高速電磁閥電氣參數在線檢測臺設計

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）

電控高壓共軌發動機是適應未來環保法規要求的主流技術[1-2]，高速開關電磁閥是電控高壓共軌發動機中最核心的部件。電控共軌系統的使用中，電磁閥開關動作數以億次，動作過程中須保證開關動作的時效性、一致性，因此，其可靠性是電控共軌系統重要指標之一[3]。作為電磁閥可靠性的關鍵參數，電磁閥的電氣參數（電阻和電感）是衡量電磁閥可靠性的重要手段。

本文設計的電磁閥在線檢測臺具有電磁閥驅動、電磁閥電氣參數自動測量、數據存儲等功能，能夠滿足環境試驗需求。

1 電磁閥電氣參數檢測原理

1.1 電磁閥工作原理

電控共軌系統電磁閥部件結構如圖1所示[4]，部件整體主要包括鐵芯、內外鑲套、限位芯、銜鐵與線圈。電磁閥的工作過程為電磁閥線圈通電，當產生的電磁力大于彈簧預緊力時，銜鐵吸合，電磁閥開啟；當電磁閥斷電時，電磁力消失，銜鐵在彈簧預緊力作用下回位，電磁閥關閉。

圖1 電磁閥部件結構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，驅動電流必須在很短的時間內達到最大值，需要施加較高的驅動電壓以實現驅動電流的快速提升。在保持階段，當電磁閥開啟后，僅需要較小的電磁力維持其開啟狀態，此時驅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。

從驅動電路角度，電磁閥作為負載，其電氣參數模型可以進一步簡化為電感L和電阻R的串聯，即：

式中：Z為電磁閥的復阻抗；j為虛數；ω為角頻率。

1.3 電磁閥電氣參數測量要求

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之一。電磁閥的環境試驗通常要求在試驗后考察電磁閥的復阻抗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。

傳統方式需要在環境試驗結束后將電磁閥取出，并在常溫環境利用LCR測試儀進行參數測量。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，進而精確判定電磁閥性能隨環境應力變化的衰減趨勢。

1.4 電磁閥電氣參數測試

電磁閥電氣參數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對電磁閥參數的測量。由于電磁閥的復阻抗Z很小（其中電阻毫歐級，電感毫亨級），連接線束的溫漂誤差將對測量值產生顯著影響，需要對線束阻抗的溫漂進行修正。以電阻為例，線束電阻隨溫度變化產生的溫漂為

式中：Rt為當前溫度線束的電阻值；R0為20℃時線束的阻抗；t為當前溫度；t0為常溫20℃；k為該導體的平均電阻溫度系數。試驗過程中應將線束的阻抗溫漂誤差ΔR剔除。

2 電磁閥電氣參數在線檢測臺設計

2.1 硬件設計

電磁閥電氣參數在線檢測臺主要由上位機、主控模塊、電磁閥驅動模塊、接口電路、LCR測試儀、通信模塊及穩壓電源組成，如圖2所示。

圖2 系統硬件原理Fig.2 Principle of the device

電磁閥驅動模塊，產生典型波信號電應力，為電磁閥提供電驅動[6-7]，電路原理如圖3所示。電磁閥驅動模塊由9S12XEP100單片機作為控制器、功率放大電路、電源電路及驅動電路組成。其中控制器產生電磁鐵樣品所需的控制邏輯，功率放大電路產生驅動電磁鐵的電應力，驅動電路產生電磁閥驅動并具有診斷保護功能。

圖3 單路電磁閥驅動模塊原理Fig.3 Principle of single channel drive circuit of solenoid valve

主控模塊由單片機、多路智能切換開關以及電源電路組成，如圖4所示。單片機為英飛凌XC167。多路智能切換開關由大功率繼電器組構成，由單片機控制實現多路電磁閥驅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行電感和電阻值的測量，并通過GPIB總線將數據傳輸至上位機。在電磁閥電氣參數在線檢測臺進入測試模式時，LCR測試儀讀取電磁閥測試數據。在電磁閥電氣參數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斷開。

通信模塊包括CAN通信模塊和RS232通信模塊，實現上位機、驅動板間的數據通信任務。

2.2 軟件設計

軟件程序包含電磁閥驅動軟件以及主控軟件2個部分。電磁閥驅動軟件接收上位機設定的驅動參數，產生電磁閥的驅動波形和控制驅動頻率，并反饋電磁閥驅動電路工作狀態診斷信息。主控軟件接收上位機指令，進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，接收上位機的轉速和驅動脈寬參數，并換算生成PWM1、PWM2的控制邏輯；當某通道驅動電路發生短路故障時，則斷開該路驅動并通過CAN反饋故障狀態信息。

圖5 軟件流程Fig.5 Flow chart of software

在檢測模式下，當上位機需要執行某通道電磁閥電參數測試時，禁止該通道電磁閥驅動輸出；主控模塊進行對應通道切換，執行電參數測量。上位機讀取對應通道電參數測試結果后，使能該通道電磁閥驅動輸出，主控模塊執行相應的通道切換。

2.3 上位機功能

上位機、電磁閥驅動模塊、主控模塊之間通過CAN總線連接。上位機采用LabVIEW編寫，界面如圖6所示，通過CAN總線向檢測臺收發數據，實現整個設備的運行控制。上位機數據的ID為0x001。檢測臺設備可容納2塊電磁閥驅動線路板，2塊線路板的ID號分別為0x100，0x101。主控模塊的ID為0x200。

圖6 上位機界面Fig.6 User interface of upper monitor

上位機界面主要實現7個功能設置：CAN協議參數、電磁閥驅動參數、檢測通道號、電磁閥工作狀態診斷、電參數測試模式、LCR校驗以及電參數顯示與存儲。在工作過程中，默認CAN總線通信波特率500 k、標準幀、數據幀長度8個字節。

3 試驗分析

圖7為某型國產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，試驗線束產生的誤差ΔR隨溫度升高而變大，國產電磁閥樣品電阻值隨溫度升高而增大。

4 結語

針對高速電磁閥試驗測試的需求，開發了高速電磁閥電氣參數在線檢測臺。該檢測臺可以實現對電磁閥的驅動以及電阻、電感參數的在線檢測，并通過電磁閥溫度環境試驗驗證了設備的可用性。

[1]鄧東密，鄧萍.柴油機噴油系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]徐權奎，祝軻卿，陳自強，等.高壓共軌柴油機噴油器電磁閥故障診斷系統設計[J].內燃機工程，2007，28（4）：69-72．

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[7]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.