至t.时刻.t.时刻后,电磁阀衔铁收稿日期:2021—07—19;修回日期:2021—10—08作者简介:王孝(1956一),男,研究员,主要研究方向为柴油机控制技术;wangxiaodt@sina.corn.车用发动机2021年第5期已被完全吸合,为了节省电能,驱动系统采用较低的保持电流维持电磁阀的吸合状态.在电磁电流的下降过程中,驱动系统利用其为高压电容充电以提高电能的利用率.在维持阶段,驱动系统亦采用PWM方式维持电流的稳定.控制系统在t.时刻发出关闭电磁阀的命令,驱动系统迅速切断电流回路,并引导驱动线圈为高压电容充电,使得驱动电流迅速下降.该驱动策略既保证了电磁阀快速,准确的开启及关闭,又充分提高了能量的利用率,节约了电源电能.2驱动系统结构设计根据上述驱动策略,本研究设计了一种基于CPLD的高压共轨柴油机电磁阀驱动系统.系统结构见图2.图2系统结构驱动系统仅负责对电磁阀进行高精度,高性能的驱动,开启与关闭信号由ECU发出.电磁阀采用高压电容及蓄电池双电源供电,分别由MOSFE...