高速电磁阀电气参数在线检测台设计

张 雷，蒋兆杰，张 征，寇 伟，曾 伟

（中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063）

电控高压共轨发动机是适应未来环保法规要求的主流技术[1-2]，高速开关电磁阀是电控高压共轨发动机中最核心的部件。电控共轨系统的使用中，电磁阀开关动作数以亿次，动作过程中须保证开关动作的时效性、一致性，因此，其可靠性是电控共轨系统重要指标之一[3]。作为电磁阀可靠性的关键参数，电磁阀的电气参数（电阻和电感）是衡量电磁阀可靠性的重要手段。

本文设计的电磁阀在线检测台具有电磁阀驱动、电磁阀电气参数自动测量、数据存储等功能，能够满足环境试验需求。

1 电磁阀电气参数检测原理

1.1 电磁阀工作原理

电控共轨系统电磁阀部件结构如图1所示[4]，部件整体主要包括铁芯、内外镶套、限位芯、衔铁与线圈。电磁阀的工作过程为电磁阀线圈通电，当产生的电磁力大于弹簧预紧力时，衔铁吸合，电磁阀开启；当电磁阀断电时，电磁力消失，衔铁在弹簧预紧力作用下回位，电磁阀关闭。

图1 电磁阀部件结构Fig.1 Structure of solenoid valve

1.2 电磁阀电气模型

电磁阀在工作过程中分为开启阶段和保持阶段[5]。在开启阶段为了迅速开启电磁阀，驱动电流必须在很短的时间内达到最大值，需要施加较高的驱动电压以实现驱动电流的快速提升。在保持阶段，当电磁阀开启后，仅需要较小的电磁力维持其开启状态，此时驱动电路对其施加较小的维持电流，避免电磁阀过热。

在电磁阀驱动电路供电阶段、电磁阀衔铁开启阶段和保持阶段线圈回路电气模型的动态方程为

式中：U为施加在线圈上的电压；i、R分别为线圈回路的电流和电阻；φ为线圈的总磁链；Ф为单个线圈的磁链；N为线圈匝数。

从驱动电路角度，电磁阀作为负载，其电气参数模型可以进一步简化为电感L和电阻R的串联，即：

式中：Z为电磁阀的复阻抗；j为虚数；ω为角频率。

1.3 电磁阀电气参数测量要求

电磁阀的电阻和电感值的变化能够反映电磁阀工作性能的变化趋势，是衡量电磁阀性能的重要指标之一。电磁阀的环境试验通常要求在试验后考察电磁阀的复阻抗Z的相对变化量ΔZ是否超出限定范围，从而判定电磁阀是否失效。

传统方式需要在环境试验结束后将电磁阀取出，并在常温环境利用LCR测试仪进行参数测量。这种方式的局限性在于不能在试验过程中实时测量电磁阀的电气参数，进而精确判定电磁阀性能随环境应力变化的衰减趋势。

1.4 电磁阀电气参数测试

电磁阀电气参数在线检测台在工作过程中采用LCR测试仪连接线束的方式实现对电磁阀参数的测量。由于电磁阀的复阻抗Z很小（其中电阻毫欧级，电感毫亨级），连接线束的温漂误差将对测量值产生显著影响，需要对线束阻抗的温漂进行修正。以电阻为例，线束电阻随温度变化产生的温漂为

式中：Rt为当前温度线束的电阻值；R0为20℃时线束的阻抗；t为当前温度；t0为常温20℃；k为该导体的平均电阻温度系数。试验过程中应将线束的阻抗温漂误差ΔR剔除。

2 电磁阀电气参数在线检测台设计

2.1 硬件设计

电磁阀电气参数在线检测台主要由上位机、主控模块、电磁阀驱动模块、接口电路、LCR测试仪、通信模块及稳压电源组成，如图2所示。

图2 系统硬件原理Fig.2 Principle of the device

电磁阀驱动模块，产生典型波信号电应力，为电磁阀提供电驱动[6-7]，电路原理如图3所示。电磁阀驱动模块由9S12XEP100单片机作为控制器、功率放大电路、电源电路及驱动电路组成。其中控制器产生电磁铁样品所需的控制逻辑，功率放大电路产生驱动电磁铁的电应力，驱动电路产生电磁阀驱动并具有诊断保护功能。

图3 单路电磁阀驱动模块原理Fig.3 Principle of single channel drive circuit of solenoid valve

主控模块由单片机、多路智能切换开关以及电源电路组成，如图4所示。单片机为英飞凌XC167。多路智能切换开关由大功率继电器组构成，由单片机控制实现多路电磁阀驱动与检测功能间的切换。

图4 主控模块原理Fig.4 Principle of control circuit

LCR测试仪通过连接线束对电磁阀样品进行电感和电阻值的测量，并通过GPIB总线将数据传输至上位机。在电磁阀电气参数在线检测台进入测试模式时，LCR测试仪读取电磁阀测试数据。在电磁阀电气参数在线检测台处于运行模式时，LCR测试仪的测试端与被测件保持断开。

通信模块包括CAN通信模块和RS232通信模块，实现上位机、驱动板间的数据通信任务。

2.2 软件设计

软件程序包含电磁阀驱动软件以及主控软件2个部分。电磁阀驱动软件接收上位机设定的驱动参数，产生电磁阀的驱动波形和控制驱动频率，并反馈电磁阀驱动电路工作状态诊断信息。主控软件接收上位机指令，进行运行模式与检测模式切换。软件流程如图5所示。

在运行模式下，接收上位机的转速和驱动脉宽参数，并换算生成PWM1、PWM2的控制逻辑；当某通道驱动电路发生短路故障时，则断开该路驱动并通过CAN反馈故障状态信息。

图5 软件流程Fig.5 Flow chart of software

在检测模式下，当上位机需要执行某通道电磁阀电参数测试时，禁止该通道电磁阀驱动输出；主控模块进行对应通道切换，执行电参数测量。上位机读取对应通道电参数测试结果后，使能该通道电磁阀驱动输出，主控模块执行相应的通道切换。

2.3 上位机功能

上位机、电磁阀驱动模块、主控模块之间通过CAN总线连接。上位机采用LabVIEW编写，界面如图6所示，通过CAN总线向检测台收发数据，实现整个设备的运行控制。上位机数据的ID为0x001。检测台设备可容纳2块电磁阀驱动线路板，2块线路板的ID号分别为0x100，0x101。主控模块的ID为0x200。

图6 上位机界面Fig.6 User interface of upper monitor

上位机界面主要实现7个功能设置：CAN协议参数、电磁阀驱动参数、检测通道号、电磁阀工作状态诊断、电参数测试模式、LCR校验以及电参数显示与存储。在工作过程中，默认CAN总线通信波特率500 k、标准帧、数据帧长度8个字节。

3 试验分析

图7为某型国产电磁阀样品电阻值温度测试曲线，其中校对前曲线为包含线束系统误差ΔR的温度点实测值，校对后曲线为剔除ΔR后的温度点计算值。

图7 电磁阀样品温度测试曲线Fig.7 Temperature testing curve of solenoid valve

从图中可以看出，试验线束产生的误差ΔR随温度升高而变大，国产电磁阀样品电阻值随温度升高而增大。

4 结语

针对高速电磁阀试验测试的需求，开发了高速电磁阀电气参数在线检测台。该检测台可以实现对电磁阀的驱动以及电阻、电感参数的在线检测，并通过电磁阀温度环境试验验证了设备的可用性。

[1]邓东密，邓萍.柴油机喷油系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]徐权奎，祝轲卿，陈自强，等.高压共轨柴油机喷油器电磁阀故障诊断系统设计[J].内燃机工程，2007，28（4）：69-72．

[3]吴松，吴潇潇，周庭波，等.共轨喷油器电磁阀性能优化与试验验证[J].现代车用动力，2016（1）：54-58.

[4]周望静，卜安珍.共轨喷油器电磁阀分析[J].现代车用动力，2011（1）：26-28.

[5]俞谢斌，曾伟，谢宏斌，等.基于CPLD的共轨喷油器电磁阀电流调制系统[J].现代车用动力，2014（1）：24-26.

[6]徐权奎，祝轲卿，陈自强，等.高压共轨电磁阀驱动响应性研究[J].内燃机工程，2007，28（3）：15-19.

[7]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.