摘要：介紹了一種高壓共軌電磁閥電感測量模塊的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了利用定時器進(jìn)行多周期采樣高頻正弦波的采樣方法，可準(zhǔn)確采集到正弦波的幅值及周期；再通過電壓比例法計(jì)算出電磁閥的粗略電感值；最后通過直方圖過濾的統(tǒng)計(jì)方法，得出電磁閥的測量電感值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，測量精度高，滿足應(yīng)用要求。

　　關(guān)鍵詞：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(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(yōu)化燃燒過程，使柴油機(jī)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(tǒng)的核心部件，電磁閥式噴油器作為使用范圍最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，其電磁閥的穩(wěn)定性直接影響燃油噴射系統(tǒng)乃至發(fā)動機(jī)的性能。電磁閥通過發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）進(jìn)行驅(qū)動，正常狀態(tài)下電磁閥的電感值是一個穩(wěn)定數(shù)值，但是如果電磁閥發(fā)生損壞，其電感值就會發(fā)生變化，ECU驅(qū)動狀態(tài)就會發(fā)生改變，導(dǎo)致驅(qū)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(fā)動機(jī)系統(tǒng)工作前對電磁閥電感進(jìn)行診斷，確保系統(tǒng)正常工作。

1電感測量原理

　　本設(shè)計(jì)采用了電壓比例法來測量電感，即將待測電感與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，再利用電壓比例來計(jì)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(chǎn)生測量信號，而只能采用交流信號。為保證測量精度，本設(shè)計(jì)采用高精度和高穩(wěn)定度的波形產(chǎn)生芯片AD9850。AD9850芯片是美國ADI公司生產(chǎn)的高集成度DDS，接上精確的時鐘源，采用單片機(jī)控制，可產(chǎn)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(zhǔn)時鐘輸入，輸出調(diào)諧分辨率可以達(dá)到0291 Hz，該正弦波可以直接用作頻率源［2］。

　　文獻(xiàn)［2］中硬件組成包括了運(yùn)放放大芯片及有效值轉(zhuǎn)換芯片，電路較復(fù)雜［3］。本文直接用單片機(jī)集成的A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［4］，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后得出結(jié)果［5］。電路簡單，將標(biāo)準(zhǔn)電阻R和待測電磁閥Lx串聯(lián)，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(biāo)準(zhǔn)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(jù)電壓比例法，可得：

　　式中:Lx為待測電磁閥電感。

2電壓采樣

　　本模塊主要用單片機(jī)MC9S12XEP100集成的ATD模塊完成電壓采樣，其A/D轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到12位，當(dāng)A/D模塊時鐘頻率為8 MHz時，完成一次轉(zhuǎn)換只需要28 μs。根據(jù)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(chǎn)生反電勢阻止電流變化，也就是說UL會存在負(fù)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(shè)法計(jì)算峰峰值。根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)完成一次采樣需要28 μs，因此在一個周期內(nèi)，最多只能采樣到UL的4個點(diǎn)，無法準(zhǔn)確計(jì)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(wěn)定的信號：利用單片機(jī)定時器，在信號的一個周期只采樣一次，且相鄰兩個采樣點(diǎn)間隔時間為n×T+t（n為整數(shù)，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(shù)據(jù)組成一個周期的反映原始信號的數(shù)據(jù)。根據(jù)取樣定理，當(dāng)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(zhǔn)確計(jì)算出正弦波的峰峰值，取m=32，即t=T/32。

　　22多周期采樣實(shí)現(xiàn)

　　在總線頻率為64 MHz的工作狀態(tài)下，單片機(jī)MC9S12XEP100集成的定時器定時精度可以達(dá)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(shè)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(jì)算數(shù)據(jù)足夠，設(shè)UR及UL采樣保存數(shù)組大小均為70，得到的一組AD9850輸出信號采樣數(shù)據(jù)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(jī)采集到的數(shù)據(jù)組成的曲線圖。從圖4可以看出，利用本方法采集到的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確表示原始信號。

　　23幅值的計(jì)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(dāng)電路中電流發(fā)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(jī)采集到。從峰值往前或往后第m/4個采樣點(diǎn)處于變化波形的中線，由此設(shè)計(jì)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(jù)式（3）計(jì)算得到電磁閥測量電感值L。　　

3直方圖過濾

　　實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測試。測試實(shí)驗(yàn)測量了12個電磁閥，對每個電磁閥測量得到了多組數(shù)據(jù)，通過觀察數(shù)據(jù)分布直方圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量數(shù)據(jù)達(dá)到一定量后，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分布曲線）。為此取兩個峰值總和的平均值，例如峰值1處數(shù)值為Lp1，對應(yīng)頻率為N，峰值2處數(shù)值為Lp2，對應(yīng)頻率為M，則測量結(jié)果為：

　　根據(jù)式（4），測得12個電磁閥在100 kHz下的電感值，測量結(jié)果與惠普HP4263B型電感測量儀在100 kHz下的測量結(jié)果進(jìn)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(wěn)定，測量精度高，滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)束語

　　本文根據(jù)電壓比例法設(shè)計(jì)了一個電感測量模塊及其軟件實(shí)現(xiàn)方法，提出的多周期采集法可以準(zhǔn)確反映原始信號的峰值、周期等關(guān)鍵指標(biāo)，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(qiáng)的實(shí)用性。

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