專利名稱：控制高速電磁螺線管驅(qū)動裝置的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種電子控制電源電路系統(tǒng)，特別是一種用于控制高壓燃料噴射器的電源電路系統(tǒng)，其中該電路包括一小電流信號處理系統(tǒng)，能控制施加增壓和具有可控電壓波形的正常電壓。
本發(fā)明的背景技術(shù)電磁螺線管驅(qū)動裝置的內(nèi)在特性體現(xiàn)在當有一個電壓施加到該裝置上時，它產(chǎn)生一定的延遲。而對于某些裝置而言，例如直接將燃料噴射到二沖程內(nèi)燃機的燃燒室內(nèi)的高壓燃料噴射器，減小這一延遲是相當重要的，而且還要求保持這一最小延遲不變。此外，螺線管驅(qū)動裝置的內(nèi)在特性還體現(xiàn)在當所施加的電壓消失時，它又產(chǎn)生另一延遲，因此在螺線管線圈斷開時，重要的是不會產(chǎn)生大電流。螺線管斷開所必須消耗的能量越大，這個延遲越長。
本發(fā)明涉及一種可響應(yīng)一脈沖輸入信號工作的開關(guān)電路。這個脈沖輸入信號觸發(fā)該螺線管驅(qū)動裝置，例如一個高壓燃料噴射器。并且該電路在螺線管線圈兩端產(chǎn)生一特定形狀的電壓波形。這個電壓波形控制通過螺線管線圈的電流，以便使該裝置按所改善的速度高效工作。一旦啟動后，該電路使電流以可控的速率下降，到一吸持水平，即使該螺線管保持激勵的足夠高的電流，同時該電流又要足夠低，以致當脈沖信號消失時，保證能量能快速消耗掉。
按本發(fā)明實現(xiàn)的一電子控制電源電路系統(tǒng)包括一小電流信號處理部分和一高功率開關(guān)部分，它控制流過螺線管的電流，這一控制過程與該信號處理部分的控制有關(guān)。在本發(fā)明的推薦實施例中，其信號處理部分由分立的電路器件構(gòu)成，不過應(yīng)該理解為，這種信號處理可以用微處理器來完成，它同樣能執(zhí)行適當?shù)乃惴ㄒ詫崿F(xiàn)由上述信號處理電路完成的相同功能。本發(fā)明的概述一種用于控制高速螺線管驅(qū)動裝置例如在內(nèi)燃機內(nèi)的高壓燃料噴射器的方法包括以下步驟產(chǎn)生一具有等于該裝置啟動總時間的時間間隔的一激勵脈沖，這個時間間隔分成六個時間段，前五個時間段之和等于該激勵脈沖的這個時間間隔。在激勵脈沖的第一段，并且相應(yīng)于該激勵脈沖的前沿，該螺線管驅(qū)動裝置具有一第一電壓電平，以產(chǎn)生一電流，開始驅(qū)動螺線管的銜鐵運動。在這個第一段期間測出電流的峰值；而在第二時間周期來臨時，該螺線管驅(qū)動裝置不再具有第一電壓。
在第二段中，該電流減小到低于該電流峰值的值，仍提供足以繼續(xù)移動銜鐵的能量。在包含第三段的時間周期內(nèi)，一變換的正常電壓施加到螺線管驅(qū)動裝置上，使電流繼續(xù)流過螺線管，以便維持銜鐵一直運動到其端部位置。在第三段結(jié)尾和第四段期間，去掉施加到螺線管驅(qū)動裝置上的交變的正常電壓，使電流從其第二值下降到第三值。
在包含第五段的時間周期內(nèi)，將一變換的正常電壓施加到螺線管驅(qū)動裝置上，以減小流過螺線管的電流，以便將銜鐵磁性保持在其端部位置上。在包含第六段的時間周期內(nèi)，去掉加到螺線管驅(qū)動裝置上的電壓，施加一反極性的電壓到螺線管驅(qū)動裝置上至第五電壓電平，從而消除在螺線管內(nèi)的電磁場，使銜鐵裝置回歸其靜止位置。附圖的詳細描述在附圖中

圖1是本發(fā)明電路的方框圖；圖2是輸入脈沖的波形圖；圖3是螺線管線圈電壓的波形圖；圖4是流過螺線管線圈的電流的波形圖；圖5A和5B是該電路的示意圖。
較佳實施例的描述圖5所示電路的主要波形表示在圖2，3和4中的直角坐標系中。這三個波形10，12，14的每個橫座標用同樣的時間刻度表示，以利于理解各波形間的關(guān)系。圖2是該電路的脈沖輸入波形10，其波形已經(jīng)輸入噪聲濾波器和整形器16整形。如圖所示這是一個典型的方波脈沖輸入，尤其在本實施例中，它具有一從250微秒到3毫秒長度變化的激勵時間周期。
圖3表示電壓波形12，它是由小電流信號處理電路20響應(yīng)圖2的輸入波形在螺線管線圈18的高功率區(qū)產(chǎn)生的。這個波形分成六個電壓波形，分為段21，22，23，24，25，26。第一段21是波形12的開始處增大的高電壓，這個第一電壓電平為70伏。在第二段22中，高壓消失，第二電壓電平是地電位，電壓通過負電壓箝位方式相對于該第二電壓變?yōu)榈谌妷弘娖剑创蠹s-0.6伏。在第三段23中，一個12伏的變換或斬波電壓作為正常電壓電平施加到螺線管線圈18上。在第三段的尾部，第四段24中顯示出電壓變?yōu)樨摰?5伏，這是第四電壓電平，第五段25是變換的正常的電壓電平，為12伏，該電壓持續(xù)到電源斷開即輸入脈沖10的尾部為止，接著是第六段26，螺線管線圈18形成尖峰的第五電壓電平，即達到負向最大值，大約75伏，快速消耗掉線圈18內(nèi)的電磁能量。前面五個時間段之和等于該輸入脈沖的總激勵時間。
圖4表示與前述的電壓波形的每個波形段相對應(yīng)的電流波形14。在第一電壓波形段21中，電流上升到最大峰值10安培。當這個峰值電流測出后，在受控情況下產(chǎn)生第二電壓波形段22，使該最大電流減小到所要求的程度。這一減小時間持續(xù)直到第三電壓波形段23為止，此時線圈電流保持在第二電流電平，大約為6安培。這個電平稱為靜態(tài)(dwell)電平。當電壓波形進入其第四階段24時，第二電流電平根據(jù)控制情況快速下降，達到第三電流電平，或吸持電流電平，大約3安培，該電平一直維持到第五段25直到輸入脈沖10結(jié)束為止。當該脈沖結(jié)束時，電流應(yīng)迅速下降，以便能覆蓋輸入脈沖時間的全程，精確控制噴射器的燃料流。當電流從較高值下降到較低電平時，重要的是不會出現(xiàn)負尖峰。在第六段26期間，該線圈電壓快速下降到第五電壓電平，消耗掉在螺線管線圈18中的電磁能量，使電流下降為零。
現(xiàn)在參見圖1的總方框圖，該電路包括小電流信號處理系統(tǒng)20和帶有螺線管線圈18的電源變換系統(tǒng)28。小電流信號處理系統(tǒng)20包括噪音濾波器和整形器電路16，線圈激勵開關(guān)控制器30，偏置開關(guān)電路32，峰值電流檢測器和大電流靜止控制34，以及大電流偏移控制36。電源變換系統(tǒng)28包括可選線圈激勵電壓和控制系統(tǒng)38，電源開關(guān)Q2和線圈反向電壓控制系統(tǒng)40，它包括線圈電流反饋電阻R25。螺線管線圈18是指在該裝置中受控的螺線管，例如用于汽車中的高壓燃料噴射器。
參見圖1和圖5A所示的小電流信號處理電路20，一個圖2所示的輸入脈沖10施加到在噪聲濾波器和整形電路(或噪音濾波器)16中的輸入電阻R1上，噪聲濾波器16的作用是從輸入脈沖中除去任何不希望的噪聲和對提供給該電路的脈沖整形，噪聲濾波器16的輸出經(jīng)電阻R4送到輸入電阻R8和位于線圈激勵開關(guān)控制器30內(nèi)的第一比較器44的非反向輸入端42上，以及經(jīng)過第一和第二可變電阻R5和R6送到位于偏置變換電路32中的第一和第二開關(guān)控制晶體管Q3和Q4上。此外噪聲濾波器的輸出還提供到峰值檢測器34中的第二比較器52。當電流信號達到一預(yù)定值時，由第二比較器52發(fā)出一高電平輸出脈沖。
當輸入脈沖不存在時，一個高電平的反向輸入脈沖經(jīng)過二極管D6傳送到電流偏移控制，以確保偏移控制電路36中的輸出晶體管Q6在燃料噴射器脈沖開始時復(fù)位。此外，該反向輸入脈沖經(jīng)過一電阻R20連接到第一比較器44的反向輸入端54上以及調(diào)節(jié)第一個比較器44。
偏置開關(guān)電路32的輸出用于控制提供給線圈激勵開關(guān)控制器30的偏壓電平。當兩個開關(guān)控制晶體管Q3和Q4截止時，來自噪聲濾波器16的輸出脈沖控制如圖3所示的電壓波形12的峰值電平或第一時段21。當?shù)谝婚_關(guān)控制晶體管Q3導(dǎo)通時，在第二可變電阻R6的中間抽頭上的電壓為地電壓或第二電壓電平，噪聲濾波器16的輸出信號控制圖3的電壓波形12的峰值靜止電平或第三時段23，當?shù)诙_關(guān)控制晶體管Q4導(dǎo)通時，短接第二可變電阻R6，由第一可變電阻R5確定的電流控制圖4的電流波形14變?yōu)槲蛛娖交虻谌娏麟娖郊吹谖鍟r段25。
線圈激勵開關(guān)控制器30的輸出級是一個開關(guān)晶體管Q1，它控制位于線圈激勵開關(guān)中的開關(guān)電源晶體管Q2的工作。線圈激勵開關(guān)與一可選線圈激勵電壓和控制系統(tǒng)38相連接，接收各電壓的范圍，包括增壓或第一電壓電平，或正常或運行電壓電平，這些電壓通過線圈激勵開關(guān)晶體管Q2提供給螺線管線圈18。線圈激勵開關(guān)Q2的輸出與螺線管相連，通過二極管D2連接線圈反向電壓控制系統(tǒng)40，以及通過電阻R28連接到位于電流偏移控制電路36中的觸發(fā)器48的復(fù)位輸入端46上。
線圈反向電壓控制系統(tǒng)40接收晶體管Q5的柵極49的輸入信號，該信號包括來自電流偏移控制電路36的輸出晶體管Q6的信號，它使晶體管Q5導(dǎo)通，以便如電壓波形12的第二段22所示提供一大約為0.6伏的負箝位電壓，這個電壓等于二極管D2的壓降。線圈反向電壓控制系統(tǒng)40的作用是控制在電流波形14電流波形段21-26中流過螺線管線圈18的電流。
響應(yīng)流過線圈18的電流大小，由電阻R25兩端的電壓降產(chǎn)生一線圈電流反饋信號，這個電阻R25是與螺線管線圈串連連接的。這個反饋信號通過電阻R24送到峰值檢測器的峰值檢測電路35內(nèi)的第二比較器52的非反向輸入端50和送到大電流靜止控制電路34上。根據(jù)收到的噪聲濾波器輸出脈沖，第二比較器52允許電流達到一預(yù)定值或達到峰值，這由電阻R17-R19和電容器C6決定，從而由第二比較器52提供一高輸出脈沖。由第二比較器產(chǎn)生的高輸出送到第一開關(guān)控制晶體管Q3，使其導(dǎo)通，降低第一比較器44上的輸入電壓。此外，第二比較器52的輸出還送到可選線圈激勵電壓控制器38，以便中斷大電壓。在第二時段22中，峰值電流下降到峰值靜止電平，并且維持該電平，直到第一比較器44的非反向輸入42的電壓由于第二開關(guān)控制晶體管Q4的動作而降低為止。
線圈電流反饋信號也通過電阻R16送至位于線圈激勵開關(guān)控制電路30內(nèi)的第一比較器44的反向輸入端54。這個峰值電流檢測器35測出在電流波形14的第一時段21內(nèi)的最大電流值，這個電流驅(qū)動螺線管線圈18激勵圖中未示出的銜鐵裝置，使銜鐵從靜止位置移動。在電流波形14的第二和第三段22和23中的電流電平將繼續(xù)該銜鐵的運動直到其端部位置。
從峰值檢測電路35內(nèi)的第二比較器52的輸出送到峰值電流檢測器的大電流靜止控制電路37和大電流靜止控制電路34以及第一開關(guān)控制晶體管Q3的柵極56。第二比較器52的輸出還送到可選電壓和控制系統(tǒng)38，以便在電壓波形12的第一時段21結(jié)束時變換施加到線圈激勵開關(guān)Q2上的電壓，即從高電壓變成運行電壓。大電流靜止控制系統(tǒng)37的輸出信號是一延時信號，它提供到開關(guān)晶體管Q4的柵極58，并通過一包含電容C11和電阻R26的RC電路60傳送到位于電流偏移控制電路36中的觸發(fā)器48的設(shè)置輸入62上。這個經(jīng)大電流靜止的延時由圖中所示的電流波形14的第二和第三時段22和23表示。在第三段23的尾部，大電流靜止控制37的輸出信號提供給觸發(fā)器48的設(shè)置輸入端62，使輸出晶體管Q6導(dǎo)通，為線圈反向電壓控制電路40中的晶體管Q5的柵極49施加一正電壓。于是電壓波形12的第四段為負向波形，達到齊納二極管D3的極值，約為-70伏。
第一比較器44的輸出使線圈激勵開關(guān)Q1導(dǎo)通，向線圈18施加電壓，根據(jù)所接收的噪聲濾波器的輸出脈沖，第二比較器52允許電流信號在其達到一預(yù)定值時，由第二比較器52輸出一高輸出脈沖。這一來自第二比較器的高輸出作用到第一開關(guān)控制晶體管Q3，使其導(dǎo)通，降低第一比較器44上的輸入電壓，并且提供給可選線圈激勵電壓控制38，以中斷高電壓。峰值電流下降到峰值靜止電平，這時處于第二時段22中，并保持這一電壓電平直到由于第二開關(guān)控制晶體管Q4動作使第一比較器44的非反向輸入42上的電壓下降為止。
來自第二比較器的高電平輸出作用到一定時電路，在其過時(timing out)之后，使第二開關(guān)控制晶體管導(dǎo)通，降低施加到第一比較器的輸入端上的電壓電平。其結(jié)果是將螺線管電壓降到一吸持電壓。這個定時器的作用是提供從峰值電流電平到吸持電流電平的時間，即第二和第三電壓波形段的時間間隔，以提供足夠長時間周期的峰值靜止電流電平，充分地激勵該高壓噴射器。
線圈激勵開關(guān)控制電路的作用是控制線圈激勵電路中的電源開關(guān)晶體管。當輸入脈沖剛出現(xiàn)時，如前所述，它驅(qū)動激勵電壓選擇邏輯電路，提供一高壓到線圈激勵開關(guān)電路。同時，該輸入脈沖激勵該線圈激勵開關(guān)控制電路，通過第一比較器使低功率開關(guān)晶體管導(dǎo)通，使線圈激勵開關(guān)電路閉合。由于在線圈激勵開關(guān)上作用有增大的電壓，這個高壓在電壓波形的第一時段保持不變，直到峰值檢測器檢測出峰值電流，該線圈提供一信號截止該開關(guān)晶體管為止。
這個截止電壓作用到該線圈和通過與線圈18并聯(lián)的線圈反向電壓控制電路或抑制電路使電壓下降，降到大約-0.6伏，即電壓波形的第二段。該控制電路從第一比較器到低功率開關(guān)晶體管提供一個對該比較器的輸入的磁滯控制，這個磁滯作為第二時段的定時。一旦向第一比較器輸入的脈沖足以產(chǎn)生能導(dǎo)通開關(guān)晶體管的輸出信號，在該電路中反饋，如眾所周知的，使該開關(guān)晶體管導(dǎo)通，以及在第三段或峰值靜止時間內(nèi)截止。這種變換的作用是使電流維持在保證噴射器充分激勵的水平上。
當計時器超時后，作用在第一比較器上的偏壓改變，吸持電流偏移控制電路也設(shè)置為大電流狀態(tài)。這種操作用于控制線圈反向電壓控制電路。在電壓波形的第三段尾部，該開關(guān)晶體管截止，施加到該線圈上的電壓允許在該抑制電路的控制下降為一負電壓電平。這個抑制電路具有一場效應(yīng)晶體管，它可限制由于截止引起的電壓變化程度。觸發(fā)器48用于控制該場效應(yīng)晶體管，使大電流供給吸持電流偏移控制電路。觸發(fā)器48可以使該抑制電路提供一流過螺線管線圈的電流，該電流從峰值靜止電平下降到吸持電流電平，并且不會在第四段尾部出現(xiàn)負尖峰。當觸發(fā)器48超時后，該場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，并且開關(guān)晶體管也導(dǎo)通，向線圈施加工作電壓。
在第五時段期間，由于線圈激勵開關(guān)控制電路中出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，該開關(guān)晶體管工作在一種脈沖斷斷續(xù)續(xù)(On-off)方式下，這種方式持續(xù)直到輸入給噪聲濾波器的脈沖消失，且該開關(guān)晶體管截止為止。當抑制電路中的場效應(yīng)晶體管截止后，高壓齊納二極管允許線圈兩端的電壓從工作電壓變?yōu)樵擙R納二極管的負值，在本發(fā)明推薦的實施例中為75伏。于是消耗掉該線圈中的能量，該螺線管線圈去激，其銜鐵裝置返回其靜止位置。
輸入脈沖的消失，使該燃料噴射器驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)位到其正常狀態(tài)，為下一次接收控制輸入脈沖作好準備。
權(quán)利要求
1.一種電子電源控制系統(tǒng)，用于激勵一電磁螺線管激勵裝置，控制至少三種電流電平，即峰值，靜止電平和吸持電平，使這些電流作用于具有一銜鐵裝置的螺線管激勵裝置，該控制系統(tǒng)包括一輸入裝置，用于接收一指示螺線管激勵裝置的激勵時間的輸入脈沖，并產(chǎn)生一具有六個時間分段的激勵脈沖，前五個時段之和等于這個激勵時間；一線圈激勵開關(guān)控制器，可控地與所述輸入裝置連接，并響應(yīng)所述激勵脈沖的前沿，控制一開關(guān)在第一段時間周期內(nèi)對該螺線管激勵裝置施加一第一電壓，從而在該螺線管線圈中產(chǎn)生一電磁場，驅(qū)動銜鐵裝置開始運動，從其靜止位置移向其終端位置；峰值電流檢測器，根據(jù)流過該線圈的電流的大小，產(chǎn)生一表示峰值電流的電信號，所述電信號可控地消除所述第一電壓電平，在第二時段周期內(nèi)減小流過該線圈的電流；延時裝置，根據(jù)表示峰值電流的電信號，在所述延遲的末端產(chǎn)生一靜止電平電流電信號，所述電信號用于提供一正常電壓到該線圈上，從而在第三段預(yù)定時間周期內(nèi)維持該線圈內(nèi)已建立的電磁場，使銜鐵裝置繼續(xù)運動到其端部位置上；解耦裝置，根據(jù)所述延時電信號的后緣，去除加到該線圈上的第二電壓，并且在第四段預(yù)定時間周期內(nèi)將靜止電平電流減小到更小的吸持電流電平；根據(jù)所述小吸持電流電平施加所述正常電壓到該線圈的裝置，維持在該線圈內(nèi)形成的電磁場，使銜鐵裝置在第五段時間周期內(nèi)仍保持在其端部位置上；以及根據(jù)所述激勵脈沖的后沿去除該線圈上的所述正常電壓的裝置，以便在該線圈中的感生的電磁場能量使銜鐵裝置返回其靜止位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激勵電磁激勵裝置的電子電源控制系統(tǒng)，其中第一電壓電平是一個增壓，它比正常電壓高得多，正常電壓指用于操縱該電磁激勵裝置所需的基本電源電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激勵一電磁激勵裝置的電子電源控制系統(tǒng)，其中對第一電壓解耦，將極性相反的第一電壓通過負壓箝位至第二電壓電平，轉(zhuǎn)換成第三電壓電平。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的激勵一電磁激勵裝置的電子電源控制系統(tǒng)，其中第二電壓電平的值是零。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的激勵一電磁激勵裝置的電子電源控制系統(tǒng)，其中對正常電壓電平去耦，將極性相反的正常電壓通過負壓箝制到第二電壓電平，繼而轉(zhuǎn)換為第四電壓電平。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的激勵一電磁激勵裝置的電子電源控制系統(tǒng)，其中第二電壓電平的值是零，第三預(yù)定電壓值負向小于第四電壓電平，而后者負向小于第五電壓電平的值。
7.一種控制高速電磁螺線管激勵裝置的方法，例如裝在內(nèi)燃機中的高壓燃料噴射器，該方法包括的步驟是產(chǎn)生一激勵脈沖，該脈沖持續(xù)時間等于該裝置工作所需的總時間，這個時間間隔分成六個時段，前五個時段之和等于這一時間間隔；耦合，在激勵工作脈沖的第一段并且響應(yīng)該工作脈沖的前沿，有一第一電壓電平作用到該電磁激勵裝置上，產(chǎn)生一流過該裝置的電流，所述電流控制該裝置的銜鐵開始離開其靜止位置運動；在第一時段檢測電流的峰值；以及去耦合，根據(jù)檢出的峰值，去掉施加到該裝置上的第一電壓電平，在包括第二時段的時間周期內(nèi)，使電流減小到小于峰值的第二值，提供足夠的電源使銜鐵繼續(xù)運動；在第三時段周期中，施加一交替變換的正常電壓電平到該裝置上，使電流持續(xù)流過該螺線管線圈，以便維持該銜鐵向其端部位置的運動；在第四時段周期內(nèi)去掉作用到該裝置上的正常電壓電平，使電流從第二電流電平減小到第三電流值；在第五時段周期內(nèi)，將交變的正常電壓電平施加到該電磁激勵裝置上，使減小的第三電流值流過該線圈，從而磁吸持該銜鐵在其端部位置上；接著去掉作用到該裝置上的交變的正常電壓，在第六時段周期內(nèi)向該電磁激勵裝置施加一反極性電壓，作為第五電壓電平，消耗掉存在線圈內(nèi)的磁場，使銜鐵返回其靜止位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的控制高速電磁激勵裝置的方法，其中第一電壓電平是一增壓，比正常電壓電平大得多，正常電壓是指用于操縱該電磁激勵裝置所需的基本電源電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的控制高速電磁激勵裝置的方法，其中對第一電壓去耦合，將極性相反的第一電壓通過負壓箝位至第二電壓，再轉(zhuǎn)換成第三電壓電平。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的控制高速電磁激勵裝置的方法，其中第二電壓電平的值為零。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的控制高速電磁激勵裝置的方法，其中去掉正常電壓電平，將極性相反的正常電壓通過負壓箝制到第二電壓電平，繼而變?yōu)榈谒碾妷弘娖健?br> 12.根據(jù)權(quán)利要求11的控制高速電磁激勵裝置的方法，其中第三電壓電平的值負向小于第四電壓電平值，而后者負向小于第五電壓電平的值。
全文摘要
一種控制高速電磁螺線管激勵裝置(18)的系統(tǒng)和方法，這種裝置例如是電磁控制的高壓燃料噴射器，它要求一起動高電源電壓(21)驅(qū)動電磁銜鐵的運動，接著通過一中等電壓(23)維持該銜鐵運動直至其終端位置，和一低功率控制(25)保持該銜鐵在其終端位置上，當電源脈沖消失時，該銜鐵返回其靜止或起始位置。該系統(tǒng)的邏輯和控制分為六個電源控制時段(21-26)，包括電壓和電流控制，它不僅能使銜鐵從其初始位置高速移動到其終端位置，而且能使其高速返回其初始位置。
文檔編號F02D41/38GK1125494SQ94192499
公開日1996年6月26日 申請日期1994年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月18日
發(fā)明者R·E·韋伯 申請人:美國西門子汽車公司