基于PLC的汽車電子燃油泵性能檢測系統(tǒng)

山海峰，劉 涵，郭吉豐

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引 言

汽車燃油泵是發(fā)動機(jī)燃油電子噴射供給系統(tǒng)中向噴油器按需、按量供給高壓燃油的關(guān)鍵零件［1］，其主要任務(wù)是供給燃油系統(tǒng)足夠的、具有特定壓力的燃油［2］。國內(nèi)汽車燃油泵多采用直流電機(jī)驅(qū)動，只需對燃油泵進(jìn)行測試即可，而無刷電機(jī)驅(qū)動式燃油泵為新興燃油泵，內(nèi)部集成有驅(qū)動控制器，且為內(nèi)部灌膠封裝，一旦出現(xiàn)故障就只能報廢處理，且運(yùn)行在條件較為惡劣的燃油介質(zhì)中，其質(zhì)量的可靠性至關(guān)重要［3-4］。

目前，汽車燃油泵性能的測試方法主要有機(jī)械油液檢測法和真空度法［5-7］。油液法是以燃油泵實(shí)際工作燃油為基質(zhì)，通過測試臺模擬油泵工作環(huán)境，測試運(yùn)行數(shù)據(jù)，這種傳統(tǒng)的測試方法存在以下缺陷:所有開關(guān)都需人工操作，耗費(fèi)時間多，測試效率低;測試結(jié)果全由人工肉眼讀數(shù)與判斷，存在一定的讀數(shù)誤差，且由于燃油泵的種類繁多，規(guī)格參數(shù)各異，人工判斷其合格與否工作量太大，容易出錯。而真空度法則是以氣體為介質(zhì)代替了傳統(tǒng)的油液，是一種比較可靠的氣路檢測方法，其原理是利用燃油泵在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下引起泵內(nèi)的氣壓變化，用負(fù)壓傳感器來測量燃油泵進(jìn)油口處真空度的大小，但燃油泵正常運(yùn)行時燃油是電機(jī)冷卻的介質(zhì)，故真空度法最大的缺點(diǎn)是燃油泵容易過熱損壞。因而，研發(fā)適合現(xiàn)代測試要求、靈活可靠的自動化無刷式燃油泵測試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［8］。

本研究基于上述兩種方法的缺點(diǎn)，提出一種自動化油液測試法，即以PLC為主控制器，外加多種測量傳感器、固定驅(qū)動控制器的測試治具及人機(jī)交互操作界面，并利用上位機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄和質(zhì)量判斷，無需人工進(jìn)行判斷，完全實(shí)現(xiàn)測試過程的自動化。

1 測試系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

無刷式電子燃油泵主要由泵體、永磁電動機(jī)、電機(jī)驅(qū)動控制器、安全閥、單向閥和外殼等部分組成［9］。電動機(jī)運(yùn)行時帶動泵體轉(zhuǎn)動，燃油從吸油口吸入，流經(jīng)電動燃油泵內(nèi)部，再從出油口壓出，給發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)供油，單向閥起到給系統(tǒng)燃油升壓的作用［10-12］。燃油泵在整個運(yùn)行過程中，驅(qū)動控制器的運(yùn)行好壞將直接影響著燃油泵整體的運(yùn)行效果，如驅(qū)動控制器虛焊、短路，則可以根據(jù)運(yùn)行電流和電機(jī)工作速度加以判斷;燃油泵出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以根據(jù)流量和電流加以判斷等，故可以根據(jù)燃油泵在實(shí)際燃油中運(yùn)行情況來判斷燃油泵的性能好壞。

1.1 測試系統(tǒng)功能分析

由于整個測試系統(tǒng)是一個集電、液壓和機(jī)械為一體的綜合系統(tǒng)，彼此相互影響著，設(shè)計(jì)過程中需對這幾個方面都加以深入考慮。經(jīng)分析可知，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于:

(1)檢測傳感器的選擇，包括精度、應(yīng)用范圍;

(2)驅(qū)動控制器可靠的與燃油泵連接;

(3)燃油泵運(yùn)行的油路設(shè)計(jì);

(4)測試軟件的設(shè)計(jì)，以便操作方便;

(5)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性;

(6)系統(tǒng)的測試誤差及測試精度控制。

1.2 測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)框架圖如圖1所示，由分析可得，PLC為主控制器，實(shí)時對燃油泵運(yùn)行時的驅(qū)動控制器工作電壓、工作電流、電機(jī)運(yùn)行速度、燃油泵出油壓力、噴油流量以及工作環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)以RS485方式傳送給上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)加以分析和處理，以便能保持或打印數(shù)據(jù);測試控制器用于控制測試治具，以實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動控制器的自動切換，減少人工操作。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 驅(qū)動控制器的結(jié)構(gòu)及治具

無刷式燃油泵電機(jī)驅(qū)動控制器由于是與電機(jī)本體一體化安裝，整個泵機(jī)體積較小，功率密度較高，尺寸較小，本系統(tǒng)測試的驅(qū)動控制器尺寸為33 mm×35 mm，鑒于如今PCB焊接工廠的固定焊接工藝要求為焊接寬度需大于50 mm，而且單塊驅(qū)動控制器測試效率較低，操作較為麻煩，所以設(shè)計(jì)過程常對驅(qū)動控制器的尺寸作一定的調(diào)整，將驅(qū)動控制器板以10連裝的方式加工，不僅固定尺寸足夠，而且測試效率一次能提高10倍，既方便焊接，又提高測試效率。

驅(qū)動控制器在實(shí)際使用過程中是與燃油泵直接焊接并灌膠塑封在燃油泵內(nèi)部，故在測試過程中需對驅(qū)動控制器進(jìn)行無焊測試，利用機(jī)械裝置對其進(jìn)行固定并可靠連接。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測試治具如圖2所示，治具主要完成對驅(qū)動控制器的固定，以及利用探針對驅(qū)動控制器內(nèi)部信號的測試;另外，治具內(nèi)部足夠的空間用于放置一些傳感器檢測處理電路，這既可縮短模擬信號的傳輸，提高系統(tǒng)測試的抗干擾性，同時又可以簡化系統(tǒng)的整體連線，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 驅(qū)動控制器測試治具

1.2.2 測試傳感器選型

驅(qū)動控制器工作電壓為6 V～20 V，工作電流為5 A，最大電流為20 A，燃油泵正常工作壓力400 kPa，流量為120 L/H，并且工業(yè)現(xiàn)場信號傳輸容易收到干擾，故輸出信號方式采用電流環(huán)，部分傳感器的參數(shù)如表1所示，為了保證測試系統(tǒng)精度，系統(tǒng)傳感器精度均為0.5%左右。

表1 部分器件參數(shù)表

1.2.3 燃油泵油路設(shè)計(jì)

由于燃油泵需在循環(huán)液體環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)加負(fù)載運(yùn)行，系統(tǒng)需搭建一套能調(diào)節(jié)燃油壓力的油路循環(huán)模擬運(yùn)行裝置，燃油泵測試油路系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 燃油泵測試油路系統(tǒng)

燃油從油箱經(jīng)過濾系統(tǒng)進(jìn)入泵機(jī)，在泵機(jī)出口處接有止回閥、泄壓閥及可調(diào)壓力閥。止回閥即為單向閥，主要作用是防止電機(jī)關(guān)閉時燃油回流;泄壓閥主要作用是限定系統(tǒng)最高工作壓力;可調(diào)壓力閥主要作用是調(diào)整燃油泵工作壓力。燃油經(jīng)過上述3個閥之后再回到油箱，在循環(huán)過程中，系統(tǒng)對燃油泵工作時的燃油壓力、流量及溫度等參數(shù)進(jìn)行測量;另外，為了延長系統(tǒng)測試時間以及實(shí)現(xiàn)對測試條件的良好控制，系統(tǒng)在油路循環(huán)中加有冷卻裝置，從而可以對燃油整體溫度進(jìn)行控制。

1.2.4 系統(tǒng)測試精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響測試精度的因數(shù)有很多，從實(shí)際測試情況中可以發(fā)現(xiàn)，隨著測試時間越來越長，燃油溫度越來越高，燃油泵流量會有所下降，工作電流會有所上升;另外，由于測試系統(tǒng)工作電流較大，整個測試系統(tǒng)線路較多，難免會存在電壓線路衰減問題;再者，燃油泵泵機(jī)隨著工作時間不同，泵機(jī)葉輪與本體磨損程度也不相同，對電機(jī)的運(yùn)行也會有一定的影響。

系統(tǒng)有必要對上述這些因數(shù)加以控制以減小其影響，提高系統(tǒng)的精度。首先，系統(tǒng)中加入循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對燃油溫度進(jìn)行控制，以便在測試燃油泵的過程中，系統(tǒng)溫度能保持在一個相當(dāng)?shù)姆秶到y(tǒng)能夠長時間測試;另外，測試過程中本研究對系統(tǒng)電機(jī)供電電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，以減少電壓衰減帶來的流量測量誤差。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩方面內(nèi)容:PLC軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。從前面的分析可以得知，系統(tǒng)主要需要資源如表2所示。

表2 系統(tǒng)信號資源

本研究選用西門子S7-200系列224XP CPU模塊為主控制器，其自身帶14個數(shù)字輸入，10個數(shù)字輸出，另外，選配2個模擬量EM231模塊以及電源模塊，操作屏則使用Smart700，其靈活的操作性使得其與PLC能夠?qū)崟r交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測試要求。

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件部分主要包括實(shí)時與觸摸屏及上位機(jī)電腦進(jìn)行通信兩部分工作，以便能實(shí)時顯示與記錄驅(qū)動控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)。

PLC在整個測試過程中需有兩種模式:一是單獨(dú)調(diào)試模式，即單獨(dú)測試某塊驅(qū)動控制器的性能;另一個是自動測試模式，系統(tǒng)能按照設(shè)定的時間和次數(shù)自動進(jìn)行測試并記錄數(shù)據(jù)，PLC的系統(tǒng)控制主流程圖如圖4所示。

圖4 PLC主控制流程圖

系統(tǒng)的運(yùn)行方式依據(jù)模式的選擇，在自動測試模式下，操作人員通過觸摸屏或上位機(jī)設(shè)定測試時間以及測試次數(shù)，程序自動依次進(jìn)行多塊驅(qū)動控制器的測量，同時記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)并實(shí)時把數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī);手動測試模式則是對驅(qū)動控制器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)測試，操作人員可獨(dú)立地選擇任何一塊驅(qū)動控制器進(jìn)行測試，系統(tǒng)兩種測試的流程圖如圖5所示。

圖5 自動、手動測試流程圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了便于分析與保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需利用上位機(jī)來處理數(shù)據(jù)。由于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，且可能需要進(jìn)行長距離通信，故上位機(jī)常采用RS485方式與PLC進(jìn)行通信;另外，為確保通信的準(zhǔn)確性，上位機(jī)與PLC之間的通信還需按照一定的協(xié)議進(jìn)行。一部分上位機(jī)與PLC通信時設(shè)定的標(biāo)志符如表3所示，程序通過對這些標(biāo)志符進(jìn)行解析，使得PLC與上位機(jī)能夠正確的獲取信息并按照指定的命令進(jìn)行測試。

表3 通信標(biāo)志符

該系統(tǒng)利用Visual Basic 6.0進(jìn)行上位機(jī)測試軟件的編寫。上位機(jī)可以設(shè)定測試次數(shù)以及單次測試時間，并對驅(qū)動控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，得出測試結(jié)果并加以存儲，另外，可根據(jù)需要進(jìn)行測試報告的打印。在運(yùn)行的過程中，可以實(shí)時顯示當(dāng)前測試狀態(tài)，利于操作人員控制。

3 綜合實(shí)驗(yàn)與分析

該系統(tǒng)的測試燃油泵如圖6所示。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動控制器無焊接測試，測試燃油泵將電機(jī)UVW三相連接線引至泵機(jī)外部，電機(jī)額定工作電壓為12 V，額定轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，等效額定轉(zhuǎn)矩為35 mN，負(fù)載壓力400 kPa時，等效額定流量為120 L/h。

圖6 測試電機(jī)實(shí)物

測試時，測試電機(jī)通過測試治具連接到驅(qū)動控制器上，并在如圖7所示控制柜的控制下自動運(yùn)行。

利用上述裝置即可對不同燃油泵電機(jī)進(jìn)行測試，測試的燃油泵一些典型特定運(yùn)行情況如表4所示。首先是相同負(fù)載壓力、不同電壓下的工作;其次是相同電壓、不同壓力時的運(yùn)行，在工作負(fù)載壓力一定的情況下，燃油泵的流量隨著工作電壓的變化而變化，電壓流量曲線如圖8所示。從表4中可以看出，在電機(jī)額定電壓 12 V，壓力401.4 kPa 時，流量117.3 L/h，與額定工作點(diǎn)較為相近，精度為2.25%，基本可以達(dá)到性能判斷的要求，且在同等條件下，相互間比對更加有利于產(chǎn)品的一致性測試。實(shí)際測試過程中，根據(jù)表格中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)一些常見的驅(qū)動控制器或燃油泵的質(zhì)量問題，如驅(qū)動控制器虛焊，導(dǎo)致電機(jī)缺相或者斷相，從而使得電機(jī)速度變小，電流變大;另外，同等電壓下，不同燃油泵泵流量、轉(zhuǎn)速不一致，可以判定出燃油泵內(nèi)部葉輪出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。

圖7 控制柜實(shí)物圖

表4 測試數(shù)據(jù)表

圖8 電壓流量曲線

根據(jù)表4中幾個數(shù)據(jù)量，可以在上位機(jī)中建立起燃油泵工作時的各種關(guān)系對應(yīng)表，在生產(chǎn)測試過程中上位機(jī)自動對測試的燃油泵進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并判定燃油泵的性能以及驅(qū)動控制器的一致性。

4 結(jié)束語

本研究提出的汽車無刷式燃油泵性能測試系統(tǒng)能夠方便地測試出燃油泵及其驅(qū)動控制器實(shí)時運(yùn)行情況，以PLC、觸摸屏及上位機(jī)構(gòu)建的測試系統(tǒng)具有操作方便，處理靈活等特點(diǎn)。實(shí)際使用結(jié)果表明，該測試方法操作比較簡單、測試效率較高，相比人工讀表方式大大減少了測試過程中測試人員的工作量，能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)過程中性能初步檢測的要求，為企業(yè)的高質(zhì)量生產(chǎn)帶來了一定的幫助。

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