高壓共軌電磁閥電感測量模塊的設計

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量模塊的設計

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量模塊的設計。設計了利用定時器進行多周期采樣高頻正弦波的采樣方法，可準確采集到正弦波的幅值及周期；再通過電壓比例法計算出電磁閥的粗略電感值；最后通過直方圖過濾的統計方法，得出電磁閥的測量電感值。實驗結果表明，本設計性能穩定，測量精度高，滿足應用要求。

電感測量；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可以實現對燃油噴射量、噴射壓力、噴射速率和噴射定時的靈活控制，優化燃燒過程，使柴油機在動力性、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的核心部件，電磁閥式噴油器作為使用范圍最為廣泛的結構形式，其電磁閥的穩定性直接影響燃油噴射系統乃至發動機的性能。電磁閥通過發動機電控單元(ECU)進行驅動，正常狀態下電磁閥的電感值是一個穩定數值，但是如果電磁閥發生損壞，其電感值就會發生變化，ECU驅動狀態就會發生改變，導致驅動電流異常，造成的直接后果就是噴油器工作異常。因此，需要在發動機系統工作前對電磁閥電感進行診斷，確保系統正常工作。

1 電感測量原理

本設計采用了電壓比例法來測量電感，即將待測電感與標準電阻串聯，再利用電壓比例來計算出電感值。由于電感屬電抗元件，因此不能采用直流源來產生測量信號，而只能采用交流信號。為保證測量精度，本設計采用高精度和高穩定度的波形產生芯片AD9850。AD9850芯片是美國ADI公司生產的高集成度DDS，接上精確的時鐘源，采用單片機控制，可產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦信號。對于125 MHz基準時鐘輸入，輸出調諧分辨率可以達到0.291 Hz，該正弦波可以直接用作頻率源[2]。

文獻[2]中硬件組成包括了運放放大芯片及有效值轉換芯片，電路較復雜[3]。本文直接用單片機集成的A/D模塊進行數據采集[4]，經統計處理后得出結果[5]。電路簡單，將標準電阻R和待測電磁閥Lx串聯，組成如圖1所示的測量電路。在角頻率為ω的交流信號的作用下，標準電阻R獲得的電壓為:

UR=IR

(1)

電磁閥獲得的電壓為：

UL=IjωLx

(2)

根據電壓比例法，可得：

(3)

式中:Lx為待測電磁閥電感。

圖1 電感測量原理示意圖

2 電壓采樣

本模塊主要用單片機MC9S12XEP100集成的ATD模塊完成電壓采樣，其A/D轉換精度可以達到12位，當A/D模塊時鐘頻率為8 MHz時，完成一次轉換只需要2.8 μs。根據式(3)，需要讀取到UR及UL的有效值，即要讀取到代表UR及UL的正弦波信號的峰峰值。由于電感的作用，在電路中會產生反電勢阻止電流變化，也就是說UL會存在負值，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，再設法計算峰峰值。根據設計要求，作用于電磁閥的是頻率為100 kHz的正弦信號，故UR及UL的變化曲線也是100 kHz。單片機完成一次采樣需要2.8 μs，因此在一個周期內，最多只能采樣到UL的4個點，無法準確計算出正弦波UL的峰峰值。

2.1 多周期采樣

多周期采樣用于采樣頻率穩定的信號：利用單片機定時器，在信號的一個周期只采樣一次，且相鄰兩個采樣點間隔時間為n×T+t(n為整數，T為待采樣信號的周期，t=T/m)，如圖2所示，通過采集m個周期的m個數據組成一個周期的反映原始信號的數據。根據取樣定理，當1/t≥2×1/T時，可以正確無誤地用取樣信號表示待采樣的模擬信號。但為了準確計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 多周期采樣實現

在總線頻率為64 MHz的工作狀態下，單片機MC9S12XEP100集成的定時器定時精度可以達到65 ns，UR及UL信號的周期為10 μs。為保證采樣時間及其他處理時間，設置定時器定時時間為10.31 μs。程序流程如圖3所示。由于m=32，為保證峰峰值計算數據足夠，設UR及UL采樣保存數組大小均為70，得到的一組AD9850輸出信號采樣數據如圖4所示。圖4(a)為AD9850輸出100 kHz信號的示波器顯示圖，圖4(b)為由單片機采集到的數據組成的曲線圖。從圖4可以看出，利用本方法采集到的數據可以準確表示原始信號。

圖4 AD9850輸出信號采樣數據

2.3 幅值的計算

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，當電路中電流發生變化時，由于電感的反電動勢有限，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大于0，即波形中線可以直接被單片機采集到。從峰值往前或往后第m/4個采樣點處于變化波形的中線，由此設計了如圖6所示的峰峰值Up的提取法，分別得到UR及UL的有效值。最后根據式(3)計算得到電磁閥測量電感值L。

圖5 UR(上)及UL(下)示波器顯示圖

圖6 峰峰值計算程序流程圖

3 直方圖過濾

實驗用AD9850輸出頻率為100 kHz、幅度為2 V的交流正弦波作為信號進行測試。測試實驗測量了12個電磁閥，對每個電磁閥測量得到了多組數據，通過觀察數據分布直方圖發現，當測量數據達到一定量后，數據頻率分布存在一高一低兩個峰值，如圖7所示(為方便觀察，提取了5個電磁閥的測量數據分布曲線)。為此取兩個峰值總和的平均值，例如峰值1處數值為Lp1，對應頻率為N，峰值2處數值為Lp2，對應頻率為M，則測量結果為：

(4)

根據式(4)，測得12個電磁閥在100kHz下的電感值，測量結果與惠普HP4263B型電感測量儀在100kHz下的測量結果進行對比，最大誤差1.3%，平均誤差0.2%，如圖8所示。從圖8可以看出，本電磁閥電感測量模塊工作穩定，測量精度高，滿足設計要求。

圖7 電感數據頻率分布曲線

圖8 LCR測量結果與實驗板測量結果對比圖

4 結束語

本文根據電壓比例法設計了一個電感測量模塊及其軟件實現方法，提出的多周期采集法可以準確反映原始信號的峰值、周期等關鍵指標，直方圖過濾法能有效排除誤差干擾，使得測量模塊電路簡單，操作方便，測量精度高，能滿足電磁閥電感診斷要求，具有較強的實用性。

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

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

[3] 陳仁偉，朱長青，岳夕彪. 高準確度有效值轉換電路的設計與實現[J]. 電子測量技術，2010，33(6)：20-22.

[4] 伊元梅，溫宗周. 基于51單片機的數字功率表設計[J]. 微型機與應用，2012，31(10)：28-30.

[5] 張威，言憶芳，施敏. 基于PIC16F688單片機的電感測量電路設計[J]. 微型機與應用，2013，32(15)：25-27.

楊源飛(1985- )，男，工程師，主要研究方向：發動機電控系統。

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量模塊的設計[J].微型機與應用，2016，35(1)：30-32,35.

2015-09-15)