压电喷油器驱动电路设计研究.pdf

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第43卷第1期2014年2月小型内燃机与摩托车SMALLINTERNALCOMBUSrllONENGINEANDMOTORCYCLEV01．43No．1Feb．2014压电喷油器驱动电路设计研究+刘振明曾凡明欧阳光耀安士杰(海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033)摘要：针对压电喷油器的实际使用要求和压电驱动器的具体性能参数，基于脉宽调制(PwM)控制方式，采用Ad斗c84l单片机和大功率IGBT开关管设计了压电喷油器的驱动电路。利用MATLAB／SIMu—uNK对充放电回路的限流电感进行了优化设计，最后对设计的驱动电路进行了试验。试验结果表明，设计的驱动电路可实现对压电喷油器的精确快速控制；当压电喷油器内压电驱动器等效电容为7斗F时，驱动电路的充放电时间均小于0．1ms，最大驱动电压可达200V，并且喷油器可实现最小间隔0．2ms的多次喷射。关键词：柴油机压电喷油器驱动电路PWM中图分类号：TK422文献标识码：A文章编号：1671—0630(2014)01—0029一05StudyontheDesignofDriVeCircuitofPiezoelectricInjectorLiuZhe眦Iing，Ze呜Fa衄Iing，Ouya雌Gu锄舒∞。AnS峋ieCoUegeofPowerEn百neering，NavalUniversityofEn舀neering(WuhaIl，Hubei，430033，China)AbStra“：Accordingtotheactualuserequestsof出epiezoelectricinjectorandthematerialpedb咖ancepa-rametersofthepiezoelectricactuator，山edrivecircuitofpiezoelectricinjectorisdesigIledusingAd斗c84lsin—glechipandIGBT，basedonPWMcontroltype．Thecun．entlimitinginductanceofthecha唱eanddischargecircuitisoptimizationdesigIled，usingMATLAB／SIMUUNK，andatl鹊t，theexperimentisconductedtothedesigneddrivecircuit．TheresultsoftIleexperimentindicatethattlleddvecircuitcancontrDltllepiezoelectriciIl_jectoraccuratelyandneetly，aIldwhentheequivalentcapacitaIlceofthepiezoelectricactuatorininjectoris7斗F，thetimeoft}lechargeanddischargeislessthan0．1ms，themaximaldrivevoltageis200V，andt}lein-jectorcanachieVemulti-injectionwithminimumintenralof0．2ms．Keywords：Diesel，PiezoelectriciIl_jector，Drivecircuit，PWM引言高压共轨电控燃油喷射技术是提高现代柴油机经济性，改善柴油机排放的重要手段，是当前柴油机的发展方向。电控喷油器是高压共轨电控燃油喷射系统的关键部件，其性能对高压共轨电控柴油机有着重要影响。而目前电磁阀驱动的电控喷油器由于其自身原理的局限性已无法满足高压共轨电控燃油喷射技术的更高要求。压电陶瓷驱动器是近年来快速发展起来的一种新型微位移驱动器件，具有响应速度快，输出力大，重复性好，分辨率高，控制精确等优点，利用压电驱动器取代传统电磁阀控制电控喷油器可提高电控喷油器性能。压电喷油器的性能发挥主要取决于驱动电路的性能。本文基于脉宽调制(PWM)控制方式，采用+基金项目：“十二五”国防预研项目(4010304020104)；湖北省自然科学基金项目(2012FKB06906)。作者简介：刘振明(1978一)，男，博士，主要研究方向为热力系统的仿真优化及控制。 小型内燃机与摩托车第43卷Ad斗c841单片机和大功率IGBT开关管设计了压电喷油器的驱动电路，并进行了试验。1压电喷油器驱动电路设计1．1驱动电路设计要求压电喷油器驱动电路主要完成两个功能：一是提供足够的高压，以实现压电驱动器输出较大位移，二是对压电驱动器进行快速充放电，使其快速伸缩，实现压电喷油器的快速响应。因此，压电喷油器驱动电路应满足下列要求：1)输出0～200V可调电压；2)占空比可调；3)频率lkHz以上；4)瞬时输出电流要大；5)电路安全、可靠。1．2驱动电路总体设计方案根据上述设计要求，电路设计要分两部分考虑。第一，将蓄电池提供的48V／24V直流电压升压，提供输出0—200V可调的直流电源，并且能很快提供压电驱动器快速充电需要的电流或电荷。第二，控制上述直流电压脉冲对压电驱动器进行快速充放电。综合考虑，本压电喷油器驱动电路分两级组成，前级部分是升压电路，采用Boost升压电路将蓄电池提供的48V／24V升压，电容滤波储能，输出电压0～200V可调的直流电压；后级部分是充放电电路，受控对前级输出的直流电压进行斩波，输出电压脉冲对压电陶瓷快速充电，并给压电驱动器提供放电通路。电路设计方案如图l所示，图中，功率开关管VT。一VT3采用IGBT，二极管VD，一VD3分别是IGBTVTl～VT3内部反并联二极管，VD。是放电续流二极管，电感L：是充放电限流电感，用来保护开关器件和压电驱动器的，使其免受大浪涌电流的破坏。图1压电喷油器驱动电路示意图1．3驱动电路工作过程以Ad斗c84l单片机作为控制核心，通过上位机通信或人为给定设置控制Ad斗c841单片机确定输出电压脉冲幅值、重复频率、占空比。输出电压检测电路完成对压电驱动器两端电压的检测，并送到Ad斗c841单片机A／D输入口进行采样，结合给定设置信息，经数字PI调节器处理、比较后输出升压PWM控制信号。PwM控制信号送到驱动电路进行功率放大后去驱动功率开关管IGBTVTl的导通和关断，实现对蓄电池电压的升压，并保持输出直流电压的稳定。二极管VD阻止输出电容C。向输入端反放电。输出电容co足够大，使其电压不因对压电驱动器充电而出现明显降低。考虑到蓄电池的充放电速度较慢，在升压电路输入端并联一个大容量电解电容Ci。根据上位机或人为给定设置，Ad斗c84l单片机送出适当宽度和重复周期的充电PwM信号给IR2110驱动电路的高端驱动电路控制充电IGBTVT：导通，输出电容co经充电IGBTVT：和限流电感厶给压电驱动器充电。Ad斗c841单片机在充电IGBTVT2导通期间对压电驱动器两端的输出电压进行检测，经过数字PI调节器后控制输出电容c。上的输出直流电压保持稳定。在充电PwM信号的下降沿，Ad¨c841单片机输出高电平信号至IR2l10驱动电路的低端驱动电路开通放电IGBTVT3，压电驱动器通过限流电感￡：和放电IG—BTVT，进行放电。压电驱动器存储电能向限流电感￡：转移，经输出电压检测电路检测输出电压降低到一定值(接近于零)时，此时表示压电驱动器存储的电能向限流电感￡：即将释放完，此时，Ad¨c841单片机输出低电平信号给IR2110驱动电路的低端驱动电路，关断放电IGBTVT，，限流电感￡：经VD：和VD。向输出电容C。释放电能，将压电驱动器存储的电能回馈到电源，减小电路损耗，提高能量利用效率。Ad斗c84l单片机工作的程序流程如图2所示。2驱动电路设计实现压电喷油器驱动电路主要包括：驱动电路容量设计、升压电路设计、充放电电路设计、输出电压检测电路设计、电源设计、控制信号放大电路设计以及Ad恤c84l单片机控制电路设计等。其中，充放电电路和单片机控制电路是其关键，因此，本文着重介绍充放电电路设计和Ad“c84l单片机控制电路设计。2．1充电电路设计充电电路包括充电IGBTVT：和充电二极管VD。。 第1期刘振明等：压电喷油器驱动电路设计研究3l图2Ad“c84l单片机工作流程正常工作时，升压电路输出的200V直流电压经VT：和限流电感L：给压电驱动器充电。因此充电电路的等效电路如图3所示。图中C：=7妒，是压电驱动器的等效电容；￡：是限流电感；R：是充电电路等效电阻；∽=200V是前级输出直流电压。尺2￡2图3所示充电等效电路方程di．uI=￡2寻+尺2i2+u。(1)f|Hi2=c2寻(2)限流电感对充放电时间及充放电电流有较大影响，并且决定IGBT管的选取，为此，利用MATLAB／SIMuuNK对限流电感进行了计算，计算中取等效电阻尺2=3Q，限流电感￡2分别为10斗H、20斗H、40斗H，计算得到的u。和i：(t)的波形如图4、图5所示。从图4可以看出，充电电流i：(￡)的最大值等于48A，VT：承受的电压最大值等于200V，因此为保证开关管安全可靠工作，考虑余量，可以选择60A，400V以上容量的IGBT或功率MOSFET管。从图5中可以看出，选择合适大小的电感，使得压电驱动器的电压充电时间小于0．1ms，并且电压波形无过冲。综合考虑系统要求，设计限流电感如=20斗H，此时充电时间小于0．1ms，完全满足对压电驱动器充电要求。图4i：的仿真波形图5u。(f)的仿真波形2．2放电电路设计放电电路包括放电IGBTVT，和限流电感￡：。正常工作时，压电驱动器等效电容上200V初始直流电压经￡：和VT，放电。压电驱动器释放电能，一部分能量转化为磁场能储存在限流电感￡：中，其余的能量消耗在等效电阻(主要是开关管的等效电阻)上。因此放电电路的等效电路如图6所示，图中C：=7斗F，是压电驱动器的等效电容，初始电压200V，尺：是放电电路等效电阻，为3力，￡：是限流电感，为20仙H。图6放电电路等效电路不考虑放电开关提前关断的控制作用，图6所示放电等效电路方程为： 32小型内燃机与摩托车第43卷d“￡2云+R2i2心20(3)扣c2警(4)根据充电电路所设计的限流电感可以得到M。(￡)和i：(I)的仿真波形如图7、图8所示。图7u。(￡)的仿真波形从图7中看出，在限流电感L：=20斗H时，压电驱动器等效电容的电压u。(￡)放电时间小于0．1ms，完全满足对压电驱动器放电的要求。从图8可以看出，放电电流i：(t)的最大值等于48A，并且VT3承受的电压最大值等于200V，因此为保证开关管安全可靠工作，考虑余量，可以选择60A，400V以上容量的IGBT或功率MOsFET管。2．3Ad斗c841单片机控制电路设计Ad斗c841是整个电源的控制核心，有关它的电路设计如图9所示，该电路主要分3个部分。图8i：(t)的仿真波形MK^．罄幢，t。K?。一，N一⋯TJ●u▲—一～7。7髟-—一1_栖书挚。躲书74丰抒。黑1IA‰荆黜墨⋯忡州朴刖q荆嗝强主差主主詈；至釜主主割藿I矗U“AD脯l39P2．7腔．72一lgPlⅣHOP27DlQlPllP26m∞：1，r2·v—■广Pl2P25瑚够：10r，．VⅨQ4}}+Ⅳ—1—Pl3P24弭慨l三ll薹I7ⅨQ6!—矿06^G糯6AV越DGmD5够|IO．1，AamDlv越，jl∞肥lr—r∥刊I岛；C踞XT^UD7Q7Vl旺fX_rALI霉辜蛔哗a臣珧锵Adkb—R广_一D^CD现3]rp凹一3卯九n甚—n一Dl^C1P2．2Ⅱ—玎厂P14P2．IPl5P20二盘晶岛一—玎广H6aozSEU吼Uz邕签叠譬盆若蓦奁套色签孓謦-孤R盯8RESET一一，dd品篙卜僵271=|。l‘蜀V∞Ⅱ盯3Gm№6皇寺蓥≥皇Gl、D4陬聃5c～UOC707图9Ad舭84l单片机控制电路1)模拟量输入通道：P1口Ad斗c84l的P1口在使用ADc时是作为模拟量输入通道使用的。本系统使用了其中的0#通道，即ADINO。压电驱动器两端输出电压u。经电阻分压取样、二阶低通滤波、跟随器隔离后送到单片机的AD端口进行数据采集。数据的采集采用短周期、多点采集、数字滤波处理的方式。经过软、硬件的双重处理，保证采集信号不失真。图中，2．7V稳压二极管、低导通压降二极管5817为A／D输人端的保护电路。2)A／D变换Ad斗c841的内部ADC由基于电容DAC的常规逐 第l期刘振明等：压电喷油器驱动电路设计研究33次逼近转换器组成，速度为5斗s，位数为12位，转换器接收的模拟输入范围为0至+K。，。片内提供高精度，低漂移的2．5V基准电压。当模拟量输入在0V至K。，范围内时(取‰。，=2．5V)，输出码是直接的二进制数，lLSB=FS／4096或2．5v／4096=0．61mV。ADC的工作由3个SFR控制。3)PwM输出通道PwM输出波形由软件定时产生，从单片机的P2．7，P2．6，P2．53个L／O口分别输出3路，经74HC540缓冲后输出到驱动电路推动IGBT工作。图中的MAX707为复位电路，具有看门狗功能。3试验3．1充放电试验将驱动电路输出端接至压电驱动器接线端，用安捷伦示波器观测压电驱动器两端电压和充放电电流，并记录充放电时间和充电电流大小。试验中，采用6．8Q的限流电阻，驱动电压为180V，脉宽2．6ms对压电驱动器进行激励。所测得的激励驱动电压和充放电电流曲线如图10所示。从测试结果可以看出，驱动电压上升时间为0．17ms，驱动电压下降时间为0．14ms，充电电流峰值为12A。充放电时间较长主要是限流电阻较大引起的。—。赢嘉函莆一。_中}一～}⋯卜一～一驱动电赢＼i’嚣}净—裂s一葛i魏F翟每寸一吾严。一纛衲r1■重ll8¨47．742V13v·83v28．P50vu48图10输出电压和电流曲线3．2驱动压电喷油器试验在共轨系统喷油规律试验台上，利用驱动电路驱动自行研制的压电喷油器，用法国EFS公司的EMI2瞬时喷油规律测试仪进行喷油规律测量，利用Tek呐．nixDPO3034示波器记录压电喷油器驱动电压和瞬时喷油规律测试仪输出电压信号。在试验中，喷射频率为12．5Hz，模拟柴油机在1500r·min一下的喷油频率。在单次喷射时，轨压设为100MPa，喷油脉宽为lms，压电喷油器驱动电压为160V，喷油规律曲线和驱动电压曲线如图11所示。在两次喷射时，轨压设为100MPa，预喷脉宽为0．53ms，主喷脉宽为1．5ms，主预喷间隔为O．6lms，压电喷油器驱动电压为148V，测得的喷油规律曲线和驱动电压曲线如图12所示。1．。．—_—。二I坤LJL．．．．o时I刚／m8图12两次喷射时的驱动电压和喷油规律4结论1)基于脉宽调制(PwM)控制方式，采用Ad斗c84l单片机和大功率IGBT开关管设计的压电喷油器驱动电路驱动电压可达200V，电压上升时间小于0．17ms，电压下降时间小于O．14ms，电流峰值大于12A。2)设计的驱动电路稳定性和重复性较好，并可满足压电喷油器至少两次的多次喷射。参考文献1宓浩祥，袁陆．采用压电石英执行器的电控共轨喷射系统[J]．现代车用动力，2004(1)：12—182SunwooKim，NarIlhoonChung，Myoungllosunw00．Injectionrateestimationofapiezo-actuatedinjector[C]．SAEPaper2005m1．09113尹德芹，颇国正，颜德田，等．压电陶瓷动态应用的新型驱动电源研究[J]．压电与声光，2000，22(2)：86～894刘岩，邹文栋．一种高速压电陶瓷驱动器驱动电源设计[J]．压电与声光，2008，30(1)：48—505刘凤君．现代高频开关电源技术及应用[M]．北京：电子工业出版社，20086徐权奎，祝柯卿，陈自强，等．高压共轨柴油机电磁阀驱动响应性研究[J]．内燃机工程，2007，28(3)：15一19(收稿日期：2013一09—23)