密剛剛，周文華，沈成宇

(浙江大學(xué)能源工程系，杭州 310027)

前言

隨著汽車電控技術(shù)的日益發(fā)展，電磁閥在汽車上的應(yīng)用日益廣泛，如電控燃油噴射系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。在燃油噴射系統(tǒng)的整個(gè)工作壽命中，電磁閥開關(guān)上億次，其可靠性是電控系統(tǒng)的重要性能之一［1］。在電磁閥發(fā)生故障時(shí)，若不采取有效措施，勢必會(huì)嚴(yán)重影響汽車的安全性和動(dòng)力性。因此，合理有效的電磁閥故障診斷十分必要。

現(xiàn)有的電磁閥故障診斷技術(shù)存在諸多缺陷:(1)往往只針對具體的執(zhí)行器，如高壓共軌系統(tǒng)的噴油器電磁閥;(2)故障診斷結(jié)果往往僅簡單地歸為斷路或短路，而未對短路故障進(jìn)行更加具體的分析，造成故障原因不明確;(3)診斷技術(shù)通用性差，對于其他類型的電磁閥故障須重新制定診斷措施，應(yīng)用范圍有限;(4)未考慮故障誤判和臨時(shí)性故障等情況，診斷方法有待完善。

本文中設(shè)計(jì)了車用電磁閥故障檢測的硬件電路，分析了符合一般電磁閥故障檢測的條件，能進(jìn)行電磁閥斷路、對地短路、對電源短路和內(nèi)部短路等故障的檢測。為完成臨時(shí)性故障的診斷或防止故障誤判，采用模糊層次分析方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的診斷軟件，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性。

1 電磁閥的驅(qū)動(dòng)和故障檢測原理

根據(jù)工作方式的不同，電磁閥可分為開關(guān)式和連續(xù)式。兩種電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理相同，如圖1所示。圖中電磁閥簡化為理想電感L1和電阻R1［2］，ECU輸出的控制信號Valve_IN為PWM波，控制MOS管M1的開關(guān)。M1打開，電源電壓Ubat加載到電磁閥上，驅(qū)動(dòng)電流快速上升;M1關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電流迅速下降。圖中，R2、R3為電流采樣電阻，通過電流信號到電平信號的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電磁閥內(nèi)部短路、對地短路和斷路與對電源短路等故障的檢測和診斷。

2 電磁閥故障檢測電路的設(shè)計(jì)

如圖1所示，故障檢測點(diǎn)為P、Q、A、B和C 5個(gè)點(diǎn)，相應(yīng)的檢測電路分為對地短路、斷路與對電源短路和內(nèi)部短路3個(gè)故障檢測模塊。其中，電磁閥斷路與對電源短路故障的檢測共用1個(gè)模塊，選取A點(diǎn)為信號檢測點(diǎn)，其故障檢測電路如圖2所示。

圖2中，當(dāng)MOS管M1關(guān)閉時(shí)，若電磁閥正常，則輸入到ECU的反饋信號Valve_O的電壓應(yīng)滿足

若電磁閥發(fā)生斷路或者對地短路故障，則Uo=0V。采用的穩(wěn)壓二極管D4型號為MM3Z3V9T1［3］。根據(jù)單片機(jī)和穩(wěn)壓管的特性，應(yīng)滿足條件為

經(jīng)過D4的穩(wěn)壓作用后，檢測信號Valve_O為高電平。ECU檢測到Valve_O為高電平，則電磁閥正常。否則，電磁閥發(fā)生斷路或者對地短路故障。

當(dāng)M1打開時(shí)，若電磁閥正常，則Uo=0V，反饋信號為低電平。若電磁閥發(fā)生對電源短路，則反饋電壓應(yīng)滿足

因此，Uo滿足式(2)，則Valve_O為高電平，表明電磁閥發(fā)生對電源短路故障。否則，電磁閥正常。

2.3 急性呼吸窘迫綜合征炎癥損傷患兒SIRT6與炎癥因子及動(dòng)脈血?dú)庵笜?biāo)相關(guān)性 采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析顯示，肺泡SIRT6含量與TNF-α、IL-6、PaCO2呈顯著正相關(guān)，與PaO2、PaO2/FiO2呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。見表3。

對于電磁閥是發(fā)生斷路故障，還是對地短路故障，可由圖3所示的對地短路故障檢測電路來判斷。

流經(jīng)P、Q兩點(diǎn)間采樣電阻R3(見圖1)的電流信號被轉(zhuǎn)化為電平信號，經(jīng)放大器后和參考電平進(jìn)行比較。比較器正相端D點(diǎn)的電壓UD滿足條件為

式中:IV為經(jīng)過采樣電阻R3的電流;R6、R18、R19、R20分別為相應(yīng)電路的電阻;UD與IV成正比。電磁閥發(fā)生對地短路故障時(shí)，電流急劇上升，則滿足條件

式中比較器輸出翻轉(zhuǎn)，UC為比較器參考電平。ECU檢測到信號Valve_S1變化，進(jìn)行故障判斷。

對于電磁閥內(nèi)部短路故障的檢測，選取圖1中B、C兩點(diǎn)為檢測點(diǎn)，檢測電路和對地短路故障檢測相同，不再贅述。

3 電磁閥故障診斷的判斷方法

如圖1所示，在電磁閥動(dòng)作之前采集診斷反饋信號Valve_O，在電磁閥開始動(dòng)作時(shí)采集對地短路信號Valve_S1，若Valve_O為低電平，且Valve_S1為高電平，則電磁閥發(fā)生斷路;若Valve_O和Valve_S1皆為低電平，則電磁閥發(fā)生對地短路。當(dāng)電磁閥動(dòng)作時(shí)采集診斷反饋信號Valve_O，若Valve_O為高電平，則電磁閥對電源短路。在電磁閥動(dòng)作時(shí)監(jiān)測信號Valve_S2，若為低電平則發(fā)生內(nèi)部短路。

為提高故障判斷的準(zhǔn)確性，防止發(fā)生故障誤判或者臨時(shí)性的故障，ECU采用兩種保護(hù)模式來處理故障。模式1:停止當(dāng)次驅(qū)動(dòng);模式2:永久停止驅(qū)動(dòng)、報(bào)故障。在檢測到故障后，ECU采取保護(hù)模式1。在延時(shí)確認(rèn)故障后，采取保護(hù)模式2。圖4為電磁閥斷路故障的轉(zhuǎn)化邏輯。

延時(shí)以電磁閥1個(gè)工作循環(huán)為基本單位，延時(shí)長短和故障的重要性有關(guān)。因此，采用Fuzzy AHP模糊層次分析方法完成延時(shí)長短的判斷，AHP方法是一種定性和定量結(jié)合的決策工具［3］。故障集合包含斷路、對地短路、對電源短路和內(nèi)部短路故障4個(gè)元素，對應(yīng)權(quán)重為 ω1，ω2，ω3和 ω4。

模糊標(biāo)度及其含義見表1。

表1 模糊標(biāo)度及其含義

根據(jù)表1得到模糊互補(bǔ)判斷矩陣為

式中:ωi為第i個(gè)元素的權(quán)重;aij為模糊互補(bǔ)判斷矩陣P第i行第j列元素。因此得到權(quán)重向量為

因此，以電磁閥1個(gè)工作循環(huán)為基本單位，斷路、對地短路、對電源短路和內(nèi)部短路故障所對應(yīng)的延時(shí)次數(shù)分別為16次、6次、4次和3次。檢測到電磁閥無故障時(shí)，延時(shí)次數(shù)自動(dòng)清零。以對電源短路故障診斷為例，其相應(yīng)的診斷流程如圖5所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

采用上述判斷方法在高壓共軌電控柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)所用的電磁閥有高壓油泵控制電磁閥(2個(gè))、噴油器電磁閥(4～6個(gè))和發(fā)動(dòng)機(jī)管理的其他電磁閥。電磁閥數(shù)量眾多，這些電磁閥都須進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障診斷。

下面針對高壓共軌的高壓油泵電磁閥故障診斷進(jìn)行了具體的參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析。所用的油泵電磁閥在正常工作時(shí)，要求驅(qū)動(dòng)電流一級維持為15A，二級維持為6A。因此，設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流IV達(dá)到22A時(shí)，電磁閥發(fā)生短路故障。

測得油泵電磁閥電阻R1為0.7Ω，為滿足條件式(1)～式(5)，選取其他的參數(shù)見表2。

柴油機(jī)采用直列式泵控制閥高壓油泵，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為800r/min。圖6為油泵電磁閥正常工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流波形。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)表明，當(dāng)電磁閥發(fā)生各種故障時(shí)，ECU能夠及時(shí)完成檢測并采取保護(hù)措施，停止驅(qū)動(dòng)輸出。

圖7為在不同延時(shí)下模擬對電源短路故障所采集的故障檢測和診斷信號。從圖7(a)可見，當(dāng)發(fā)生對電源短路時(shí)，ECU能及時(shí)檢測到診斷反饋信號Valve_O的電壓變化，延時(shí)計(jì)數(shù)為2，未達(dá)到最小次數(shù)(4次)，ECU判斷電磁閥為臨時(shí)性故障，采取保護(hù)模式1，以排除其他信號干擾帶來誤判或臨時(shí)性故障等情況。從圖7(b)可見，延時(shí)計(jì)數(shù)達(dá)到最小次數(shù)時(shí)，ECU判斷電磁閥發(fā)生電源短路故障，停止電磁閥驅(qū)動(dòng)。此時(shí)須向車主發(fā)出警報(bào)，及時(shí)進(jìn)行維修。

圖8為當(dāng)電磁閥發(fā)生內(nèi)部短路故障時(shí)檢測到的診斷反饋信號和驅(qū)動(dòng)電流信號。從圖8可看出，此故障十分嚴(yán)重，在減少延時(shí)的同時(shí)，ECU采取中斷方式進(jìn)行保護(hù)。即故障時(shí)信號Valve_S2由高電平到低電平的跳變作為中斷源，觸發(fā)ECU進(jìn)入中斷，執(zhí)行保護(hù)程序。圖8表明驅(qū)動(dòng)電流急劇上升到22A左右，Valve_S2信號跳變，進(jìn)入ECU中斷。ECU及時(shí)停止驅(qū)動(dòng)輸出，完成保護(hù)。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)車用電磁閥的一般驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)了相應(yīng)故障診斷模塊的硬件電路，試驗(yàn)證明在發(fā)生故障時(shí)，診斷信號能夠有效地輸入至ECU。

(2)在合理的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，相應(yīng)軟件能及時(shí)地判斷出現(xiàn)的故障類型并采取相應(yīng)的措施保護(hù)執(zhí)行器和ECU，證明是一種實(shí)用的方法，能夠完成一般車用電磁閥的故障診斷和保護(hù)。

(3)為防止誤判和臨時(shí)性故障，根據(jù)故障的重要性引入Fuzzy AHP方法提高故障診斷的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)證明此方法十分有效。

［1］徐權(quán)奎，祝軻卿，陳自強(qiáng)，等.高壓共軌柴油機(jī)噴油器電磁閥故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28(4):69-72.

［2］王孝，王璠璟.新型高壓共軌噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷及自保系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30(6):59.

［3］ON Semiconductor.MM3Z2V4T1 SERIES［EB/OL］.［2004-04］.http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/MM3Z2V4T1-D.PDF.

［4］楊桂元，黃己立.數(shù)學(xué)建模［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008.