专利名称：基于ir2110的高压悬浮电磁阀驱动电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电学领域，尤其涉及一种基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路。
背景技术：
电控喷油器跟据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的启闭，将燃油以最佳喷油定时、喷油量和喷油率喷入发动机的燃烧室。电控喷油器主要由喷油嘴、控制活塞、控制量孔和控制电磁阀组成。当电磁线圈通电后，对衔铁产生电磁吸合力，当吸力大于控制阀回位弹簧预紧力时，快速打开电磁阀，控制室高压燃油快速泄流，产生喷射；当电磁线圈断电后，电磁吸合力消失，在回位弹簧作用下，电磁阀迅速关闭，控制室高压燃油快速建立，喷射中止。由于共轨式燃油喷射系统每次喷射的时间很短，电磁铁必须能在很短的时间内产生很强的吸力来克服复位弹簧的拉力。由下述公式可以看出F = A(Iff)2S/δ 2X9.8X10-8其中，F为电磁吸引力；A为常数；I为线圈电流;W为线圈匝数；S为铁芯截面积； δ为气隙大小。电磁的吸力与电磁阀线圈的电流的平方成正比，要使电磁铁产生足够的吸力必须加大线圈中的电流。而要使线圈电流在短时间内迅速增大，就要求di/dt为一个较大的数值。因为电磁线圈在电路的形式上为一个几欧的电阻R和一个几毫亨的电感L的串联，当施加外电压U时，线圈中的电流变化规律满足电压平衡方程U = iR+Ldi/dt。在电磁阀结构参数一定的情况下，尽可能提高驱动能量输入，即增大外加电压U值，可以得到较高的di/dt，进而实现电磁阀的快速开启的目的。但大电流通过线圈必然会造成发热现象，为了避免电磁阀线圈过热，当阀门开启后迅速将线圈电流下降到一个较小的数值。因为在电磁铁磁力克服复位弹簧拉力之后，只需要较小的吸力就可以维持阀门开启状态，这样既减小功耗，还便于及时关闭电磁阀，实现快速停油，此时的电流称为维持电流。电磁阀线圈电流在整个工作过程中的理想曲线如图1所示。为了实现通过电磁阀实现对发动机的燃油喷射系统的喷油量、喷油正时和喷油速率的精确控制，以及实现上述电磁阀的快速准确地开启和关闭并能有效避免电磁阀线圈过热，除了电磁阀本身精密的制作工艺外，还需要设计一个高效的驱动电路。
实用新型内容针对上述问题，本实用新型的提供一种能使电磁阀快速准确地开启和关闭，又能有效避免电磁阀线圈过热的基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路。为达到上述目的，本实用新型所述一种基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路， 包括控制单元，输出控制信号；以及，驱动单元，包括顶2110驱动器和升压电路，其中，[0011]所述顶2110驱动器，接收所述控制单元输出的控制信号，并依据控制信号生成相应的驱动信号以驱动电磁阀开启、关闭或不动作；升压电路，设置在所述顶2110驱动器的低端输出端，用于提升顶2110驱动器的低端输出端的输出电压以使电磁阀快速开启。优选地，还包括，电压反馈单元，其包括电阻采样模块和电流采样模块，实时采集电磁阀的电阻值和流经所述电磁阀的电流值，依据电阻值和电流值得出电磁阀两端的实际电压并将该电压值反馈至所述控制单元。优选地，所述控制单元包括计算机、微控制器、电压选通模块、电压比较模块、整形电路以及逻辑可编程阵列模块；其中，所述计算机，依据各电磁阀的动作时序输出控制指令；所述微控制器，依据所述计算机输出的控制指令，同时向外输出脉冲电压信号以及主元分析信号；所述电压选通模块，接收所述微控制器输出的脉冲电压信号以及所述逻辑可编程阵列反馈的驱动脉冲电压信号，判定接收到的脉冲电压信号是否符合预设要求，将符合预设要求的脉冲电压信号输出；所述电压比较模块，接收所述电压选通模块输出的脉冲电压信号以及所述升压电路升压后反馈的电压信号，或还包括所述电压反馈单元反馈的电压信号；比较接收到的各脉冲电压信号，并输出符合预设比较逻辑的脉冲电压信号；所述整形电路，接收所述电压比较模块输出的脉冲电压信号，并将该控制电压信号整形为宽度和幅度均符合要求的脉冲电压信号；所述逻辑可编程阵列模块，接收所述微控制器输出的主元分析信号以及所述整形电路输出的脉冲电压信号，依据该主元分析信号调整接收到的所述脉冲电压信号输出所述顶2110驱动器所需的驱动脉冲电压信号，并将输出的驱动脉冲电压信号反馈至所述电压选通模块中。优选地，所述升压电路由连接于顶2110驱动器低端输出端的场效应管、与所述场效应管漏极相连的二极管、以及一端与二极管连接另一端与场效应管源极相连的电容器构成。本实用新型的有益效果为1、利用了顶2110的高压悬浮特性，采用升压电路来满足电磁阀快速开启阶段及保持阶段所需要的高低电压；2、IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路。无需扩展可直接用于小功率的变换器中，使电路更加紧凑。在应用中如需扩展，附加硬件成本也不高，空间增加不大；3、该基于顶2110高压悬浮驱动电路实现了电磁阀的快速关闭，具有控制信号频率范围广、开启电流、保持电流大小、PWM信号频率和占空比均可调节等优点。
图1是作用在电磁阀上的理想电流示意图；图2是本实用新型所述顶2110的内部结构示意图；图3是本实用新型所述的基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路的总体示意图；图4是本实用新型所述的基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路的电路图；图5是本实用新型所述升压电路的示意图；图6是电磁阀工作过程中线圈电流变化波形。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型做进一步的描述。如图3所示，一种基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路，包括控制单元1，输出控制信号；以及，驱动单元2，包括顶2110驱动器4和升压电路5，其中，所述顶2110驱动器4，接收所述控制单元1输出的控制信号，并依据控制信号生成相应的驱动信号以驱动电磁阀6开启、关闭或不动作；升压电路5，设置在所述顶2110驱动器4的低端输出端，用于提升顶2110驱动器 4的低端输出端的输出电压以使电磁阀6快速开启。作为本实用新型的进一步实施例，还包括电压反馈单元3，其包括电阻采样模块 7和电流采样模块8，实时采集电磁阀6的电阻值和流经所述电磁阀6的电流值，依据电阻值和电流值得出电磁阀6两端的实际电压并将该电压值反馈至所述控制单元1。作为本实用新型的进一步实施例，所述控制单元1包括计算机9、微控制器10、电压选通模块11、电压比较模块12、整形电路13以及逻辑可编程阵列模块14 ；其中，所述计算机9，依据各电磁阀的动作时序输出控制指令；所述微控制器10，依据所述计算机9输出的控制指令，同时向外输出脉冲电压信号以及主元分析信号；所述电压选通模块11，接收所述微控制器10输出的脉冲电压信号以及所述逻辑可编程阵列14反馈的驱动脉冲电压信号，判定接收到的脉冲电压信号是否符合预设要求， 将符合预设要求的脉冲电压信号输出；所述电压比较模块12，接收所述电压选通模块11输出的脉冲电压信号以及所述升压电路5升压后反馈的电压信号，或还包括所述电压反馈单元3反馈的电压信号；比较接收到的各脉冲电压信号，并输出符合预设比较逻辑的脉冲电压信号；所述整形电路13，接收所述电压比较模块12输出的脉冲电压信号，并将该控制电压信号整形为宽度和幅度均符合要求的脉冲电压信号；所述逻辑可编程阵列模块14，接收所述微控制器10输出的主元分析信号以及所述整形电路13输出的脉冲电压信号，依据该主元分析信号调整接收到的所述脉冲电压信号输出所述顶2110驱动器4所需的驱动脉冲电压信号，并将输出的驱动脉冲电压信号反馈至所述电压选通模块11中。作为本实用新型的进一步实施例，如图5是所述升压电路的基本电路图。所述升压电路5由连接于顶2110驱动器4低端输出端的场效应管、与所述场效应管漏极相连的二极管、以及一端与二极管连接另一端与场效应管源极相连的电容器构成。为了达到电磁阀快速打开，需要采用升压变换实现高电压V_H，由于升压输出波纹较大，动态响应时间较长， 而本系统中V_H直接驱动电磁阀，在连续喷射过程中V_H电压波动必须很小，同时在相邻下次喷射开始前V_H应恢复到稳定值，这要求必须结合喷射系统对升压变换进行匹配设计。本实用新型是基于顶2110基础上设计的，其中，顶2110的内部结构如图2所示， 其有三部分组成，逻辑输入、电平平移及输出保护。顶2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt = 士50V/ns，15V下静态功耗仅116mW ；输出的电源端(脚3，即功率器件的栅极驱动电压)电压范围10 20V;逻辑电源电压范围(脚9)5 15V，可方便地与TTL， CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有士5V的偏移量；工作频率高，可达 500kHz ；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns ；图腾柱输出峰值电流为2A。本实用新型所述的驱动电路需在阀芯开启过程中高电压供电，以提高电流的前沿上升率，加快阀芯的开启速度。在阀芯全开后采用低电压供电，使阀芯能维持在全开位置。 所以高低压驱动电路的设计难点在于如何解决高压端功率管的驱动问题。对于这个问题便可利用顶2110独立的低端与高端输入通道产生不同的驱动电压，来实现电磁阀的快速开闭。在设计中，为了减轻电控单元的负担，MCU只需发出控制喷油时间长短的方波即可， IR2110所需的PWM驱动脉冲由可编程逻辑阵列模块来实现。本实用新型的工作原理为如图4所示，以驱动两路电磁阀为例，通过逻辑可编程阵列模块的PWM控制脉冲来导通各场效应管(MOSFET)首先当控制脉冲的上升沿来临时， MOSFET Ql导通，升压电压V_H通过MOSFET管加到了其中一个电磁阀上，与此同时电容器放电。当电磁阀完全开启后则需要一个低电压来维持电磁阀的开度。这时通过顶2110的高端产生PWM脉冲波来导通MOSFET Q2，给电磁阀提供维持电压来保持电磁阀阀芯的开度直到任务完成。这是由于电容器放电，升压电压V_H的值已降低，则需对电容器继续充电。电磁阀与电容器通过MOSFET Q3(或Q4)与二极管D7(或D8)构成升压电路给电容器充电，给电磁阀提供一个大的电流使电磁阀迅速开启。电磁阀的通断电是通过控制高、低端两组MOSFET的开关实现的。图4中所示驱动了两路电磁阀。高端组(Ql与Q2)MOSFET和低端组MOSFET均有两只。在高端处，每只 MOSFET的源极(如图中Ql与收)与2只电磁阀连接，其栅极与PWM信号输出端相连。在低端处，每只MOSFET的漏极与一只电磁阀相连，其栅极分别与控制电路的2路输出端相连，当任务过程开始时，控制电路选通与正确位置电磁阀相连的低端MOSFET等待PWM控制信号到来。前述PWM信号由逻辑可编程阵列模块可编程逻辑形成后，经过顶2110驱动器调整后控制高端MOSFET开关。这样一来，当任务过程开始后，每个冲程会有正确的电磁阀吸合来完成任务，而处于非任务周期的电磁阀由于低端MOSFET的关断不会导通。本实用新型应用在电控喷油器时，选取了 80V的激励电压，也就是设置升压电压最高可升值80V，并监测电磁阀的工作情况，图6为采集到的电磁阀线圈的电流变化情况。 在图中可以看出，从喷油脉冲的上升沿开始，电磁阀两端接激励电压，电容器放电使得电磁阀的电压从激励电压降到供电电压值，之后线圈两端电压将保持在供电电压，在这段时间里线圈的电流迅速升高开启电流，可达IOA0电磁阀开启后，电磁阀电压迅速降低后又立刻升到供电电压值使流经线圈的电流变小以减少功耗，此时进入电流维持过程，直到喷油脉冲的上升沿结束，电池阀迅速关闭。以上，仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
权利要求1.一种基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路，其特征在于，包括 控制单元(1)，输出控制信号；以及，驱动单元0)，包括顶2110驱动器(4)和升压电路(5)，其中， 所述顶2110驱动器G)，接收所述控制单元(1)输出的控制信号，并依据控制信号生成相应的驱动信号以驱动电磁阀(6)开启、关闭或不动作；升压电路(5)，设置在所述顶2110驱动器的低端输出端，用于提升顶2110驱动器 ⑷的低端输出端的输出电压以使电磁阀(6)快速开启。
2.根据权利要求1所述的基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路，其特征在于，还包括电压反馈单元(3)，其包括电阻采样模块(7)和电流反馈模块(8)，实时采集电磁阀(6) 的电阻值和流经所述电磁阀(6)的电流值，依据电阻值和电流值得出电磁阀(6)两端的实际电压并将该电压值反馈至所述控制单元(1)。
3.根据权利要求1或2所述的基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路，其特征在于， 所述控制单元(1)包括计算机(9)、微控制器(10)、电压选通模块(11)、电压比较模块 (12)、整形电路(13)以及逻辑可编程阵列模块(14)；其中，所述计算机(9)，依据各电磁阀的动作时序输出控制指令；所述微控制器(10)，依据所述计算机(9)输出的控制指令，同时向外输出脉冲电压信号以及主元分析信号；所述电压选通模块(11)，接收所述微控制器(10)输出的脉冲电压信号以及所述逻辑可编程阵列(14)反馈的驱动脉冲电压信号，判定接收到的脉冲电压信号是否符合预设要求，将符合预设要求的脉冲电压信号输出；所述电压比较模块(12)，接收所述电压选通模块(11)输出的脉冲电压信号以及所述升压电路(5)升压后反馈的电压信号，或还包括所述电压反馈单元(3)反馈的电压信号；比较接收到的各脉冲电压信号，并输出符合预设要求的脉冲电压信号；所述整形电路(13)，接收所述电压比较模块(1 输出的脉冲电压信号，并将该控制电压信号整形为宽度和幅度均符合要求的脉冲电压信号；所述逻辑可编程阵列模块(14)，接收所述微控制器(10)输出的主元分析信号以及所述整形电路(1 输出的脉冲电压信号，依据该主元分析信号调整接收到的所述脉冲电压信号输出所述顶2110驱动器(4)所需的驱动脉冲电压信号，并将输出的驱动脉冲电压信号反馈至所述电压选通模块(11)中。
4.根据权利要求1所述的基于顶2110的高压悬浮电磁阀驱动电路，其特征在于所述升压电路(5)由连接于顶2110驱动器(4)低端输出端的场效应管、与所述场效应管漏极相连的二极管、以及一端与二极管连接另一端与场效应管源极相连的电容器构成。
专利摘要本实用新型公开一种基于IR2110的高压悬浮电磁阀驱动电路，包括控制单元以及驱动单元，驱动单元包括IR2110驱动器和升压电路；控制单元输出控制信号；所述IR2110驱动器，接收所述控制单元输出的控制信号，并依据控制信号生成相应的驱动信号以驱动电磁阀开启、关闭或保持开启或关闭状态；升压电路设置在所述IR2110驱动器的低端输出端，用于提升IR2110驱动器的低端输出端的输出电压以使电磁阀快速开启。本实用新型的有益效果为该基于IR2110高压悬浮驱动电路实现了电磁阀的快速关闭，具有控制信号频率范围广、开启电流、保持电流大小、PWM信号频率和占空比均可调节等优点。
文档编号F02D41/26GK202091047SQ20112007655
公开日2011年12月28日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者王敏, 邓蓓蓓 申请人:淄博职业学院