高压共轨燃油喷射系统是柴油发动机的发展方向之一。该系统通过控制燃油的共轨压力和喷油器的快速启闭来保证发动机对喷油正时、精确喷油量及理想喷油率等方面的要求。电磁阀驱动装置由常开电磁铁、常闭电磁铁及换向控制阀和两个弹簧组成。在柴油机燃油喷射系统的电子控制中，电控喷油器的控制执行元件——电磁阀对喷射系统的各种基本性能有着重要的影响，而喷射系统对电磁阀响应具有特殊的要求，要求开启时间不大于300μs，从而保证系统的控制精度和响应速度。对于电磁阀的快速响应，除了在电磁阀的结构设计、铁心材料的选择等方面做充分的研究外，电磁阀的驱动电路的形式及参数对响应速度有着极大的影响。其中关键执行器件是高速电磁阀。

电磁阀的作用是：保持换向阀运动到终点位置后的状况不变，并且在振荡过程中，如将由摩擦垫转换而来的能量重新反馈到蓄电池中。

由于电磁阀是交替通电和断电的，为了防止铁心中产生涡流，铁心是由硅钢片制成的。利用硅铁合金制成的硅钢片具有比纯铁更高的电阻值，可以很好地衰减铁心中的涡流。

涡流电流不仅会引起电流的热损耗，而且还会改变铁心的运动状况，准确地计算涡流对控制时间的影响，对于确定控制系统有着决定性的意义。

电磁阀的电流响应特性决定其驱动电路应满足下列基本要求：

1）电磁控制阀开启前的能量强励功率驱动模块应以尽可能高的速率为电磁阀注入能量，确保电磁控制阀在开启过程中产生足够大的电磁作用力，缩短开启响应时间。

2）电磁控制阀开启后，因工作气隙较小，磁路磁阻很低，电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力，以保证电磁控制阀的可靠开启。小的保持电流可以降低能量消耗，减小线圈发热，同时有利于电磁控制阀的快速闭合。

综上所述，电磁阀驱动电路的设计要求是，在电磁阀的不同工作阶段应维持相应的理想驱动电流。目前常见的电磁阀驱动电路大致分为可调电阻式、双电压式、脉宽调制式和双电压脉宽调制式四种。其中，可调电阻式驱动电路结构简单，但功耗较大；双电压式驱动电路功耗有所减小，但仍不理想；脉宽调制式与双电压脉宽调制式驱动电路均采用PWM来控制电磁阀保持电流，大大减小了功耗。与脉宽调制式驱动电路相比，双电压脉宽调制式驱动电路的好处在于电磁阀保持电流由蓄电池提供，减轻了DC/DC升压电路的负荷。

然而上述的几种驱动电路存在的共同问题是难以确保在喷油脉宽时序重叠的情况下电磁阀的正常开启。这是因为当两路喷油信号在相位上重叠时，其中一路电磁阀的导通，将导致DC/DC升压电路的电压瞬时下降，这时的电压将无法保证另一路电磁阀的正常开启。

另外，高速电磁阀对输入能量的要求如下：电磁阀驱动电路的设计决定外部能量以何种特性通过电磁阀，即流经电磁阀线圈的电流的波形特征。其电路的形式及参数不仅影响输入能量的大小，而且影响输入能量的变化率，决定着电磁力的变化特点，直接决定电磁阀的响应速度。

1.电压驱动输入方式

电压驱动输入方法是普通电磁铁机构所广泛采用的形式，其能量输入及其变化如图5-5所示。即在电磁阀静止和吸动期间，驱动电路通常给电磁线圈提供一较高的恒定电压，图中A点为电磁铁通电后，产生的电磁吸力足以使得衔铁开始运动所对应的点，对应的电流称为触动电流。衔铁开始运动后，气隙减小，气隙中的磁阻改变，使线圈中的电感发生变化，引起一个反电动势idL/dt，使线圈中的电流减小。当衔铁达到其终点位置B点时，气隙不再改变，此时磁通密度和作用力达到最大值。为减小功耗，电磁阀进入保持阶段，驱动电路将降低驱动电压至C点位置，同时电流也降低到可维持衔铁处于闭合状态的数值。图5-5所示的驱动方法，由于电流在0A段呈指数规律增加（时间常数τ=LR），相对较为缓慢，因此电磁吸力上升也较为缓慢，从而使图5-5所示的静止阶段和吸动阶段总的时间较长，即电磁阀的响应速度比较低。

2.电流驱动输入方式

图5-6为电流开始以极高的变化率来实现快速吸合的最优能量输入的电流驱动方式。最优能量输入要求电磁阀在接到驱动信号的瞬间，电流就以极高的变化速率达到最大值，电磁吸力也迅速增大，并使衔铁开始运动，当衔铁开始运动后，工作气隙减小，磁阻降低，让电流逐渐减小，仍能保持电磁吸力为较大的值。当完全吸合后，将电流保持在较小的维持值即可。

图5-5 常规能量输入方案（电压驱动）

图5-6 最优能量输入方案（电流驱动）

电压驱动方式由于通过电磁阀线圈的电流上升相对较为缓慢，通常是通过增加驱动电压来提高其响应速度，这将导致电磁阀功耗过大，使其发热严重，很难满足高压共轨喷油器对电磁阀的要求。为了实现电流高速率的变化，电容瞬间放电是目前新开发驱动电路大多采用的方法。

3.电磁阀驱动电路的设计

为了使设计的电路能基本按照图5-6所示的方案实现能量的输入，这里采用图5-7所示的电路进行了实验研究，并取得了较好的效果。本设计中，柴油高压共轨转子机前后双缸分别配备双喷油器，即引燃喷油器和主喷油器分别独立控制，且两路喷油器在部分工作中喷油时序重叠。其工作过程是当晶闸管未得到触发信号时，直流电源通过限流电阻给电容充电，当晶闸管接到触发信号时，电容将在极短的时间内向电磁阀线圈放电，其放电特性与电磁阀的电感和电阻及电容的大小有关。在放电的初期限流电阻不起作用。(www.daowen.com)

（1）主体电路 电容储能式高速电磁阀驱动电路原理如图5-7所示。转子机前缸的引燃喷油脉宽信号INJ₁与后缸的引燃喷油脉宽信号INJ₃通过或非门后，输入到高端驱动芯片驱动高端功率MOSFET（VF₁），DC/DC升压后的100V电源通过VF₁给电容C₁充电，在喷油脉宽周期内，VF₁关断。PWM发生器通过电力MOSFET（VF₂）控制12V电源输入的占空比。VF₁与VF₂的源极分别通过二极管VD₁₁和VD₁₂连接电磁阀线圈W₁与W₃的上端，VD₁₁和VD₁₂的作用是将100V和12V两个不同电压的电源隔离开。INJ₁和INJ₃分别通过低端电力MOSFET（VF₃和VF₄）实现选缸。VD₁₃、VD₁₄为续流二极管。电流检测放大器与PWM发生器相连实现反馈控制。

图5-7 电容储能式高速电磁阀驱动电路原理图

电路工作过程如下：当ECU输出喷油脉宽INJ₁时，VF₄选缸导通，电容C₁在INJ₁开始时刻向电磁阀线圈W₂放电。这时VF₃无选缸信号，电磁阀线圈W₁截止，VF₁关断，禁止100V电压向电容C₁充电，12V电压自行反向截止。直到C₁放电至低于12V后，12V电压通过VF₂以PWM方式向电磁阀线圈W₂提供能量。PWM占空比通过电流检测放大器实现反馈控制。INJ₁结束后，VF₄关断，W₂截止，VF₁导通，100V电压开始向C₁充电。当发动机经过一个工作循环，ECU输出后缸引燃喷油脉宽INJ₃时，电容C₁已充满电，这时高端部分重复上述工作过程，VF₃选缸导通，电磁阀线圈W₁工作，电磁阀线圈W₂截止。

图5-8所示为电磁阀的电流波形，从中可以看到电磁阀的整个工作过程。A点时刻C₁开始放电，电磁阀电流迅速上升；在B点时刻电磁阀电流到达峰值电流约为30A；至C点时刻C₁电压从100V降到12V，由12V电源开始提供电流，电路中设置了保持电流为10A，D点时刻喷油脉宽结束，电磁阀关断，电容C₁开始充电；E点时刻电容C₁充满，电压上升到100V。与上述类似，转子机前缸的主喷油脉宽信号INJ₂与后缸的主喷油脉宽信号INJ₄通过另一放电电容C₂以相同方式工作。通过设置C₁和C₂两个放电电容，在INJ₁与INJ₂、INJ₃与INJ₄时序重合的工作状态下保证了开启电压各自稳定在100V，从而保证了电磁阀的可靠打开。图5-8中容易看到A点到C点时刻电容在放电的过程中电压同时在下降。这完全符合前述的电磁阀工作特性。与双电压脉宽调制式驱动电路相比，电容储能式驱动电路功耗更小，且由于电容每次储能是有限的，所以可防止在某些意外状况下电磁阀发生过负载烧毁。同时，电容储能式驱动电路无需像其他几种驱动电路那样必须通过喷油脉宽同步产生一个开启脉宽作为高压的控制信号，从而简化了电路逻辑。

图5-8 电磁阀电流波形图

（2）PWM及高端驱动电路 本设计中，PWM发生芯片选用了TL494 PWM芯片，其中两路误差放大器分别用于前后两缸引燃与主喷的电流检测负反馈接口，无需另外增加运算放大器。高端驱动器选择了IR公司的IR2103专用浮地驱动芯片。需要注意的是IR2103外围自举电容和反向二极管的选择。在IR2103高端部分工作时，既需要保证在开关管关断过程中自举电容充电时间足够短，又应保证在开关管导通过程中电容电压下降不大，这就要求自举电容具有合适的电容量且漏电流要小。反向二极管的选择则要求在高压开启时，其反向漏电流必须足够小，以维持自举电容两端的压差。电容器的选择要保证高压开启部分能提供足够的能量，需对放电电容的电容量进行计算。由图5-8的电磁阀电流波形，对曲线进行近似积分，估算电磁阀开启所需电容量C约为24mF，考虑一定的裕量后，选择容量为33mF的电容。需要注意这里的放电电容应满足高压、高频、大电流工作条件下的反复充放电。经过比较后，本设计选用了金属化聚丙烯薄膜电容器。

（3）高端电流检测电路 本驱动电路的另一特点是采用了高端电流检测反馈控制PWM输出。与恒定PWM占空比控制方式相比，电流反馈PWM控制可在电池电压变化的情况下，保证电磁阀保持电流的恒定。这一点对于保证喷油量的精确是很有必要的。目前，一般的电流反馈控制往往采用在低端设置接地电阻进行电流采样，这种方式的好处在于结构简单、成本低。然而却存在一些问题，如电流检测时电磁阀续流环难以包含在内、精度较低等。

本驱动电路采用了高端电流检测的方法。高端电流检测的好处在于不仅解决了其电流检测时续流环难以包含在内的问题，而且提供了高端部分的短路保护，此外，测量精度也较高。但高速电磁阀的开启电压高达100V，远远超过普通IC的工作电压。一般来说高端电流检测芯片往往由于自身工作电压的限制，难以在高压领域得到应用。因此在应用中需设计搭建外围电路来实现电流检测芯片的浮地工作，其原理电路如图5-9所示。

电流检测芯片采用了Maxim公司的MAX4172。该器件是差分输入、电流值输出的高端电流检测放大器，输出电流值与输入差模值成比例，易转化为对地电压值。

图5-9 高端电流检测原理电路

图5-9中外围电路功能如下：VS₉、R₁和V₁组成并联稳压器。齐纳二极管VS将IN+、IN-、VCC与GND之间的电压钳位在10V，电阻R1与晶体管V1则保证齐纳二极管VS的逆向偏置电流保持在一个合适的值。只要在齐纳二极管VS的工作电流范围内，通过调整R₁的大小即可使得该高端电流检测电路在任意高的电压下工作。钳位电压设为10V，设置二极管VD和电容C的目的都是为了保证在低压下保持PWM阶段使整个电流检测电路供电电压的稳定。晶体管V₂和电阻R₂将输出电流值转换成对地的电压值，该电压值被反馈到PWM发生器TL494的误差比较口，与设定的反馈比较电压V_l进行比较，进而实现对PWM的反馈控制。其中R₂的阻值和反馈比较电压V_l的大小是根据电磁阀的工作电流倒推计算得到的。已知MAX4172的输出与输入的比例系数G_m=10mA/V，设定检测电阻R_s=10mW，电磁阀保持电流期望值为10A。

综合上述可以看出，电容储能式电磁阀驱动电路具有以下特点：

1）特别适用于引燃和主喷两个喷油脉宽时序上可能重叠的情况，可确保电磁阀开启高压的稳定；

2）电容放电模式更符合电磁阀的电流响应特点，有利于保护电磁阀并降低功耗；

3）无需产生开启脉宽，只需单片机给出喷油脉宽即可工作，简化了驱动电路；

4）电路采用高端电流检测反馈控制的PWM输出。与低端设置采样电阻的电流检测方法相比，不仅能精确控制电磁阀保持电流，解决了电流检测时电磁阀续流环难以包含在内的问题，而且提供了高端部分的短路保护。通过在发动机电控系统中应用这种新型驱动电路，已初步实现了转子机的稳定运转。