基于PWM的壓電噴油器驅(qū)動控制研究

黃新源，劉振明，劉楠，龔鑫瑞

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

隨著排放法規(guī)的日益苛刻和人們對燃油經(jīng)濟(jì)性要求的日益提高，高壓共軌噴射技術(shù)必須滿足更高噴射壓力和每循環(huán)更多噴射次數(shù)的要求[1-2]。電控噴油器是實現(xiàn)和提高共軌噴射技術(shù)的關(guān)鍵。利用壓電晶體逆壓電效應(yīng)制作的壓電噴油器具有響應(yīng)速度快、噴油壓力高等優(yōu)點，是實現(xiàn)電控燃油系統(tǒng)高壓多次噴射的合理解決方案，已成為高壓共軌燃油噴射技術(shù)新的發(fā)展方向和研究熱點[3]。而壓電噴油器的性能發(fā)揮主要取決于其驅(qū)動控制電路的性能。

國內(nèi)外針對壓電晶體驅(qū)動器的驅(qū)動控制研究主要集中在壓電驅(qū)動器的精密定位控制[4]，而針對壓電噴油器高頻動態(tài)驅(qū)動控制研究還不多見。Cordes S等[5]提出了一種基于半導(dǎo)體器件的壓電噴油器驅(qū)動方案，但未給出詳細(xì)的設(shè)計電路；高葳等[6]設(shè)計了一種全橋結(jié)構(gòu)的壓電噴油器驅(qū)動方案，提高了驅(qū)動效率和電磁兼容性能，但其開關(guān)管功耗較大；宋國民等[7]提出了一種壓電噴油器多脈沖驅(qū)動電路，雖然可以降低充電電流的峰值，但是會影響充放電速度。

為實現(xiàn)壓電噴油器快速響應(yīng)，設(shè)計開發(fā)了以ADμC841單片機(jī)為核心，通過PWM控制IGBT開關(guān)管的壓電噴油器驅(qū)動控制電路，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 壓電噴油器驅(qū)動控制設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計方案

壓電噴油器驅(qū)動控制主要完成兩個功能：一是提供足夠高的電壓，以實現(xiàn)壓電晶體執(zhí)行器輸出較大位移；二是實現(xiàn)快速充放電，獲得壓電噴油器快速響應(yīng)。根據(jù)壓電噴油器驅(qū)動控制功能要求，基于PWM開關(guān)電源技術(shù)，采用單片機(jī)作為控制核心并利用功率開關(guān)器件來完成壓電噴油器驅(qū)動電路的設(shè)計。壓電噴油器驅(qū)動電路原理如圖1所示。驅(qū)動電路設(shè)計可分兩部分：一是基于單片機(jī)的控制電路部分；二是基于功率開關(guān)管的控制功能實現(xiàn)部分，即充放電功率電路部分。

圖1 壓電噴油器驅(qū)動電路原理

1.2 驅(qū)動控制工作過程

驅(qū)動控制原理示意見圖2。上位機(jī)可以通過串口電路與單片機(jī)進(jìn)行通信并對單片機(jī)發(fā)送控制指令。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號由一個脈沖信號發(fā)生機(jī)構(gòu)發(fā)出，單片機(jī)通過外部中斷口接收轉(zhuǎn)速脈沖信號并根據(jù)此信號來控制噴射開始時間及噴油頻率。柴油機(jī)的負(fù)荷信號是一個模擬量，由負(fù)荷調(diào)節(jié)信號電路發(fā)出，單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換端口ADC0接收到模擬負(fù)荷信號，并根據(jù)此信號控制充電信號結(jié)束到放電信號開始的時間間隔，即噴油持續(xù)期，從而完成對噴油量的控制。

單片機(jī)發(fā)出的PWM控制信號經(jīng)過控制信號放大隔離電路后，驅(qū)動控制功率開關(guān)管G1和G2。其中，G1為高邊驅(qū)動，充電時導(dǎo)通，G2為低邊驅(qū)動，放電時工作。D1和D2分別是G1、G2內(nèi)部反并聯(lián)二極管。電感L串聯(lián)在充、放電回路中，保護(hù)開關(guān)管和壓電陶瓷免受大浪涌電流的沖擊，并通過控制電路輸出的PWM信號調(diào)整充放電過程中的電流幅值；電阻R可測量回路充放電電流，用于反饋控制及電路保護(hù)功能。電流信號經(jīng)過采樣電阻R后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)過信號處理電路后進(jìn)入單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口ADC1，單片機(jī)得到反饋信號后根據(jù)控制策略對輸出的PWM控制信號進(jìn)行調(diào)整。功率開關(guān)管G1和G2在控制系統(tǒng)作用下開或關(guān)的不同配置使得電路中產(chǎn)生不同的充放電電流，繼而使壓電執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮效應(yīng)，實現(xiàn)控制目標(biāo)。

圖2 驅(qū)動控制原理示意

2 驅(qū)動控制硬件設(shè)計

壓電噴油器驅(qū)動控制硬件設(shè)計主要包括基于單片機(jī)的驅(qū)動控制電路、基于IGBT的功率驅(qū)動電路和選缸電路。

2.1 基于單片機(jī)的驅(qū)動控制電路設(shè)計

控制電路是基于ADμC841單片機(jī)設(shè)計實現(xiàn)的，其總體組成原理見圖3。單片機(jī)晶振頻率為11.059 2 MHz，4個八位I/O口的上拉電阻都采用4.7 kΩ的排阻。單片機(jī)的P2.6和P2.7口分別發(fā)出充電使能信號和放電使能信號，并分別與可作為專用口的P2.7口發(fā)出的PWM信號在與門芯片74ALS08進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，得到PWM充電信號和PWM放電信號。這兩個信號再經(jīng)過74HC540緩沖后輸出到光耦TLP250，經(jīng)過光耦的隔離及進(jìn)一步的放大后推動IGBT工作。MAX708為本電路的復(fù)位電路，具有看門狗功能。為了避免控制電路各部分元件供電電源信號的相互干擾，本電路板為單片機(jī)數(shù)字電路電源VCC、模擬電路電源AVdd以及三組不同的+15 V與-9 V供電設(shè)置了不同的輔助供電電源，并在單片機(jī)數(shù)字地GND和模擬地AGND間通過電感(穿心磁珠101)濾波相通。

2.1.1PWM控制信號的產(chǎn)生

PWM控制信號是壓電噴油器驅(qū)動控制的基本控制信號。PWM信號可通過ADμC841單片機(jī)上的專用通道發(fā)出。ADμC841片上的PWM具有很高的靈活性：具有可編程的分辨率、時鐘和6種工作模式。PWM信號的產(chǎn)生原理見圖4。

圖4 ADμC841單片機(jī)PWM信號原理框圖

PWM使用5個專用寄存器：1個控制寄存器PWMCON和4個數(shù)據(jù)寄存器PWM0H，PWM0L，PWM1H及PWM1L。PWMCON用于設(shè)置PWM的工作模式和時鐘頻率，PWM0H/L和PWM1H/L決定了PWM的輸出占空比。由專用寄存器CFG841來選擇PWM的輸出引腳：P2.6和P2.7，或者P3.4和P3.3。

以PWM的工作模式1為例來說明PWM信號的產(chǎn)生原理(見圖5)。在模式1下，可以通過軟件改變PWM的周期和脈沖長度，從而得到不同分辨率的PWM輸出。PWM1H/L用于設(shè)置PWM的周期，PWM0H/L用于設(shè)置PWM的占空比。減少PWM1H/L可以降低PWM的分辨率，但是會增加PWM輸出的最高頻率；反之亦然。

圖5 模式1下PWM信號產(chǎn)生原理

2.1.2基于光耦TLP250的隔離電路

經(jīng)過緩沖電路74HC540輸出的控制信號并不能直接用來驅(qū)動IGBT管工作，因為IGBT工作在大電壓、大電流的強(qiáng)電環(huán)境中，而以ADμC841單片機(jī)為核心的控制部分為弱電電路，它們之間必須進(jìn)行電氣上的隔離。本研究以光耦TLP250設(shè)計隔離保護(hù)控制電路。

光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動功率IGBT的功率型光耦，基于TLP250的隔離驅(qū)動電路原理見圖6。在信號輸入端的限流電阻R8上并聯(lián)一個1 nF的加速電容以使信號上升沿陡峭，改善信號波形。

圖6 TLP250隔離驅(qū)動電路

2.2 基于IGBT的功率驅(qū)動電路設(shè)計

本研究采用的IGBT為FAIRCHILD(仙童)公司的SGH80N60UFD，采用雙封裝形式，片上集成了反向二極管，為電流雙向流動都提供了回路。同時，它還采用了相應(yīng)技術(shù)，對開關(guān)速度和功耗做了優(yōu)化。這款I(lǐng)GBT的耐壓為600 V，在25 ℃時持續(xù)通過電流能力達(dá)80 A，在100 ℃時為40 A。功率電路原理見圖7。G1和G2為壓電陶瓷執(zhí)行器充放電開關(guān)管，采用IGBT作為開關(guān)管。電阻R63和R66，反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管D69和D70以及D71和D72都是用于IGBT的門極保護(hù)。

功率電路充放電過程見圖8。功率IGBT開關(guān)管G1和G2在控制系統(tǒng)作用下開或關(guān)的不同配置使得電路中產(chǎn)生不同的充放電電流。

圖7 功率驅(qū)動電路原理

圖8 驅(qū)動電路的充放電過程電流流向示意

充電過程中，IGBT下管始終關(guān)閉，上管在PWM控制信號作用下有開和關(guān)兩種狀態(tài)。當(dāng)上管導(dǎo)通時，高壓電源通過上管和電感向壓電陶瓷執(zhí)行器充電，壓電執(zhí)行器兩端電荷逐漸積累，電壓逐步上升，這是充電狀態(tài)；當(dāng)上管關(guān)閉時，因為電感的續(xù)流作用，電流通過下管的內(nèi)部反并聯(lián)二極管形成回路并繼續(xù)對壓電執(zhí)行器充電，壓電執(zhí)行器兩端電壓繼續(xù)上升，只是上升速度逐漸減慢，這個可以稱作續(xù)流充電狀態(tài)。

放電過程中，IGBT上管始終關(guān)閉，下管在PWM控制信號作用下有開和關(guān)兩種狀態(tài)。當(dāng)下管導(dǎo)通時，壓電執(zhí)行器處于低壓放電狀態(tài)：儲存在壓電執(zhí)行器兩端的電荷通過下管和電感形成放電電流回路，壓電執(zhí)行器兩端電壓下降；當(dāng)下管關(guān)閉時，壓電執(zhí)行器處于續(xù)流放電狀態(tài)：放電電流在電感的續(xù)流作用下經(jīng)過上管的內(nèi)部反并聯(lián)二極管繼續(xù)釋放壓電執(zhí)行器兩端電荷，壓電執(zhí)行器兩端電壓繼續(xù)下降，只是下降速度逐漸減慢。在續(xù)流放電狀態(tài)，電感中的能量通過上管內(nèi)部反并聯(lián)二極管轉(zhuǎn)移到了高壓電源內(nèi)部的大電容中，實現(xiàn)了能量的回收。

2.3 選缸電路設(shè)計

柴油機(jī)的燃油噴射過程要實現(xiàn)對多個缸噴油的協(xié)調(diào)控制，這就涉及到了驅(qū)動電路選缸噴射的問題。噴射選缸總體上有兩種解決思路：一是每個壓電噴油器都單獨配置驅(qū)動電路，對柴油機(jī)各缸噴油進(jìn)行單獨控制；二是各缸的壓電噴油器共用一個驅(qū)動電路，對各缸噴油進(jìn)行使能控制選缸。各個缸單獨控制噴射的方式下，各缸的噴射相互獨立沒有影響，系統(tǒng)整體可靠性較高且便于模塊化處理，然而每個缸都獨自擁有一套驅(qū)動開關(guān)電路，成本較高，且總控電路復(fù)雜。

共用驅(qū)動電路的方案可以在一定程度上降低成本。噴射系統(tǒng)共用一套驅(qū)動及反饋控制部分，而在不同的噴油器上串聯(lián)一個功率開關(guān)管來進(jìn)行選缸操作。這種方式的缺點是當(dāng)噴油持續(xù)角較大，兩缸之間有噴油重疊現(xiàn)象時，只有一路驅(qū)動電路將不能滿足控制要求，另外，額外增加的開關(guān)管也會增加一定的能量消耗。

在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況將兩種思路進(jìn)行融合。本研究主要針對的是6缸柴油機(jī)，具體的驅(qū)動電路方案初步設(shè)計為共使用兩套驅(qū)動電路，按照缸序交替工作原則三缸共用一套的方案。這樣既考慮到了成本和可靠性，能夠有效防止公共開關(guān)管的過熱損壞，又解決了可能出現(xiàn)的噴油重疊導(dǎo)致的無法控制的問題。單組壓電噴油器選缸電路示意如圖9所示。G1、G2為充放電IGBT開關(guān)管，GX1～GX6為選缸IGBT開關(guān)管，用于實現(xiàn)充放電邏輯選缸；D1～D6為選缸IGBT開關(guān)管的外部反向并聯(lián)高速功率開關(guān)二極管。CA1、CA2和CA3分別代表A1、A2和A3缸的壓電噴油器的壓電陶瓷執(zhí)行器。

圖9 單組壓電噴油器選缸電路示意

2.4 關(guān)鍵參數(shù)選取

通過對圖7功率驅(qū)動電路的分析可知，電感L對充放電時間及充放電電流有較大影響。為此，本研究基于Matlab/Simulink仿真環(huán)境，利用Simulink基本模塊庫和SimPowerSystems(電力系統(tǒng))模塊庫建立了驅(qū)動電路的仿真模型(見圖10)。壓電執(zhí)行器等效電容為6.8 μF，設(shè)置仿真模型中直流高壓電源為180 V，回路電阻4.8 Ω。電感值分別設(shè)置為10 μH，48 μH和90 μH，仿真得到的充電過程中流過壓電執(zhí)行器的電流和其兩端的電壓波形分別如圖11和圖12所示。

圖10 驅(qū)動電路仿真模型

圖11 不同電感值下電流仿真波形

圖12 不同電感值下電壓仿真波形

從圖中可以看出，增大電感將降低電流初期的上升速率，推遲電流到達(dá)峰值的時間并抑制電流峰值的大?。煌瑫r，增大電感也將減緩電流下降的速度，過大的電感甚至?xí)﹄娙菰斐梢欢ǖ倪^充并產(chǎn)生反向電流。電感增大時電壓初期上升速度變慢，而后期上升變快，并且電感過大時會產(chǎn)生電壓的振蕩。綜合考慮限制電流峰值、加快充電速度，同時保證不出現(xiàn)電流過充及電壓振蕩等驅(qū)動控制目標(biāo)，取電感L=48 μH。

3 試驗

3.1 驅(qū)動控制電路輸出試驗

將驅(qū)動控制電路輸出端接到壓電驅(qū)動器接線端，用安捷倫示波器觀測壓電驅(qū)動器兩端電壓和充放電電流，并記錄充放電時間、電壓曲線和充放電電流曲線。試驗中，為保護(hù)壓電驅(qū)動器，采用了5.2 Ω的限流電阻。分別測試了單次噴射和二次噴射時的電壓、電流(見圖13和圖14)。從測試結(jié)果可以看出，驅(qū)動電壓上升時間為0.18 ms，驅(qū)動電壓下降時間為0.13 ms，充電電流峰值可達(dá)25 A。

圖13 單次噴射時驅(qū)動電路電壓和電流曲線

圖14 二次噴射時驅(qū)動電路電壓和電流曲線

3.2 驅(qū)動壓電噴油器試驗

在高壓共軌油泵試驗臺上，利用設(shè)計的壓電噴油器驅(qū)動控制電路對壓電噴油器進(jìn)行了試驗，利用EMI 2瞬時噴油規(guī)律測試儀進(jìn)行了噴油規(guī)律測試，利用TektronixDPO3034示波器記錄了驅(qū)動電壓和噴油規(guī)律輸出電壓。單次噴射時，驅(qū)動電壓為156 V，噴油脈寬為1 ms(見圖15)。

圖15 單次噴射時驅(qū)動電壓和噴油規(guī)律

二次噴射時，驅(qū)動電壓為156 V，預(yù)噴脈寬為0.7 ms，主噴脈寬為1.4 ms，主預(yù)噴間隔為0.43 ms(見圖16)。

4 結(jié)束語

針對壓電驅(qū)動器容性負(fù)載，采用基于PWM方式，利用單片機(jī)和大功率IGBT開關(guān)管的壓電噴油器驅(qū)動控制電路驅(qū)動電壓可達(dá)180 V，電流峰值可達(dá)25 A，電壓上升時間小于0.18 ms，電壓下降時間小于0.13 ms。設(shè)計的壓電噴油器驅(qū)動控制電路穩(wěn)定性好，可滿足壓電噴油器至少兩次的多次噴射。