高压共轨电磁阀电感测量模块的设计

　　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。

　　关键词：电感测量；电压比例法；多周期采样；直方图过滤

0引言

　　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。

1电感测量原理

　　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0291 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（1）

　　电磁阀获得的电压为：

　　UL=IjωLx（2）

　　根据电压比例法，可得：

　　式中:Lx为待测电磁阀电感。

2电压采样

　　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28 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28 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。

　　21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。

　　22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1031 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。

　　23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。　　

3直方图过滤

　　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13%，平均误差02%，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。

4结束语

　　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。

　　参考文献

　　［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.