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高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

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摘要:介绍了一种高压共轨电磁阀电感测量模块的设计。设计了利用定时器进行多周期采样高频正弦波的采样方法,可准确采集到正弦波的幅值及周期;再通过电压比例法计算出电磁阀的粗略电感值;最后通过直方图过滤的统计方法,得出电磁阀的测量电感值。实验结果表明,本设计性能稳定,测量精度高,满足应用要求。

0引言

电控高压共轨燃油喷射系统可以实现对燃油喷射量、喷射压力、喷射速率和喷射定时的灵活控制,优化燃烧过程,使柴油机在动力性、油耗、噪声、排放等方面得到显著改善[1]。喷油器是电控燃油喷射系统的核心部件,电磁阀式喷油器作为使用范围最为广泛的结构形式,其电磁阀的稳定性直接影响燃油喷射系统乃至发动机的性能。电磁阀通过发动机电控单元(ECU)进行驱动,正常状态下电磁阀的电感值是一个稳定数值,但是如果电磁阀发生损坏,其电感值就会发生变化,ECU驱动状态就会发生改变,导致驱动电流异常,造成的直接后果就是喷油器工作异常。因此,需要在发动机系统工作前对电磁阀电感进行诊断,确保系统正常工作。

1电感测量原理

本设计采用了电压比例法来测量电感,即将待测电感与标准电阻串联,再利用电压比例来计算出电感值。由于电感属电抗元件,因此不能采用直流源来产生测量信号,而只能采用交流信号。为保证测量精度,本设计采用高精度和高稳定度的波形产生芯片AD9850。AD9850芯片是美国ADI公司生产的高集成度DDS,接上精确的时钟源,采用单片机控制,可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦信号。对于125 MHz基准时钟输入,输出调谐分辨率可以达到0291 Hz,该正弦波可以直接用作频率源[2]。

文献[2]中硬件组成包括了运放放大芯片及有效值转换芯片,电路较复杂[3]。本文直接用单片机集成的A/D模块进行数据采集[4],经统计处理后得出结果[5]。电路简单,将标准电阻R和待测电磁阀Lx串联,组成如图1所示的测量电路。在角频率为ω的交流信号的作用下,标准电阻R获得的电压为:

UR=IR(1)

电磁阀获得的电压为:

UL=IjωLx(2)

根据电压比例法,可得:

式中:Lx为待测电磁阀电感。

高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

2电压采样

本模块主要用单片机MC9S12XEP100集成的ATD模块完成电压采样,其A/D转换精度可以达到12位,当A/D模块时钟频率为8 MHz时,完成一次转换只需要28 μs。根据式(3),需要读取到UR及UL的有效值,即要读取到代表UR及UL的正弦波信号的峰峰值。由于电感的作用,在电路中会产生反电势阻止电流变化,也就是说UL会存在负值,因此不能直接读取到正弦波的峰峰值。只能将UR及UL处的变化曲线采样出来,再设法计算峰峰值。根据设计要求,作用于电磁阀的是频率为100 kHz的正弦信号,故UR及UL的变化曲线也是100 kHz。单片机完成一次采样需要28 μs,因此在一个周期内,最多只能采样到UL的4个点,无法准确计算出正弦波UL的峰峰值。

21多周期采样

多周期采样用于采样频率稳定的信号:利用单片机定时器,在信号的一个周期只采样一次,且相邻两个采样点间隔时间为n×T+t(n为整数,T为待采样信号的周期,t=T/m),如图2所示,通过采集m个周期的m个数据组成一个周期的反映原始信号的数据。根据取样定理,当1/t≥2×1/T时,可以正确无误地用取样信号表示待采样的模拟信号。但为了准确计算出正弦波的峰峰值,取m=32,即t=T/32。

高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

22多周期采样实现

在总线频率为64 MHz的工作状态下,单片机MC9S12XEP100集成的定时器定时精度可以达到65 ns,UR及UL信号的周期为10 μs。为保证采样时间及其他处理时间,设置定时器定时时间为1031 μs。程序流程如图3所示。由于m=32,为保证峰峰值计算数据足够,设UR及UL采样保存数组大小均为70,得到的一组AD9850输出信号采样数据如图4所示。图4(a)为AD9850输出100 kHz信号的示波器显示图,图4(b)为由单片机采集到的数据组成的曲线图。从图4可以看出,利用本方法采集到的数据可以准确表示原始信号。

高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

23幅值的计算

如图5所示上方曲线为UR变化波形,下方曲线为UL变化波形。从图5可以看出,当电路中电流发生变化时,由于电感的反电动势有限,最低波谷值总小于最大波峰值,因此UL正弦波曲线的中线会大于0,即波形中线可以直接被单片机采集到。从峰值往前或往后第m/4个采样点处于变化波形的中线,由此设计了如图6所示的峰峰值Up的提取法,分别得到UR及UL的有效值。最后根据式(3)计算得到电磁阀测量电感值L。

高压共轨电磁阀电感测量模块的设计高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

3直方图过滤

实验用AD9850输出频率为100 kHz、幅度为2 V的交流正弦波作为信号进行测试。测试实验测量了12个电磁阀,对每个电磁阀测量得到了多组数据,通过观察数据分布直方图发现,当测量数据达到一定量后,数据频率分布存在一高一低两个峰值,如图7所示(为方便观察,提取了5个电磁阀的测量数据分布曲线)。为此取两个峰值总和的平均值,例如峰值1处数值为Lp1,对应频率为N,峰值2处数值为Lp2,对应频率为M,则测量结果为:

根据式(4),测得12个电磁阀在100 kHz下的电感值,测量结果与惠普HP4263B型电感测量仪在100 kHz下的测量结果进行对比,最大误差13%,平均误差02%,如图8所示。从图8可以看出,本电磁阀电感测量模块工作稳定,测量精度高,满足设计要求。

高压共轨电磁阀电感测量模块的设计高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

4结束语

本文根据电压比例法设计了一个电感测量模块及其软件实现方法,提出的多周期采集法可以准确反映原始信号的峰值、周期等关键指标,直方图过滤法能有效排除误差干扰,使得测量模块电路简单,操作方便,测量精度高,能满足电磁阀电感诊断要求,具有较强的实用性。

参考文献

[1] 曾伟,顾东亮,宋国民,等. 新型高压共轨电磁铁型喷油器驱动方式[J]. 车用发动机,2010(4):32-34.

[2] 刘军,李智. 基于单片机的高精度电容电感测量仪[J]. 研究与开发,2007,26(6):48-51.

[3] 陈仁伟,朱长青,岳夕彪. 高准确度有效值转换电路的设计与实现[J]. 电子测量技术,2010,33(6):20-22.

 

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