基于飞思卡尔单片机的一种新型自适应电控天然气喷嘴驱动电路软硬件设计.docx

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基于飞思卡尔单片机的一种新型自适应电控天然气喷嘴驱动电路软硬件设计

基于飞思卡尔单片机的一种新型自适应电控天然气喷嘴驱动电路软硬件设计

摘要：

在电控天然气燃料喷射系统中，当喷嘴电磁阀开启时需要克服弹簧预紧力与天然气背压，此时需要较大的开启力，保证可靠开启并减少喷射延时；开启之后天然气背压消失，此时维持电磁阀保持开启状态的电磁力要小的多，因而保持电流也要小得多，一般仅为最大电流的3/4左右。

基于此理论，本文设计出一种采用输出脉宽调制（PWM）信号来控制电磁阀的自适应式新型驱动电路，从而实现了高压启动电磁阀，低压维持电磁阀喷射的目的。

结合高级工程仿真软件AMESim进行了初步的仿真模拟，验证了理论的正确性，在该理论指导下验证了软硬件设计的可靠性，并进行了初步模拟实验。

系统运行结果表明：

该系统不仅硬件电路简单，软件编程容易，成本低廉，而且控制精度高，响应灵敏，可以实现电控电磁阀喷嘴高压打通低压保持的喷射过程，对电控天然气喷嘴驱动设计具有一定的指导意义。

关键词：

电控天然气发动机；脉宽调制；新型驱动电路；高压打通低压保持

DesignofaNewAdaptiveElectronicGasNozzleDriveCircuitHardwareandSoftwareBasedonMicrocontrollerFreescale

WANGKereng,SUNRenyun,WUYudong,CHENDegang

（SchoolofTransportationandAutomotiveEngineering,XihuaUniversity,ChengduSichuan610039,China）

Abstract:

Fortheelectronicgasfuelinjectionsystem,thenozzleelectromagneticvalveopenneedtoovercomespringpre-tighteningforceandgasbackpressure,thisisaplaceforlargeopenforce,toensurereliableopenandreducetheinjectiondelay;Whenelectromagneticvalvekeepsopen,thegasbackpressuredisappeared,nowmaintainingelectromagneticvalvetokeepopen,theelectromagneticforcearemuchsmaller,sokeep-currentalsoaremuchsmaller,generallyonlyformaximumcurrent3/4oftheleftandrightsides.Basedonthistheory,thispaperdesignedakindoftheoutputpulsewidthmodulation（PWM）signaltocontroltheelectromagneticvalveadaptivetypenewdrivecircuit,soastorealizethehighpressurestartupelectromagneticvalve,lowpressuremaintainelectromagneticvalveinjectionpurpose.CombinedwithadvancedengineeringsimulationsoftwareAMESimpreliminarysimulationtoverifythecorrectnessofthetheory,inthisguidanceverifiedthereliabilityofthedesignofthehardwareandsoftware,andapreliminarysimulationexperiment.Systemoperationresultsshowthatthesystemisnotonlysimplehardwarecircuit,softwareprogrammingeasy,butalsolowcost,andhighcontrolprecision,responsesensitive.Itcanrealizecontrolelectromagneticvalvenozzlepressurethroughlowpressuretomaintaintheinjectionprocess,theelectriccontrolgasnozzledrivedesignhascertainguidingsignificance.

Keywords:

electricgasengine;Pulsewidthmodulation;Newtypeofdrivecircuit;Highpressuretokeeplow

前言：

传统的电控天然气喷嘴驱动电路仅是简单的采用了电压控制MOSFET管，该电路在喷射信号道来之后，电磁阀线圈和MOSFET管中电流开始上升，当电磁力克服了喷嘴弹簧预紧力与天然气背压之后，电磁阀开启，但通过的电流仍然继续上升到由电源电压与电路阻抗确定的最大电流，并将一直持续到喷射信号结束为止，这样该电路工作时不仅要消耗较大的能量，MOSFET管和电磁阀线圈的发热量也明显增加，加大了散热的难度，并可能降低元器件和系统工作的稳定性和可靠性，为了解决这一问题很多学者进行了大量的研究设计出了二种比较常见的电控天然气喷嘴驱动电路。

第一种为RC型喷嘴电磁阀驱动电路，该驱动电路由电容放电提供电磁阀开启时足够的驱动电流，由于大电容放电具有延迟性，会导致开启不够灵敏，而电容值越大这种延迟越明显。

第二种为靠反相器内部门限值斩波，其原理是通过二路电流来保证喷嘴开启时有足够的驱动电流，当喷嘴开启后自动切断一路电流，该中方法虽然能够实现喷嘴开启时响应迅速，但存在电路过于复杂，控制过程较难，经济性不高等缺点。

本文综合考虑以上因素，结合以上喷嘴驱动方法的优缺点，采用一种能够实现电流随电磁阀的开启状态自动改变的软硬件驱动电路，通过示波器检验喷嘴电磁阀电阻的输出波形，并结合AMESim软件进行了一个完整喷射过程的模拟，验证了方案的可行性。

1电控天然气喷嘴工作原理

在如图1的整个机构中，当电磁线圈通电时产生一个磁场，衔铁（顶杆）在电磁力的作用下，克服天然气背压和复位弹簧的预紧力而升起，打开喷嘴阀门，天然气喷出。

衔铁（顶杆）在未达到最大升程前，由于流通面积的不断增大，引起喷孔处压力的降低，导致了喷嘴环形腔因压力波动而使气体不稳定流动，直到衔铁（顶杆）由于机械限位挡板作用达到最大升程，喷嘴环形腔内气体流动趋于稳定，喷射量达到最大值。

当电磁线圈断电后，衔铁（顶杆）所受电磁力也立即消失，并在复位弹簧的作用下落回并压紧阀座，切断喷气。

图1电控天然气喷嘴结构

2脉宽调制（PWM）原理及其控制方法

脉宽宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量,通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM是一种模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过使用高分辨率计数器，输出方波的占空比被调制，用来对一个具体的模拟信号电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的电流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

依据此原理可知：

本文中只要PWM波处于高电平时间，那么MOSFET管就会处于导通状态，从而使喷嘴电磁阀接通，开启喷射。

其中PWM的高电平持续时间是本文的一个难点，当PWM波输出低电平时MOSFET管将截止，从而使喷嘴电磁阀截止，此时喷嘴针阀将在其复位弹簧的预紧力作用下往下掉，但是由于存在惯性作用喷嘴针阀并不会在MOSFET管截止的瞬间立刻往下掉，PWM的输出波形必须保证在喷嘴针阀处于惯性迟滞这段时间内由低电平变为高电平，使MOSFET管导通，电磁阀再次开启，否则喷嘴针阀下降会造成喷射流量的波动，导致喷气量变化，严重时可能会导致喷气提前结束，严重影响燃油经济性。

若高低电平占空比选取得当，喷嘴电磁阀在一开一断的过程中，既保证了喷嘴的平稳喷射，又减少了喷嘴的发热量，从而提高了安全性与经济性。

图2是PWM的一种典型波形，其中t是PWM波高电平持续时间，T是PWM波的周期，占控比为t/T,其将决定MOSFET管的平均导通电压，平均电压将决定流过喷嘴电磁阀平均电流的大小，根据热能Q=I^2*R*T，其中R为喷嘴电磁阀电阻，T为通电时间，I为流过电磁阀的平均电流大小，由该公式可知，在保证喷射脉宽不变的情况下，降低流过电磁阀电流的大小可有效降低喷嘴电磁阀的发热量，延迟其使用寿命。

图2PWM的一种典型波形

3硬件电路系统设计

为了满足快速打开喷射器喷嘴的要求，软件部分：

PWM波的产生采用了摩托罗拉飞思卡尔公司生产的HC9SXS128单片机，该单片机具有高速度，低功耗的优点。

在该电路中三极管Q1，Q2，,Q3，Q4在导通后都当开关管使用，此时可认为三极管发射极和集电极短路。

电阻R2,R3是阻值相等的电阻，这样保证了Q点的电压为2.5V。

电阻R5的阻值是远远大于R4的，这样保证了PWM为高电平时R5上的压降基本为12V，从而保证了MOSFET管的快速开启，电阻R6模拟了喷嘴的电阻值。

该系统的工作原理为：

当PWM波产生高电平波时，使三极管Q1导通，从而使三极管Q3随之导通，当三极管Q3导通后由于R5的阻值远远大于R4的阻值，使12V的电源压降几乎全部分配给电阻R5从而达到MOSFET管的开启值，MOSFET管导通，喷嘴电磁阀开启喷射器开始喷气。

当PWM波为低电平时三极管Q1截止（此时MOSFET管就截止了），Q2导通，当Q2导通后三极管Q4也会随之导通。

MOSFET管在设计之初，由于结构原因，不可避免的会产生寄生电容，如果在MOSFET管截止时这部分电荷不能及时放出会影响MOSFET管的导通性能，所以设计了放电回路，当三极管Q4导通时，由于R4的阻值很小可以认为R4被短路，这样寄生电容就通过R4，Q4形成了放电回路，从而保证了MOSFET管寄生电容的快速放电，该系统电路不仅提高了MOSFET管的工作稳定性，同时又防止了电流回流烧坏其它元器件。

系统中硬件电路原理图如图3所示。

图3硬件电路原理图

4发动机判缸原理：

本系统中根据具体发动机类型，选择曲轴位置传感器输出信号中缺齿脉冲后的第一个方波信号后的上升沿对应第1，4缸上止点前120度。

凸轮轴位置传感器输出的信号为50%的周期信号，选择其上升沿对应第一缸压缩上止点（也即第4缸排气TDC）.同理，其下降沿则对应第4缸压缩上止点（也即第1缸排气TDC），对于1,4缸来说，在缺齿方波后，通过曲轴位置传感器输入的信号ECU可判断出1,4缸二个活塞正在接近上止点，但仅由此并不能判断出1,4缸具体的工作状态（压缩还是排气），由于各缸活塞行程180°曲轴转角变化一次，所以1,4缸在其上止点前120°内行程不会在有变化。

此时ECU在通过凸轮轴位置传感器提供的低电平信号（判缸信号）就能判断出第一缸处于压缩行程，第四缸处于排气行程。

当第四缸活塞到达排气上止点前70°时（即缺齿方波后第8个方波后，在经过2°的曲轴转角），ECU即令第四缸开始喷气，并控制喷嘴电磁阀的开启时间，这样便完成了喷气正时与喷气脉宽的控制。

该过程如图4所示（CAS为曲轴位置信号，CPS为凸轮轴位置信号）：

图4曲轴，凸轮轴位置传感器输出信号控制图

5AMESim模型仿真与分析

此次仿真发动机转速为3500r/min,采用恒温恒压CH4气源，压力为0.3Mpa。

根据空气流量计测得的具体空气质量，以16.7的空燃比，结合具体的发动机喷嘴结构以及喷射特性，模拟了一个喷射脉宽为10ms左右的完整喷射过程，如图5所示：

6,8,9,10,11,20,21,22,23,24,构成了天然气喷嘴的驱动部分，其原理是当部件8发射高脉冲信号给部件10时，元器件24对应的三极管导通，从而整个驱动部分的电路导通，当有电流流过部件11时，其将产生大电流，大电流又会产生磁场，该磁场会在部件4产生一个向上的拉力，从而使质量块7拉动喷嘴的针口阀克服弹簧预紧力和天然气背压向上移动，从而使喷嘴开启，喷射气体。

而当针阀一旦开启后由于天然气被压的消失此时只需克服弹簧预紧力即可保证天然气的稳定喷射，此时继电器1控制前向脉冲的转换，使元器件8的高电平切断，元器件9的PWM波发生器开始工作，产生维持电磁阀稳定喷射的平均电流。

元器件5,7,12,13,14,15,16,19组成了喷嘴本体，元件5模拟了复位弹簧，复位弹簧的预紧力和刚度决定了阀门能否在一个合理的时间内打开与关闭，它的合理选择将决定针阀的开启速度与关闭速度。

元件18,14分别模拟了阀门所受天然气背压和进气歧管处的大气压力，考虑到喷孔的结构特性，增设了元件19,16来模拟喷孔处的体积和节流作用，而元件15模拟了容积式因针阀升起导致的容积变化。

1—天然气特征参数2—电磁特性参数3—重力参数4—气隙5—复位弹簧6—铁芯7—限位挡板8—高电平发生器9—PWM波10—继电器111—电磁线圈12—天然气喷嘴阀门13—理想气源14—低压腔15—可变器腔体积16—节流孔17—燃烧室18—高压枪19—喷孔体积20—转换触发时钟121—低电平发生器22—转换触发时钟2

23—继电器2

图5电控天然气喷嘴模型

图6为针口阀升程曲线：

图6针口阀升程曲线

由图6可知，只要针阀一旦开启，当PWM波为低电平时喷嘴针阀位移依然保持在喷射最高点，没有波动，说明能够实现稳定喷射，验证了新型驱动电磁阀喷射的可行性。

图7为驱动部分的PWM高低电平方波：

图7电磁阀驱动的PWM波形

由图10的PWM波可知，在开始间断产生一个大约1MS的高电平脉冲以保证电磁阀流过足够大的电流使其迅速开启，当喷嘴开启1ms时立刻产生一定占空比和特定周期的PWM波（该方波维持10ms），根据PWM产生的原理可知，能使流过喷嘴电磁阀的平均电流减小，从而减少了喷嘴的散热量，在12ms时间左右时PWM波立刻变为低电平，此时电磁阀关闭，结束喷射。

图11为喷嘴的喷射特性曲线图：

图11喷嘴的喷射特性曲线

从图11可以看出：

喷射特性曲线符合喷嘴工作规律，通过计算得到的空燃比也在17左右，验证了此次仿真的正确性。

5系统工作原理与结果分析

在该设计中以发动机转速为3500r/min,采用恒温恒压CH4气源，压力为0.3Mpa。

根据空气流量计测得的具体空气质量，以16.7的空燃比，结合具体的发动机喷嘴结构以及喷射特性，模拟了一个喷射脉宽为10ms左右的完整喷射过程，现以第四缸的喷射正时与喷气脉宽的控制来说明系统的工作原理。

当ECU接收到曲轴位置传感器发来的大缺齿信号时，便能判断出气缸1和气缸4的活塞行程正在接近上止点，这时ECU在采集凸轮轴位置传感器发来的信号，若为低电平则说明第一缸正在接近压缩上止点，那么第四缸正在接近排气上止点，当达到准确的喷气正时时，ECU通过PP口的PP1口发送一个1ms的高电平脉冲（这时PP1口是作为普通输入输出口来使用的）使功率驱动电路把信号放大后驱动天然气喷嘴电磁阀克服气腔内天然气背压和弹簧预紧力开启，从而喷射气体（此时电磁阀需要流过较大的电流以提高驱动力），1ms以后由于喷嘴针阀已经开启，天然气背压消失，此时只需克服弹簧预紧力就能维持天然气的稳定喷射。

所以此时PP1口切换到其第二功能口即脉宽调制（PWM），产生具有一定占空比的高低电平（在该工况下持续大约10ms），从而使喷嘴针阀在达到稳定喷射升程后能维持稳定喷射的同时，又使流过喷嘴电磁阀的平均电流减小到开启电流的3/4左右，从而降低了喷嘴的发热量。

在维持10ms的PWM方波后，PP1口又作为普通I/O口使用，输出低电平从而切断喷射，电磁阀关闭，喷嘴针阀在弹簧预紧力的作用下回落到阀座，停止喷射。

完成了一个完整的喷射正时与喷气脉宽的控制。

图12为喷嘴电磁阀在示波器上的压降波形图：

图12喷嘴电磁阀上的压降

由图12可以看出在喷嘴开始喷射的开启阶段喷嘴电磁阀上的压降为12V，即整个电源电压的值，这样保证了电磁阀产生足够的开启电流，在1ms左右的时间内能够迅速开启，确保了电磁阀响应灵敏，而在喷嘴针阀开启后喷嘴电磁阀上的压降迅速降为8V左右，并在其附近震荡，通过以往的大量研究证明8V的压降完全能保证电磁阀的开启，这样维持稳定喷射同时又降低了喷嘴的散热量，而在喷气结束阶段电磁阀二端的压降迅速降为0，电磁阀关闭，喷射结束。

图13为t=1.8ms到t=12ms时喷嘴开启时间内，电控天然气喷嘴的喷射流量与实验流量数据的对比。

由该图可以看出，喷射特性符合喷嘴工作规律，同时实验误差也在一定范围内，验证了此喷嘴电磁阀驱动电路软硬件设计的正确性。

图13计算流量与实验流量对比图

6结束语

目前在电控天然气喷射系统中，电控天然气喷嘴是其关键部件，如果喷嘴电磁阀发热过大不仅影响喷射的稳定性和精确性，同时会减短喷嘴的适用寿命。

本文设计的喷嘴电磁阀驱动系统不仅电路结构简单，成本低廉，而且系统响应频率快，控制精度高。

系统采用了软件控制喷射正时和喷射脉宽并结合硬件功率驱动电路实现了电磁阀喷嘴高压开启喷嘴针阀，低压维持喷嘴持续喷射的要求，延长了喷嘴的使用寿命，提高了系统的安全性，并且能够满嘴普通喷嘴的喷射规律和要求，并结合高级工程仿真软件验证了其可行性，通过实验论证了其正确性。

软硬件仿真结果表明：

系统发热量低，工作稳定，满足喷射要求，收到了良好的效果。

具有很好的适用价值，对天然气电磁阀喷嘴的驱动电路设计以及喷射规律的研究具有一定的指导意义。

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