車用電磁閥故障診斷一般方法的研究

密剛剛，周文華，沈成宇

(浙江大學能源工程系，杭州 310027)

前言

隨著汽車電控技術的日益發展，電磁閥在汽車上的應用日益廣泛，如電控燃油噴射系統和防抱死制動系統等。在燃油噴射系統的整個工作壽命中，電磁閥開關上億次，其可靠性是電控系統的重要性能之一［1］。在電磁閥發生故障時，若不采取有效措施，勢必會嚴重影響汽車的安全性和動力性。因此，合理有效的電磁閥故障診斷十分必要。

現有的電磁閥故障診斷技術存在諸多缺陷:(1)往往只針對具體的執行器，如高壓共軌系統的噴油器電磁閥;(2)故障診斷結果往往僅簡單地歸為斷路或短路，而未對短路故障進行更加具體的分析，造成故障原因不明確;(3)診斷技術通用性差，對于其他類型的電磁閥故障須重新制定診斷措施，應用范圍有限;(4)未考慮故障誤判和臨時性故障等情況，診斷方法有待完善。

本文中設計了車用電磁閥故障檢測的硬件電路，分析了符合一般電磁閥故障檢測的條件，能進行電磁閥斷路、對地短路、對電源短路和內部短路等故障的檢測。為完成臨時性故障的診斷或防止故障誤判，采用模糊層次分析方法設計了相應的診斷軟件，提高了故障診斷的準確性。

1 電磁閥的驅動和故障檢測原理

根據工作方式的不同，電磁閥可分為開關式和連續式。兩種電磁閥驅動電路原理相同，如圖1所示。圖中電磁閥簡化為理想電感L1和電阻R1［2］，ECU輸出的控制信號Valve_IN為PWM波，控制MOS管M1的開關。M1打開，電源電壓Ubat加載到電磁閥上，驅動電流快速上升;M1關閉，驅動電流迅速下降。圖中，R2、R3為電流采樣電阻，通過電流信號到電平信號的轉化，實現電磁閥內部短路、對地短路和斷路與對電源短路等故障的檢測和診斷。

2 電磁閥故障檢測電路的設計

如圖1所示，故障檢測點為P、Q、A、B和C 5個點，相應的檢測電路分為對地短路、斷路與對電源短路和內部短路3個故障檢測模塊。其中，電磁閥斷路與對電源短路故障的檢測共用1個模塊，選取A點為信號檢測點，其故障檢測電路如圖2所示。

圖2中，當MOS管M1關閉時，若電磁閥正常，則輸入到ECU的反饋信號Valve_O的電壓應滿足

若電磁閥發生斷路或者對地短路故障，則Uo=0V。采用的穩壓二極管D4型號為MM3Z3V9T1［3］。根據單片機和穩壓管的特性，應滿足條件為

經過D4的穩壓作用后，檢測信號Valve_O為高電平。ECU檢測到Valve_O為高電平，則電磁閥正常。否則，電磁閥發生斷路或者對地短路故障。

當M1打開時，若電磁閥正常，則Uo=0V，反饋信號為低電平。若電磁閥發生對電源短路，則反饋電壓應滿足

因此，Uo滿足式(2)，則Valve_O為高電平，表明電磁閥發生對電源短路故障。否則，電磁閥正常。

2.3 急性呼吸窘迫綜合征炎癥損傷患兒SIRT6與炎癥因子及動脈血氣指標相關性 采用Pearson相關系數分析顯示，肺泡SIRT6含量與TNF-α、IL-6、PaCO2呈顯著正相關，與PaO2、PaO2/FiO2呈顯著負相關(P<0.05)。見表3。

對于電磁閥是發生斷路故障，還是對地短路故障，可由圖3所示的對地短路故障檢測電路來判斷。

流經P、Q兩點間采樣電阻R3(見圖1)的電流信號被轉化為電平信號，經放大器后和參考電平進行比較。比較器正相端D點的電壓UD滿足條件為

式中:IV為經過采樣電阻R3的電流;R6、R18、R19、R20分別為相應電路的電阻;UD與IV成正比。電磁閥發生對地短路故障時，電流急劇上升，則滿足條件

式中比較器輸出翻轉，UC為比較器參考電平。ECU檢測到信號Valve_S1變化，進行故障判斷。

對于電磁閥內部短路故障的檢測，選取圖1中B、C兩點為檢測點，檢測電路和對地短路故障檢測相同，不再贅述。

3 電磁閥故障診斷的判斷方法

如圖1所示，在電磁閥動作之前采集診斷反饋信號Valve_O，在電磁閥開始動作時采集對地短路信號Valve_S1，若Valve_O為低電平，且Valve_S1為高電平，則電磁閥發生斷路;若Valve_O和Valve_S1皆為低電平，則電磁閥發生對地短路。當電磁閥動作時采集診斷反饋信號Valve_O，若Valve_O為高電平，則電磁閥對電源短路。在電磁閥動作時監測信號Valve_S2，若為低電平則發生內部短路。

為提高故障判斷的準確性，防止發生故障誤判或者臨時性的故障，ECU采用兩種保護模式來處理故障。模式1:停止當次驅動;模式2:永久停止驅動、報故障。在檢測到故障后，ECU采取保護模式1。在延時確認故障后，采取保護模式2。圖4為電磁閥斷路故障的轉化邏輯。

延時以電磁閥1個工作循環為基本單位，延時長短和故障的重要性有關。因此，采用Fuzzy AHP模糊層次分析方法完成延時長短的判斷，AHP方法是一種定性和定量結合的決策工具［3］。故障集合包含斷路、對地短路、對電源短路和內部短路故障4個元素，對應權重為 ω1，ω2，ω3和 ω4。

模糊標度及其含義見表1。

表1 模糊標度及其含義

根據表1得到模糊互補判斷矩陣為

式中:ωi為第i個元素的權重;aij為模糊互補判斷矩陣P第i行第j列元素。因此得到權重向量為

因此，以電磁閥1個工作循環為基本單位，斷路、對地短路、對電源短路和內部短路故障所對應的延時次數分別為16次、6次、4次和3次。檢測到電磁閥無故障時，延時次數自動清零。以對電源短路故障診斷為例，其相應的診斷流程如圖5所示。

4 試驗結果和分析

采用上述判斷方法在高壓共軌電控柴油機上進行了實車試驗。柴油機高壓共軌系統所用的電磁閥有高壓油泵控制電磁閥(2個)、噴油器電磁閥(4～6個)和發動機管理的其他電磁閥。電磁閥數量眾多，這些電磁閥都須進行實時的故障診斷。

下面針對高壓共軌的高壓油泵電磁閥故障診斷進行了具體的參數設計和結果分析。所用的油泵電磁閥在正常工作時，要求驅動電流一級維持為15A，二級維持為6A。因此，設定驅動電流IV達到22A時，電磁閥發生短路故障。

測得油泵電磁閥電阻R1為0.7Ω，為滿足條件式(1)～式(5)，選取其他的參數見表2。

柴油機采用直列式泵控制閥高壓油泵，試驗轉速為800r/min。圖6為油泵電磁閥正常工作時的驅動電流波形。

表2 試驗參數

試驗表明，當電磁閥發生各種故障時，ECU能夠及時完成檢測并采取保護措施，停止驅動輸出。

圖7為在不同延時下模擬對電源短路故障所采集的故障檢測和診斷信號。從圖7(a)可見，當發生對電源短路時，ECU能及時檢測到診斷反饋信號Valve_O的電壓變化，延時計數為2，未達到最小次數(4次)，ECU判斷電磁閥為臨時性故障，采取保護模式1，以排除其他信號干擾帶來誤判或臨時性故障等情況。從圖7(b)可見，延時計數達到最小次數時，ECU判斷電磁閥發生電源短路故障，停止電磁閥驅動。此時須向車主發出警報，及時進行維修。

圖8為當電磁閥發生內部短路故障時檢測到的診斷反饋信號和驅動電流信號。從圖8可看出，此故障十分嚴重，在減少延時的同時，ECU采取中斷方式進行保護。即故障時信號Valve_S2由高電平到低電平的跳變作為中斷源，觸發ECU進入中斷，執行保護程序。圖8表明驅動電流急劇上升到22A左右，Valve_S2信號跳變，進入ECU中斷。ECU及時停止驅動輸出，完成保護。

5 結論

(1)根據車用電磁閥的一般驅動電路，設計了相應故障診斷模塊的硬件電路，試驗證明在發生故障時，診斷信號能夠有效地輸入至ECU。

(2)在合理的硬件設計基礎上，相應軟件能及時地判斷出現的故障類型并采取相應的措施保護執行器和ECU，證明是一種實用的方法，能夠完成一般車用電磁閥的故障診斷和保護。

(3)為防止誤判和臨時性故障，根據故障的重要性引入Fuzzy AHP方法提高故障診斷的準確性，試驗證明此方法十分有效。

［1］徐權奎，祝軻卿，陳自強，等.高壓共軌柴油機噴油器電磁閥故障診斷系統設計［J］.內燃機工程，2007，28(4):69-72.

［2］王孝，王璠璟.新型高壓共軌噴油器電磁閥驅動系統故障診斷及自保系統設計［J］.內燃機工程，2009，30(6):59.

［3］ON Semiconductor.MM3Z2V4T1 SERIES［EB/OL］.［2004-04］.http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/MM3Z2V4T1-D.PDF.

［4］楊桂元，黃己立.數學建模［M］.合肥:中國科學技術大學出版社，2008.