第４Ｏ卷第３期 ２０１７年９月 上海船舶运输科学研究所学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡｌ ＳＨｌＰ ＡＮＤ ＳＨＩＰＰＩＮＧ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ Ｖｏ１．４０ ＮＯ．３ Ｓｅｐ．２０１７
文章编号：１６７４－５９４９（２０１７）０３—００３８－０４
基于ＭＣ３３８１ ６芯片的高速电磁阀驱动软件设计
谢木森， 马 帅， 涂撰， 华 金， 冯 宁
（上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海２００１３５）
摘要：基于上海船舶运输科学研究所自主研制的高速电磁阀驱动板的驱动软件设计，采用ＭＣ３３８１６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ 开发软件设计了双电源、双维持型式的电磁阀驱动电流波形。ＭＣ３３８１６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ软件可灵活设定Ｖｂｏｏｓｔ电压 值、强激电流、峰值维持电流、低压维持电流、峰值维持时间和低压电流维持时间等关键参数和ＭＣ３３８１６芯片内部 的高频Ａ／Ｄ采样反馈可精确调制出电磁阀驱动电流波形，在该软件基础上成功开发了高速电磁阀的驱动程序，并 进行ＨＨＭ３４０新型船用低速柴油机的单缸机台架实证，验证了该驱动程序的优良性能。 关键词：ＭＣ３３８１６芯片；ＭＣ３３８１６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ；燃油喷射阀驱动 中图分类号：ＴＫ４２３ 文献标志码：Ａ
Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｓｏｌｅｎｏｉｄ
Ｖａｌｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣ３３８１６ Ｃｈｉｐ
ＸＩＥ Ｍｕｓｅｎ，ＭＡ Ｓｈｕａｉ， ＴＵ Ｚｈｕａｎ，ＨＵＡ Ｊｉｎ，ＦＥＮＧ Ｎｉｎｇ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｏｌｏｇｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｈｉｐ＆
Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｈｉｐ ａｎｄ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｄｕａｌ—ｐｏｗｅｒ－ａｎｄ—ｄｕａｌ—ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ ｄｒｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ＭＣ３３８１６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｔｅｈ ｃａｎ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ｓｅｔ ｔｈｅ Ｖｂｏｏｓｔ ｖｏｌｔａｇｅ，１一ｂｏｏｓｔ ｃｕｒｒｅｎｔ，１一ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ，Ｉ—ｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ，Ｔ— ｐｅａｋ ｔｉｍｅ，Ｔ ｈｏｌｄ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＭＣ３３８１６ ｃａｎ ｍｏｄｕｌａｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｈｉｇｈ ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ Ａ／Ｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ ｏｆ ＨＨＭ３４０ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＣ３３８１６ ｃｈｉｐ；ＭＣ３３８１６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ；ｆｕｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ ｄｒｉｖｅ
０ 引 言
燃油喷射电磁阀的驱动技术作为柴油机燃油喷射电控系统的核心技术，其优化是提升柴油机燃烧质量
的关键，直接影响着燃油喷射系统乃至整个柴油发动机的动力性能。上海船舶运输科学研究所运用嵌入式
技术，研制了一款基于飞思卡尔ＭＣ３３８１６芯片的电磁阀驱动模块，该驱动模块具有响应速度快和驱动能力
强等优点，能满足目前大多数常见的高速开关电磁阀的驱动需求。
这里采用ＭＣ３３８１６芯片的专用软件开发环境ＭＣ３３８１６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ，设计一种双电源、双维持型式的电 磁阀驱动电流波形。将该电磁阀驱动系统在ＨＨＭ３４０新型船用低速电喷柴油发动机的单缸机试验台架上
进行９００ ｂａｒ高油压的燃油喷射试验，验证其工作性能。
收稿日期：２０１７—０５—２５ 作者简介：谢木森（１９９１－－），男，山东淄博人，硕士，主要从事嵌入式设备研发工作。
谢木森，等：基于ＭＣ３３８１６芯片的高速电磁阀驱动软件设计 ３９
１ 电磁阀驱动程序设计
１．１高速电磁阀的驱动原理
根据高速电磁阀的响应特性，设计一种新型双电压、双维持的驱动电流波形，以实现对高速喷油阀的快
速启闭控制。燃油喷射电磁阀的电阻一般较小，通过电流驱动可保证电磁阀响应的快速性，利用较大的强激 电流实现对电磁阀的快速开启，待电磁阀完全打开后，转而利用较小的维持电流保证电磁阀的稳定开启。
当芯片ＳＴＡＲＴｘ引脚采集到上升沿信号时，通过Ｖｂｏｏｓｔ强激电压产生大电流并维持一定时间，可保证
高速电磁阀的完全开启，再经过Ｂｙｐａｓｓ大电流衰减阶段，切换至２４ Ｖ电源供电，利用较小的Ｈｏｌｄ维持电 流，保持高速电磁阀的开启状态，Ｈｏｌｄ维持阶段直到芯片ＳＴＡＲＴｘ引脚采集到下降沿信号结束，进入Ｅｎｄ
截止阶段结束单个喷油过程。驱动高速电磁阀的目标双电压、双维持电流波形（见图１）。
Ｓｔａｒｔｘ Ｓｉｇｎａｌ
‰０ｓｔ ，ｐｅａｋ
Ｉｄ
ＩＩＮｍＣＴＯＲ
Ｂｏｏｓｔ Ｂｙｐａｓｓ Ｅｎｄ ＯｆＩｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｐｈａｓｅ Ｐｈａ￣ｅ Ｐｈａｓｅ
图１燃油喷射阀的驱动电流波形
以ＭＣ３３８１６芯片的第一路Ｃｈａｎｎｅｌ １上微内核ＣｈｌｕＣ ０所控制的其中１个燃油喷射电磁阀的驱动过
程为例，详细说明芯片的编程开发流程。
１．２芯片资源分配 ＭＣ３３８１６芯片最多可采集６路ＳＴＡＲＴｘ信号，分别控制六路高速电磁阀的驱动输出，这里设计实现了
对四路高速电磁阀的驱动控制。设计芯片Ｃｈａｎｎｅｌ ２第一个核Ｃｈ２ｕＣ ０建立Ｖｂｏｏｓｔ电压，通过芯片ＤＣ－
ＤＣ升压电路把２４ Ｖ电源泵升为６０ Ｖ稳定的Ｖｂｏｏｓｔ电压。设计芯片Ｃｈａｎｎｅｌ １的ＣｈｌｕＣ ０和ＣｈｌｕＣ １分
别控制两路电磁阀的驱动输出，配置ＣｈｌｕＣ ０采集Ｓｔａｒｔ ｌ和Ｓｔａｒｔ ２的启动信 号，设置ＣｈｌｕＣ １采集Ｓｔａｒｔ ３和Ｓｔａｒｔ ４的启动信号。为防止同处一路的２个
ＳＴＡＲＴｘ信号在同一时刻被触发，通过寄存器设置芯片的ＳｍａｒｔＳｔａｒｔ智能启动
功能，管理所有采集到的ＳＴＡＲＴｘ信号。 基于ＤＣ—ＤＣ升压电路的建立原理，需分配第４路专用Ａ／Ｄ用于采集Ｂｏｏｓｔ
强激过程中的电流波动，另外分别分配一个Ａ／Ｄ给微内核ＣｈｌｕＣ ０和ＣｈｌｕＣ １
用于对驱动电流的采样反馈。
１．３ Ｂｏｏｓｔ强激程序设计 一 ＭＣ３３８１６的最大Ｖｂｏｏｓｔ电压可达７２ Ｖ，根据实际电磁阀所需强激电流的
大小，可通过寄存器配置Ｖｂｏｏｓｔ电压值，低电压维持阶段采用的是外部Ｖｂａｔ 电源，外部Ｖｂａｔ电采用２４ Ｖ恒压源。ＤＣ—ＤＣ强激过程的具体流程（见图２）。
ＤＣ－ＤＣ升压过程中采用基于上下限电流的实时电流采集控制方式，所以
ＭＣ３３８１６芯片的驱动程序需要对Ｂｏｏｓｔ阶段的目标强激电流值Ｖｂｏｏｓｔ—ｈｉｇｈ、 目标Ｖｂｏｏｓｔ电压的下限值Ｖｂｏｏｓｔ—ｌｏｗ、ＤＣ—ＤＣ电路中的采样电路上限电流值
Ｉｓｅｎｓｅ４ ｈｉｇｈ、ＤＣ—ＤＣ电路中的采样电路下限电流值Ｉｓｅｎｓｅ４一ｌｏｗ等４个参数进 行设定 薪把这些数据值存储在Ｃｈａｎｎｅｌ ２专用的数据内存区ＤＲＡＭ ２中。 图２ Ｖｂｏｏｓｔ电压建立过程的
程序设计 ４０ 上海船舶运输科学研究所学报 ２０１７年第３期
１．４驱动电流波形的设计
因采用基于上限电流加关断时间的实时电流采集控制方式，ＭＣ３３８１６的驱动程序需要对Ｂｏｏｓｔ强激阶
段的强激电流值Ｉ—ｂｏｏｓｔ、Ｐｅａｋ峰值保持阶段的维持电流值Ｉ—ｐｅａｋ、Ｐｅａｋ峰值保持阶段的总时长Ｔ—ｐｅａｋ— ｔｏｔ、Ｐｅａｋ峰值保持阶段中每次触上限电流后的关断时间Ｔ—ｐｅａｋ—ｏｆｆ、Ｂｙｐａｓｓ电流衰减阶段总时间Ｔ＿ｂｙ—
ｐａｓｓ、Ｈｏｌｄ低压保持阶段的维持电流值Ｉ＿ｈｏｌｄ、Ｈｏｌｄ低压保持阶段的总时长Ｔ—ｈｏｌｄ—ｔｏｔ、Ｈｏｌｄ低压保持阶
段中每次触上限电流后的关断时间Ｔ—ｈｏｌｄ—ｏｆｆ等８个参数进行设定，包括３个电流值和５个时间长度值， 并把这些数据值存储在Ｃｈａｎｎｅｌ １专用的数据内存区ＤＲＡＭ１中。
强激电流值Ｉ—ｂｏｏｓｔ的选择需针对电磁阀的动作特性进行标定，在保证电磁阀完全打开的前提下，既要 保证阀的快速响应特性，又要避免电感线圈因为长时间通过大电流造成破损。在Ｐｅａｋ峰值维持阶段和
Ｈｏｌｄ维持阶段中，需根据电磁阀的电磁特性匹配每次触上限电流后的关断时间，以保证维持过程中的驱动 电流的稳定性。电磁阀驱动电流波形的软件设计流程（见图３）。 ‘ ｔ ．
田３ 电磁阀驱动电流波形程序设计流程
２功能性能验证
对某新型燃油喷射电磁阀进行驱动实验，实验连接图见图４，电磁阀驱动系统采用２４ Ｖ稳压源供电，电
磁阀的阀上电流利用电流互感器转化为电压信号显示在示波器上。通过合理地参数配置调制出目标电磁阀 尉术森，等：基于ＭＣ３３８１ ６芯片的高速电磁阀驱动软什没ｉ
的驱动电流波形．强激过程仅耗时３００ ＵＳ即口『产生高达５Ｏ Ａ的强激电流。并在峰值阶段保持１ ｍ 后．
２００ ＵＳ内迅速衰减到１Ｏ Ａ，并可维持２００ ｍｓ的时间长度，关断时问迅速仪需约５０ ＵＳ，月．Ｖｂｏｏｓｔ电 在喷射 过程中跌落≤１０ ．充分满足高压共轨柴油机系统中燃油喷射电磁 的驱动需求。 使用ＭＣ３３８１ ６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ开发软件灵活配置Ｖｂｏｏｓｔ电 值、强激电流、峰值维持电流、低¨ 维持电流、 峰值维持时间和低压电流维持时间等各项电流波形参数，可精确渊制ｍ ｆ１标电磁阀所需的驱动电流波形．满
足大多数高速开关电磁阀的驱动需求。
图４ 电磁阀驱动系统连接图
经过试验俞架上对某新型船片Ｊ低速电喷柴油发动机的单缸机进行９００ ｂａｒ燃油喷射油压的燃汕ｆ唢射试 验。该电磁阀驱动系统具有驱动响应快和工作稳定可靠等优良特性。３ Ｈｚ喷油频率，每次喷油１ ５／５１ 的燃
油喷射过程见图５．其中较为平稳的是３００ ｂａｒ的伺服油共轨油压波形，多次冲击的是燃油喷射油 波形。
图５单缸机燃油喷射实验
５ 结 语
采用ＭＣ３３８ｌ６ ＤｅｖＳｔｕｄｉｏ开发了一套高速电磁阀的驱动程序。口ｆ灵活配 舷动电流波形的符项参数．
实现对目标电磁阀的驱动功能性能需求。经过ＨＨＭ３４０新型船川低速柴油机的单缸机台 验，验证Ｊ 本电磁阀驱动系统的优良驱动性能。
参考文献：
［１］ 贺玉海．船川低速柴油机喷油控制用电磁阀研究ｒＤ］．武汉：武汉理丁大学．２０１ ５． ［２］ 谢荣．船州柴油机电控共轨喷油技术开发的芙键技术［Ｊ］．船舶１ 程．２（｝０９．３１（５）：１ ７一ｌ ９． ［３］Ｃａｒｌ Ｅｒｉｋ Ｅｇｅｂｅｒｇ．Ｔｈｏｍａｓ Ｓ．Ｋｎｕｄｓｅｎ．Ｍ．Ｐｅｒ Ｓｏｒｅｎｓｅｎ．Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ｛＇ｏｎｌ ｒｏｌｌｅｄ ＭＥ ＭＥ一【’ｓ￣ｒｌｅｓ ｗｉｌｌ ｈ ａ｛Ｊ ｔｈｅ Ｆｗｏ—ｓｔｒｏｋｅ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｎｌｔｕ ｒｅ［（’］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｎｃｉｌ ｏｎ￣ｏｍｈｕｓｔｉｍ１ ｅｎｇｉｎｅｓ，２００４：８２． Ｅ４； Ｗｆｉｒｔｓｉｌａ ＳｗｔＺｅｒｌａｎｄ Ｉ ｔｄ．Ｗｆｉｒｔｓｉｌｆｉ ＲＴ—Ｆｌｅｘ Ｃｏｎｔｍｌｓ ＷＥＣＳ ９５２０［Ｍ］．Ｓｗｉｔｚ￣ ｒｌａｎｄ：Ｗｉｉｒｔｓｉｌ｝ｉ ＳｗｔＺｅ￣ ｌａｎ｛Ｉ Ｉ．ｔｄ．２００５： ２５６—２５９．