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
杨源飞;杨鹏翔;陆召振;张雷
【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.
【期刊名称】《微型机与应用》
【年(卷),期】2016(035)001
【总页数】4页(P30-32,35)
【关键词】电感测量;电压比例法;多周期采样;直方图过滤
【作者】杨源飞;杨鹏翔;陆召振;张雷
【作者单位】中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡214063
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
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。

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
电磁阀获得的电压为：
UL=IjωLx
根据电压比例法，可得：
式中:Lx为待测电磁阀电感。

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。

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。

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。

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。

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。

【相关文献】
[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.
[4] 伊元梅，温宗周. 基于51单片机的数字功率表设计[J]. 微型机与应用，2012，31(10)：28-30.
[5] 张威，言忆芳，施敏. 基于PIC16F688单片机的电感测量电路设计[J]. 微型机与应用，2013，
32(15)：25-27.
杨源飞(1985- )，男，工程师，主要研究方向：发动机电控系统。