基于波形分析的電控發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)

彭桂枝

摘 要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電控發(fā)動機的故障診斷也變得日益復(fù)雜，對于故障診斷的儀器、設(shè)備的要求也更高。利用波形分析法診斷電控發(fā)動機的故障，將是未來汽修行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。中高職院校的培養(yǎng)模式是以就業(yè)為導(dǎo)向的，必須跟市場緊密結(jié)合，未來提高專業(yè)教學(xué)的質(zhì)量，節(jié)約實驗實訓(xùn)設(shè)備的資金投入，讓學(xué)生多多動手實踐。目前，很多公司和高校、職院都在將計算機技術(shù)和軟件技術(shù)有機結(jié)合，積極開發(fā)虛擬儀器，將所開發(fā)的虛擬儀器應(yīng)用于日常的教學(xué)活動，以提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電控發(fā)動機波形；虛擬儀器；示教系統(tǒng)

中圖分類號：U472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0083-02

隨著電子技術(shù)的成熟發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)動機已被電控發(fā)動機所取代。發(fā)動機故障的形式呈現(xiàn)多樣化的趨勢，用于傳統(tǒng)的診斷設(shè)備及發(fā)動機檢測，但因檢測的精度、質(zhì)量低，檢測的項目不夠豐富，且對人工依賴性高等缺點，已經(jīng)越來越難以適應(yīng)于電控發(fā)動機的故障診斷，新型的發(fā)動機檢測與診斷設(shè)備登上了歷史的舞臺。在汽車檢測診斷儀器的開發(fā)中，加入“虛擬儀器”的開發(fā)設(shè)想，對汽車的故障檢測與診斷起著重要的作用。自主開發(fā)故障診斷儀，將計算機技術(shù)和軟件技術(shù)有機結(jié)合，經(jīng)濟實用，操作便捷，可用于各級各類的中、高職汽車專業(yè)的實踐活動。讓聽講者能夠直觀、感性的學(xué)習(xí)知識，掌握知識，凸顯效果。

基于波形分析的電控發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)，是利用所開發(fā)的診斷儀讀取發(fā)動機傳感器和執(zhí)行器等部件的波形，對比標(biāo)準(zhǔn)波形分析發(fā)動機故障，從而可以快速精準(zhǔn)的定位故障點。故障診斷系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各傳感器、執(zhí)行器標(biāo)準(zhǔn)波形的測試，也可應(yīng)用于故障波形的測試，同時配備了各部件的工作原理等說明，方便操作者使用。該診斷系統(tǒng)的開發(fā)可以給一線維修人員研究通過波形分析發(fā)動機故障提供一定的借鑒，可以通過投影儀等多媒體手段展現(xiàn)在所有學(xué)生面前，幫助學(xué)生理解通過波形分析發(fā)動機故障的方法。在開發(fā)前，首先要準(zhǔn)備一些硬件為系統(tǒng)軟件的開發(fā)提供平臺。然后根據(jù)系統(tǒng)的具體功能將系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分解，分別按照各個模塊的功能進行設(shè)計，最終實現(xiàn)整體功能的設(shè)計。系統(tǒng)開發(fā)功能流程如圖1所示。

1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

1.1 系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺

診斷系統(tǒng)開發(fā)所使用的硬件設(shè)備主要有計算機、NI cDAQ 9172數(shù)據(jù)采集卡和豐田卡羅拉1.6 L汽車等，通過數(shù)據(jù)采集卡采集汽車發(fā)動機傳感器和執(zhí)行器的波形信號，經(jīng)計算機USB口傳輸至電腦診斷系統(tǒng)進行分析、計算處理后以波形圖的形式顯示在診斷系統(tǒng)中。

1.1.1 計算機

發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)對計算機系統(tǒng)的軟、硬件要求都不是太高，計算機主要是用來接收采集卡所采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、計算后將結(jié)果輸出顯示。系統(tǒng)采用的計算機的配置為Windows XP操作系統(tǒng)，奔騰3處理器、2 GB內(nèi)存、500 G硬盤、支持PCI-E2.0標(biāo)準(zhǔn)接口、獨立顯卡、1 024×768以上分辯率的顯示器。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集卡

采集卡是故障診斷系統(tǒng)的核心部件之一，完成診斷系統(tǒng)的信號采集、放大、處理等任務(wù)。本診斷系統(tǒng)采用NI cDAQ 9172（美國NI公司產(chǎn)品）數(shù)據(jù)采集卡來完成各傳感器、執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集與輸出。該采集卡是一款由總線供電的單槽NI CompactDAQ USB機箱，適用于小型的傳感器信號測量。該采集卡是一個運算速度快、功能多的總線數(shù)據(jù)傳輸裝置，輸入電壓值為4.75～5.25 V，最大輸出1 MHz速率的12位模/數(shù)電轉(zhuǎn)換、一個內(nèi)置式的16路模擬量輸入1 K先入先出（FIFO）緩存存儲儲器。

1.1.3 豐田卡羅拉1.6 L汽車

以豐田卡羅拉1.6 L轎車為測試對象，該車搭載1ZR-FE電控發(fā)動機，測試該實車的標(biāo)準(zhǔn)波形和實際波形，能對所設(shè)計的診斷系統(tǒng)起到驗證的作用。

1.2 軟件開發(fā)的軟件平臺

MathWorks公司（美國）于20世紀(jì)開發(fā)出了具有強大功能的MATLAB軟件，這個軟件現(xiàn)在也成為了最有活力、最有影響力的軟件。MATLAB軟件的編程極為簡單，因此發(fā)展至今已經(jīng)在很多行業(yè)、領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。MATLAB內(nèi)置了大量數(shù)學(xué)函數(shù)和專用工具箱。即可以使用文本編輯的方式編寫代碼，也可以在圖形界面上處理數(shù)據(jù)。同時提供了遵從GPIB、RS232、VXI和RS485協(xié)議的API函數(shù)，可以快速實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡的通信。軟件中的GUIDE模塊允許用戶方便的開發(fā)圖形用戶界面，并內(nèi)置了大量ActiveX控件，可以調(diào)用大部分Windows風(fēng)格的控件。因此該系統(tǒng)開發(fā)選擇此軟件平臺。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)

2.1 用戶登錄

登錄，需要用戶輸入登錄口令才能進入系統(tǒng)。這是一個常規(guī)軟件所必備的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)對開發(fā)者權(quán)利及使用者權(quán)利的保護，在本系統(tǒng)中設(shè)計色為灰色，讓使用者覺得清新自然。

登錄部分：在登錄前界面顯示“請輸入登錄口令”，只有用戶輸入正確的口令才能進一步使用該診斷系統(tǒng)，否則無法使用。登錄界面包括三個功能按鈕，分別為系統(tǒng)功能介紹、實時波形測試、模擬波形測試按鈕，在點擊進入后，就進入到功能的登錄界面。

2.2 模擬波形測試模塊

模擬波形測試部分，對于仿真模擬測試信號的運行參數(shù)可以通過信號進行調(diào)整。

發(fā)動機傳感器和執(zhí)行器的波形各不相同，有正弦波，有方波。該診斷儀綜合考慮此實際特點，故在做模擬波形測試時，有波形的選擇按鈕，可以選擇不同的波形，如方波、余弦波進行測試，并且對于波形的振幅、頻率都可以進行修改，使得所讀取的波形能夠在頻幕范圍內(nèi)顯示效果最佳。系統(tǒng)還設(shè)置了傳感器電壓過載報警按鈕，當(dāng)電壓信號超過12 V或傳感器信號超過5 V電壓時，燈亮報警。

2.3 實時波形測試模塊

該部分包括專用示波器以及通用示波器兩個功能模塊。通用示波器的測試功能描述：電控發(fā)動機各傳感器和執(zhí)行器在正常的工作狀態(tài)下，必然有一個標(biāo)準(zhǔn)輸出波形來說明當(dāng)前所采集到的信號量，通用示波器就用于電控發(fā)動機各個傳感器和執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)波形的測試，對所采集的信號進行處理，以數(shù)字形式顯示在測試的面板上，并可以輸出波形。該面板上還設(shè)置了“負壓報警”按鈕，因為在這個部分對電壓的規(guī)定為正數(shù)，一旦出現(xiàn)負數(shù)，進行進行負壓報警；系統(tǒng)的功能被放大，對X軸和Y軸的坐標(biāo)可以調(diào)節(jié)，以便波形在頻幕范圍內(nèi)顯示效果最佳。通用示波器測試框圖如圖2所示。在測試過程中，通用示波器可以反映出發(fā)動機所有傳感器的電信號的變化。

專用示波器模塊包括：噴油器、爆震傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、氧傳感器、空氣流量傳感器的波形測試、功能介紹等。專用示波器測試框圖，如圖3所示。

3 系統(tǒng)測試

氧傳感器標(biāo)準(zhǔn)波形如圖4所示。氧傳感器的最大電壓值應(yīng)大于800 mV，最小電壓值應(yīng)不大于200 mV，從濃變稀的允許響應(yīng)時間應(yīng)在100 ms左右。氧傳感器在工作時，不滿足以上三個特點中的任意一個都可以判定為其有故障。在過量空氣系數(shù)值等于1時，氧傳感器的輸出電壓值約為450～500 mV之間，但是變化時間也視車型而定，通常不得大于400 ms，若超出這個時間范圍，則故障為該傳感器的響應(yīng)速度太慢。

利用該診斷系統(tǒng)測試火花塞高壓線單缸斷路故障。根據(jù)采集器采集到的氧傳感器波形與標(biāo)準(zhǔn)的氧傳感器波形相比，發(fā)現(xiàn)波形上的電壓超過450 mV，是因為處于混合氣體過渡段（濃/稀過渡）。根據(jù)維修手冊的解釋，該項原因出現(xiàn)可能是發(fā)動機的個別缸體不能正常工作，因為高壓斷路所致，但沒有燃燒的混合氣體進入導(dǎo)致出現(xiàn)這種情況。故障波形如圖5所示。

通過故障診斷系統(tǒng)開發(fā)完成后，通過在實車上的調(diào)試與測試，驗證了波形分析法診斷電控發(fā)動機故障的實際應(yīng)用價值。

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