高壓共軌電磁閥電感測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

楊源飛，楊鵬翔，陸召振，張 雷

(中國一汽無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063)

高壓共軌電磁閥電感測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

楊源飛，楊鵬翔，陸召振，張 雷

(中國一汽無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063)

介紹了一種高壓共軌電磁閥電感測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了利用定時(shí)器進(jìn)行多周期采樣高頻正弦波的采樣方法，可準(zhǔn)確采集到正弦波的幅值及周期；再通過電壓比例法計(jì)算出電磁閥的粗略電感值；最后通過直方圖過濾的統(tǒng)計(jì)方法，得出電磁閥的測(cè)量電感值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，滿足應(yīng)用要求。

電感測(cè)量；電壓比例法；多周期采樣；直方圖過濾

0 引言

電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射量、噴射壓力、噴射速率和噴射定時(shí)的靈活控制，優(yōu)化燃燒過程，使柴油機(jī)在動(dòng)力性、油耗、噪聲、排放等方面得到顯著改善[1]。噴油器是電控燃油噴射系統(tǒng)的核心部件，電磁閥式噴油器作為使用范圍最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，其電磁閥的穩(wěn)定性直接影響燃油噴射系統(tǒng)乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。電磁閥通過發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，正常狀態(tài)下電磁閥的電感值是一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值，但是如果電磁閥發(fā)生損壞，其電感值就會(huì)發(fā)生變化，ECU驅(qū)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流異常，造成的直接后果就是噴油器工作異常。因此，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作前對(duì)電磁閥電感進(jìn)行診斷，確保系統(tǒng)正常工作。

1 電感測(cè)量原理

本設(shè)計(jì)采用了電壓比例法來測(cè)量電感，即將待測(cè)電感與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，再利用電壓比例來計(jì)算出電感值。由于電感屬電抗元件，因此不能采用直流源來產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，而只能采用交流信號(hào)。為保證測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)采用高精度和高穩(wěn)定度的波形產(chǎn)生芯片AD9850。AD9850芯片是美國ADI公司生產(chǎn)的高集成度DDS，接上精確的時(shí)鐘源，采用單片機(jī)控制，可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦信號(hào)。對(duì)于125 MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入，輸出調(diào)諧分辨率可以達(dá)到0.291 Hz，該正弦波可以直接用作頻率源[2]。

文獻(xiàn)[2]中硬件組成包括了運(yùn)放放大芯片及有效值轉(zhuǎn)換芯片，電路較復(fù)雜[3]。本文直接用單片機(jī)集成的A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后得出結(jié)果[5]。電路簡(jiǎn)單，將標(biāo)準(zhǔn)電阻R和待測(cè)電磁閥Lx串聯(lián)，組成如圖1所示的測(cè)量電路。在角頻率為ω的交流信號(hào)的作用下，標(biāo)準(zhǔn)電阻R獲得的電壓為:

UR=IR

(1)

電磁閥獲得的電壓為：

UL=IjωLx

(2)

根據(jù)電壓比例法，可得：

(3)

式中:Lx為待測(cè)電磁閥電感。

圖1 電感測(cè)量原理示意圖

2 電壓采樣

本模塊主要用單片機(jī)MC9S12XEP100集成的ATD模塊完成電壓采樣，其A/D轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到12位，當(dāng)A/D模塊時(shí)鐘頻率為8 MHz時(shí)，完成一次轉(zhuǎn)換只需要2.8 μs。根據(jù)式(3)，需要讀取到UR及UL的有效值，即要讀取到代表UR及UL的正弦波信號(hào)的峰峰值。由于電感的作用，在電路中會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)阻止電流變化，也就是說UL會(huì)存在負(fù)值，因此不能直接讀取到正弦波的峰峰值。只能將UR及UL處的變化曲線采樣出來，再設(shè)法計(jì)算峰峰值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，作用于電磁閥的是頻率為100 kHz的正弦信號(hào)，故UR及UL的變化曲線也是100 kHz。單片機(jī)完成一次采樣需要2.8 μs，因此在一個(gè)周期內(nèi)，最多只能采樣到UL的4個(gè)點(diǎn)，無法準(zhǔn)確計(jì)算出正弦波UL的峰峰值。

2.1 多周期采樣

多周期采樣用于采樣頻率穩(wěn)定的信號(hào)：利用單片機(jī)定時(shí)器，在信號(hào)的一個(gè)周期只采樣一次，且相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)間隔時(shí)間為n×T+t(n為整數(shù)，T為待采樣信號(hào)的周期，t=T/m)，如圖2所示，通過采集m個(gè)周期的m個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)周期的反映原始信號(hào)的數(shù)據(jù)。根據(jù)取樣定理，當(dāng)1/t≥2×1/T時(shí)，可以正確無誤地用取樣信號(hào)表示待采樣的模擬信號(hào)。但為了準(zhǔn)確計(jì)算出正弦波的峰峰值，取m=32，即t=T/32。

圖2 多周期采樣示意圖

圖3 多周期采樣程序流程圖

2.2 多周期采樣實(shí)現(xiàn)

在總線頻率為64 MHz的工作狀態(tài)下，單片機(jī)MC9S12XEP100集成的定時(shí)器定時(shí)精度可以達(dá)到65 ns，UR及UL信號(hào)的周期為10 μs。為保證采樣時(shí)間及其他處理時(shí)間，設(shè)置定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為10.31 μs。程序流程如圖3所示。由于m=32，為保證峰峰值計(jì)算數(shù)據(jù)足夠，設(shè)UR及UL采樣保存數(shù)組大小均為70，得到的一組AD9850輸出信號(hào)采樣數(shù)據(jù)如圖4所示。圖4(a)為AD9850輸出100 kHz信號(hào)的示波器顯示圖，圖4(b)為由單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)組成的曲線圖。從圖4可以看出，利用本方法采集到的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確表示原始信號(hào)。

圖4 AD9850輸出信號(hào)采樣數(shù)據(jù)

2.3 幅值的計(jì)算

如圖5所示上方曲線為UR變化波形，下方曲線為UL變化波形。從圖5可以看出，當(dāng)電路中電流發(fā)生變化時(shí)，由于電感的反電動(dòng)勢(shì)有限，最低波谷值總小于最大波峰值，因此UL正弦波曲線的中線會(huì)大于0，即波形中線可以直接被單片機(jī)采集到。從峰值往前或往后第m/4個(gè)采樣點(diǎn)處于變化波形的中線，由此設(shè)計(jì)了如圖6所示的峰峰值Up的提取法，分別得到UR及UL的有效值。最后根據(jù)式(3)計(jì)算得到電磁閥測(cè)量電感值L。

圖5 UR(上)及UL(下)示波器顯示圖

圖6 峰峰值計(jì)算程序流程圖

3 直方圖過濾

實(shí)驗(yàn)用AD9850輸出頻率為100 kHz、幅度為2 V的交流正弦波作為信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)量了12個(gè)電磁閥，對(duì)每個(gè)電磁閥測(cè)量得到了多組數(shù)據(jù)，通過觀察數(shù)據(jù)分布直方圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到一定量后，數(shù)據(jù)頻率分布存在一高一低兩個(gè)峰值，如圖7所示(為方便觀察，提取了5個(gè)電磁閥的測(cè)量數(shù)據(jù)分布曲線)。為此取兩個(gè)峰值總和的平均值，例如峰值1處數(shù)值為Lp1，對(duì)應(yīng)頻率為N，峰值2處數(shù)值為Lp2，對(duì)應(yīng)頻率為M，則測(cè)量結(jié)果為：

(4)

根據(jù)式(4)，測(cè)得12個(gè)電磁閥在100kHz下的電感值，測(cè)量結(jié)果與惠普HP4263B型電感測(cè)量儀在100kHz下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最大誤差1.3%，平均誤差0.2%，如圖8所示。從圖8可以看出，本電磁閥電感測(cè)量模塊工作穩(wěn)定，測(cè)量精度高，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 電感數(shù)據(jù)頻率分布曲線

圖8 LCR測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)板測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文根據(jù)電壓比例法設(shè)計(jì)了一個(gè)電感測(cè)量模塊及其軟件實(shí)現(xiàn)方法，提出的多周期采集法可以準(zhǔn)確反映原始信號(hào)的峰值、周期等關(guān)鍵指標(biāo)，直方圖過濾法能有效排除誤差干擾，使得測(cè)量模塊電路簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量精度高，能滿足電磁閥電感診斷要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 曾偉，顧東亮，宋國民，等. 新型高壓共軌電磁鐵型噴油器驅(qū)動(dòng)方式[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010(4)：32-34.

[2] 劉軍，李智. 基于單片機(jī)的高精度電容電感測(cè)量儀[J]. 研究與開發(fā)，2007，26(6)：48-51.

[3] 陳仁偉，朱長青，岳夕彪. 高準(zhǔn)確度有效值轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2010，33(6)：20-22.

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[5] 張威，言憶芳，施敏. 基于PIC16F688單片機(jī)的電感測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(15)：25-27.

楊源飛(1985- )，男，工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)。

Design of inductance measurement model for high pressure common rail solenoid valve

Yang Yuanfei, Yang Pengxiang, Lu Zhaozhen, Zhang Lei

(FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute, Wuxi 214063, China)

This paper presents a design of inductance measurement model for high pressure common rail solenoid valve. A high frequent signal sampling method based on timer is introduced. It sample data in multiple cycles and can accurately sample the amplitude and period of the signal. Using the method of voltage proportion computation a rough inductance of the solenoid valve is calculated. Then it uses the histogram to filter the data, and get the final inductance. Experimental results indicate that the performance is stable and the precision is high, the clesigh can meet the application requirement.

inductance measurement; voltage proportion; multiple cycles sampling; histogram filter

TP273

A

1674-7720(2016)01-0030-03

楊源飛，楊鵬翔，陸召振，等.高壓共軌電磁閥電感測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(1)：30-32,35.

2015-09-15)