基于MC33PT2001 的高壓共軌柴油機噴油器驅動模塊開發

曾正祥，彭海勇，繆雪龍

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著社會的高速發展，全球的汽車保有量顯著增加，環境污染和能源危機問題惡化顯著[1]。世界各國都開始制定汽車節能減排與新能源汽車的技術路線，作為傳統動力的內燃機，更清潔的排放，更高效的燃燒和更好的經濟性是未來發展趨勢[2]。柴油機噴油系統的靈活性和可靠程度對降低CO2、顆粒物和NOX的排放有著重要作用。

噴油器通過穩定、可靠、即時的驅動電路保證噴油控制精度和響應速度，噴油器的控制方式和電路設計一直是高效內燃機的研究重點[3-10]。有關研究中，無錫油泵油嘴研究所謝宏斌[7]等通過優化Boost 升壓電路降低硬件能耗，減少PCB 板面積，保證多次噴射電流的穩定性；天津大學劉二喜[8]等對可變續流的驅動方式進行研究，發現與單一續流相比，噴油器的控制精度更高，驅動能耗更低，主要是從優化驅動方式的角度來改善噴油效果；哈爾濱工程大學的茍金[9]利用可編程的MC338 芯片設計噴油控制系統，但研究主要側重軟件驅動，其升壓電路和電流采樣的硬件設計思路模糊，沒有發揮可編程芯片的優勢。

本文選用恩智浦的最新一代可編程電磁閥驅動芯片MC33PT2001，該芯片有7 個低邊MOSFET預驅動器和5 個外部MOSFE 高邊側預驅動器[11]，可以有效實現可變電流燃油噴射，從而提高燃油噴射的精準性和靈活性，降低系統能耗。

1 基于PT2001 的噴油器驅動方案

1.1 PT2001 的組成架構

MC33PT2001 是飛思卡爾半導體公司開發的一款可編程門驅動集成電路芯片，集成了故障診斷模塊、噴射監控模塊以及噴射結束反饋模塊。PT2001可分為供電部分、升壓部分、噴油器驅動部分、電流反饋檢測部分、SPI 和GPIO 通信以及芯片內部邏輯通道6 個部分[11]，包含5 個高邊預驅動器（HS）和7 個低邊預驅動器（LS），且每個HS 和高壓DC/DC 轉換器一樣，都配備獨立的電荷泵輸出。PT2001 有2 個相同的邏輯通道，包含4 個獨立的微核（uCore）。這些微核可以快速地控制功率MOSFET，準確地和MCU 通訊，及時完成柵極驅動、電路診斷以及防止程序跑飛。每個邏輯通道都有1 024×16 bit 的Code RAM 和64× 16 bit 的Data RAM，給芯片頻繁的數據讀寫提供硬件基礎。PT2001 可輸入電源電壓5～32 V,預驅動器電壓運行閾值可達72 V，高邊和低邊驅動器可識別100 kHz的PWM 脈寬，擁有8 個可選擇的預定義VDS 監控閾值，集成1.0 MHz 備份時鐘，同時提供微碼保護加密，控制原理圖如圖1 所示。

1.2 驅動模塊整體方案

本文燃油噴射系統的噴油驅動電路采用經典的Peak&Hold 模式[12]，通過設計優良的電磁閥硬件驅動電路和軟件程序來實現精準的噴油。燃油噴射控制閉環主要分為MCU 控制單元、PT2001 硬件電路和軟件驅動程序3 大部分。整體的控制方案是MCU 通過GPIO 向PT2001的STARTx 引腳發送觸發信號，通過PWM 向PT2001 傳遞時鐘源，以保證PT2001 的時效性和準確性，再通過SPI 通信，把生成的程序代碼導入PT2001 的Data RAM 和Code RAM 中。從 而保證了軟件可以嵌入到硬件里，噴油參數可設置定義，電流波形可控，噴油時刻精準。整體的驅動方案如圖2 所示。

2 噴油器驅動電路設計

2.1 噴油電磁閥驅動方式的選擇

噴油器電磁閥經典的驅動方式主要有高邊驅動、低邊驅動和半橋驅動3 種[13]。典型的高邊驅動如圖3 所示，主要特點是功率開關元件置于負載的上部，電勢相對更高。當VGS為高電平時，NMOS 管導通，電流經過負載，噴油器控制電磁閥打開，實現燃油噴射。當VGS為低電平時，NMOS 管斷開，電路斷路，噴油器不工作。低邊驅動如圖4 所示。其與高邊驅動相比，功率負載與功率開關位置相反，功率負載端的電勢更高。由于低邊驅動電路的場效應管的開關頻率較高，所以平均電流采用高頻信號控制，進而實現控制輸出功率。半橋驅動是一種高邊驅動和低邊驅動相結合的驅動方式。如圖5 所示，噴油器電磁閥一端連著高邊驅動電路的源極，另一端連著低邊驅動場效應管的漏極。芯片通過2 個NMOS 管的通斷來控制噴油器電磁閥的開啟和關閉。由于半橋驅動可以提高噴油器的安全系數，性能更穩定，控制更靈活，所以本文電磁閥選用半橋式開發設計驅動電路。

2.2 BOOST 升壓電路設計

BOOST 升壓電路的主要作用是噴油器開始噴油時，驅動電路能夠瞬時產生大電流，從而控制電磁閥迅速開啟。為保證升壓電路的精確性和穩定性，升壓電路原理如圖6 所示。本文升壓電路的觸發信號由PWM 傳遞，以N 溝MOS 管作為開關。當PWM 波輸入高電平時，NMOS 管導通，此時NMOS 管相當導線，二極管反向截止，電源直接對電感L 充電；當PWM 是低電平時，NMOS管斷開，電感的電流反向，電磁能轉化為電能，生成高電壓給電容和負載供電，升壓過程結束。

MC33PT2001設置獨立低邊預驅動器（G_LS7）作為BOOST 升壓模塊，其可承受高達100 kHz 的PWM 脈寬。芯片內部的柵極和源極之間設有下拉電阻，VCCP 給低邊預驅動器供電。本升壓電路在VBOOST 引腳旁放置電容，實現對信號濾波處理，在C_LS7 信號輸入端設有保護電阻R1，在升壓電路高壓端設有電容和電感，實現保護電路。MC33PT2001 通過VSENSEP4 和VSENSEN4 對電阻Rx 采樣，實現電流檢測。通過電流檢測值與參數設定閾值對比，判定MOS 管的開閉，從而電路實現同步階段和異步階段交替升壓的方式。根據以上電路的升壓原理和PT2001 芯片的特點，本文設計了如圖7 所示的升壓電路。

2.3 電磁閥驅動電路設計

本噴油驅動電路采用Peak&Hold 的驅動方式，電磁閥開啟前迅速到達峰值電流Ipeak；開啟后，以較小的電流Ihold維持電磁閥開啟狀態[13]。噴油器驅動電路需要滿足噴油器在升壓階段、峰值階段、高低壓過渡階段、保持階段以及噴油停止階段正常工作[6]。本設計采用高邊驅動和低邊驅動相結合的方式來實現噴油器的瞬時噴油和快速泄流。

本文變壓器的24 V 電壓給VBATT引腳供電，VCCIO用于給I/O 口供電，VCCP 穩壓器供電后在引腳上設置一個電容器。當控制電路給Start 引腳高電平時，升壓電路開始工作，PT2001 分別給芯片引腳G_HS 和G_LS 端發送控制信號。當G_HS 接收到控制信號時，電路產生高電流，電磁閥快速打開，當芯片引腳B_HS 接收到控制信號時，電路以低壓維持電磁閥開啟狀態[11]。芯片引腳G_LS1 和G_LS2 控制MOS 管柵極的開閉，控制低邊驅動電路，負責發動機的機選缸。芯片引腳S_HS1 和S_HS2 分別對MOS 管源極電壓監測，如果發生欠壓，則關閉外部MOSFET，通過芯片引腳VSENSEP1 和VSENSEN1 對電阻R5 采樣，實現電流檢測，具體電路設計如圖8。

3 驅動模塊軟件設計

3.1 MC33PT2001 驅動程序設計流程

通過MC33PT2001 匹配的PT2001 Dev Studio軟件設計噴油驅動模塊的軟件部分。首先根據PT2001 說明手冊設置系統頻率，之后在PT2001 Dev Studio 軟件完成配置寄存器、使能flash 和Drive 等操作。初始化工作結束后，根據噴油系統需要實現的功能，分別設計電路的升壓程序和電磁閥的驅動程序。在DV Studio 軟件可直接在IDE Install Program 配置窗口更改噴油參數，在DRAM窗口直接配置升壓電壓閾值以及各階段的電流時間，最后可以通過編譯直接生成PT2001_irq.c 和PT2001_irq.h 文件代碼，極大節省了開發和調試時間。具體設計流程如圖9 所示。

3.2 BOOST 升壓電路驅動程序

基于BOOST 升壓電路的基本原理，通過異步階段和同步階段相結合的方式實現穩定升壓，達到期望電壓值。在異步階段，當G_LS7 輸出PWM 信號時，MOSFET 導通，Vboost電壓值開始上升；而當電壓值上升到電壓閾值上限Vboost_High 時，升壓方式轉為同步階段。在同步階段，G_LS7 不再輸出PWM 波信號，Vboost電壓開始下降，當電壓值減少到電壓閾值下限Vboost_low 時，電路升壓結束。Boost 升壓電路的控制就是通過檢測電流大小是否超過閾值，當超過閾值時將觸發程序控制電流調節環路和電壓調節環路，對電流閉環控制。在 BOOST 電路的升壓過程中，ISENSE4 的上限和下限閾值與Vboost的上限和下限閾值的設置最為重要，這些參數都可以在PT2001 Dev Studio IDE 處直接設置。BOOST 升壓電路具體程序控制流程圖如圖10 所示。

3.3 電磁閥驅動程序

電磁閥驅動電路的驅動程序需要嵌入到噴油工作的整個過程，程序的邏輯功能需要保證電磁閥在噴油的各個階段都能正常工作。在升壓階段，低邊預驅動器G_LS7 與連接Vboost的高邊預驅動器同時導通，電流快速上升。當電流達到升壓電流閾值Iboost時，高邊預驅動器關閉，電流轉入峰值階段[14]，此時連接Vbat電壓的高邊預驅動器導通，電流增長到峰值電流Ipeak；當芯片檢測到電流是Ipeak時，高邊驅動器開始交替開和關，電流穩定上下波動。當芯片內部計數器達到最終值（tpeak_tot）時電流進入高低壓過渡階段，即低邊和高邊驅動器都不導通，電流逐漸減小，二極管接地；當電路減小到維持電流Ihold的最低閾值時進入到保持階段，低邊和VBAT高邊預驅動器同時打開，電流達到Ihold峰值，高邊預驅動器開和關交替進行，直到STARTx 引腳檢測到下降沿，一個噴油周期結束。

利用PT2001 可編程的優點，通過PT2001 Dev Studio IDE 設置升壓電流Iboost，峰值電流Ipeak，保持電流值Ihold，峰值階段的保持時間tpeak_tot，保持階段的保持時間thold_tot等關鍵參數，編譯即可生成程序代碼，從而實現整個軟件程序靈活設置。具體控制流程如圖11 所示。

4 試驗分析

4.1 試驗方案

為了驗證上述設計電路和程序軟件的穩定性和可靠性，突出MC33PT2001 可編程芯片的強大處理能力，分別對 BOOST 升壓驅動和電磁閥噴油驅動進行電流分段測試。首先接24V 電源上電，S32K144EVB—Q100 與MC33PT2001 PCB 板連接，電磁閥與所有硬件形成電流閉環；然后在PT2001 Developer Studio 軟件設置噴油器參數，自動生成二進制代碼文件，把PT2001 Load Data Code 生成的PT2001_irq.c 文件和PT2001_irq.h 文件進行編譯，再通過SPI Gen 通訊將文件導入PT2001 芯片；最后通過示波器和萬用電表測試實時電流數據。根據電流數據和電磁閥的響應分析驅動模塊的可靠性和穩定性，從而保證燃油噴射質量。

圖12 是試驗PT2001_LoadData.h 部分代碼示例。

4.2 Boost 升壓驅動試驗分析

由于PT2001 對于電路電壓調節靈活，所以升壓驅動驗證分別設置Vboost為40，60，80 V 進行分段驗證，每次測試設置相同的Iboost、Ipeak、Ihold值，通 過示波器觀察升壓后的電壓值Vboost是否能夠達到設定值并保持穩定。經過測試，各階段采樣測試的電壓值都符合升壓的要求。本文展示Vboost設為80 V 的測試結果，比較具有代表性。圖13 所示，電壓測試值與0 V 基準線上下高度接近8 個單元，單個單元格代表10 V 壓差，故實際電壓在80 V 左右，符合Vboost初始設置值，圖中電壓可以達到預設要求且保持穩定，驗證了本升壓模塊穩定可靠。

4.3 電磁閥噴油驅動試驗分析

通 過SPI 通 信，把不同參數生成的代碼導入PT2001，測試電磁閥的Peak&_Hold 電流波形圖。圖14 是 設 置Vboost=60 V，Iboost=16 A，Ipeak=8 A，Ihold=6 A時的噴油器驅動電路測試波形圖。采樣電阻為15 mΩ，根據歐姆定律，從圖14 可以看出，電磁閥升壓最大電流約16 A，升壓電流上升的時間在100 μs 以內。電磁閥的峰值電流約8 A，峰值電流的保持時間約1 ms。電磁閥的保持電流約6 A，其持續時間5 ms。最后電磁閥電流在100 μs以內實現快速泄流，電磁閥迅速關閉，一個噴油周期結束。試驗證明了電磁驅動電路可以穩定可靠地工作，電磁閥電路可以實現瞬時升壓和快速泄流。

5 結語

本文基于恩智浦新一代可編程汽車芯片MC33PT2001 開發了柴油機燃油噴射系統的電磁閥驅動模塊。驅動模塊充分利用控制芯片PT2001 片的內置雙通道，可編程，擁有7 個低邊MOSFET預驅動器和5 個外部MOSFE 高邊預驅動器的優點，實現噴油器電磁閥的可瞬時開啟，快速泄流，實現電流電壓軟件可調。通過試驗驗證，驅動時電路的電流波型穩定，試驗數值可以準確吻合軟件的參數設置，達到預期要求，燃油噴射的時間設定更靈活，控制可以更加精準并且可在線測試。在總結前人硬件電路和驅動程序的設計基礎上，整個噴油驅動模塊的設計過程和設計方法上充分考慮了新一代控制芯片的特性，設計思路為業內設計研究者提供一定的參考。