壓電噴油器的驅動結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電噴油器的驅動結構，其特征是：包括執(zhí)行器驅動電路模塊、處理器MCU、電壓差值斜率監(jiān)控電路和短路保護電路。通過同時對執(zhí)行器高低端充放電，利用電容的電壓不可突變特性，形成驅動壓差，即以執(zhí)行器高端電壓為參考電壓，控制低端放電，形成壓差；建立驅動過程中通過外部電容補償手段確立電容高低端的壓差斜率，來控制電流精度。本發(fā)明所述驅動結構有利于驅動電流的穩(wěn)定性，且對驅動回路的濾波電感沒有感值能量存儲要求；另外電流沒有多峰值震蕩，有利于提高系統(tǒng)的EMC能力。
【專利說明】
壓電噴油器的驅動結構
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種壓電噴油器的驅動結構，屬于共軌系統(tǒng)的噴油器電子控制技術領 域。
【背景技術】
[0002] 國外專利中的壓電驅動都是鑒于線性調節(jié)器模式的充電放電結構，如DESN公司的 US20090038590AI或者US7819337B2等，即由高壓源向執(zhí)行器高端充電，再由執(zhí)行器高端對 地放電，整個過程由電壓與電流反饋控制高端開關管的PWM開關來控制執(zhí)行器高端電壓，低 端通過選通電路對地形成選通回路。運種結構對儲能電感有很大的儲能要求，且由于驅動 結構中參數(shù)離散性質的特性，不能完全保證電流的斜率和精度。
[0003] 共軌系統(tǒng)的噴油器有高速電磁閥式和壓電晶體式兩種。壓電陶瓷執(zhí)行器由于其特 殊的壓電效應W及電容特征，在一定的高壓驅動條件下可W保持一定的伸長量，從而可W 打開噴油器實現(xiàn)噴油功能。因此壓電執(zhí)行器的驅動過程包括充電-保持-放電=個階段；即 先充電驅動執(zhí)行器打開噴油器，放電使得執(zhí)行器伸長量變小，則關閉噴油器，實現(xiàn)一次噴油 過程。
[0004] 目前的壓電執(zhí)行器驅動，通過高壓向執(zhí)行器充電的BUCK結構，再放電到地，低端選 通到地的方案。通過電壓和電流反饋PWM式開關MOS管，保證驅動電壓和驅動電流的平均值 保持在一個相對合理闊值。
[0005] 由于電容充電電壓呈指數(shù)型上升，電路的拓撲結構呈現(xiàn)高度的離散性質，另外加 上復雜工況條件下，壓電執(zhí)行器的有介質參數(shù)變化的現(xiàn)象，使得充電電流不易高精度控制； 一般通過PWM式的開關對執(zhí)行器實現(xiàn)充放電的結構，一方面對充放電電感的電感儲能有很 高的要求，另一方面不能保證驅動電壓的斜率一致性，即不能保證噴油器打開時間的精度； 另外峰值電流對執(zhí)行器的沖擊，有概率降低執(zhí)行器的性能和壽命。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種壓電噴油器的驅動結構， 通過驅動的電流控制，保證電流的精度和驅動電壓的上升斜率的線性特征，提高噴油器的 穩(wěn)定性，降低峰值電流對執(zhí)行器的沖擊，提高執(zhí)行器的可靠性。
[0007] 按照本發(fā)明提供的技術方案，所述壓電噴油器的驅動結構，其特征是:包括執(zhí)行器 驅動電路模塊、處理器MCU和電壓差值斜率監(jiān)控電路；
[000引所述執(zhí)行器驅動電路模塊包括執(zhí)行器PTl，執(zhí)行器PTl的高壓端與電感Ll的一端和 電阻Rl的一端連接，電感Ll的另一端與二極管Dl的陰極端、二極管D4的陽極端、開關管Q3的 漏極端和電阻R21的一端連接，二極管Dl的陽極端與開關管Ql的源極端和開關管Q5的漏極 端連接，開關管Ql的漏極端與高壓源HIV和二極管D4的陰極端連接，開關管Q5的源極端與電 容Cl的一端連接，電容Cl的另一端接地;所述執(zhí)行器PTl的低壓端與電感L2的一端和電阻R3 的一端連接，電感L2的另一端與二極管D2的陰極端、二極管D3的陽極端、開關管Q4的漏極端 和電阻R21的另一端連接，二極管D2的陽極端與開關管Q2的源極端和開關管Q6的漏極端連 接，開關管Q2的漏極端與高壓源HIV和二極管D3的陰極端連接，開關管Q6的源極端與電容C2 的一端連接，電容C2的另一端接地;所述開關管Q3的源極端與電阻R6的一端連接，電阻R6的 另一端接地;所述電阻Rl的另一端與電壓差值斜率監(jiān)控電路和電阻R2的一端連接，電阻R2 的另一端接地;所述電阻R3的另一端與電壓差值斜率監(jiān)控電路和電阻R4的一端連接，電阻 R4的另一端接地;所述開關管Q4的源極端與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端接地。
[0009] 進一步的，所述電壓差值斜率監(jiān)控電路的輸出端與處理器MCU連接。
[0010] 進一步的，所述開關管Q1、開關管Q2、開關管Q3、開關管Q4、開關管Q5和開關管Q6的 柵極均與處理器MCU連接，均采用MOS管，由處理器MCU控制打開和關閉。
[0011] 進一步的，所述電壓差值斜率監(jiān)控電路包括放大器Ul、放大器U2、放大器U3和放大 器U4，放大器Ul的同向端與電阻Rl 5的一端和電阻R18的一端連接，電阻Rl 5的另一端接地， 電阻R18的另一端與電阻Rl的另一端和電阻R2的一端連接;所述放大器Ul的反向端與電阻 Rl 7的一端和電阻R16的一端連接，放大器Ul的輸出端與電阻R16的另一端、電容C3的一端、 放大器U4的同相端和放大器U2的同相端連接，放大器U2的反向端連接參考電壓VREF1，放大 器U4的反向端連接參考電壓VREF2，電容C3的另一端與電阻R20的一端和放大器U3的反向端 連接，放大器U3的同相端與電阻R19的一端連接，電阻R19的另一端接地，放大器U3的輸出端 與電阻R20的另一端連接。
[0012] 進一步的，所述放大器Ul、放大器U2、放大器U3和放大器U4的輸出端與處理器MCU 連接。
[0013] 進一步的，還包括短路保護電路，短路保護電路的第一輸入端與開關管Q3的源極 端和電阻R6的一端連接，短路保護電路的第二輸入端與開關管Q4的源極端和電阻R5的一端 連接，短路保護電話路的輸出端與處理器MCU連接。
[0014] 進一步的，所述短路保護電路包括放大器U5和放大器U6,放大器U5的同相端與電 容C4的一端連接，放大器呪的反向端與電容C4的另一端、電阻R203的一端和電阻R206的一 端連接，電阻R203的另一端接地，放大器U5的輸出端與電阻R206的另一端和電阻R202的一 端連接，電阻R202的另一端與電容巧的一端和放大器U6的反向端連接，放大器U6的同相端 與電容巧的另一端和參考電壓V旭F連接，放大器U6的輸出端與電阻R204的一端和電阻R205 的一端連接，電阻R204的另一端連接VCC電壓，電阻R205的另一端與處理器MCU連接。
[0015] 進一步的，所述放大器呪的正電源端與VCC電壓連接，且放大器呪的正電源端通過 電容C6接地;所述放大器U6的正電源端與VCC電壓連接，放大器U6的負電源端接地。
[0016] 本發(fā)明所述的壓電噴油器的驅動結構，通過同時對執(zhí)行器高低端充放電，利用電 容的電壓不可突變特性，形成驅動壓差，即W執(zhí)行器高端電壓為參考電壓，控制低端放電， 形成壓差;建立驅動過程中通過外部電容補償手段確立電容高低端的壓差斜率，來控制電 流精度。本發(fā)明所述驅動結構有利于驅動電流的穩(wěn)定性，且對驅動回路的濾波電感沒有感 值能量存儲要求;另外電流沒有多峰值震蕩，有利于提高系統(tǒng)的EMC能力。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的驅動結構框架圖。
[0018] 圖2為電壓差值斜率監(jiān)控電路的示意圖。
[0019] 圖3為短路保護電路的示意圖。
[0020] 圖4為高壓源對執(zhí)行器高低端和電容充電的電流流向示意圖。
[0021] 圖5為執(zhí)行器低端放電的電流流向示意圖。
[0022] 圖6為執(zhí)行器高端放電的電流流向示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合具體附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0024] 如圖1所示，本發(fā)明包括執(zhí)行器驅動電路模塊、處理器MCU、電壓差值斜率監(jiān)控電路 和短路保護電路；
[0025] 所述執(zhí)行器驅動電路模塊包括執(zhí)行器PTl，執(zhí)行器PTl的高壓端與電感Ll的一端和 電阻Rl的一端連接，電感Ll的另一端與二極管Dl的陰極端、二極管D4的陽極端、開關管Q3的 漏極端和電阻R21的一端連接，二極管Dl的陽極端與開關管Ql的源極端和開關管Q5的漏極 端連接，開關管Ql的漏極端與高壓源HIV和二極管D4的陰極端連接，開關管Q5的源極端與電 容Cl的一端連接，電容Cl的另一端接地;所述執(zhí)行器PTl的低壓端與電感L2的一端和電阻R3 的一端連接，電感L2的另一端與二極管D2的陰極端、二極管D3的陽極端、開關管Q4的漏極端 和電阻R21的另一端連接，二極管D2的陽極端與開關管Q2的源極端和開關管Q6的漏極端連 接，開關管Q2的漏極端與高壓源HIV和二極管D3的陰極端連接，開關管Q6的源極端與電容C2 的一端連接，電容C2的另一端接地。
[00%]所述開關管Q3的源極端與短路保護電路和電阻R6的一端連接，電阻R6的另一端接 地；
[0027] 所述電阻Rl的另一端與電壓差值斜率監(jiān)控電路和電阻R2的一端連接，電阻R2的另 一端接地；
[0028] 所述電阻R3的另一端與電壓差值斜率監(jiān)控電路和電阻R4的一端連接，電阻R4的另 一端接地；
[0029] 所述開關管Q4的源極端與短路保護電路和電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端接 地；
[0030] 所述電壓差值斜率監(jiān)控電路和短路保護電路的輸出端與處理器MCU連接。
[0031] 所述開關管Q1、開關管Q2、開關管Q3、開關管Q4、開關管Q5和開關管Q6的柵極均與 處理器MCU連接，均采用MOS管，由處理器MCU控制打開和關閉。
[0032] 目前的壓電執(zhí)行器驅動，是W執(zhí)行器低端選通到地，W地平面為參考地形成回路， 通過控制高壓向執(zhí)行器高端充電的單端充電方式。電流的控制通過電感的存儲能力，達到 連續(xù)充放電或者不連續(xù)充放電模式來控制驅動電流。
[0033] 本發(fā)明的解決方案W執(zhí)行器兩端電壓差為控制對象，通過實時控制高低端的電壓 差來保證足夠的驅動電壓。
[0034] 由u = ^t^/c，得到 可W推出驅動電流與驅動壓差的斜率呈現(xiàn)線性關系。 對于壓電驅動的=種模式，則對應的電流斜率關系如下：
[0035] (I)梯形波模式
[0036] (2)S角波單峰
[0037] (3)多峰值模式
[0038] 在不同工況模式可W得到驅動電流的驅動系數(shù)保持在計算值，使輸出電流在不同 模式的驅動具有較高的控制精度特征，電感的能量存儲要求較低。其中A為預設電流闊值，k 為驅動壓差斜率，C為壓電執(zhí)行器電容值。計算值通過MCU實現(xiàn)反饋。
[0039] 壓電噴油器主要利用壓電材料的逆壓電效應，來驅動噴油器開關，從而控制油量 的精度和噴油特性。本發(fā)明所述的驅動結構控制壓電執(zhí)行器高低端固定的壓差W及實時控 制放電斜率作為最小驅動單元參數(shù)來驅動執(zhí)行器，保證電流的精度和穩(wěn)定的充電效率。
[0040] 如圖2所示，所述電壓差值斜率監(jiān)控電路包括放大器U1、放大器U2、放大器U3和放 大器U4,放大器Ul的同向端與電阻R15的一端和電阻R18的一端連接，電阻R15的另一端接 地，電阻R18的另一端與電阻Rl的另一端和電阻R2的一端連接;所述放大器Ul的反向端與電 阻Rl 7的一端和電阻Rl 6的一端連接，放大器Ul的輸出端與電阻Rl 6的另一端、電容C3的一 端、放大器U4的同相端和放大器U2的同相端連接，放大器U2的反向端連接參考電壓VREFl， 放大器U4的反向端連接參考電壓VREF2,電容C3的另一端與電阻R20的一端和放大器U3的反 向端連接，放大器U3的同相端與電阻R19的一端連接，電阻R19的另一端接地，放大器U3的輸 出端與電阻R20的另一端連接;所述放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4的輸出端與 處理器MCU連接;所述放大器Ul的輸出端輸出壓差信號10,放大器U2的輸出端壓差高端闊值 信號7，放大器U3的輸出端輸出微分電路信號8，放大器U4輸出低端闊值信號11。
[0041] 本發(fā)明的工作原理:通過控制高低端壓差來實現(xiàn)執(zhí)行器的驅動要求，其中相對于 =角波、梯形波和多峰值=角波，分別有=種壓差斜率系數(shù)的計算；在監(jiān)控并且調整k系數(shù) 后得到預期壓差斜率闊值，與實際采樣處理后調整驅動占空比。首先打開開關管Ql和Q2使 得高壓源HIV對執(zhí)行器PTl高低端形成回路，使得其壓差為0且對地保持較高的電壓，同時 PWM模式打開開關管Q5和Q6使得電容C1、C2充電至執(zhí)行器PTl等電位電壓為后面驅動過程提 供電流補償;此狀態(tài)下的電流流向如圖4所示。接著關閉開關管Q1、Q2,打開開關管Q5、Q4、 Q6,形成C1-L1-PT1-L2-Q4到地的回路（電流流向如圖5所示），通過執(zhí)行器高低端間電壓差 的計算，直到觸發(fā)電壓差值斜率監(jiān)控電路的參考電壓VREFl，在設計好的驅動模式下，計算 高低端放電占空比。由于電感L2W及二極管D2的錯位作用，執(zhí)行器低端電壓不會立即放電 到地，足夠壓差采樣反饋時間的處理。在此期間通過微分電路采樣壓差斜率，并與預期算法 值比較反饋調整開關管Q4和Q6的占空比。由于電容Cl和C2的電流補償作用，根據(jù)KCL定律 (基爾霍夫定律），可W對執(zhí)行器高低端的放電電壓起到緩沖作用。當AB執(zhí)行器高低端的壓 差達到預定值時，為保持恒定的壓差，在低端放電的同時，高端也需要同斜率放電，其過程 如同低端鏡像，形成C2-L2-PT1-L1-Q3的回路（電流流向如圖6所示），形成執(zhí)行器高端放電 的結果。當?shù)投穗妷旱竭_加寸，觸發(fā)電壓差值斜率監(jiān)探電路的參考電壓VREF2,則關閉高端放 電效果，即關閉開關管Q3、Q4。
[0042] 當執(zhí)行器驅動結束的時候，需要降低執(zhí)行器高低端壓差，由于此時低端電壓為0， 則需要繼續(xù)打開C2-L2-PT1-L1-Q3回路放電，即打開開關管Q3。與開始驅動過程一樣，同樣 需要通過k系數(shù)修正開關管Q5和Q3的占空比；通過壓差信號10與低端闊值信號11比較得到 關斷開關管Q3的邏輯信號并重新打開開關管Ql、Q2，完成執(zhí)行器高低端電壓差為0，則關閉 執(zhí)行器，從而實現(xiàn)一次驅動周期。
[0043] 本發(fā)明的工作過程詳細敘述如下：
[0044] (1)在完成上電初始化后，檢測當前工作模式，確立壓差闊值及壓差斜率knTl時間 段開始完成執(zhí)行器高低端電壓充電，由于沒有到地回路，所W壓差為零。即打開開關管Ql和 Q2,并且HVM模式打開開關管Q5和Q6,在對執(zhí)行器充電的同時，對電容Cl、C2充電，W使達到 電流補償電位。
[0045] (2)T2時間段開始驅動執(zhí)行器，執(zhí)行器低端放電，打開開關管Q4開始放電，形成執(zhí) 行器高低端壓差，并且Q5和Q6提供電流補償，通過MCU控制開關；
[0046] 此時電壓差值斜率監(jiān)控電路反饋壓差信號10給處理器MCU與壓差高端闊值信號7 確定開關邏輯，微分電路信號8經過算法計算與目標值比較，調整Q4開關占空比；當實際壓 差斜率高于預期計算值k系數(shù)，則增大Q4占空比，降低Q6占空比；當實際壓差斜率低于預期 值，則降低Q4占空比，增大Q6占空比。
[0047] (3) T3時間段則表示達到驅動壓差闊值時，打開Q3，通過MCU控制達到高低端同斜 率放電直至低端電壓為0;運一段噴射保持階段，當?shù)投穗妷簽?時，關閉所有開關管，不做 控制處理，由大電阻Rl、R2、R3和R4構成回路保持電壓差的驅動狀態(tài)。
[004引（4)T4時間段是執(zhí)行器關閉驅動狀態(tài)，其工作過程與T2段和T3段呈現(xiàn)鏡像動作，即 打開Q6形成放電回路，P麗控制Q3和Q5;由壓差信號10反饋給MCU與壓差低端闊值信號11確 定開關邏輯；
[0049] 微分電路信號8與目標系數(shù)化k較，調整Q3和Q5的占空比。當壓差為0時，關閉Q3和 Q5,打開Ql和Q2繼續(xù)進行充電，為下一個周期做準備。
[0050] 所述短路保護電路始終監(jiān)控壓電執(zhí)行器高低端充放電電流，并反饋保護信號給 MCU，W決定是否關閉驅動。如圖3所示，所述短路保護電路包括放大器U5和放大器U6,放大 器呪的同相端與電容C4的一端連接，放大器呪的反向端與電容C4的另一端、電阻R203的一 端和電阻R206的一端連接，電阻R203的另一端接地，放大器呪的輸出端與電阻R206的另一 端和電阻R202的一端連接，電阻R202的另一端與電容巧的一端和放大器U6的反向端連接， 放大器U6的同相端與電容巧的另一端和參考電壓VREF連接，放大器U6的輸出端與電阻R204 的一端和電阻R205的一端連接，電阻R204的另一端連接VCC電壓，電阻R205的另一端與處理 器MCU連接，輸出電流信號I_PR0TECT;所述放大器U5的正電源端與VCC電壓連接，且放大器 U5的正電源端通過電容C6接地;所述放大器U6的正電源端與VCC電壓連接，放大器U6的負電 源端接地。
[0051] 本發(fā)明通過執(zhí)行器高低端壓差處理、工作模式的預設計算壓差斜率系數(shù)并反映到 精確控制電流W及基于對地電壓值放電模式的驅動控制，實現(xiàn)了降低功率器件的開關損 耗，提高噴油器電流控制的精度，提高噴油器的工作精度。
【主權項】
1. 一種壓電噴油器的驅動結構，其特征是：包括執(zhí)行器驅動電路模塊、處理器MCU和電 壓差值斜率監(jiān)控電路； 所述執(zhí)行器驅動電路模塊包括執(zhí)行器PT1，執(zhí)行器PT1的高壓端與電感L1的一端和電阻 R1的一端連接，電感L1的另一端與二極管D1的陰極端、二極管D4的陽極端、開關管Q3的漏極 端和電阻R21的一端連接，二極管D1的陽極端與開關管Q1的源極端和開關管Q5的漏極端連 接，開關管Q1的漏極端與高壓源HIV和二極管D4的陰極端連接，開關管Q5的源極端與電容C1 的一端連接，電容C1的另一端接地;所述執(zhí)行器PT1的低壓端與電感L2的一端和電阻R3的一 端連接，電感L2的另一端與二極管D2的陰極端、二極管D3的陽極端、開關管Q4的漏極端和電 阻R21的另一端連接，二極管D2的陽極端與開關管Q2的源極端和開關管Q6的漏極端連接，開 關管Q2的漏極端與高壓源HIV和二極管D3的陰極端連接，開關管Q6的源極端與電容C2的一 端連接，電容C2的另一端接地;所述開關管Q3的源極端與電阻R6的一端連接，電阻R6的另一 端接地;所述電阻R1的另一端與電壓差值斜率監(jiān)控電路和電阻R2的一端連接，電阻R2的另 一端接地;所述電阻R3的另一端與電壓差值斜率監(jiān)控電路和電阻R4的一端連接，電阻R4的 另一端接地;所述開關管Q4的源極端與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端接地。2. 如權利要求1所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:所述電壓差值斜率監(jiān)控電路 的輸出端與處理器MCU連接。3. 如權利要求1所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:所述開關管Q1、開關管Q2、開 關管Q3、開關管Q4、開關管Q5和開關管Q6的柵極均與處理器MCU連接，均采用MOS管，由處理 器MCU控制打開和關閉。4. 如權利要求1所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:所述電壓差值斜率監(jiān)控電路 包括放大器U1、放大器U2、放大器U3和放大器U4,放大器U1的同向端與電阻R15的一端和電 阻R18的一端連接，電阻R15的另一端接地，電阻R18的另一端與電阻R1的另一端和電阻R2的 一端連接;所述放大器U1的反向端與電阻R17的一端和電阻R16的一端連接，放大器U1的輸 出端與電阻R16的另一端、電容C3的一端、放大器U4的同相端和放大器U2的同相端連接，放 大器U2的反向端連接參考電壓VREF1，放大器U4的反向端連接參考電壓VREF2，電容C3的另 一端與電阻R20的一端和放大器U3的反向端連接，放大器U3的同相端與電阻R19的一端連 接，電阻R19的另一端接地，放大器U3的輸出端與電阻R20的另一端連接。5. 如權利要求4所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:所述放大器U1、放大器U2、放 大器U3和放大器U4的輸出端與處理器MCU連接。6. 如權利要求1所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:還包括短路保護電路，短路 保護電路的第一輸入端與開關管Q3的源極端和電阻R6的一端連接，短路保護電路的第二輸 入端與開關管Q4的源極端和電阻R5的一端連接，短路保護電話路的輸出端與處理器MCU連 接。7. 如權利要求6所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:所述短路保護電路包括放大 器U5和放大器U6,放大器U5的同相端與電容C4的一端連接，放大器U5的反向端與電容C4的 另一端、電阻R203的一端和電阻R206的一端連接，電阻R203的另一端接地，放大器U5的輸出 端與電阻R206的另一端和電阻R202的一端連接，電阻R202的另一端與電容C5的一端和放大 器U6的反向端連接，放大器U6的同相端與電容C5的另一端和參考電壓VREF連接，放大器U6 的輸出端與電阻R204的一端和電阻R205的一端連接，電阻R204的另一端連接VCC電壓，電阻 R205的另一端與處理器MCU連接。8.如權利要求7所述的壓電噴油器的驅動結構，其特征是:所述放大器U5的正電源端與 VCC電壓連接，且放大器U5的正電源端通過電容C6接地;所述放大器U6的正電源端與VCC電 壓連接，放大器U6的負電源端接地。
【文檔編號】F02M51/06GK105978397SQ201610345139
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】高崴, 曾偉, 張愛云, 謝宏斌, 俞謝斌, 黃城健, 周維, 蔣誠, 丁玨
【申請人】中國第汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所, 中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所, 中國第汽車股份有限公司, 中國第一汽車股份有限公司