基于虛擬儀器的磁電機定子自動檢測系統

熊玉勇，張海鷗*，王桂蘭

(1.華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北武漢430074;2.華中科技大學材料成型與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢430074)

0 引言

目前，無觸點電容充放電式(CDI)［1］磁電機因其無觸點式點火以及隨著轉速自動改變點火提前角等優點，被廣泛應用于小型汽油機、摩托車以及園林機械等領域，其性能的好壞直接決定發動機火花塞的點火性能，對燃油效率以及整車性能有重要影響［2］。

在磁電機定子出廠檢測中，國內目前主要采用磁電機飛輪轉子與定子結合一對一檢測，采用示波器觀察電壓波形和峰值電壓數值，通過刻度盤指針打火方式觀察點火提前角度，通過高端示波器進行信號截取積分運算得出點火能量，干擾雜波信號較多，測試不穩定。所有開關都需要人工操作，耗時長，效率低，測試參數由人工肉眼讀取，存在一定的讀數誤差，且由于磁電機種類和型號眾多，各類指標參數標準各異，人工判斷其合格性的工作量大且準確性無法保證。

近些年來，國內部分高校與研究所采用單片機對磁電機信號進行采樣與處理，利用串口與上位機通信，傳輸測試結果數據［3］。但是單片機的處理數據能力有限，采樣頻率不能滿足磁電機電壓信號的高頻要求，存在測試功能單一、抗干擾能力差等缺點，而國外的檢測設備存在價格昂貴、定制性強、測試功能單一、對國內非標磁電機適應性差等缺點。

由于國外對磁電機檢測［4］技術研究起步較早，測試方法與技術陳舊，且技術封鎖性強。本研究提出一種新型的測試方法，以工控機與PCI 高速數據采集卡為硬件平臺，基于LabVIEW［5］進行軟件系統的開發，以實現多功能自動化檢測。

1 系統工作原理及硬件組成

1.1 系統組成

磁電機定子多功能自動檢測系統采用模塊化設計，由I/O 控制與數據采集與處理模塊和測試功能模塊兩大部分組成，磁電機定子自動檢測系統結構框圖如圖1所示。

圖1 磁電機定子自動檢測系統結構框圖

系統的核心是基于PCI 總線的I/O 控制和數據采集與處理模塊，采用研華PCI-1714UL 高速同步數據采集卡和高壓探頭對磁電機定子產生的電壓信號衰減調理后進行數據采集與處理［6］，數據采集分辨率為12位;通過PCI-1762 板卡對檢測臺機械動作變換和磁電機飛輪轉子轉速進行控制，以達到高效測試與多轉速測試的需求。系統硬件通過工控機PCI 插槽進行無縫連接，簡化了數據采集與自動化控制系統的硬件設計，使系統的可靠性、穩定性以及設計柔性得到很大提高。

1.2 技術原理與實現

磁電機定子通過高速切割永磁鐵磁感應線，在電容充放電的形式下，通過晶閘管控制放大感應電壓，次級最高電壓可達25 kV～35 kV，總體持續時間約為400 μs，典型的磁電機開路電壓波形如圖2所示。

圖2 典型磁電機開路電壓波形

由于電壓持續時間很短，峰值持續時間只有2.5 μs，系統采用2 MS/s 采集速率對電壓信號進行實時采集，每次同時測試兩個磁電機定子。利用數據采集卡CH1 對磁電機上止點信號進行采集，CH2 對磁電機定子A 進行電壓信號采集，CH4 對磁電機定子B 進行電壓信號采集。高速的數據采集與處理，需要和其他任務同步進行，因此該系統采用多線程編程控制，以提高多數據處理能力。

2 系統功能設計與實現

2.1 開路峰值電壓和點火提前角的測試

磁電機產生高壓使火花塞放電打火，從點火時刻開始到活塞到達上止點的這段時間，曲軸轉過的角度稱為點火提前角［7］，開路峰值電壓與點火提前角對發動機的動力性、經濟性和排放性能均有很大影響。檢測臺采用天波科技公司的P100 型高壓探頭對高壓信號進行前置處理，衰減比例10 000 ∶1，上止點接近傳感器采用歐姆龍E2E 型高頻接近傳感器。

本研究以工控機為硬件平臺，利用研華PCI-1714UL 數據采集卡對四通道進行同步觸發采集，無需模擬火花塞放電打火環境，即可同步測試出峰值電壓和點火提前角等參數，檢測效率得到顯著提升。本研究通過觸發截取每個周期的電壓信號，得出最大幅值，即開路峰值電壓;當電壓幅值超過10 kV 時，則認為火花塞電極間擊穿點火，通過計算電壓波形在±10 kV 的觸發點和上止點信號觸發點的時間間隔，得出點火提前角，并對安裝以及接近傳感器和光耦隔離變換造成的延時誤差進行補償，上止點與點火信號時域關系示意圖如圖3所示。

圖3 上止點與點火信號時域關系示意圖

由圖3 可知:

2.2 點火能量的測試

為了使燃氣發動機能夠正常運轉，火花塞放電火花的能量必須足夠大，以使火花在可燃混合氣體中形成的火核足夠完成相關物理化學過程，并擴大形成火焰，因此點火能量［8］的大小是衡量發動機性能的重要高層次指標。系統利用P100 型高壓探頭記錄三針打火兩端的放電電壓，利用美國泰克TCP300 電流探頭，通過TCPA 電流放大器測試出火花電流。由于三針放電瞬間對空間以及電路均有強烈的干擾，除了采取必要的硬件抗干擾［9］措施外，必須對采集的信號進行濾波處理，濾波處理后典型的放電電壓波形和放電電流波形如圖4所示。

圖4 打火電壓和電流波形

通過在火花持續的有效時間內，對打火電壓和電流信號進行同步積分運算，可得出點火能量值E，如下式所示:

式中:E—火花能量，mJ;t—放電時間，ms;V—放電電壓，V;I—放電電流，A。

2.3 磁電機停車測試

CDI 點火系統電路原理圖如圖5所示，通過電容C1的充放電，在次級點火線圈的放大下形成高壓，并依據磁電機轉速的變化，通過晶閘管SCR1 自動調整控制放電時刻。當發動機要求熄火停車時，只需接通停車開關，使電容C1不進行充放電動作，即無法產生瞬時高壓。因此對停車測試，可通過外部機械動作，控制繼電器接通停車開關，測試此時磁電機定子是否繼續產生高壓即可，檢測持續時間至少為3 s。

圖5 CDI 點火系統電路原理圖

3 系統軟件

基于虛擬儀器的磁電機自動檢測系統的研究充分利用了LabVIEW［10-12］強大的圖形化功能，利用其在數據采集、儀器控制、測量分析與數據顯示等各種應用提供的開發工具，大大縮短了開發周期和成本，并能保證系統的高效與穩定。根據測試系統的要求，系統軟件功能主要包括人機交互模塊、機械與電氣動作控制模塊、數據采集與處理模塊、數據存儲與報表生成模塊以及參數設置與結果判定模塊，系統軟件框圖如圖6所示。

圖6 系統軟件框圖

本研究通過LabVIEW 隊列消息通信的多線程協調處理機制進行了軟件系統開發，能夠保證在大量數據高效處理的同時，進行其他模塊的操作控制。系統的人機UI 界面簡潔高效、操作方便，可以直觀地觀測采集信號的波形以及處理的實時結果，為了更清晰、有效地觀察采集信號，本研究均對界面顯示的信號進行了濾波處理，在自動化測量中具有重要的實際意義。

4 實驗結果與分析

該系統在自主研發的磁電機綜合試驗臺上得到了驗證，本研究對多種型號的磁電機定子進行了全面的出廠性能檢測。以AD110-09 磁電機定子為例，對各轉速下的開路峰值電壓、點火提前角以及點火能量等指標進行了測試，相關轉速下上述3 指標的測試情況如圖7～10所示。

圖7 兩磁電機定子開路電壓波形(6 000 r·min -1)

圖8 兩磁電機定子峰值電壓與點火提前角度(6 000 r·min-1)

圖9 磁電機定子點火能量測試圖(6 000 r·min -1)

圖10 磁電機定子點火能量測試圖(12 000 r·min -1)

本研究在試驗中對1 000 個定子樣品進行了合格性測試，共檢出12 個不良品，與現有檢測臺測試結果完全吻合。通過查看磁電機定子性能參數測試報表，可觀察批量產品的性能一致性，并分析出產生不良品的主要原因。由于該系統采用直接采集磁電機電壓信號，通過對原始電壓信號的分析與處理，能夠準確地測試出磁電機定子的各項性能參數。該系統對磁電機定子各項性能的測試均采用標準樣品進行誤差補償標定，經對比分析，誤差主要來源于電壓傳導線路以及高壓探頭傳感器的衰減誤差和對信號濾波處理造成的少量信號偏差，這些均在測試誤差的允許范圍內，能夠較好地滿足磁電機定子出廠性能檢測的需求。

5 結束語

本研究以工控機和高速數據采集卡為硬件平臺，以LabVIEW 為軟件開發平臺，多線程操作處理，針對磁電機定子性能檢測提出了全新的系統測試方法，可同步對開路峰值電壓、點火提前角等指標進行測試，并克服了傳統儀器對點火能量等高端指標測試存在的困難。該系統功能完善，開發周期短，人機界面美觀易用，系統穩定、可靠，測試誤差小，檢測效率提高80%，并具有一定的測試柔性，很好地解決了國內現階段磁電機定子檢測臺存在的各指標測試模塊獨立、成本高、檢測效率低、精度差等缺點。該系統在磁電機出廠檢測領域具有很大的市場價值，亦對其他自動化測量系統的開發提供了重要的參考價值。

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