高速電磁閥電氣參數(shù)在線檢測臺設(shè)計

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)動作數(shù)以億次，動作過程中須保證開關(guān)動作的時效性、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)計的電磁閥在線檢測臺具有電磁閥驅(qū)動、電磁閥電氣參數(shù)自動測量、數(shù)據(jù)存儲等功能，能夠滿足環(huán)境試驗需求。

1 電磁閥電氣參數(shù)檢測原理

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，銜鐵吸合，電磁閥開啟；當(dāng)電磁閥斷電時，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)動電流必須在很短的時間內(nèi)達(dá)到最大值，需要施加較高的驅(qū)動電壓以實現(xiàn)驅(qū)動電流的快速提升。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)，此時驅(qū)動電路對其施加較小的維持電流，避免電磁閥過熱。

在電磁閥驅(qū)動電路供電階段、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為單個線圈的磁鏈；N為線圈匝數(shù)。

從驅(qū)動電路角度，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，是衡量電磁閥性能的重要指標(biāo)之一。電磁閥的環(huán)境試驗通常要求在試驗后考察電磁閥的復(fù)阻抗Z的相對變化量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)境試驗結(jié)束后將電磁閥取出，并在常溫環(huán)境利用LCR測試儀進(jìn)行參數(shù)測量。這種方式的局限性在于不能在試驗過程中實時測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。

1.4 電磁閥電氣參數(shù)測試

電磁閥電氣參數(shù)在線檢測臺在工作過程中采用LCR測試儀連接線束的方式實現(xiàn)對電磁閥參數(shù)的測量。由于電磁閥的復(fù)阻抗Z很?。ㄆ渲须娮韬翚W級，電感毫亨級），連接線束的溫漂誤差將對測量值產(chǎn)生顯著影響，需要對線束阻抗的溫漂進(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)在線檢測臺設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

電磁閥電氣參數(shù)在線檢測臺主要由上位機(jī)、主控模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、接口電路、LCR測試儀、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)動模塊，產(chǎn)生典型波信號電應(yīng)力，為電磁閥提供電驅(qū)動[6-7]，電路原理如圖3所示。電磁閥驅(qū)動模塊由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)動電磁鐵的電應(yīng)力，驅(qū)動電路產(chǎn)生電磁閥驅(qū)動并具有診斷保護(hù)功能。

圖3 單路電磁閥驅(qū)動模塊原理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)控制實現(xiàn)多路電磁閥驅(qū)動與檢測功能間的切換。

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

LCR測試儀通過連接線束對電磁閥樣品進(jìn)行電感和電阻值的測量，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)在線檢測臺進(jìn)入測試模式時，LCR測試儀讀取電磁閥測試數(shù)據(jù)。在電磁閥電氣參數(shù)在線檢測臺處于運行模式時，LCR測試儀的測試端與被測件保持?jǐn)嚅_。

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

2.2 軟件設(shè)計

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

在運行模式下，接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動脈寬參數(shù)，并換算生成PWM1、PWM2的控制邏輯；當(dāng)某通道驅(qū)動電路發(fā)生短路故障時，則斷開該路驅(qū)動并通過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)測試時，禁止該通道電磁閥驅(qū)動輸出；主控模塊進(jìn)行對應(yīng)通道切換，執(zhí)行電參數(shù)測量。上位機(jī)讀取對應(yīng)通道電參數(shù)測試結(jié)果后，使能該通道電磁閥驅(qū)動輸出，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總線向檢測臺收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個設(shè)備的運行控制。上位機(jī)數(shù)據(jù)的ID為0x001。檢測臺設(shè)備可容納2塊電磁閥驅(qū)動線路板，2塊線路板的ID號分別為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)界面主要實現(xiàn)7個功能設(shè)置：CAN協(xié)議參數(shù)、電磁閥驅(qū)動參數(shù)、檢測通道號、電磁閥工作狀態(tài)診斷、電參數(shù)測試模式、LCR校驗以及電參數(shù)顯示與存儲。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個字節(jié)。

3 試驗分析

圖7為某型國產(chǎn)電磁閥樣品電阻值溫度測試曲線，其中校對前曲線為包含線束系統(tǒng)誤差ΔR的溫度點實測值，校對后曲線為剔除ΔR后的溫度點計算值。

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

從圖中可以看出，試驗線束產(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

針對高速電磁閥試驗測試的需求，開發(fā)了高速電磁閥電氣參數(shù)在線檢測臺。該檢測臺可以實現(xiàn)對電磁閥的驅(qū)動以及電阻、電感參數(shù)的在線檢測，并通過電磁閥溫度環(huán)境試驗驗證了設(shè)備的可用性。

[1]鄧東密，鄧萍.柴油機(jī)噴油系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]徐權(quán)奎，祝軻卿，陳自強(qiáng)，等.高壓共軌柴油機(jī)噴油器電磁閥故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28（4）：69-72．

[3]吳松，吳瀟瀟，周庭波，等.共軌噴油器電磁閥性能優(yōu)化與試驗驗證[J].現(xiàn)代車用動力，2016（1）：54-58.

[4]周望靜，卜安珍.共軌噴油器電磁閥分析[J].現(xiàn)代車用動力，2011（1）：26-28.

[5]俞謝斌，曾偉，謝宏斌，等.基于CPLD的共軌噴油器電磁閥電流調(diào)制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代車用動力，2014（1）：24-26.

[6]徐權(quán)奎，祝軻卿，陳自強(qiáng)，等.高壓共軌電磁閥驅(qū)動響應(yīng)性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28（3）：15-19.

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