压电喷油器的驱动结构的利记博彩app
【专利摘要】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，有利于提高系统的EMC能力。
【专利说明】
压电喷油器的驱动结构
技术领域
[0001] 本发明设及一种压电喷油器的驱动结构，属于共轨系统的喷油器电子控制技术领 域。
【背景技术】
[0002] 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。运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。
[0003] 共轨系统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W及电容特征，在一定的高压驱动条件下可W保持一定的伸长量，从而可W 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=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。
[0004] 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阔值。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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；
[000引所述执行器驱动电路模块包括执行器PTl，执行器PTl的高压端与电感Ll的一端和 电阻Rl的一端连接，电感Ll的另一端与二极管Dl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Dl的阳极端与开关管Ql的源极端和开关管Q5的漏极 端连接，开关管Ql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Cl的一端连接，电容Cl的另一端接地;所述执行器PTl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Rl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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 进一步的，所述电压差值斜率监控电路包括放大器Ul、放大器U2、放大器U3和放大 器U4，放大器Ul的同向端与电阻Rl 5的一端和电阻R18的一端连接，电阻Rl 5的另一端接地， 电阻R18的另一端与电阻Rl的另一端和电阻R2的一端连接;所述放大器Ul的反向端与电阻 Rl 7的一端和电阻R16的一端连接，放大器Ul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。
[0012] 进一步的，所述放大器Ul、放大器U2、放大器U3和放大器U4的输出端与处理器MCU 连接。
[0013] 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，短路保护电话路的输出端与处理器MCU连接。
[0014] 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，放大器呪的反向端与电容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的另一端与电容巧的一端和放大器U6的反向端连接，放大器U6的同相端 与电容巧的另一端和参考电压V旭F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。
[0015] 进一步的，所述放大器呪的正电源端与VCC电压连接，且放大器呪的正电源端通过 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。
[0016] 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W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，有利于提高系统的EMC能力。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的驱动结构框架图。
[0018] 图2为电压差值斜率监控电路的示意图。
[0019] 图3为短路保护电路的示意图。
[0020] 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。
[0021] 图5为执行器低端放电的电流流向示意图。
[0022] 图6为执行器高端放电的电流流向示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
[0024] 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；
[0025] 所述执行器驱动电路模块包括执行器PTl，执行器PTl的高压端与电感Ll的一端和 电阻Rl的一端连接，电感Ll的另一端与二极管Dl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Dl的阳极端与开关管Ql的源极端和开关管Q5的漏极 端连接，开关管Ql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Cl的一端连接，电容Cl的另一端接地;所述执行器PTl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。
[00%]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；
[0027] 所述电阻Rl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；
[0028] 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；
[0029] 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；
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 目前的压电执行器驱动，是W执行器低端选通到地，W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。
[0033] 本发明的解决方案W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。
[0034] 由u = ^t^/c，得到 可W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=种模式，则对应的电流斜率关系如下：
[0035] (I)梯形波模式
[0036] (2)S角波单峰
[0037] (3)多峰值模式
[0038] 在不同工况模式可W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为预设电流阔值，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。
[0039] 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W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。
[0040] 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Ul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Rl的另一端和电阻R2的一端连接;所述放大器Ul的反向端与电 阻Rl 7的一端和电阻Rl 6的一端连接，放大器Ul的输出端与电阻Rl 6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VREFl， 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Ul的输出端输出压差信号10,放大器U2的输出端压差高端阔值 信号7，放大器U3的输出端输出微分电路信号8，放大器U4输出低端阔值信号11。
[0041] 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 =角波、梯形波和多峰值=角波，分别有=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阔值，与实际采样处理后调整驱动占空比。首先打开开关管Ql和Q2使 得高压源HIV对执行器PTl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PTl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VREFl，在设计好的驱动模式下，计算 高低端放电占空比。由于电感L2W及二极管D2的错位作用，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Cl和C2的电流补偿作用，根据KCL定律 (基尔霍夫定律），可W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。当低端电压到达加寸，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。
[0042] 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与低端阔值信号11比较得到 关断开关管Q3的逻辑信号并重新打开开关管Ql、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。
[0043] 本发明的工作过程详细叙述如下：
[0044] (1)在完成上电初始化后，检测当前工作模式，确立压差阔值及压差斜率knTl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W压差为零。即打开开关管Ql和 Q2,并且HVM模式打开开关管Q5和Q6,在对执行器充电的同时，对电容Cl、C2充电，W使达到 电流补偿电位。
[0045] (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；
[0046] 此时电压差值斜率监控电路反馈压差信号10给处理器MCU与压差高端阔值信号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。
[0047] (3) T3时间段则表示达到驱动压差阔值时，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;运一段喷射保持阶段，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Rl、R2、R3和R4构成回路保持电压差的驱动状态。
[004引（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，P丽控制Q3和Q5;由压差信号10反馈给MCU与压差低端阔值信号11确 定开关逻辑；
[0049] 微分电路信号8与目标系数化k较，调整Q3和Q5的占空比。当压差为0时，关闭Q3和 Q5,打开Ql和Q2继续进行充电，为下一个周期做准备。
[0050] 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，W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 器呪的同相端与电容C4的一端连接，放大器呪的反向端与电容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，放大器呪的输出端与电阻R206的另一 端和电阻R202的一端连接，电阻R202的另一端与电容巧的一端和放大器U6的反向端连接， 放大器U6的同相端与电容巧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_PR0TECT;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。
[0051] 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W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。
【主权项】
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，短路保护电话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。
【文档编号】F02M51/06GK105978397SQ201610345139
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】高崴, 曾伟, 张爱云, 谢宏斌, 俞谢斌, 黄城健, 周维, 蒋诚, 丁珏
【申请人】中国第汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所, 中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所, 中国第汽车股份有限公司, 中国第一汽车股份有限公司