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技术领域

本发明涉及一种驱动电流控制电路，尤其是一种柴油机压电陶瓷喷油器的驱动电流控制电路，属于柴油机压电陶瓷喷油系统的技术领域。

背景技术

对于柴油机喷油器，西门子公司介入压电系统驱动较早，首先提出基本驱动结构；BOSH公司结合整车系统，提出许多实际控制的优化方案等；电流控制方案一般都是采用可变PWM驱动，控制驱动从小脉冲到较大脉冲驱动的过程，参考文献如US8074626B2，JP04615967B2；或者可变占空比控制PWM驱动模式，参考文献如EP1772952B1。电流控制方式基本都是通过硬件采样比较后与PWM直接耦合，在极端情况下（如高转速多次喷射要求）功率器件热损耗较严重。

目前，国外由于压电材料的特殊性已经攻关成功，基本只需要对执行器的大电流做一般性质的保护控制即可。即使存在电流控制，也是通过基于采样电阻的电压反馈配合MCU的PWM控制来实现基本的电流控制，电流控制的精度有限。而国内的执行器目前不能承受很高的电流冲击，需要对电流做更加精确的控制。有的方案也采用采样电阻反馈控制电流，但是要将电流控制在较低值时，系统损耗较大，发热严重，没有锁存器的过渡耦合，开关频率高，器件发热严重，电磁干扰也较严重。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种柴油机压电陶瓷喷油器的驱动电流控制电路，其结构紧凑，能实现对驱动电流的精确控制，确保驱动电流的一致性，降低开关损耗，提高电控系统的可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述柴油机压电陶瓷喷油器的驱动电流控制电路，包括第一处理器以及压电陶瓷执行器；所述压电陶瓷执行器的高压端与高压充电开关管T1的源极端连接以及与放电开关管T2的漏极端连接，放电开关管T2的源极端接地；所述压电陶瓷执行器的低压端与用于对所述压电陶瓷执行器的工作电流采样的采样阈值处理电路连接，所述采样阈值处理电路与电流控制电路连接，电流控制电路通过逻辑驱动电路分别与高压充电开关管T1的栅极端、放电开关管T2的栅极端连接；

第一处理器与电流控制电路连接，并能向电流控制电路输入高频捕获使能信号；当压电陶瓷执行器上的工作电流与采样阈值处理电路中预设电流阈值不匹配时，采样阈值处理电路向电流控制电路输出阈值电流控制触发信号，电流控制电路通过高频捕获使能信号能有效捕获采样阈值电路输出的阈值电流控制触发信号，电流控制电路根据捕获的阈值电流控制触发信号输出电流控制信号，逻辑驱动电路根据电流控制信号调节高压充电开关管T1、放电开关管T2相应的开关状态，以使得压电陶瓷执行器的工作电流与预设电流阈值相匹配。

所述第一处理器与采样阈值处理电路连接，第一处理器能向采样阈值处理电路传输电流调节控制信号，以通过所述电流调节控制信号调整采样阈值处理电路内的预设电流阈值。

所述压电陶瓷执行器的高压端通过电感选通电路与高压充电开关管T1的源极端连接以及与放电开关管T2的漏极端连接，压电陶瓷执行器的低压端通过采样电阻R1接地，采样阈值处理电路与采样电阻R1连接，以通过采样电阻R1采集压电陶瓷执行器的工作电流；第一处理器能向电感选通电路输入电感选通信号，电感选通电路根据电感选通信号能调节与所述压电陶瓷执行器连接的电感值。

所述采样阈值处理电路包括用于对压电陶瓷执行器的工作电流进行采样的电流采样电路以及用于对电流采样电路采样的工作电流进行比较处理的阈值控制电路；阈值控制电路内具有预设电流阈值，当采样的工作电流与预设电流阈值不匹配时，阈值控制电路向电流控制电路输出阈值电流控制触发信号。

所述电流控制电路包括第二处理器以及锁存器，所述第二处理器、锁存器均接收采样阈值处理电路输出的阈值电流控制触发信号，且第二处理器同时接收第一处理器输出的高频捕获使能信号；在高频捕获使能信号作用下，当第二处理器同时接收到阈值电流控制触发信号时，第二处理器能向锁存器输出工作电流控制触发信号，锁存器根据工作电流控制触发信号以及阈值电流控制触发信号输出电流控制信号，以使得逻辑驱动电路根据电流控制信号调节高压充电开关管T1以及放电开关管T2的开关状态。

所述逻辑驱动电路包括第一与门U1以及第二与门U2，第一与门U1的一输入端、第二与门U2的一输入端均与电流控制电路的输出端连接，第一与门U1的另一输入端与第一处理器的输出端连接，以接收第一处理器输出的高压开关充电信号；第二与门U2的另一输入端与第一处理器的输出端连接，以接收第一处理器输出的放电管工作触发信号；第一与门U1的输出端与高压充电开关管T1的栅极端连接，第二与门U2的输出端与放电开关管T2的栅极端连接；

第一与门U1能根据第一处理器输出的高压开关充电信号驱动开启高压充电开关管T1，并能根据电流控制电路输出的电流控制信号关断高压充电开关管T1；第二与门U2能根据第一处理器输出的放电管工作触发信号驱动开启放电开关管T2，并能根据电流控制电路输出的电流控制信号关断放电开关管T2。

所述电流控制电路的输出端与第一处理器连接，以向第一处理器输出电流控制信号；第一处理器能对电流控制信号进行计数，当第一处理器的计数值达到预设计数值时，第一处理器能通过逻辑驱动电路同时关断高压充电开关管T1以及放电开关管T2。

所述电感选通电路包括电感L1以及电感L2，电感L1的一端与二极管D1的阳极端、二极管D2的阴极端、开关管Q1的漏极端、高压充电开关管T1的源极端以及放电开关管T2的漏极端连接，电感L1的另一端与二极管D3的阳极端以及二极管D4的阴极端连接，二极管D2的阳极端以及二极管D4的阳极端均接地，二极管D1的阴极端、二极管D1的阴极端、二极管D3的阴极端均与高压源VCC_BOOST连接；开关管Q1的栅极端通过自举电路与第一处理器的输出端连接，以接收第一处理器输出的电感选通信号；电感L2的一端与开关管Q1的源极端以及二极管D5的阴极端连接，电感L2的另一端与二极管D6的阳极端连接，二极管D5的阳极端接地，二极管D6的阴极端与高压源VCC_BOOST连接。

所述第二处理器包括CPLD处理器U4以及反相器U3，所述反相器U3与采样阈值控制电路的输出端连接，反相器U3的输出端与CPLD处理器U4的输入端连接，CPLD处理器U4还接收第一处理器输出的高频捕获使能信号，CPLD处理器U4能向锁存器输出工作电流控制触发信号。

所述采样阈值处理电路包括放大器U6，所述放大器U6的同相端与电阻R2的一端连接，放大器U6的反相端与电阻R3的一端以及电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端与放大器U6的输出端以及电阻R5的一端连接，电阻R5通过电阻R10与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与电容C1的一端、比较器U7的反相端以及电阻R12的一端连接，电容C1的另一端与比较器U7的同相端、电阻R9的一端以及电阻R8的一端连接，电阻R9的另一端与DA模块连接，电阻R8的另一端与三极管Q2的集电极端连接，三极管Q2的发射极端接地，三极管Q2的基极端与电阻R6的一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接地；电阻R12的另一端与比较器U7的输出端、电阻R13的一端以及电阻R14的一端连接，电阻R13的另一端与+3.3V电压连接。

本发明的优点：压电陶瓷执行器与电感选通电路连接，电感选通电路通过电感选通信号调节与所述压电陶瓷执行器连接的电感值，从而能改变压电陶瓷执行器在工作时的电流变换，实现不同的电流响应时间；阈值控制电路能将压电陶瓷执行器的工作电流与预设电流阈值比较，并能输出阈值电流控制触发信号，第一处理器能调整阈值控制电路内的预设电流阈值，从而能使得压电陶瓷执行器具有不同的峰值电流，使得驱动过程为一个渐变过程，第二处理器采用CPLD处理器，CPLD处理器在高频捕获使能信号作用下对阈值电流控制触发信号的捕捉，锁存器根据工作电流控制触发信号对阈值电流控制触发信号进行锁存并输出电流控制信号，逻辑驱动电路采用两个与门，通过电流控制信号实现对高压充电开关管、放电开关管的开关状态控制，，能实现对驱动电流的精确控制，确保驱动电流的一致性，降低开关损耗，提高电控系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明电感选通电路的电路原理图。

图3为本发明电流控制电路的电路原理图。

图4为本发明采样阈值处理电路的电路原理图。

附图标记说明：1-第一处理器、2-电感选通电路、3-压电陶瓷执行器、4-采样阈值处理电路、5-电流采样电路、6-阈值控制电路、7-电流控制电路、8-第二处理器、9-锁存器、10-自举电路以及11-DA模块。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能实现对驱动电流的精确控制，确保驱动电流的一致性，降低开关损耗，提高电控系统的可靠性，本发明包括第一处理器1以及压电陶瓷执行器3；所述压电陶瓷执行器3的高压端与高压充电开关管T1的源极端连接以及与放电开关管T2的漏极端连接，放电开关管T2的源极端接地；所述压电陶瓷执行器3的低压端与用于对所述压电陶瓷执行器3的工作电流采样的采样阈值处理电路4连接，所述采样阈值处理电路4与电流控制电路7连接，电流控制电路7通过逻辑驱动电路分别与高压充电开关管T1的栅极端、放电开关管T2的栅极端连接；

第一处理器1与电流控制电路7连接，并能向电流控制电路7输入高频捕获使能信号；当压电陶瓷执行器3上的工作电流与采样阈值处理电路4中预设电流阈值不匹配时，采样阈值处理电路4向电流控制电路7输出阈值电流控制触发信号，电流控制电路7通过高频捕获使能信号能有效捕获采样阈值电路4输出的阈值电流控制触发信号，电流控制电路7根据捕获的阈值电流控制触发信号输出电流控制信号，逻辑驱动电路根据电流控制信号调节高压充电开关管T1、放电开关管T2相应的开关状态，以使得压电陶瓷执行器3的工作电流与预设电流阈值相匹配。

具体地，压电陶瓷执行器3为共轨系统中压电陶瓷喷油器的执行器，高压充电开关管T1的源极端与高压源VCC_BOOST连接，高压充电开关管T1与放电开关管T2均采用MOS管。当高压充电开关管T1开启工作时，高压源VCC_BOOST能对压电陶瓷执行器3进行充电，当放电开关管T2开启工作时，能对压电陶瓷执行器3进行放电，在压电陶瓷执行器3的一个周期中，高压充电开关管T1与放电开关管T2不会存在同时开启工作的状态，高压充电开关管T1与放电开关管T2之间的导通时间间隔即为喷油脉宽。第一处理器1采用常用的微处理芯片或集成电路，如单片机等，第一处理器1能够通过逻辑驱动电路以及电流控制电路7来实现对高压充电开关管T1、放电开关管T2的开关状态的控制与调节。

本发明实施例中，压电陶瓷执行器3的工作电流包括充电工作电流以及放电工作电流，压电陶瓷执行器3上的工作电流与采样阈值处理电路4中预设电流阈值不匹配是指所述压电陶瓷执行器3的工作电流大于预设电流阈值，即充电工作电流或放电工作电流大于预设电流阈值，此时采样阈值电路4能向电流控制电路7输出阈值电流控制触发信号；其中，采样阈值处理电路4内的预设电流阈值可以根据不同压电陶瓷执行器3的工作选择设定，具体过程及设置为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。第一处理器1一直向电流控制电路7输出高频捕获使能信号，电流控制电路7在高频捕获使能信号作用下，能对阈值电流控制触发信号进行捕获，并根据阈值电流控制触发信号输出电流控制信号。

逻辑驱动电路根据电流控制信号调节高压充电开关管T1、放电开关管T2相应的开关状态，具体是指，当高压充电开关管T1开启使得压电陶瓷执行器3在充电阶段，且压电陶瓷执行器3上的充电工作电流大于预设电流阈值时，逻辑驱动电路关断高压充电开关管T1；当放电开关管T2开启使得压电陶瓷执行器3在放电阶段，且压电陶瓷执行器3上的放电工作电流大于预设电流阈值时，逻辑驱动电路关断放电开关管T2，使得压电陶瓷执行器3的充电工作电流、放电工作电流与预设电流阈值匹配，实现对压电陶瓷执行器3工作电流的精确控制。此外，本发明实施例中，充电工作电流、放电工作电流与预设电流阈值匹配，也可以为充电工作电流、放电工作电流与预设电流阈值之间的差值处于一个许可的误差范围内，具体为本技术领域人员所熟知，具体不再赘述。

进一步地，所述第一处理器1与采样阈值处理电路4连接，第一处理器1能向采样阈值处理电路4传输电流调节控制信号，以通过所述电流调节控制信号调整采样阈值处理电路4内的预设电流阈值。

在柴油机压电陶瓷喷油器的实际应用中，采样阈值处理电路4在不同阶段需要设置不同的预设电流阈值，为了能够不同预设电流阈值，本发明实施例中，第一处理器1与采样阈值处理电路4连接，采样阈值处理电路4能根据电流调节控制信号来调整预设电流阈值，从而能够适应不同阶段对于压电陶瓷执行器3的工作电流控制。

所述采样阈值处理电路4包括用于对压电陶瓷执行器3的工作电流进行采样的电流采样电路5以及用于对电流采样电路5采样的工作电流进行比较处理的阈值控制电路6；阈值控制电路6内具有预设电流阈值，当采样的工作电流与预设电流阈值不匹配时，阈值控制电路6向电流控制电路7输出阈值电流控制触发信号。

如图4所示，所述采样阈值处理电路4包括放大器U6，所述放大器U6的同相端与电阻R2的一端连接，放大器U6的反相端与电阻R3的一端以及电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端与放大器U6的输出端以及电阻R5的一端连接，电阻R5通过电阻R10与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与电容C1的一端、比较器U7的反相端以及电阻R12的一端连接，电容C1的另一端与比较器U7的同相端、电阻R9的一端以及电阻R8的一端连接，电阻R9的另一端与DA模块11连接，电阻R8的另一端与三极管Q2的集电极端连接，三极管Q2的发射极端接地，三极管Q2的基极端与电阻R6的一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接地；电阻R12的另一端与比较器U7的输出端、电阻R13的一端以及电阻R14的一端连接，电阻R13的另一端与+3.3V电压连接。

具体地，放大器U6、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及R5构成电流采样电路5，DA模块11以及三极管Q2形成预设电流阈值的调整部分，比较器U7的部分用于将电流采样电路5得到的工作电流与预设电流阈值比较。当工作电流大于预设电流阈值时，比较器U7通过电阻R14输出一个阈值电流控制触发信号，即为I_control1，由于电流采样电路5与比较器U7的反相端连接，因此，阈值电流控制触发信号是一个低电平信号。

电阻R2的一端与放大器U6的同相端连接，电阻R2的另一端与压电陶瓷执行器3的低压端以及采样电阻R1连接，放大器U6的正电源端接5V电压，放大器U6的负电源端接地。比较器U7的正电源端与+5V电压连接，且比较器U7的正电源端通过电容C2接地，电阻R14的一端与比较器U7的输出端连接，电阻R14的另一端与电流控制电路7连接。DA模块11与第一处理器1的输出端连接，三极管Q2的基极端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端也与第一处理器1的输出端连接。DA模块11接收第一处理器1输出的电流调节控制信号，DA模块11根据电流调节控制信号能输出0~5V的一个电压，所述电压通过电阻R9加载在比较器U7的同相端。电阻R6的另一端与第一处理器1连接后，第一处理器1输出的电流转换信号，电流转换信号即为PEAK_EN1作用驱动三极管Q2，当三极管Q2的驱动导通后，能够与DA模块11配合，将比较器U7同相端的比较器提高，即能快速有效调节阈值控制电路6内的预设电流阈值。

进一步地，为了能够调节压电陶瓷执行器3的工作电流的变化曲线，所述压电陶瓷执行器3的高压端通过电感选通电路2与高压充电开关管T1的源极端连接以及与放电开关管T2的漏极端连接，压电陶瓷执行器3的低压端通过采样电阻R1接地，采样阈值处理电路4与采样电阻R1连接，以通过采样电阻R1采集压电陶瓷执行器3的工作电流；第一处理器1能向电感选通电路2输入电感选通信号，电感选通电路2根据电感选通信号能调节与所述压电陶瓷执行器3连接的电感值。

如图2所示，所述电感选通电路2包括电感L1以及电感L2，电感L1的一端与二极管D1的阳极端、二极管D2的阴极端、开关管Q1的漏极端、高压充电开关管T1的源极端以及放电开关管T2的漏极端连接，电感L1的另一端与二极管D3的阳极端以及二极管D4的阴极端连接，二极管D2的阳极端以及二极管D4的阳极端均接地，二极管D1的阴极端、二极管D1的阴极端、二极管D3的阴极端均与高压源VCC_BOOST连接；开关管Q1的栅极端通过自举电路10与第一处理器1的输出端连接，以接收第一处理器1输出的电感选通信号；电感L2的一端与开关管Q1的源极端以及二极管D5的阴极端连接，电感L2的另一端与二极管D6的阳极端连接，二极管D5的阳极端接地，二极管D6的阴极端与高压源VCC_BOOST连接。

本发明实施例中，自举电路10能够接收电感选通信号，通过自举电路10能够驱动开关管Q1。当高压充电开关管T1导通后，由于高压充电开关管T1的源极端电感L1的一端连接，电感L2的另一端与二极管D6阳极端相连的一端与压电陶瓷执行器3的高压端连接，因此，高压源VCC_BOOST通过高压充电开关管T1的源极端以及电感L1能对压电陶瓷执行器3的高压端进行充电。当需要调节与压电陶瓷执行器3连接的电感值时，第一处理器1通过电感选通信号以及自举电路10驱动开关管Q1导通，开关管Q1导通后，电感L1与电感L2实现并联，从而实现了调整与压电陶瓷执行器3连接的电感值。二极管D1~二极管D6能够实现有效的保护。

所述电流控制电路7包括第二处理器8以及锁存器9，所述第二处理器8、锁存器9均接收采样阈值处理电路4输出的阈值电流控制触发信号，且第二处理器8同时接收第一处理器1输出的高频捕获使能信号；在高频捕获使能信号作用下，当第二处理器8同时接收到阈值电流控制触发信号时，第二处理器8能向锁存器9输出工作电流控制触发信号，锁存器9根据工作电流控制触发信号以及阈值电流控制触发信号输出电流控制信号，以使得逻辑驱动电路根据电流控制信号调节高压充电开关管T1以及放电开关管T2的开关状态。

如图3所示，所述第二处理器8包括CPLD处理器U4以及反相器U3，所述反相器U3与采样阈值控制电路4的输出端连接，反相器U3的输出端与CPLD处理器U4的输入端连接，CPLD处理器U4还接收第一处理器1输出的高频捕获使能信号，CPLD处理器U4能向锁存器9输出工作电流控制触发信号。

具体地，第二处理器8采用CPLD，利用CPLD处理器U4能有效地对高频捕获使能信号进行捕获，同时，通过CPLD处理器U4能对采样阈值处理电路4输出的阈值电流控制触发信号进行捕获。反相器U3的输入端用于接收阈值电流控制触发信号，通过反相器U3反向后，能在CPLD处理器U4内得到一个高电平，此时CPLD（Complex Programmable Logic Device）处理器U4能向锁存器9输入工作电流控制触发信号，所述工作电流控制触发信号与锁存器9的SCK端连接，以作为锁存器9的时钟信号。锁存器9的电源端与+5V电压连接，锁存器9的输入端与阈值电流控制触发信号连接，当工作电流控制触发信号有效，锁存器9能将阈值电流控制触发信号进行锁存输出，即能输出电流控制信号。在锁存器9的锁存时间内，电流控制信号有效，当电流控制信号有效时，通过逻辑驱动电路能关断高压充电开关管T1或关断放电开关管T2，实现了对压电陶瓷执行器3的充电电流以及放电电流的控制，锁存器9的锁存时间可以根据需要进行设定，锁存器9的锁存时间为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。本发明实施例中，通过CPLD处理器U4对阈值电流控制触发信号捕获，锁存器9对阈值电流控制触发信号进行锁存，且在锁存器9的锁存时间内，能保持电流控制信号的不变有效，能够提高压电陶瓷执行器3的工作电流的控制精度，能够降低电流调制的功耗以及系统资源开销。

所述逻辑驱动电路包括第一与门U1以及第二与门U2，第一与门U1的一输入端、第二与门U2的一输入端均与电流控制电路7的输出端连接，第一与门U1的另一输入端与第一处理器1的输出端连接，以接收第一处理器1输出的高压开关充电信号；第二与门U2的另一输入端与第一处理器1的输出端连接，以接收第一处理器1输出的放电管工作触发信号；第一与门U1的输出端与高压充电开关管T1的栅极端连接，第二与门U2的输出端与放电开关管T2的栅极端连接；

第一与门U1能根据第一处理器1输出的高压开关充电信号驱动开启高压充电开关管T1，并能根据电流控制电路7输出的电流控制信号关断高压充电开关管T1；第二与门U2能根据第一处理器1输出的放电管工作触发信号驱动开启放电开关管T2，并能根据电流控制电路7输出的电流控制信号关断放电开关管T2。

本发明实施例中，第一与门U1的输入端能分别接收第一处理器1输出的高压开关充电信号以及锁存器9输出的电流控制信号，当高压开关充电信号为高电平有效时，第一与门U1的输出端能驱动开启高压充电开关管T1；而锁存器9输出的电流控制信号有效时，第一与门U1的输出端能关断高压充电开关管T1。第二与门U2中，当第二与门U2接收的放电管工作触发信号有效时，第二与门U2的输出端能驱动开启放电开关管T2，此时，压电陶瓷执行器3能通过放电开关管T2进行放电阶段。当压电陶瓷执行器3在放电阶段且锁存器9输出的电流控制信号有效时，第二与门U2能关断放电开关管T2，避免压电陶瓷执行器3上的放电电流超过预设电流阈值。

进一步地，所述电流控制电路7的输出端与第一处理器1连接，以向第一处理器1输出电流控制信号；第一处理器1能对电流控制信号进行计数，当第一处理器1的计数值达到预设计数值时，第一处理器1能通过逻辑驱动电路同时关断高压充电开关管T1以及放电开关管T2。

本发明实施例中，第一处理器1内的预设计数值可以根据需要进行选择设定，电流控制电路7内锁存器9的输出端同时连接到第一处理器1的输入端，当锁存器9输出的电流控制信号有效时，第一处理器1即计数，当计数值达到预设计数值时，第一处理器1通过第一与门U1、第二与门U2同时关断高压充电开关管T1以及放电开关管T2，对压电陶瓷执行器3进行保护。

本发明压电陶瓷执行器3与电感选通电路2连接，电感选通电路2通过电感选通信号调节与所述压电陶瓷执行器3连接的电感值，从而能改变压电陶瓷执行器3在工作时的电流变换，实现不同的电流响应时间；阈值控制电路6能将压电陶瓷执行器3的工作电流与预设电流阈值比较，并能输出阈值电流控制触发信号，第一处理器1能调整阈值控制电路6内的预设电流阈值，从而能使得压电陶瓷执行器3具有不同的峰值电流，使得驱动过程为一个渐变过程，第二处理器8采用CPLD处理器U4，CPLD处理器U4在高频捕获使能信号作用下对阈值电流控制触发信号的捕捉，锁存器9根据工作电流控制触发信号对阈值电流控制触发信号进行锁存并输出电流控制信号，逻辑驱动电路采用两个与门，通过电流控制信号实现对高压充电开关管T1、放电开关管T2的开关状态控制，，能实现对驱动电流的精确控制，确保驱动电流的一致性，降低开关损耗，提高电控系统的可靠性。