真空电磁阀测试系统的研究与应用

摘   要： 基于汽车废气再循环系统，实验室模拟真空环境，使用LabVIEW开发平台，设计出一套对真空电磁阀的各项性能指标进行测试的系统。测试系统已成功投入应用，在测试中实现对压力、流量的实时数据采集、处理、显示和存储。系统运行可靠稳定、操作简单、自动化程度高，能精确测量真空电磁阀的性能参数，测试阀的质量问题。
关键词： 真空电磁阀； 废气再循环系统； LabVIEW； 测试； 性能参数

    汽车保有量的与日俱增，使汽车排气对人类健康的危害以及对环境的污染也日甚一日，其中以氮氧化合物NOx对人类的危害最大，所以各国的排放法规对氮氧化合物都进行了严格的限制[1]。
    废气再循环（EGR）降低NOx排放效果最为显著，而且对原机改动小，设计自由度大，因而日益受到了人们的青睐，EGR阀也成为了发动机必不可少的附件。EGR技术的原理是将部分排气引入进气，以提高混合气中的废气成分。国内外市场上出现的EGR系统主要有三种：机械式、气电式和电控式[2]。本文介绍的真空电磁阀就是气电式EGR系统中的关键控制部件，可以用来调节EGR控制阀里的真空度，从而可以根据发动机工况在一定范围内实现对EGR率的调整,能较大改善系统柔性[3]。而目前国内对真空电磁阀的检测技术还不够成熟，只能依赖于国外价格昂贵的测试系统，本文提出了一种基于LabVIEW虚拟仪器的真空电磁阀的检测平台，能方便地检测真空电磁阀的性能指标，且开发成本较低。
1 系统测试原理
    真空电磁阀作为气电式EGR系统的一个关键部件，其作用是调节EGR控制阀里的真空度。本系统给真空电磁阀加不同频率、占空比、幅值的脉冲电源以及不同的真空度来测试真空电磁阀的性能指标及出气口流量和压力的关系[4]。
    图1所示为系统的测试原理图，系统由PC机、脉冲电源（PWM电源）、数据采集单元、压力和流量传感器、真空筒等组成。真空筒为整个系统的测试提供一个可调的稳定的真空环境，以分析阀在不同真空度时的性能曲线。PWM电源是一个频率可调、占空比可调、幅度可调的脉冲电源。不同频率和占空比，阀的吸合程度也不相同，可以通过调节PWM电源来实现出气口压力的调节。数据采集单元主要是采集阀工作时的电压、电流、出气口压力和流量以及进气口的压力数据，最终将采集的数据通过串口上传到电脑，进行综合处理分析。

2 系统硬件设计
    系统的硬件主要由数据采集板和PWM电源等组成，通过3个RS-232串口实现与上位机的通信。
2.1 数据采集单元
　    数据采集单元是基于51单片机和A/D转换芯片设计而成的。共有4路采集通道，分别采集真空电磁阀工作电流、工作电压、进气口压力及出气口压力，再经过A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，经过串口发送至上位机进行处理和分析[5]。
2.2 PWM电源
    PWM电源是自主开发设计的一个独立脉冲电源，频率范围为1 Hz~1 000 Hz，占空比范围为1%~100%，输出电压精度高，上位机可以通过串口控制PWM电源的频率、占空比和幅值，避免了现场对电源的复杂操作。
3 系统软件设计
    系统的开发建立在LabVIEW虚拟仪器开发平台上，使用第三方软件SQL Server 2000，方便地为用户提供了便捷的操作平台和强大的数据存取功能。
    首先，系统平台运行后，自动检测断路、短路情况及压力环境，如不正常则自动报警并停止运行。正常则依次进行响应时间、打压时间、吸合时间、吸合电压、释放电压等性能指标的检测以及压力和流量关系曲线的绘制。并且可以通过设置阀的工作次数来比较前后性能指标的趋势，实现阀的寿命检测。
3.1 虚拟仪器开发平台——LabVIEW
    LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国国家仪器公司（National Instruments）创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，在试验测量、工业自动化和数据分析领域起着重要作用[6]。
    虚拟仪器的核心思想是“软件即仪器”，它的应用程序将仪器硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现仪器模块间的通信。模块化、开放性和灵活性是LabVIEW关键的特点,也方便用户来增减硬件、软件模块、重新配置现有系统来满足新的测试要求[7]。LabVIEW与其他编程语言相同，既定义了数据类型、结构类型、语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置、单步调试和数据探针在内的程序调试工具，并且采用流程图为源代码作为一个问题的图形化解决方案，图形化的人机界面使用的都是测试工程师熟悉的旋钮、开关、波形图等，非常直观形象。因此，它在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。
3.2 测试的软件实现
3.2.1 真空环境的软件实现
    系统测试所需的真空度是真空筒提供的，真空筒分别连接着一个真空泵和压力传感器，当压力传感器检测的压力值低于系统测试所需压力，则真空泵工作，给真空筒打压，使真空筒始终处于一个稳定的真空度中，保证测试数据的准确性。
    上位机设置测试所需的压力范围，将接收到的压力传感器上传的真空筒压力值与之作比较，超出了范围则控制真空泵为其打压或控制真空电磁阀打开放气。最终使其稳定在一个压力范围之内。图2所示为压力环境的检测程序[8]。

3.2.2 对PWM电源的控制
    电源的频率与真空电磁阀的弹片吸合频率一致，频率越大，弹片吸合次数也就越多，阀的导通时间就越大，输出的气体压力就随之增大。电源的占空比与真空电磁阀的弹片吸合时间成正比，占空比越大，吸合时间越长，阀的导通时间就越大，输出的气体压力也随之增大。因此，在幅值不变的情况下，调节电源的频率和占空比可以改变阀的出气口压力。
    上位机通过VISA实现与PWM电源的通信，为用户提供友好简洁的操作界面，直接在上位机控制电源的参数，图3所示为电源控制模块的程序框图。

3.2.3 数据采集
    在出气口安装的流量传感器可以精确检测出气口的瞬时流量和累计流量。根据协议，首先将奇偶校验位置为Mark，发送帧头字节，再将奇偶校验位置为Space，开始发送命令字符串，即可接收从传感器返回的数据。图4所示为流量传感器的数据采集程序。

3.2.4 数据存储
    系统检测的大量数据需要历史查询和分析，这就不可避免地需要对数据进行存储，系统利用LabSQL库函数与SQL Server 2000数据库建立连接并访问。图5所示为LabVIEW与数据库的连接程序。

4 系统测试结果与分析
    为测试检测系统的性能，用真空电磁阀进行了多次试验。在试验中，压力环境设置在-700 mbar~-800 mbar。图6所示为电源占空比在90%时,频率在200 Hz~800 Hz均匀变化时流量和压力的曲线图。图7所示为电源频率为900 Hz，占空比在30%~80%均匀变化时流量和压力的曲线图。图8所示为电源频率为1 000 Hz，占空比为90%，幅值为12 V时真空电磁阀的性能指标。

    从以上结果可以看出，随着电源频率或占空比的增大，出气口流量和压力的值也在缓慢增大。这是因为，流量和占空比的增大，阀的吸合程度要相对较大，导通的时间加长了所致。而且经过多个阀的实验证明，合格阀其性能指标基本保持不变，而不合格阀其性能指标出现较大偏差，能快捷有效地检测出阀的质量问题。
    基于LabVIEW的真空电磁阀测试平台充分利用了LabVIEW的强大功能，开发出了界面友好、功能完备的测试系统，能实时记录并保存采集的数据，为数据的横向和纵向分析提供了依据。
        经过实验证明，本系统测试精度和测试效率高，且系统稳定性强，大大降低了测试人员的工作强度，有效地实现了真空电磁阀的自动检测。
参考文献
[1] 马涛.汽车尾气排放与大气污染[J].油气田环境保护, 2007,12(7):52-53.
[2] 杜常清.用EGR技术降低柴油机NOx排放的研究发展[J].拖拉机与农用运输车,2005(2):59-61, 64.
[3] UCHIDA N, DAISHO Y, SHAITO T, et al. Combine effects of EGR and supercharging on diesel combustion and  missions[C]. SAE international, 1993.
[4] 李蕊，黄学武,郑华耀，等.电磁阀特性测试仪的设计[J]. 机电设备,2008（1）:12-16.
[5] 黄岩.单片机应用系统的看干扰[J]. 设备管理与维修, 2007(11):14-17.
[6] BISHOP R H. Learning with LabVIEW 7 Express[M]. Pearson Education, 2005.
[7] 杨乐平，李海涛,赵勇，等.LabVIEW高级程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[8] 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社，2005.