喷油器电磁阀电流反馈驱动控制研究.pdf

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第1期2016年2月内燃机InternalCombustionEnginesNo．1Feb．2016曹冬华。刘鹏，戴乐(海军驻洛阳四O七厂军事代表室，河南洛5}j471039)摘要：为稳定可靠地控制共轨喷油器工作，通过Simulink建立了喷油器电磁阀的数学模型，采用电流反馈控制的思路研究喷油器的驱动控制技术。设计了电流反馈控制型高低压分时驱动电路，并采用Muhisim对驱动电路进行了仿真，该电路可通过峰值电流、维持电流反馈回路自动控制驱动电流的大小。针对某型喷油器进行了驱动实验，结果表明，喷油器电磁阀模型准确，电流反馈控制驱动电路性能优良。关键词：共轨喷油器；电磁阀；驱动控制；电流反馈中图分类号：TK401文献标识码：A文章编号：1000—6494(2016)Ol一0007—03ResearchonCurrentFeedbackDrivingControlofInjectorSolenoidValveCAODonghua，LIUPeng，DAILe(MilitaryRepresentativeOfficeofNavyinLuoyang，Luoyang713100)Abstract：Inordertomakethecommonrailinjectorworkstabilityandreliability，themodelofinjectorsolenoidvalvewasestablishedbysimlulink，andthemethodofcurrentfeedbackcontrolwasappliedtoresearchtheinjectordrivingtechnology．Basedontheschematicsimulatedbyasoftcalledmuhisim，highandlowvohagetime-sharingdrivingcircuitwasdesignedwithcurrentfeedbackcontroltechnology．Drivingcurrentcanbeadjustedautomaticallyaccordingtothepre-setpeakcurrentandholdingcurrent．Experimentsoncertaininjectorwerecarriedout，andtheexperimentalresultsshowtheprecisemodelofsolenoidvalveandgoodperformanceofdrivingcircuit．Keywords：commonrailinjector；solenoidvalve；drivingcontrol；currentfeedbackO引言电控喷油器结构复杂，涉及到电、磁、液力和机械等多个学科，其中控制燃油喷射开始和结束的控制电磁阀，对喷油器的运动特性具有重大影响⋯。电磁阀可靠的动作是保证灵活、精确控制喷油的关键，其工作需要阀体、线圈和驱动电路的完整配合。因此，性能优异的驱动电路是电磁阀正常工作的前提。目前设计喷油器电磁阀驱动电路时，多采用开环控制技术，通过微控制器直接发出PWM(脉冲宽度调制)信号控制电磁阀的开闭。由于电磁阀的电磁力与驱动电流直接相关，若采用开环控制，驱动电流易受驱动电压影响。此外，电磁阀电参数基金项目：十五国防预研资助项目(40101040101)作者简介：曹冬华(1976一)，男，硕士研究生，研究方向为舰船动力监造。收稿日期：2015一ll一03的偏差，也会导致喷油量不一致皿’。因此，有必要在电磁阀的驱动回路中引入电流反馈，提高驱动电流的一致性，增强驱动电路的可靠性。我们首先分析喷油器电磁阀的原理并建立数学模型，然后针对电流反馈控制的思路，通过Stateflow建立状态图模型。在此基础上，设计基于电流反馈控制的高低压分时驱动电路，最后通过实验测试驱动电路的性能。1喷油器电磁阀的数学模型我们按照电磁阀内在的特点，将其划分为电路子系统、磁路子系统、机械运动子系统和液力子系统，各子系统的相互联系见图l。电路子系统通过d咖／dt决定着磁路子系统的变化，磁路子系统的变化又影响电路子系统电流i的变化；机械子系统决定于磁路子系统的电磁力Fm。。和液压子系统的液压力E，液压子系统和磁路子系统又与电磁阀衔铁的位移工、速度dx／dt、加速度d2x／d2t有关。 ·8·内燃机2016年2月窿篓圈鑫圜图1电、磁、机、液子系统作用图当外界对截面积为￡的电磁阀线圈励磁时，在线圈上施加电压M与线圈电阻上的压降与磁通妒和线圈匝数Ⅳ变化引起的感应电压之和应相等：阢=Ri+Ⅳ警(1)考虑到线圈与衔铁之间的气隙占、真空磁导率肛。和线圈中电流i，线圈通电后产生的电磁力只。。为：k等乎(2)电磁阀所受的液压力是控制腔和电磁阀腔燃油对阀芯的液压力。由于电磁阀采用球阀密封，当球阀运行时，出油阀的有截面积A会发生变化。截面积A和液压力E为：7cx2sin20tcosot+rcd6xsinotcosot，A≤彳。肚k，=号d2。，彳≥以，(3)E=爿IP。-p叫I式中，只。。为控制腔压力；只。，为电磁阀腔内压力；X为小球位移；玩为小球直径；吃。为出油孑L直径；d为球阀座锥面半锥角。考虑到电磁阀弹簧的预紧力C。和阻尼系数／l，，电磁阀的运动方程为：Frnag-Fpre+F。。。詈硼警(4)综上所述，使用Simulink建立电磁阀的数学模型，见图2。图2电磁阀的Simulink模型由式(2)和图2可知，其在运动过程中的电磁力与加载在线圈的激励电压、线圈截面积和阀芯的位移有关。对于确定的电磁阀，线圈中电流极大影响电磁力的大小。2电流反馈驱动控制模型分析电磁阀的数学模型可知，对于确定的电磁阀，控制电磁阀工作的关键在于保证线圈产生足够的电流。初始状态时，需要较大的电流确保线圈产生足够大的电磁力，快速将衔铁吸合；当衔铁吸合后，可以适当减小电流以降低对电源的消耗。为达到上述目标，设计驱动电路采用高低压分时驱动电路，其核心在于给线圈在不同阶段提供不同的激励电压，从而获得“峰值一维持”电流，典型的驱动电路见图3。＼鲤Dsc!厂——]vG!r]Y望咖唧0la)典型的高低压分时躯动电路Ib)产生峰值维持电流示意图图3典型的高低压分时驱动电路示意图为达到自动控制电流大小产生“峰值一维持”电流的目的，考虑将线圈中电流实时反馈给驱动电路。图4是利用Simulink设计的驱动电路模型与电磁阀数学模型连接后的效果图，图5是控制信号和线圈电流以及球阀升程的仿真结果。由图5仿真结果可知，基于Stateflow设计的电磁阀驱动电路状态转换模型是可行的，为后续设计驱动电路指明了技术方向。回控制脉冲6×l4×l2x1驱动电路电磁阀图4电磁阀驱动模型+④工十-(Disol卜：j|j|_j}¨0蛾。I}j尹l_氧}_}_j(cJ球阀升程／mm图5电磁阀驱动仿真结果 第1期曹冬华，等：喷油器电磁阀电流反馈驱动控制研究3电流反馈控制电路设计为实现电磁阀的高低压分时驱动，在一次喷油持续期内分时提供高电压(通常为80。110V)⋯和低电压(通常为24V)，因此需要首先解决驱动电路中高压电源。BOOST升压式DC—DC变换器可将较低的直流电压转换为较高的直流电压，并且输出稳定，响应快速，节能效果明显”1，我们设计了可控的BOOST升压电路，图6是其原理图。该I{l升压电路的特点是可在驱动电磁阀工作期间不工作以降低电磁干扰【4’，驱动结束后快速恢复到目标电压，从而保证多次喷射的驱动需求。喷油器工作时，由于电磁阀维持电流是通过一定频率控制开关管的通断实现，考虑使用比较器控制开关管工作。为降低开关管工作频率和电路功耗，采用了双门限比较器控制开关管的通断。图7是基于电流反馈控制的高低压分时驱动电路。两个高位开关管Q2和Q3选用了MOSFET，采用了自举电路浮动驱动技术。Vs是电磁阀驱动电流的采样电压，输送给两个比较器U1A和U1B。U1A及R10，R11，R12组成了控制峰值电流的双限比较器。初始状态时，Vs为零，当控制信号CON为高电平时，U1A输出高电平VHO，开关管Q2导通。电磁阀接通高压VH，电流快速上升。当驱动电流超过预设的峰值电流后，u1A输出翻转为低电平，开关Q2关闭，电磁阀断电。U1B及R14～R18组成了控制维持电流的迟滞比较器。在图7中，通过R15可调整维持电流的大小，通过R17可调整U1B翻转的电压范围，从而控制维持电流的波动的上下限(其意义在可保证维持电流的条件下，适当降低Q3的开关频率，有利于降低Q3的功耗，提升驱动电路的可靠性)。图8是使用Muhisim对高低压分时驱动电路进行的仿真。由图8可知，设计的升压电路和高低压分时驱动电路在仿真中能够达到预期目的，升压电路效果明显，电磁阀获得了“峰值一维持”电流波图7基于电流反馈控制的驱动电路部分原理图88．6f，一，，——一，，一|i；|{205。攀煺恻峨。{J。。12⋯一3⋯”。7i瑟p—』l弋蒹刮j3．6】蒜秽J50，L——————————————————————————』竖兰业LL』———————一图8基于电流反馈控制的驱动电路仿真形。使用该电路时，ECU只需要发出一个喷油器电磁阀的控制信号，通过调整R12，R15和R17，驱动电路即可自动产生需要的“峰值一维持”电流，提高了驱动电路的抗干扰|生。4驱动电路实验研究借助测试仪器TektronixTDS2024C，针对某型喷油器开展了驱动电路性能测试。通过调整图6中的可变电阻R8，将BOOST转换电压设定为85V；通过调整图7中电位器R12和R15，将电磁阀峰值电流设定为23A，维持电流设定为9A。驱动测试结果见图9。●-_。_、_____-_·、ll_-_—--’_l_-●_●●_B1)OS—l升压电路输卅。卦h】电磁阀驱动电流№j【《-．-__--．-oH1500mVCH220．0VM500USCHl图9高低压分时驱动电路测试结果(下转第12页) ·12·内燃机2016年2月‘‘厶1．o．3辛号，a每蔼斟：{：皇一1．3【．0O．12-；谚錾-二川r腻j，0．劳锪擎：矿<、-(L、—?煳．f、媳槲L-l。≈≈)．8i；Ⅻ．土、、、n渤r、瑚．Ⅻ凋彗Ⅶ．4＼套蝓●——＼k1．6，＼、＼-：0．3‘＼、，，慰醛＼、j>10．2、"-0．f—、、一-0．)．4＼．r，d、＼心邃j＼、|、、o．／、＼I∥‘吣j。If·b．1、70-IJ)．2，、一。二u＼-0．1?Llfm。精一／<100020003000400050006000速度／(r·min。1)图7曲轴箱压力MAP曲线罔8整军夏试更改后产品在整车上进行复试，未出现异常，见图8。4．3流量测试对比a．对更改前后产品进行CFD分析脚，确认PCV阀流量无明显异常，见图9。b．在流量检测设备上对产品进行检测，产品流量满足要求，见图10。5结论■———●_一一⋯窭—二嘲麓。、二蜃Iz!■■■_毽—_：。广啊r’■■■—■—D，-_；—霸—嘲‰。，帆，骶点黑舞擘一图9CFD流量分析我们主要从PCV阀(柱塞式)在整车怠速工况下异响问题出发，通过对PCV阀的工作原理、产品故障分析、问题复现、CFD流体分析等方面对问题进行解析。通过对缓冲弹簧长度进行优化，使其不在怠速工况下出现异响。【参考文献】[1】黄海波，周志文，陈鹏．汽油机曲轴箱强制通风系统PCV阀性能设计计算【J】．四川工业学报，1995．[2]张良超，阮仁宇，王锦艳，侯亦波．某PCV阀的仿真分析及试验验证叨．内燃机与动力装置，2014．(上接第9页)图9中，CH2表示BOOST升压电路的电压变计了采用电流反馈控制的高低压分时驱动电路，获化(目标电压为85V)；CHl是驱动回路中O．1Q得了满足要求的驱动电流，实验结果表明设计的驱采样电阻上的电压，100mV代表1A驱动电流。动电路达到了预期目标。测试结果表明：。苎竺粤翌电后，。矍动粤恶毫翌。【参考文献】^A口trY．-I-，电压下降了左右；当电磁阀2断3BOOST5V”。”1苎要二，皇詈当墨ms后即恢复到86V；电磁阀上电n1嘉妻銮j警熹勰油21器(5)控：3制56-电3磁60．阀理论与试验流达到预期目标。[2】；若彖暑荔磊藉藩j；妄电磁阀分时驱动电路可靠，冲．^性与一致性研究叨．内燃机工程，2011，32(2)：33—38．J铜p匕【3】刘仁喜．高压共轨电控系统喷油器驱动电路优化【D】．天通过分析喷油器电磁阀数学模型，开展了以津：天津大学出版丰土，2011·电流为目标的驱动控制理论研究。借助仿真软件设吲：蓁慧差笳蒜器裂慧娑闭