張　巖，宋建鋒，梁曉敏（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津　300222）

點(diǎn)火線圈綜合參數(shù)測試裝置的開發(fā)

張巖，宋建鋒，梁曉敏
（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222）

摘要：針對點(diǎn)火線圈生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品終檢設(shè)備操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、被測產(chǎn)品類型多樣等問題，對于點(diǎn)火線圈參數(shù)測試方法進(jìn)行分析研究，基于柔性化測試的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了以可編程邏輯控制器為核心的汽車點(diǎn)火線圈綜合參數(shù)測試裝置。該裝置在滿足生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品測試要求的同時(shí)，提高了測試精度和效率。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)火線圈；測試裝置；測試參數(shù)；可編程邏輯控制器

點(diǎn)火線圈是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其作用是將汽車低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓擊穿火花塞間隙點(diǎn)燃混合氣。點(diǎn)火線圈產(chǎn)品種類繁多、需求量大，為保證點(diǎn)火線圈產(chǎn)品質(zhì)量，需對其進(jìn)行出廠前檢測。國際上，德國BOSCH、意大利ELDOR、美國DELPHI以及日本DIAMOND ELECTRIC等公司研制的點(diǎn)火線圈測試設(shè)備，其測試精度高、性能穩(wěn)定，但使用和維護(hù)成本較高，通用性不強(qiáng)，不適用于某些特定的生產(chǎn)企業(yè)；而在國內(nèi)，汽車點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的在線測試多以通用設(shè)備組合實(shí)現(xiàn)，智能檢測設(shè)備較少，且自動(dòng)化程度不高。針對生產(chǎn)企業(yè)對于檢測不同類型點(diǎn)火線圈的多樣化需求，本文開發(fā)了汽車點(diǎn)火線圈綜合參數(shù)測試裝置，該裝置能夠適應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的工作要求，且具有較高的測試精度和穩(wěn)定性。

1　系統(tǒng)測試要求

點(diǎn)火線圈的主要參數(shù)可以分為初級參數(shù)和次級參數(shù)2大類。初級參數(shù)主要有線圈初級電阻、初級電感、初級電流；次級參數(shù)有次級電感、峰值電壓、次級電流、火花持續(xù)時(shí)間和點(diǎn)火能量等。其中，初級線圈的電流和次級電壓峰值呈正比例關(guān)系，代表了線圈儲(chǔ)存能量的大小；而初級線圈中電流上升時(shí)間則代表了線圈充電的速度。在點(diǎn)火線圈產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，已經(jīng)完成了對點(diǎn)火線圈初級、次級電感的測試。初級電阻可通過測量初級電流參數(shù)后由公式導(dǎo)出，導(dǎo)出公式為：

點(diǎn)火能量的導(dǎo)出公式為：

式（1）和式（2）中：R0為點(diǎn)火線圈初級電阻；UB為蓄電池端電壓；I0為點(diǎn)火線圈初級電流；E為點(diǎn)火能量；U1為點(diǎn)火線圈次級電壓；I1為點(diǎn)火線圈次級電流。

火花持續(xù)時(shí)間可由測試系統(tǒng)的顯示裝置給予顯示，故點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的測試參數(shù)主要有初級電流和次級電壓。

點(diǎn)火線圈初級繞組的通斷需要點(diǎn)火模塊進(jìn)行控制，汽車點(diǎn)火模塊常見的驅(qū)動(dòng)類型有電壓驅(qū)動(dòng)型和電流驅(qū)動(dòng)型，在對點(diǎn)火線圈產(chǎn)品進(jìn)行測試時(shí)，測試裝置輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)要能夠滿足被測產(chǎn)品不同驅(qū)動(dòng)類型點(diǎn)火模塊的要求。此外，測試裝置還需依據(jù)產(chǎn)品測試的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定測試時(shí)長。

點(diǎn)火線圈產(chǎn)品從其結(jié)構(gòu)上可劃分為有點(diǎn)火模塊和無點(diǎn)火模塊2種形式；從測試要求上劃分，有帶負(fù)載測試和不帶負(fù)載測試。不同類型的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品測試時(shí)的信號(hào)需求有所不同，故測試裝置對于不同類型的測試產(chǎn)品需要有較好的通用性，即能夠?qū)c(diǎn)火模塊和不帶點(diǎn)火模塊的點(diǎn)火線圈進(jìn)行選擇測試，并能夠?qū)c(diǎn)火線圈進(jìn)行帶負(fù)載測試及無負(fù)載測試的選擇。同時(shí)，為了保證測試裝置工作的安全性和可靠性，需要配備測試準(zhǔn)備、測試啟動(dòng)和測試急停等開關(guān)。

2　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

對于此測試裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)，主要包括裝置供電電源的選擇、信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)功能的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與顯示及測試控制功能的設(shè)計(jì)。

2.1電源選擇

在對點(diǎn)火線圈進(jìn)行測試時(shí)，測試系統(tǒng)首先應(yīng)該能夠模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中點(diǎn)火線圈工作的環(huán)境。在汽車上，點(diǎn)火線圈一般由汽車發(fā)電機(jī)提供點(diǎn)火電壓，供電電壓通常為14 V和28 V，為了滿足不同供電需求的點(diǎn)火線圈，采用0～30 V、20 A可調(diào)電源。汽車點(diǎn)火信號(hào)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)出，通常為5 V可調(diào)脈沖。為了滿足系統(tǒng)可靠性及工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用要求，同時(shí)要適應(yīng)測試過程中的邏輯控制要求，采用可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)的核心控制器件。由于可編程邏輯控制器的工作電壓及輸出電壓為24 V，故需要對其輸出信號(hào)進(jìn)行幅值變換。此外，為避免點(diǎn)火線圈在進(jìn)行測試時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)高電壓對可編程邏輯控制器和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生影響，采用獨(dú)立的24 V和5 V直流電源分別為可編程邏輯控制器件和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路供電。

2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)

由于系統(tǒng)中存在24 V控制信號(hào)和5 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)2種輸入量，為了避免測試時(shí)點(diǎn)火線圈次級產(chǎn)生的瞬時(shí)高電壓脈沖干擾，保證信號(hào)的頻率和占空比的準(zhǔn)確輸出，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中采用光耦進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，并適當(dāng)采用了濾波電容。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中，點(diǎn)火信號(hào)是點(diǎn)火模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其頻率和占空比隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而改變。其中，點(diǎn)火信號(hào)的頻率是由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，其推導(dǎo)公式為：

式中：f為點(diǎn)火信號(hào)頻率（Hz）；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min，點(diǎn)火信號(hào)的頻率為50 Hz，若點(diǎn)火線圈在此頻率的點(diǎn)火信號(hào)驅(qū)動(dòng)下能夠正常工作時(shí)，則可保證點(diǎn)火線圈在汽車正常行駛狀況下的正常工作，故設(shè)定系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為50 Hz。點(diǎn)火信號(hào)的占空比決定了線圈初級繞組的到通電時(shí)間，而點(diǎn)火能量與點(diǎn)火線圈初級繞組通電時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。

圖1　點(diǎn)火能量與通電時(shí)間關(guān)系

由圖1可知，線圈點(diǎn)火能量隨初級繞組通電時(shí)間的增加而增加，由于不同類型的點(diǎn)火線圈需要的點(diǎn)火能量不同，故測試系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)測試信號(hào)的脈寬調(diào)節(jié)。此外，由于不同類型的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的測試時(shí)長標(biāo)準(zhǔn)有所不同，為保證測試結(jié)果的可靠性，要求測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測試時(shí)長的調(diào)節(jié)。

2.3數(shù)據(jù)采集和顯示

根據(jù)測試要求，點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的測試參數(shù)有初級電流和次級電壓2種。汽車點(diǎn)火線圈初級電流上限值一般不超過10 A。為了保證點(diǎn)火線圈工作的穩(wěn)定性和方便數(shù)據(jù)采集，采用初級回路串接采樣電阻的方法，通過測量電阻兩端的電壓值來確定初級電流的大小。

點(diǎn)火線圈工作時(shí)，次級繞組會(huì)感應(yīng)出高電壓（15 kV到50 kV不等），測量難度較大。老式的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品測試設(shè)備多采用高壓探頭成品直接測量點(diǎn)火線圈次級電壓，但其成本較高。為降低成本，擬采用電壓衰減器對次級電壓進(jìn)行相應(yīng)比例的衰減后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而后通過同樣的比例放大后給予顯示。常見的電壓衰減器有4種類型，如圖2所示。其中的阻容并聯(lián)式分壓器能夠得到較好的響應(yīng)特性，適用于測量峰值較高的各種波形的沖擊電壓，故本次設(shè)計(jì)開發(fā)中采用這種形式的電壓分壓器，并在測量端增加精密可調(diào)電阻，以方便對測試裝置進(jìn)行定期標(biāo)定。

圖2　4種電壓衰減器

為了能夠更直觀地判斷點(diǎn)火線圈產(chǎn)品是否合格，并方便監(jiān)測測試信號(hào)，采用示波器作為顯示儀器。通過對點(diǎn)火波形、次級電壓峰值、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間的觀測，來判斷被測產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.4測試控制

為滿足企業(yè)對于檢測不同類型的點(diǎn)火線圈的多樣化需求，系統(tǒng)應(yīng)能夠針對不同類型的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品進(jìn)行測試。對于帶點(diǎn)火模塊的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的測試，測試系統(tǒng)需為被測產(chǎn)品提供電源和測試信號(hào)的輸入；而對于不帶點(diǎn)火模塊的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品，在測試時(shí)，測試系統(tǒng)還需提供點(diǎn)火模塊。因此，在測試系統(tǒng)中預(yù)裝有獨(dú)立的點(diǎn)火模塊單元，并通過S7-200PLC（Micro PLC）編程，配合相應(yīng)的繼電器和TD400C顯示屏實(shí)現(xiàn)模塊選擇功能。對于需要進(jìn)行帶負(fù)載測試的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品，在測試系統(tǒng)中帶負(fù)載測試的支路加入相應(yīng)的負(fù)載，通過負(fù)載選擇開關(guān)進(jìn)行測試選擇。

測試系統(tǒng)工作時(shí)，需先為系統(tǒng)通電，使系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)可編程邏輯控制器接收到測試啟動(dòng)命令時(shí)，系統(tǒng)開始測試；在測試過程中，若出現(xiàn)測試異常，系統(tǒng)能夠及時(shí)停止測試。為了保證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作規(guī)范性，在測試系統(tǒng)上加有測試準(zhǔn)備、測試啟動(dòng)、測試急停開關(guān)，其中測試啟動(dòng)和測試急停開關(guān)輸入的電信號(hào)通過可編程邏輯控制器完成相應(yīng)的功能。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1信號(hào)源的產(chǎn)生

測試系統(tǒng)信號(hào)源的產(chǎn)生由S7-200PLC（Micro PLC）編程實(shí)現(xiàn)。S7-200PLC有3種編程方式：梯形圖編程、語句表編程和功能塊圖編程。其中梯形圖編程是根據(jù)繼電器控制的符號(hào)和思想設(shè)計(jì)出來的[1]，與電氣原理圖相呼應(yīng)，形象直觀，適合數(shù)字量邏輯控制。本次設(shè)計(jì)中采用梯形圖編程，程序流程如圖3所示。

圖3　控制程序流程

3.2信號(hào)轉(zhuǎn)換

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將PLC輸出的24 V脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為5 V的脈沖信號(hào)。24 V輸入信號(hào)由P1端子通過限流電阻進(jìn)入光耦的輸入端，利用光耦的導(dǎo)通特性，將輸入信號(hào)的幅值轉(zhuǎn)換為5 V；由于轉(zhuǎn)換電路中有2種幅值的信號(hào)，利用光耦的隔離特性，能夠?qū)?種信號(hào)隔離開，避免信號(hào)干擾。由于常見的點(diǎn)火信號(hào)有TTL類型和COMS類型，為滿足不同信號(hào)的輸入要求，在轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)用了施密特觸發(fā)器求反功能及三極管導(dǎo)通特性，對信號(hào)進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路板的PCB時(shí)，為方便電路板安裝和接線，充分考慮了電路板的工作條件和安裝位置。信號(hào)轉(zhuǎn)換原理如圖4所示。

圖4　信號(hào)轉(zhuǎn)換原理

3.3系統(tǒng)臺(tái)架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)臺(tái)架外部面板上包含有測試啟動(dòng)開關(guān)、模塊選擇開關(guān)、負(fù)載選擇開關(guān)、可調(diào)電源調(diào)節(jié)和顯示開關(guān)、TD-400C顯示屏、示波器及相關(guān)的電源信號(hào)接線端子。在設(shè)計(jì)面板時(shí)，考慮到要方便操作，將顯示部分放在左邊，調(diào)節(jié)控制部分放置在面板右邊，測試開關(guān)采用外接方式；在選擇面板材料和接線端子材料時(shí)，考慮到可能會(huì)發(fā)生搭鐵情況，端子選用了絕緣材料。面板設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　面板設(shè)計(jì)圖

在測試時(shí)，需根據(jù)被測產(chǎn)品的類型和測試要求選擇正確的連線，然后按下測試啟動(dòng)開關(guān)進(jìn)行測試。對于同一類型的線圈產(chǎn)品，該系統(tǒng)臺(tái)架只需連線一次，操作簡便。

在系統(tǒng)臺(tái)架內(nèi)部，為了方便各單元器件的擺放和接線，搭建了2個(gè)面板用來放置器件，底層面板用來擺放可調(diào)電源及24 V和5 V直流電源，上層面板用來安裝CPU222、信號(hào)轉(zhuǎn)換板、內(nèi)置點(diǎn)火模塊、相關(guān)繼電器等器件。接線時(shí)為降低導(dǎo)線的線性電阻對測量精度的影響，應(yīng)盡量減少電源和地線導(dǎo)線的長度。

4　設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

選取不同類型的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品，對測試裝置的功能進(jìn)行驗(yàn)證。選擇型號(hào)為3101A/G的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品進(jìn)行測試，該產(chǎn)品不帶點(diǎn)火模塊，其測試要求為測試時(shí)長大于30 s，次級電壓峰值絕對值大于30 kV。分別在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備與本次開發(fā)的測試裝置上對該產(chǎn)品進(jìn)行無負(fù)載測試，得到的點(diǎn)火線圈次級電壓波形如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測試的次級電壓結(jié)果為32.4 kV，本次開發(fā)的裝置測試結(jié)果為31.2 kV。測試誤差主要由示波器精度引起，但其值在標(biāo)準(zhǔn)值允許的誤差范圍之內(nèi)。由此可以得出，本次開發(fā)的點(diǎn)火線圈測試裝置能夠完成點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的出廠前測試，且裝置的測試精度能夠滿足生產(chǎn)企業(yè)要求。

圖6　點(diǎn)火線圈次級電壓標(biāo)準(zhǔn)波形

圖7　點(diǎn)火線圈次級電壓測試波形

5　結(jié)束語

本文結(jié)合點(diǎn)火線圈生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品終檢的測試需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種以可編程邏輯控制器為核心的汽車點(diǎn)火線圈綜合參數(shù)測試裝置。通過測試表明，該裝置能夠較好地完成點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的測試，具有較高的精度，且自動(dòng)化程度高，能夠適應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的要求；該裝置操作簡便，測試工人僅需簡單培訓(xùn)即可上崗工作。

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Design of ignition coil parameters testing equipment

ZHANG Yan，SONG Jian-feng，LIANG Xiao-min
（School of Automotive and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：As the ignition coil manufacturers′product testing equipment often has the problems like complex operations，the low degree of automation，testing diverse types of products and so on，the test methods for the ignition coil parameters are analyzed. Based on the characteristics of flexible test，a kind of automotive ignition coil testing equipment with the programmable logic controller as the core is designed and developed to improve the test accuracy and efficiency in meeting the manufacturers' product test requirements.

Key words：ignition coil；testing equipment；test parameters；programmable logic controller

作者簡介：張巖（1992—），男，碩士研究生；宋建鋒（1977—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車技術(shù)、汽車電子控制技術(shù).

基金項(xiàng)目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)校級課題（RC14-13）.

收稿日期：2015-06-17

中圖分類號(hào)：U463.642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095－0926（2015）03－0039－05