随着电子控制技术的发展，高速电磁阀的引人，发动机燃油喷射系统的喷油量、喷油正时和喷油速率可以实现精确控制。为了使电磁阀快速准确地开启与关闭，除了阀体本身制作精密外，还需要一个高效的驱动方式。

一、高速电磁阀的驱动特性

与汽油机电磁阀驱动方式不同，柴油机高速电磁阀阻值低，线圈上电流大，为了降低其功率损耗，线圈的理想电流波形如图1所示。由于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强大的吸力来克服复位弹簧的拉力。电磁吸力与线圈电流成正比，在电磁阀结构参数一定的情况下，为了使电流在短时间内迅速增大，应尽可能提高驱动能量输人，即增大线圈电压，以实现电磁阀的快速开启。但大电流通过线圈必然会造成发热，为了避免电磁阀过热，阀门开启后应迅速将线圈电流下降到一个较小的数值，以维持阀门开启状态，这样既利于减小功耗，又便于及时关闭电磁阀，实现快速断油，此时的电流称为维持电流。

电磁阀线圈中这种先高后低的电流波形，可以大幅度降低功率损耗，保证整个喷油系统长期可靠运行。电磁阀开启阶段消耗的功率占总功耗的比例很大，与使用单一大电流工作方式相比，这种分段工作方式节省功率超过50％，并且随着电流维持阶段所占比例的增大，功率损耗还会进一步降低。

二、电磁阀驱动方式及仿真分析

1．电磁阀驱动电路形式

在电控燃油喷射系统中，为了得到理想的电磁阀控制电流波形，一般采用3种电路形式。

（1）可调电阻式

通过改变不同阶段电路回路中的电阻值，来实现对电流波形的控制。该电路维持电流调节方便，但在电流维持阶段的功率很大一部分消耗在分压电阻上，造成了功率的无效损耗，而且电阻受额定功率和尺寸的限制，在电路板上布置不便，不符合高集成度的要求。

（2）双电压式

控制电路通过改变工作过程不同阶段的工作电压幅值，达到提供较小维持电流，减小能量消耗的目的。因为要提供两种电压，受到电源形式限制，需要进行DC-DC变换，增加了整个电路的复杂性；而且电路易受到电源波动的影响，工作可靠性难以保证。

（3）脉宽调制式（PWM）

在该电路中，可以充分发挥微处理器的PWM功能，对驱动电路进行控制。ECU首先发出电磁阀打开初期的开启脉冲，线圈电流迅速增大；电磁阀开启后，电路立即转为PWM运转方式，由于PWM脉冲波的频率远远大于电磁阀响应频率，因此线圈上得到的脉冲流的时间平均就形成了维持电流，并可以通过调节PWM占空比进行控制PWM驱动控制波形如图2所示。与前两种电路相比，它可以达到很高的控制精度，是一种可以满足柔性控制要求的理想驱动方式。

2．PWM驱动方式仿真数学模型

本文基于HEUI-A喷油器（见图3）对高速电磁阀的PWM驱动方式进行了仿真分析。HEUI--A喷油器为Caterpillar公司用于电控中压共轨系统的关键部件，控制器ECU通过打开和关闭喷油器中的高速电磁阀直接实现喷油控制。当ECU发出控制信号打开电磁阀时，高压共轨油便进人增压活塞的上腔；随着活塞的下移，活塞下腔为了得到如图2所示的PWM控制脉冲波形，仿真中利用了4个方波信号源进行了组合，并对整个系统进行了封装，这样可以对影响电流波形的参数方便地进行调节，利用显示模块对仿真结果进行的燃油压力升高，喷油器针阀打开，喷油开始；燃油喷射一直持续到喷油控制脉冲结束。高速电磁阀的驱动性能直接影响着燃油喷射品质。

电磁阀的数学方程包括电路方程、磁路方程和运动方程。当施加电压U时，线圈电流满足方程

U=iR＋Ldi/dt，式中，R为线圈电阻，L为线圈电感量。

线圈电流的变化引起磁通的变化，根据基尔霍夫磁压定律可以得出磁路计算模型，即

NkI=φ6（2R0＋Rf＋ΣRm），

式中，Nk=N／K，N为线圈匝数，K为线圈绕组个数；I为线圈电流；φ6为工作气隙磁通；R6为工作气隙磁阻，R6=6x／uoA，uo为真空中的磁导率，A为有效面积，少二为衔铁在运动过程中与铁芯的空气间隙，6x=gmax一xgmax为衔铁在释放时的最大气隙，x为衔铁的位移；Rf为非工作磁路磁阻；Rm为导磁体磁阻。

利用得到的磁通，根据麦克斯韦电磁吸力公式，可以计算出电磁阀吸力

Fmag=kyφ/uoA，

式中，入为修正系数，φ为单线圈磁通。

电磁阀的运动方程为

式中，m为电磁阀运动部件的质量；Ks为电磁阀弹簧的刚度；x0为电磁阀弹簧的预紧长度；Cu为电磁阀运动过程中的速度阻尼系数。

对上述方程进行求解，就可以获得电磁阀的动态响应特性。本文利用Matlab/Simulink软件对电磁阀PWM驱动方式的线圈电流特性进行了仿真分析，仿真结构如图4所示。

3．仿真结果分析

以HEUI-A喷油器参数为基础，仿真了发动机转速为600r/min,喷油持续期为4ms时，一个喷射循环中电磁阀线圈上的电流变化。

（1）线圈电压的影响

对线圈施加不同电压，可以看出电压对电磁阀快速响应特性的影响。如图5所示，当线圈电压较小时，虽然实现了先高后低的电流波形，但电流无法在0.3ms的开启脉冲内上升到一个较大的数值使电磁铁获得足够的吸力打开电磁阀；当线圈电压增大到60V时，线圈电流最大达到7A,超过了电磁阀开启所需的最小电流6A,电磁阀顺利打开；电压升高到110V,达到开启电流所需的时间从0.24ms降到0.13mso由此可见，线圈电压的增大加快了电流上升速度，有助于实现电磁阀的快速开启。

（2）开启脉冲的影响

线圈电压保持在60V,改变开启脉冲的大小得到的电流波形如图6所示。电磁阀开启阶段脉宽从0.3ms增加到2rns,线圈电流迅速增长；线圈的阻值决定其最大电流为20A左右，电流上升规律主要由电磁阀的感性负载特性决定。电磁阀开启以后，过大的电流将产生不必要的功率损耗，所以，电路除了需要高电压驱动之外，还需要选择合适的开启脉宽，以保证线圈能够在较短的时间内获得足够的开启电流，同时避免因时间延长产生大电流而造成的阀体过热。

（3）占空比的影响

从图7可以看出改变PWM占空比所引起的电流波形变化。此时，开启脉冲为0.3ms,线圈电压为60V,随着PWM占空比的增大，维持电流会随之变大。当占空比超过50％时，线圈电流增长迅速，其波形与延长开启脉冲时基本一致，造成了功率损耗过多；但占空比也不宜太小，因为小电流不能确保稳定地维持电磁阀开启状态。占空比的选择应能使维持电流为2A左右。结合图5和图6占空比保持不变时的电流波形可知，维持电流不受开启脉冲的影响，其大小是由线圈电压和PWM占空比共同决定的，线圈电压增大时，应适当减小占空比，以实现良好的驱动特性。

（4）PWM脉冲频率的影响

PWM脉冲频率对维持电流稳定性起着决定性的作用（见第51页图8）。频率为5kHz时的维持电流波动很大，不利于整个喷射系统的稳定运行；频率为50kHz时的电流相当平稳，但频率过大增加了系统设计的硬件负担；采用20kHz便能实现很好的控制效果。

（5）与实测结果的比较

HEUI-A喷油器驱动电路设计时采用了M0－torola的MC68HC08GP32单片机，充分利用了该单、片机的PWM信号输出功能，与逻辑控制相结合，并使用NMOS管进行了功率放大。第51页图9为各控制参数保持一致时，仿真与实测电流波形的比较。由图可见，仿真较好地模拟了实际情况，所不同的是，实际电流的上升速度相对较慢且卸放迅速，这是因为使用了二极管泻流电路；另外，实测线圈电流易受负载变化影响而产生波动，电路改进设计时，应与电流负反馈控制相结合，以增强系统抗干扰能力。

三、结论

高速电磁阀线圈上先高后低的电流波形可以大幅度降低线圈功率损耗，利用PWM驱动方式能够灵活准确地完成对电流波形的调控；

基于HEUI-A喷油器参数，利用Matlab软件对高速电磁阀的PWM驱动方式进行了系统仿真，很好地实现了线圈电流的模拟，仿真结果与试验结果基本一致；

增大线圈电压提高了电磁阀的开启速度；合适的开启脉冲可以保证快速响应性而不至于使线圈电流过大；PWM占空比是维持电流的主要决定因素；PWM脉冲频率影响电流的稳定性，理想电流波形的获得需要几方面的协同调节；高速电磁阀的PWM驱动方法可控性强，是一种可以满足高精度要求的控制方法。