張 雷，蔣兆杰，張 征，寇 偉，曾 偉

（中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063）

電控高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)是適應(yīng)未來環(huán)保法規(guī)要求的主流技術(shù)[1-2]，高速開關(guān)電磁閥是電控高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)中最核心的部件。電控共軌系統(tǒng)的使用中，電磁閥開關(guān)動(dòng)作數(shù)以億次，動(dòng)作過程中須保證開關(guān)動(dòng)作的時(shí)效性、一致性，因此，其可靠性是電控共軌系統(tǒng)重要指標(biāo)之一[3]。作為電磁閥可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，電磁閥的電氣參數(shù)（電阻和電感）是衡量電磁閥可靠性的重要手段。

本文設(shè)計(jì)的電磁閥在線檢測(cè)臺(tái)具有電磁閥驅(qū)動(dòng)、電磁閥電氣參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，能夠滿足環(huán)境試驗(yàn)需求。

1 電磁閥電氣參數(shù)檢測(cè)原理

1.1 電磁閥工作原理

電控共軌系統(tǒng)電磁閥部件結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，部件整體主要包括鐵芯、內(nèi)外鑲套、限位芯、銜鐵與線圈。電磁閥的工作過程為電磁閥線圈通電，當(dāng)產(chǎn)生的電磁力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，銜鐵吸合，電磁閥開啟；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，電磁力消失，銜鐵在彈簧預(yù)緊力作用下回位，電磁閥關(guān)閉。

圖1 電磁閥部件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of solenoid valve

1.2 電磁閥電氣模型

電磁閥在工作過程中分為開啟階段和保持階段[5]。在開啟階段為了迅速開啟電磁閥，驅(qū)動(dòng)電流必須在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，需要施加較高的驅(qū)動(dòng)電壓以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的快速提升。在保持階段，當(dāng)電磁閥開啟后，僅需要較小的電磁力維持其開啟狀態(tài)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其施加較小的維持電流，避免電磁閥過熱。

在電磁閥驅(qū)動(dòng)電路供電階段、電磁閥銜鐵開啟階段和保持階段線圈回路電氣模型的動(dòng)態(tài)方程為

式中：U為施加在線圈上的電壓；i、R分別為線圈回路的電流和電阻；φ為線圈的總磁鏈；Ф為單個(gè)線圈的磁鏈；N為線圈匝數(shù)。

從驅(qū)動(dòng)電路角度，電磁閥作為負(fù)載，其電氣參數(shù)模型可以進(jìn)一步簡化為電感L和電阻R的串聯(lián)，即：

式中：Z為電磁閥的復(fù)阻抗；j為虛數(shù)；ω為角頻率。

1.3 電磁閥電氣參數(shù)測(cè)量要求

電磁閥的電阻和電感值的變化能夠反映電磁閥工作性能的變化趨勢(shì)，是衡量電磁閥性能的重要指標(biāo)之一。電磁閥的環(huán)境試驗(yàn)通常要求在試驗(yàn)后考察電磁閥的復(fù)阻抗Z的相對(duì)變化量ΔZ是否超出限定范圍，從而判定電磁閥是否失效。

傳統(tǒng)方式需要在環(huán)境試驗(yàn)結(jié)束后將電磁閥取出，并在常溫環(huán)境利用LCR測(cè)試儀進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。這種方式的局限性在于不能在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量電磁閥的電氣參數(shù)，進(jìn)而精確判定電磁閥性能隨環(huán)境應(yīng)力變化的衰減趨勢(shì)。

1.4 電磁閥電氣參數(shù)測(cè)試

電磁閥電氣參數(shù)在線檢測(cè)臺(tái)在工作過程中采用LCR測(cè)試儀連接線束的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥參數(shù)的測(cè)量。由于電磁閥的復(fù)阻抗Z很?。ㄆ渲须娮韬翚W級(jí)，電感毫亨級(jí)），連接線束的溫漂誤差將對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生顯著影響，需要對(duì)線束阻抗的溫漂進(jìn)行修正。以電阻為例，線束電阻隨溫度變化產(chǎn)生的溫漂為

式中：Rt為當(dāng)前溫度線束的電阻值；R0為20℃時(shí)線束的阻抗；t為當(dāng)前溫度；t0為常溫20℃；k為該導(dǎo)體的平均電阻溫度系數(shù)。試驗(yàn)過程中應(yīng)將線束的阻抗溫漂誤差ΔR剔除。

2 電磁閥電氣參數(shù)在線檢測(cè)臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電磁閥電氣參數(shù)在線檢測(cè)臺(tái)主要由上位機(jī)、主控模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、接口電路、LCR測(cè)試儀、通信模塊及穩(wěn)壓電源組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理Fig.2 Principle of the device

電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生典型波信號(hào)電應(yīng)力，為電磁閥提供電驅(qū)動(dòng)[6-7]，電路原理如圖3所示。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊由9S12XEP100單片機(jī)作為控制器、功率放大電路、電源電路及驅(qū)動(dòng)電路組成。其中控制器產(chǎn)生電磁鐵樣品所需的控制邏輯，功率放大電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電磁鐵的電應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生電磁閥驅(qū)動(dòng)并具有診斷保護(hù)功能。

圖3 單路電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊原理Fig.3 Principle of single channel drive circuit of solenoid valve

主控模塊由單片機(jī)、多路智能切換開關(guān)以及電源電路組成，如圖4所示。單片機(jī)為英飛凌XC167。多路智能切換開關(guān)由大功率繼電器組構(gòu)成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)多路電磁閥驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)功能間的切換。

圖4 主控模塊原理Fig.4 Principle of control circuit

LCR測(cè)試儀通過連接線束對(duì)電磁閥樣品進(jìn)行電感和電阻值的測(cè)量，并通過GPIB總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。在電磁閥電氣參數(shù)在線檢測(cè)臺(tái)進(jìn)入測(cè)試模式時(shí)，LCR測(cè)試儀讀取電磁閥測(cè)試數(shù)據(jù)。在電磁閥電氣參數(shù)在線檢測(cè)臺(tái)處于運(yùn)行模式時(shí)，LCR測(cè)試儀的測(cè)試端與被測(cè)件保持?jǐn)嚅_。

通信模塊包括CAN通信模塊和RS232通信模塊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)板間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序包含電磁閥驅(qū)動(dòng)軟件以及主控軟件2個(gè)部分。電磁閥驅(qū)動(dòng)軟件接收上位機(jī)設(shè)定的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，產(chǎn)生電磁閥的驅(qū)動(dòng)波形和控制驅(qū)動(dòng)頻率，并反饋電磁閥驅(qū)動(dòng)電路工作狀態(tài)診斷信息。主控軟件接收上位機(jī)指令，進(jìn)行運(yùn)行模式與檢測(cè)模式切換。軟件流程如圖5所示。

在運(yùn)行模式下，接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)脈寬參數(shù)，并換算生成PWM1、PWM2的控制邏輯；當(dāng)某通道驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生短路故障時(shí)，則斷開該路驅(qū)動(dòng)并通過CAN反饋故障狀態(tài)信息。

圖5 軟件流程Fig.5 Flow chart of software

在檢測(cè)模式下，當(dāng)上位機(jī)需要執(zhí)行某通道電磁閥電參數(shù)測(cè)試時(shí)，禁止該通道電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出；主控模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)通道切換，執(zhí)行電參數(shù)測(cè)量。上位機(jī)讀取對(duì)應(yīng)通道電參數(shù)測(cè)試結(jié)果后，使能該通道電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出，主控模塊執(zhí)行相應(yīng)的通道切換。

2.3 上位機(jī)功能

上位機(jī)、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、主控模塊之間通過CAN總線連接。上位機(jī)采用LabVIEW編寫，界面如圖6所示，通過CAN總線向檢測(cè)臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行控制。上位機(jī)數(shù)據(jù)的ID為0x001。檢測(cè)臺(tái)設(shè)備可容納2塊電磁閥驅(qū)動(dòng)線路板，2塊線路板的ID號(hào)分別為0x100，0x101。主控模塊的ID為0x200。

圖6 上位機(jī)界面Fig.6 User interface of upper monitor

上位機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)7個(gè)功能設(shè)置：CAN協(xié)議參數(shù)、電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)、檢測(cè)通道號(hào)、電磁閥工作狀態(tài)診斷、電參數(shù)測(cè)試模式、LCR校驗(yàn)以及電參數(shù)顯示與存儲(chǔ)。在工作過程中，默認(rèn)CAN總線通信波特率500 k、標(biāo)準(zhǔn)幀、數(shù)據(jù)幀長度8個(gè)字節(jié)。

3 試驗(yàn)分析

圖7為某型國產(chǎn)電磁閥樣品電阻值溫度測(cè)試曲線，其中校對(duì)前曲線為包含線束系統(tǒng)誤差ΔR的溫度點(diǎn)實(shí)測(cè)值，校對(duì)后曲線為剔除ΔR后的溫度點(diǎn)計(jì)算值。

圖7 電磁閥樣品溫度測(cè)試曲線Fig.7 Temperature testing curve of solenoid valve

從圖中可以看出，試驗(yàn)線束產(chǎn)生的誤差ΔR隨溫度升高而變大，國產(chǎn)電磁閥樣品電阻值隨溫度升高而增大。

4 結(jié)語

針對(duì)高速電磁閥試驗(yàn)測(cè)試的需求，開發(fā)了高速電磁閥電氣參數(shù)在線檢測(cè)臺(tái)。該檢測(cè)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)以及電阻、電感參數(shù)的在線檢測(cè)，并通過電磁閥溫度環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備的可用性。

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