山海峰，劉 涵，郭吉豐

(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

0 引 言

汽車燃油泵是發(fā)動機燃油電子噴射供給系統(tǒng)中向噴油器按需、按量供給高壓燃油的關鍵零件［1］，其主要任務是供給燃油系統(tǒng)足夠的、具有特定壓力的燃油［2］。國內(nèi)汽車燃油泵多采用直流電機驅動，只需對燃油泵進行測試即可，而無刷電機驅動式燃油泵為新興燃油泵，內(nèi)部集成有驅動控制器，且為內(nèi)部灌膠封裝，一旦出現(xiàn)故障就只能報廢處理，且運行在條件較為惡劣的燃油介質中，其質量的可靠性至關重要［3-4］。

目前，汽車燃油泵性能的測試方法主要有機械油液檢測法和真空度法［5-7］。油液法是以燃油泵實際工作燃油為基質，通過測試臺模擬油泵工作環(huán)境，測試運行數(shù)據(jù)，這種傳統(tǒng)的測試方法存在以下缺陷:所有開關都需人工操作，耗費時間多，測試效率低;測試結果全由人工肉眼讀數(shù)與判斷，存在一定的讀數(shù)誤差，且由于燃油泵的種類繁多，規(guī)格參數(shù)各異，人工判斷其合格與否工作量太大，容易出錯。而真空度法則是以氣體為介質代替了傳統(tǒng)的油液，是一種比較可靠的氣路檢測方法，其原理是利用燃油泵在空轉狀態(tài)下引起泵內(nèi)的氣壓變化，用負壓傳感器來測量燃油泵進油口處真空度的大小，但燃油泵正常運行時燃油是電機冷卻的介質，故真空度法最大的缺點是燃油泵容易過熱損壞。因而，研發(fā)適合現(xiàn)代測試要求、靈活可靠的自動化無刷式燃油泵測試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義［8］。

本研究基于上述兩種方法的缺點，提出一種自動化油液測試法，即以PLC為主控制器，外加多種測量傳感器、固定驅動控制器的測試治具及人機交互操作界面，并利用上位機進行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄和質量判斷，無需人工進行判斷，完全實現(xiàn)測試過程的自動化。

1 測試系統(tǒng)工作原理及設計

無刷式電子燃油泵主要由泵體、永磁電動機、電機驅動控制器、安全閥、單向閥和外殼等部分組成［9］。電動機運行時帶動泵體轉動，燃油從吸油口吸入，流經(jīng)電動燃油泵內(nèi)部，再從出油口壓出，給發(fā)動機燃油系統(tǒng)供油，單向閥起到給系統(tǒng)燃油升壓的作用［10-12］。燃油泵在整個運行過程中，驅動控制器的運行好壞將直接影響著燃油泵整體的運行效果，如驅動控制器虛焊、短路，則可以根據(jù)運行電流和電機工作速度加以判斷;燃油泵出現(xiàn)堵轉現(xiàn)象，可以根據(jù)流量和電流加以判斷等，故可以根據(jù)燃油泵在實際燃油中運行情況來判斷燃油泵的性能好壞。

1.1 測試系統(tǒng)功能分析

由于整個測試系統(tǒng)是一個集電、液壓和機械為一體的綜合系統(tǒng)，彼此相互影響著，設計過程中需對這幾個方面都加以深入考慮。經(jīng)分析可知，該系統(tǒng)設計的關鍵點在于:

(1)檢測傳感器的選擇，包括精度、應用范圍;

(2)驅動控制器可靠的與燃油泵連接;

(3)燃油泵運行的油路設計;

(4)測試軟件的設計，以便操作方便;

(5)系統(tǒng)的運行可靠性;

(6)系統(tǒng)的測試誤差及測試精度控制。

1.2 測試系統(tǒng)方案設計

測試系統(tǒng)框架圖如圖1所示，由分析可得，PLC為主控制器，實時對燃油泵運行時的驅動控制器工作電壓、工作電流、電機運行速度、燃油泵出油壓力、噴油流量以及工作環(huán)境溫度等參數(shù)進行測量，并將數(shù)據(jù)以RS485方式傳送給上位機，上位機對數(shù)據(jù)加以分析和處理，以便能保持或打印數(shù)據(jù);測試控制器用于控制測試治具，以實現(xiàn)不同驅動控制器的自動切換，減少人工操作。

圖1 測試系統(tǒng)結構示意圖

1.2.1 驅動控制器的結構及治具

無刷式燃油泵電機驅動控制器由于是與電機本體一體化安裝，整個泵機體積較小，功率密度較高，尺寸較小，本系統(tǒng)測試的驅動控制器尺寸為33 mm×35 mm，鑒于如今PCB焊接工廠的固定焊接工藝要求為焊接寬度需大于50 mm，而且單塊驅動控制器測試效率較低，操作較為麻煩，所以設計過程常對驅動控制器的尺寸作一定的調(diào)整，將驅動控制器板以10連裝的方式加工，不僅固定尺寸足夠，而且測試效率一次能提高10倍，既方便焊接，又提高測試效率。

驅動控制器在實際使用過程中是與燃油泵直接焊接并灌膠塑封在燃油泵內(nèi)部，故在測試過程中需對驅動控制器進行無焊測試，利用機械裝置對其進行固定并可靠連接。

該系統(tǒng)設計的測試治具如圖2所示，治具主要完成對驅動控制器的固定，以及利用探針對驅動控制器內(nèi)部信號的測試;另外，治具內(nèi)部足夠的空間用于放置一些傳感器檢測處理電路，這既可縮短模擬信號的傳輸，提高系統(tǒng)測試的抗干擾性，同時又可以簡化系統(tǒng)的整體連線，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 驅動控制器測試治具

1.2.2 測試傳感器選型

驅動控制器工作電壓為6 V～20 V，工作電流為5 A，最大電流為20 A，燃油泵正常工作壓力400 kPa，流量為120 L/H，并且工業(yè)現(xiàn)場信號傳輸容易收到干擾，故輸出信號方式采用電流環(huán)，部分傳感器的參數(shù)如表1所示，為了保證測試系統(tǒng)精度，系統(tǒng)傳感器精度均為0.5%左右。

表1 部分器件參數(shù)表

1.2.3 燃油泵油路設計

由于燃油泵需在循環(huán)液體環(huán)境中才能實現(xiàn)加負載運行，系統(tǒng)需搭建一套能調(diào)節(jié)燃油壓力的油路循環(huán)模擬運行裝置，燃油泵測試油路系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 燃油泵測試油路系統(tǒng)

燃油從油箱經(jīng)過濾系統(tǒng)進入泵機，在泵機出口處接有止回閥、泄壓閥及可調(diào)壓力閥。止回閥即為單向閥，主要作用是防止電機關閉時燃油回流;泄壓閥主要作用是限定系統(tǒng)最高工作壓力;可調(diào)壓力閥主要作用是調(diào)整燃油泵工作壓力。燃油經(jīng)過上述3個閥之后再回到油箱，在循環(huán)過程中，系統(tǒng)對燃油泵工作時的燃油壓力、流量及溫度等參數(shù)進行測量;另外，為了延長系統(tǒng)測試時間以及實現(xiàn)對測試條件的良好控制，系統(tǒng)在油路循環(huán)中加有冷卻裝置，從而可以對燃油整體溫度進行控制。

1.2.4 系統(tǒng)測試精度優(yōu)化設計

影響測試精度的因數(shù)有很多，從實際測試情況中可以發(fā)現(xiàn)，隨著測試時間越來越長，燃油溫度越來越高，燃油泵流量會有所下降，工作電流會有所上升;另外，由于測試系統(tǒng)工作電流較大，整個測試系統(tǒng)線路較多，難免會存在電壓線路衰減問題;再者，燃油泵泵機隨著工作時間不同，泵機葉輪與本體磨損程度也不相同，對電機的運行也會有一定的影響。

系統(tǒng)有必要對上述這些因數(shù)加以控制以減小其影響，提高系統(tǒng)的精度。首先，系統(tǒng)中加入循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對燃油溫度進行控制，以便在測試燃油泵的過程中，系統(tǒng)溫度能保持在一個相當?shù)姆秶?，系統(tǒng)能夠長時間測試;另外，測試過程中本研究對系統(tǒng)電機供電電壓進行閉環(huán)控制，以減少電壓衰減帶來的流量測量誤差。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括兩方面內(nèi)容:PLC軟件設計和上位機軟件的設計。從前面的分析可以得知，系統(tǒng)主要需要資源如表2所示。

表2 系統(tǒng)信號資源

本研究選用西門子S7-200系列224XP CPU模塊為主控制器，其自身帶14個數(shù)字輸入，10個數(shù)字輸出，另外，選配2個模擬量EM231模塊以及電源模塊，操作屏則使用Smart700，其靈活的操作性使得其與PLC能夠實時交互，實現(xiàn)系統(tǒng)的測試要求。

2.1 PLC軟件設計

PLC軟件部分主要包括實時與觸摸屏及上位機電腦進行通信兩部分工作，以便能實時顯示與記錄驅動控制器的運行數(shù)據(jù)，并上傳到上位機。

PLC在整個測試過程中需有兩種模式:一是單獨調(diào)試模式，即單獨測試某塊驅動控制器的性能;另一個是自動測試模式，系統(tǒng)能按照設定的時間和次數(shù)自動進行測試并記錄數(shù)據(jù)，PLC的系統(tǒng)控制主流程圖如圖4所示。

圖4 PLC主控制流程圖

系統(tǒng)的運行方式依據(jù)模式的選擇，在自動測試模式下，操作人員通過觸摸屏或上位機設定測試時間以及測試次數(shù)，程序自動依次進行多塊驅動控制器的測量，同時記錄運行數(shù)據(jù)并實時把數(shù)據(jù)上傳至上位機;手動測試模式則是對驅動控制器進行點對點測試，操作人員可獨立地選擇任何一塊驅動控制器進行測試，系統(tǒng)兩種測試的流程圖如圖5所示。

圖5 自動、手動測試流程圖

2.2 上位機軟件設計

為了便于分析與保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需利用上位機來處理數(shù)據(jù)。由于工業(yè)現(xiàn)場應用環(huán)境比較惡劣，且可能需要進行長距離通信，故上位機常采用RS485方式與PLC進行通信;另外，為確保通信的準確性，上位機與PLC之間的通信還需按照一定的協(xié)議進行。一部分上位機與PLC通信時設定的標志符如表3所示，程序通過對這些標志符進行解析，使得PLC與上位機能夠正確的獲取信息并按照指定的命令進行測試。

表3 通信標志符

該系統(tǒng)利用Visual Basic 6.0進行上位機測試軟件的編寫。上位機可以設定測試次數(shù)以及單次測試時間，并對驅動控制器的運行數(shù)據(jù)進行記錄與分析，得出測試結果并加以存儲，另外，可根據(jù)需要進行測試報告的打印。在運行的過程中，可以實時顯示當前測試狀態(tài)，利于操作人員控制。

3 綜合實驗與分析

該系統(tǒng)的測試燃油泵如圖6所示。為了實現(xiàn)驅動控制器無焊接測試，測試燃油泵將電機UVW三相連接線引至泵機外部，電機額定工作電壓為12 V，額定轉速為7 000 r/min，等效額定轉矩為35 mN，負載壓力400 kPa時，等效額定流量為120 L/h。

圖6 測試電機實物

測試時，測試電機通過測試治具連接到驅動控制器上，并在如圖7所示控制柜的控制下自動運行。

利用上述裝置即可對不同燃油泵電機進行測試，測試的燃油泵一些典型特定運行情況如表4所示。首先是相同負載壓力、不同電壓下的工作;其次是相同電壓、不同壓力時的運行，在工作負載壓力一定的情況下，燃油泵的流量隨著工作電壓的變化而變化，電壓流量曲線如圖8所示。從表4中可以看出，在電機額定電壓 12 V，壓力401.4 kPa 時，流量117.3 L/h，與額定工作點較為相近，精度為2.25%，基本可以達到性能判斷的要求，且在同等條件下，相互間比對更加有利于產(chǎn)品的一致性測試。實際測試過程中，根據(jù)表格中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)一些常見的驅動控制器或燃油泵的質量問題，如驅動控制器虛焊，導致電機缺相或者斷相，從而使得電機速度變小，電流變大;另外，同等電壓下，不同燃油泵泵流量、轉速不一致，可以判定出燃油泵內(nèi)部葉輪出現(xiàn)堵轉現(xiàn)象等。

圖7 控制柜實物圖

表4 測試數(shù)據(jù)表

圖8 電壓流量曲線

根據(jù)表4中幾個數(shù)據(jù)量，可以在上位機中建立起燃油泵工作時的各種關系對應表，在生產(chǎn)測試過程中上位機自動對測試的燃油泵進行數(shù)據(jù)分析，并判定燃油泵的性能以及驅動控制器的一致性。

4 結束語

本研究提出的汽車無刷式燃油泵性能測試系統(tǒng)能夠方便地測試出燃油泵及其驅動控制器實時運行情況，以PLC、觸摸屏及上位機構建的測試系統(tǒng)具有操作方便，處理靈活等特點。實際使用結果表明，該測試方法操作比較簡單、測試效率較高，相比人工讀表方式大大減少了測試過程中測試人員的工作量，能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)過程中性能初步檢測的要求，為企業(yè)的高質量生產(chǎn)帶來了一定的幫助。

［1］李春明.汽車發(fā)動機電控燃油噴射技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009:1-26.

［2］程林志.EFP431型電動燃油泵基礎設計理論研究［D］.武漢:武漢理工大學物流工程學院，2006:1-6.

［3］HUI T S，BASU K P，SUBBIAH V.Permanent Magnet Brushless Motor Control Techniques［C］//National Power and Energy Conference(PECon)，2003:133-138.

［4］王海峰，胡德金，許黎明，等.汽車用機油泵性能測試系統(tǒng)的研制［J］.制造技術與機床，2005(10):96-99.

［5］錢向明.基于LabVIEW的汽車燃油泵輸油性能測試系統(tǒng)［J］.機電工程，2009，26(5):41-43.

［6］祝 剛，謝 平.發(fā)動機燃油泵自動測試系統(tǒng)的設計［J］.裝備制造技術，2006(3):21-22.

［7］張振東，石鵬程，朱紅萍，等.車用電動燃油泵性能檢測及評價系統(tǒng)開發(fā)研究［J］.上海理工大學學報，2009，21(4):372-375.

［8］張 彥，李小明，張 遠，等.基于組態(tài)軟件的油泵實驗臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設計［J］.現(xiàn)代制造技術與裝備，2011(4):22-24.

［9］黃益政，張振東，文 勇，等.電動燃油泵系統(tǒng)仿真及性能優(yōu)化研究［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(14):26-29.

［10］馬兆鋒.基于PLC的倉庫恒溫控制系統(tǒng)設計與探究［J］.現(xiàn)代制造技術與裝備，2011(5):25-26.

［11］王文華.基于PLC控制的液動機械手［J］.輕工機械，2012，30(2):46-49.

［12］趙奇平，程 浩，陳漢汛.電動燃油泵預測試試驗臺開發(fā)［J］.液壓與氣動，2006(5):31-33.