CN105978397B - 压电喷油器的驱动结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电喷油器的驱动结构，其特征是：包括执行器驱动电路模块、处理器MCU、电压差值斜率监控电路和短路保护电路。通过同时对执行器高低端充放电，利用电容的电压不可突变特性，形成驱动压差，即以执行器高端电压为参考电压，控制低端放电，形成压差；建立驱动过程中通过外部电容补偿手段确立电容高低端的压差斜率，来控制电流精度。本发明所述驱动结构有利于驱动电流的稳定性，且对驱动回路的滤波电感没有感值能量存储要求；另外电流没有多峰值震荡，有利于提高***的EMC能力。

Description

压电喷油器的驱动结构

技术领域

本发明涉及一种压电喷油器的驱动结构，属于共轨***的喷油器电子控制技术领域。

背景技术

国外专利中的压电驱动都是鉴于线性调节器模式的充电放电结构，如DESN公司的US20090038590AI或者US7819337B2等，即由高压源向执行器高端充电，再由执行器高端对地放电，整个过程由电压与电流反馈控制高端开关管的PWM开关来控制执行器高端电压，低端通过选通电路对地形成选通回路。这种结构对储能电感有很大的储能要求，且由于驱动结构中参数离散性质的特性，不能完全保证电流的斜率和精度。

共轨***的喷油器有高速电磁阀式和压电晶体式两种。压电陶瓷执行器由于其特殊的压电效应以及电容特征，在一定的高压驱动条件下可以保持一定的伸长量，从而可以打开喷油器实现喷油功能。因此压电执行器的驱动过程包括充电-保持-放电三个阶段；即先充电驱动执行器打开喷油器，放电使得执行器伸长量变小，则关闭喷油器，实现一次喷油过程。

目前的压电执行器驱动，通过高压向执行器充电的BUCK结构，再放电到地，低端选通到地的方案。通过电压和电流反馈PWM式开关MOS管，保证驱动电压和驱动电流的平均值保持在一个相对合理阈值。

由于电容充电电压呈指数型上升，电路的拓扑结构呈现高度的离散性质，另外加上复杂工况条件下，压电执行器的有介质参数变化的现象，使得充电电流不易高精度控制；一般通过PWM式的开关对执行器实现充放电的结构，一方面对充放电电感的电感储能有很高的要求，另一方面不能保证驱动电压的斜率一致性，即不能保证喷油器打开时间的精度；另外峰值电流对执行器的冲击，有概率降低执行器的性能和寿命。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种压电喷油器的驱动结构，通过驱动的电流控制，保证电流的精度和驱动电压的上升斜率的线性特征，提高喷油器的稳定性，降低峰值电流对执行器的冲击，提高执行器的可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述压电喷油器的驱动结构，其特征是：包括执行器驱动电路模块、处理器MCU和电压差值斜率监控电路；

所述执行器驱动电路模块包括执行器PT1，执行器PT1的高压端与电感L1的一端和电阻R1的一端连接，电感L1的另一端与二极管D1的阴极端、二极管D4的阳极端、开关管Q3的漏极端和电阻R21的一端连接，二极管D1的阳极端与开关管Q1的源极端和开关管Q5的漏极端连接，开关管Q1的漏极端与高压源HIV和二极管D4的阴极端连接，开关管Q5的源极端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；所述执行器PT1的低压端与电感L2的一端和电阻R3的一端连接，电感L2的另一端与二极管D2的阴极端、二极管D3的阳极端、开关管Q4的漏极端和电阻R21的另一端连接，二极管D2的阳极端与开关管Q2的源极端和开关管Q6的漏极端连接，开关管Q2的漏极端与高压源HIV和二极管D3的阴极端连接，开关管Q6的源极端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地；所述开关管Q3的源极端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地；所述电阻R1的另一端与电压差值斜率监控电路和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地；所述电阻R3的另一端与电压差值斜率监控电路和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接地；所述开关管Q4的源极端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地。

进一步的，所述电压差值斜率监控电路的输出端与处理器MCU连接。

进一步的，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6的栅极均与处理器MCU连接，均采用MOS管，由处理器MCU控制打开和关闭。

进一步的，所述电压差值斜率监控电路包括放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4，放大器U1的同向端与电阻R15的一端和电阻R18的一端连接，电阻R15的另一端接地，电阻R18的另一端与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接；所述放大器U1的反向端与电阻R17的一端和电阻R16的一端连接，放大器U1的输出端与电阻R16的另一端、电容C3的一端、放大器U4的同相端和放大器U2的同相端连接，放大器U2的反向端连接参考电压VREF1，放大器U4的反向端连接参考电压VREF2，电容C3的另一端与电阻R20的一端和放大器U3的反向端连接，放大器U3的同相端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端接地，放大器U3的输出端与电阻R20的另一端连接。

进一步的，所述放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4的输出端与处理器MCU连接。

进一步的，还包括短路保护电路，短路保护电路的第一输入端与开关管Q3的源极端和电阻R6的一端连接，短路保护电路的第二输入端与开关管Q4的源极端和电阻R5的一端连接，短路保护电路的输出端与处理器MCU连接。

进一步的，所述短路保护电路包括放大器U5和放大器U6，放大器U5的同相端与电容C4的一端连接，放大器U5的反向端与电容C4的另一端、电阻R203的一端和电阻R206的一端连接，电阻R203的另一端接地，放大器U5的输出端与电阻R206的另一端和电阻R202的一端连接，电阻R202的另一端与电容C5的一端和放大器U6的反向端连接，放大器U6的同相端与电容C5的另一端和参考电压VREF连接，放大器U6的输出端与电阻R204的一端和电阻R205的一端连接，电阻R204的另一端连接VCC电压，电阻R205的另一端与处理器MCU连接。

进一步的，所述放大器U5的正电源端与VCC电压连接，且放大器U5的正电源端通过电容C6接地；所述放大器U6的正电源端与VCC电压连接，放大器U6的负电源端接地。

本发明所述的压电喷油器的驱动结构，通过同时对执行器高低端充放电，利用电容的电压不可突变特性，形成驱动压差，即以执行器高端电压为参考电压，控制低端放电，形成压差；建立驱动过程中通过外部电容补偿手段确立电容高低端的压差斜率，来控制电流精度。本发明所述驱动结构有利于驱动电流的稳定性，且对驱动回路的滤波电感没有感值能量存储要求；另外电流没有多峰值震荡，有利于提高***的EMC能力。

附图说明

图1为本发明的驱动结构框架图。

图2为电压差值斜率监控电路的示意图。

图3为短路保护电路的示意图。

图4为高压源对执行器高低端和电容充电的电流流向示意图。

图5为执行器低端放电的电流流向示意图。

图6为执行器高端放电的电流流向示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括执行器驱动电路模块、处理器MCU、电压差值斜率监控电路和短路保护电路；

所述执行器驱动电路模块包括执行器PT1，执行器PT1的高压端与电感L1的一端和电阻R1的一端连接，电感L1的另一端与二极管D1的阴极端、二极管D4的阳极端、开关管Q3的漏极端和电阻R21的一端连接，二极管D1的阳极端与开关管Q1的源极端和开关管Q5的漏极端连接，开关管Q1的漏极端与高压源HIV和二极管D4的阴极端连接，开关管Q5的源极端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；所述执行器PT1的低压端与电感L2的一端和电阻R3的一端连接，电感L2的另一端与二极管D2的阴极端、二极管D3的阳极端、开关管Q4的漏极端和电阻R21的另一端连接，二极管D2的阳极端与开关管Q2的源极端和开关管Q6的漏极端连接，开关管Q2的漏极端与高压源HIV和二极管D3的阴极端连接，开关管Q6的源极端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地。

所述开关管Q3的源极端与短路保护电路和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地；

所述电阻R1的另一端与电压差值斜率监控电路和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地；

所述电阻R3的另一端与电压差值斜率监控电路和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接地；

所述开关管Q4的源极端与短路保护电路和电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地；

所述电压差值斜率监控电路和短路保护电路的输出端与处理器MCU连接。

所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6的栅极均与处理器MCU连接，均采用MOS管，由处理器MCU控制打开和关闭。

目前的压电执行器驱动，是以执行器低端选通到地，以地平面为参考地形成回路，通过控制高压向执行器高端充电的单端充电方式。电流的控制通过电感的存储能力，达到连续充放电或者不连续充放电模式来控制驱动电流。

本发明的解决方案以执行器两端电压差为控制对象，通过实时控制高低端的电压差来保证足够的驱动电压。

由u＝∫itdt/c，得到可以推出驱动电流与驱动压差的斜率呈现线性关系。对于压电驱动的三种模式，则对应的电流斜率关系如下：

(1)梯形波模式：

(2)三角波单峰值模式：

(3)多峰值模式：

在不同工况模式可以得到驱动电流的驱动系数保持在计算值，使输出电流在不同模式的驱动具有较高的控制精度特征，电感的能量存储要求较低。其中A为预设电流阈值，k为驱动压差斜率，C为压电执行器电容值。计算值通过MCU实现反馈。

压电喷油器主要利用压电材料的逆压电效应，来驱动喷油器开关，从而控制油量的精度和喷油特性。本发明所述的驱动结构控制压电执行器高低端固定的压差以及实时控制放电斜率作为最小驱动单元参数来驱动执行器，保证电流的精度和稳定的充电效率。

如图2所示，所述电压差值斜率监控电路包括放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4，放大器U1的同向端与电阻R15的一端和电阻R18的一端连接，电阻R15的另一端接地，电阻R18的另一端与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接；所述放大器U1的反向端与电阻R17的一端和电阻R16的一端连接，放大器U1的输出端与电阻R16的另一端、电容C3的一端、放大器U4的同相端和放大器U2的同相端连接，放大器U2的反向端连接参考电压VREF1，放大器U4的反向端连接参考电压VREF2，电容C3的另一端与电阻R20的一端和放大器U3的反向端连接，放大器U3的同相端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端接地，放大器U3的输出端与电阻R20的另一端连接；所述放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4的输出端与处理器MCU连接；所述放大器U1的输出端输出压差信号10，放大器U2的输出端压差高端阈值信号7，放大器U3的输出端输出微分电路信号8，放大器U4输出低端阈值信号11。

本发明的工作原理：通过控制高低端压差来实现执行器的驱动要求，其中相对于三角波、梯形波和多峰值三角波，分别有三种压差斜率系数的计算；在监控并且调整k系数后得到预期压差斜率阈值，与实际采样处理后调整驱动占空比。首先打开开关管Q1和Q2使得高压源HIV对执行器PT1高低端形成回路，使得其压差为0且对地保持较高的电压，同时PWM模式打开开关管Q5和Q6使得电容C1、C2充电至执行器PT1等电位电压为后面驱动过程提供电流补偿；此状态下的电流流向如图4所示。接着关闭开关管Q1、Q2，打开开关管Q5、Q4、Q6，形成C1-L1-PT1-L2-Q4到地的回路(电流流向如图5所示)，通过执行器高低端间电压差的计算，直到触发电压差值斜率监控电路的参考电压VREF1，在设计好的驱动模式下，计算高低端放电占空比。由于电感L2以及二极管D2的钳位作用，执行器低端电压不会立即放电到地，足够压差采样反馈时间的处理。在此期间通过微分电路采样压差斜率，并与预期算法值比较反馈调整开关管Q4和Q6的占空比。由于电容C1和C2的电流补偿作用，根据KCL定律(基尔霍夫定律)，可以对执行器高低端的放电电压起到缓冲作用。当AB执行器高低端的压差达到预定值时，为保持恒定的压差，在低端放电的同时，高端也需要同斜率放电，其过程如同低端镜像，形成C2-L2-PT1-L1-Q3的回路(电流流向如图6所示)，形成执行器高端放电的结果。当低端电压到达0时，触发电压差值斜率监探电路的参考电压VREF2，则关闭高端放电效果，即关闭开关管Q3、Q4。

当执行器驱动结束的时候，需要降低执行器高低端压差，由于此时低端电压为0，则需要继续打开C2-L2-PT1-L1-Q3回路放电，即打开开关管Q3。与开始驱动过程一样，同样需要通过k系数修正开关管Q5和Q3的占空比；通过压差信号10与低端阈值信号11比较得到关断开关管Q3的逻辑信号并重新打开开关管Q1、Q2，完成执行器高低端电压差为0，则关闭执行器，从而实现一次驱动周期。

本发明的工作过程详细叙述如下：

(1)在完成上电初始化后，检测当前工作模式，确立压差阈值及压差斜率k。T1时间段开始完成执行器高低端电压充电，由于没有到地回路，所以压差为零。即打开开关管Q1和Q2，并且PWM模式打开开关管Q5和Q6，在对执行器充电的同时，对电容C1、C2充电，以使达到电流补偿电位。

(2)T2时间段开始驱动执行器，执行器低端放电，打开开关管Q4开始放电，形成执行器高低端压差，并且Q5和Q6提供电流补偿，通过MCU控制开关；

此时电压差值斜率监控电路反馈压差信号10给处理器MCU与压差高端阈值信号7确定开关逻辑，微分电路信号8经过算法计算与目标值比较，调整Q4开关占空比；当实际压差斜率高于预期计算值k系数，则增大Q4占空比，降低Q6占空比；当实际压差斜率低于预期值，则降低Q4占空比，增大Q6占空比。

(3)T3时间段则表示达到驱动压差阈值时，打开Q3，通过MCU控制达到高低端同斜率放电直至低端电压为0；这一段喷射保持阶段，当低端电压为0时，关闭所有开关管，不做控制处理，由大电阻R1、R2、R3和R4构成回路保持电压差的驱动状态。

(4)T4时间段是执行器关闭驱动状态，其工作过程与T2段和T3段呈现镜像动作，即打开Q6形成放电回路，PWM控制Q3和Q5；由压差信号10反馈给MCU与压差低端阈值信号11确定开关逻辑；

微分电路信号8与目标系数k比较，调整Q3和Q5的占空比。当压差为0时，关闭Q3和Q5，打开Q1和Q2继续进行充电，为下一个周期做准备。

所述短路保护电路始终监控压电执行器高低端充放电电流，并反馈保护信号给MCU，以决定是否关闭驱动。如图3所示，所述短路保护电路包括放大器U5和放大器U6，放大器U5的同相端与电容C4的一端连接，放大器U5的反向端与电容C4的另一端、电阻R203的一端和电阻R206的一端连接，电阻R203的另一端接地，放大器U5的输出端与电阻R206的另一端和电阻R202的一端连接，电阻R202的另一端与电容C5的一端和放大器U6的反向端连接，放大器U6的同相端与电容C5的另一端和参考电压VREF连接，放大器U6的输出端与电阻R204的一端和电阻R205的一端连接，电阻R204的另一端连接VCC电压，电阻R205的另一端与处理器MCU连接，输出电流信号I_PROTECT；所述放大器U5的正电源端与VCC电压连接，且放大器U5的正电源端通过电容C6接地；所述放大器U6的正电源端与VCC电压连接，放大器U6的负电源端接地。

本发明通过执行器高低端压差处理、工作模式的预设计算压差斜率系数并反映到精确控制电流以及基于对地电压值放电模式的驱动控制，实现了降低功率器件的开关损耗，提高喷油器电流控制的精度，提高喷油器的工作精度。

Claims (8)

1.一种压电喷油器的驱动结构，其特征是：包括执行器驱动电路模块、处理器MCU和电压差值斜率监控电路；

所述执行器驱动电路模块包括执行器PT1，执行器PT1的高压端与电感L1的一端和电阻R1的一端连接，电感L1的另一端与二极管D1的阴极端、二极管D4的阳极端、开关管Q3的漏极端和电阻R21的一端连接，二极管D1的阳极端与开关管Q1的源极端和开关管Q5的漏极端连接，开关管Q1的漏极端与高压源HIV和二极管D4的阴极端连接，开关管Q5的源极端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；所述执行器PT1的低压端与电感L2的一端和电阻R3的一端连接，电感L2的另一端与二极管D2的阴极端、二极管D3的阳极端、开关管Q4的漏极端和电阻R21的另一端连接，二极管D2的阳极端与开关管Q2的源极端和开关管Q6的漏极端连接，开关管Q2的漏极端与高压源HIV和二极管D3的阴极端连接，开关管Q6的源极端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地；所述开关管Q3的源极端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地；所述电阻R1的另一端与电压差值斜率监控电路和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地；所述电阻R3的另一端与电压差值斜率监控电路和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接地；所述开关管Q4的源极端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地。

2.如权利要求1所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：所述电压差值斜率监控电路的输出端与处理器MCU连接。

3.如权利要求1所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6的栅极均与处理器MCU连接，均采用MOS管，由处理器MCU控制打开和关闭。

4.如权利要求1所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：所述电压差值斜率监控电路包括放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4，放大器U1的同向端与电阻R15的一端和电阻R18的一端连接，电阻R15的另一端接地，电阻R18的另一端与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接；所述放大器U1的反向端与电阻R17的一端和电阻R16的一端连接，放大器U1的输出端与电阻R16的另一端、电容C3的一端、放大器U4的同相端和放大器U2的同相端连接，放大器U2的反向端连接参考电压VREF1，放大器U4的反向端连接参考电压VREF2，电容C3的另一端与电阻R20的一端和放大器U3的反向端连接，放大器U3的同相端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端接地，放大器U3的输出端与电阻R20的另一端连接。

5.如权利要求4所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：所述放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4的输出端与处理器MCU连接。

6.如权利要求1所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：还包括短路保护电路，短路保护电路的第一输入端与开关管Q3的源极端和电阻R6的一端连接，短路保护电路的第二输入端与开关管Q4的源极端和电阻R5的一端连接，短路保护电路的输出端与处理器MCU连接。

7.如权利要求6所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：所述短路保护电路包括放大器U5和放大器U6，放大器U5的同相端与电容C4的一端连接，放大器U5的反向端与电容C4的另一端、电阻R203的一端和电阻R206的一端连接，电阻R203的另一端接地，放大器U5的输出端与电阻R206的另一端和电阻R202的一端连接，电阻R202的另一端与电容C5的一端和放大器U6的反向端连接，放大器U6的同相端与电容C5的另一端和参考电压VREF连接，放大器U6的输出端与电阻R204的一端和电阻R205的一端连接，电阻R204的另一端连接VCC电压，电阻R205的另一端与处理器MCU连接。

8.如权利要求7所述的压电喷油器的驱动结构，其特征是：所述放大器U5的正电源端与VCC电压连接，且放大器U5的正电源端通过电容C6接地；所述放大器U6的正电源端与VCC电压连接，放大器U6的负电源端接地。