基于虛擬儀器的磁電機(jī)定子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

熊玉勇，張海鷗*，王桂蘭

(1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074;2.華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074)

0 引言

目前，無(wú)觸點(diǎn)電容充放電式(CDI)［1］磁電機(jī)因其無(wú)觸點(diǎn)式點(diǎn)火以及隨著轉(zhuǎn)速自動(dòng)改變點(diǎn)火提前角等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于小型汽油機(jī)、摩托車以及園林機(jī)械等領(lǐng)域，其性能的好壞直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的點(diǎn)火性能，對(duì)燃油效率以及整車性能有重要影響［2］。

在磁電機(jī)定子出廠檢測(cè)中，國(guó)內(nèi)目前主要采用磁電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)子與定子結(jié)合一對(duì)一檢測(cè)，采用示波器觀察電壓波形和峰值電壓數(shù)值，通過(guò)刻度盤指針打火方式觀察點(diǎn)火提前角度，通過(guò)高端示波器進(jìn)行信號(hào)截取積分運(yùn)算得出點(diǎn)火能量，干擾雜波信號(hào)較多，測(cè)試不穩(wěn)定。所有開(kāi)關(guān)都需要人工操作，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，測(cè)試參數(shù)由人工肉眼讀取，存在一定的讀數(shù)誤差，且由于磁電機(jī)種類和型號(hào)眾多，各類指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)各異，人工判斷其合格性的工作量大且準(zhǔn)確性無(wú)法保證。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分高校與研究所采用單片機(jī)對(duì)磁電機(jī)信號(hào)進(jìn)行采樣與處理，利用串口與上位機(jī)通信，傳輸測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)［3］。但是單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)能力有限，采樣頻率不能滿足磁電機(jī)電壓信號(hào)的高頻要求，存在測(cè)試功能單一、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，而國(guó)外的檢測(cè)設(shè)備存在價(jià)格昂貴、定制性強(qiáng)、測(cè)試功能單一、對(duì)國(guó)內(nèi)非標(biāo)磁電機(jī)適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。

由于國(guó)外對(duì)磁電機(jī)檢測(cè)［4］技術(shù)研究起步較早，測(cè)試方法與技術(shù)陳舊，且技術(shù)封鎖性強(qiáng)。本研究提出一種新型的測(cè)試方法，以工控機(jī)與PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡為硬件平臺(tái)，基于LabVIEW［5］進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)多功能自動(dòng)化檢測(cè)。

1 系統(tǒng)工作原理及硬件組成

1.1 系統(tǒng)組成

磁電機(jī)定子多功能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由I/O 控制與數(shù)據(jù)采集與處理模塊和測(cè)試功能模塊兩大部分組成，磁電機(jī)定子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 磁電機(jī)定子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的核心是基于PCI 總線的I/O 控制和數(shù)據(jù)采集與處理模塊，采用研華PCI-1714UL 高速同步數(shù)據(jù)采集卡和高壓探頭對(duì)磁電機(jī)定子產(chǎn)生的電壓信號(hào)衰減調(diào)理后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理［6］，數(shù)據(jù)采集分辨率為12位;通過(guò)PCI-1762 板卡對(duì)檢測(cè)臺(tái)機(jī)械動(dòng)作變換和磁電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到高效測(cè)試與多轉(zhuǎn)速測(cè)試的需求。系統(tǒng)硬件通過(guò)工控機(jī)PCI 插槽進(jìn)行無(wú)縫連接，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及設(shè)計(jì)柔性得到很大提高。

1.2 技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)

磁電機(jī)定子通過(guò)高速切割永磁鐵磁感應(yīng)線，在電容充放電的形式下，通過(guò)晶閘管控制放大感應(yīng)電壓，次級(jí)最高電壓可達(dá)25 kV～35 kV，總體持續(xù)時(shí)間約為400 μs，典型的磁電機(jī)開(kāi)路電壓波形如圖2所示。

圖2 典型磁電機(jī)開(kāi)路電壓波形

由于電壓持續(xù)時(shí)間很短，峰值持續(xù)時(shí)間只有2.5 μs，系統(tǒng)采用2 MS/s 采集速率對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，每次同時(shí)測(cè)試兩個(gè)磁電機(jī)定子。利用數(shù)據(jù)采集卡CH1 對(duì)磁電機(jī)上止點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行采集，CH2 對(duì)磁電機(jī)定子A 進(jìn)行電壓信號(hào)采集，CH4 對(duì)磁電機(jī)定子B 進(jìn)行電壓信號(hào)采集。高速的數(shù)據(jù)采集與處理，需要和其他任務(wù)同步進(jìn)行，因此該系統(tǒng)采用多線程編程控制，以提高多數(shù)據(jù)處理能力。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)路峰值電壓和點(diǎn)火提前角的測(cè)試

磁電機(jī)產(chǎn)生高壓使火花塞放電打火，從點(diǎn)火時(shí)刻開(kāi)始到活塞到達(dá)上止點(diǎn)的這段時(shí)間，曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為點(diǎn)火提前角［7］，開(kāi)路峰值電壓與點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能均有很大影響。檢測(cè)臺(tái)采用天波科技公司的P100 型高壓探頭對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行前置處理，衰減比例10 000 ∶1，上止點(diǎn)接近傳感器采用歐姆龍E2E 型高頻接近傳感器。

本研究以工控機(jī)為硬件平臺(tái)，利用研華PCI-1714UL 數(shù)據(jù)采集卡對(duì)四通道進(jìn)行同步觸發(fā)采集，無(wú)需模擬火花塞放電打火環(huán)境，即可同步測(cè)試出峰值電壓和點(diǎn)火提前角等參數(shù)，檢測(cè)效率得到顯著提升。本研究通過(guò)觸發(fā)截取每個(gè)周期的電壓信號(hào)，得出最大幅值，即開(kāi)路峰值電壓;當(dāng)電壓幅值超過(guò)10 kV 時(shí)，則認(rèn)為火花塞電極間擊穿點(diǎn)火，通過(guò)計(jì)算電壓波形在±10 kV 的觸發(fā)點(diǎn)和上止點(diǎn)信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間間隔，得出點(diǎn)火提前角，并對(duì)安裝以及接近傳感器和光耦隔離變換造成的延時(shí)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，上止點(diǎn)與點(diǎn)火信號(hào)時(shí)域關(guān)系示意圖如圖3所示。

圖3 上止點(diǎn)與點(diǎn)火信號(hào)時(shí)域關(guān)系示意圖

由圖3 可知:

2.2 點(diǎn)火能量的測(cè)試

為了使燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，火花塞放電火花的能量必須足夠大，以使火花在可燃混合氣體中形成的火核足夠完成相關(guān)物理化學(xué)過(guò)程，并擴(kuò)大形成火焰，因此點(diǎn)火能量［8］的大小是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要高層次指標(biāo)。系統(tǒng)利用P100 型高壓探頭記錄三針打火兩端的放電電壓，利用美國(guó)泰克TCP300 電流探頭，通過(guò)TCPA 電流放大器測(cè)試出火花電流。由于三針?lè)烹娝查g對(duì)空間以及電路均有強(qiáng)烈的干擾，除了采取必要的硬件抗干擾［9］措施外，必須對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波處理后典型的放電電壓波形和放電電流波形如圖4所示。

圖4 打火電壓和電流波形

通過(guò)在火花持續(xù)的有效時(shí)間內(nèi)，對(duì)打火電壓和電流信號(hào)進(jìn)行同步積分運(yùn)算，可得出點(diǎn)火能量值E，如下式所示:

式中:E—火花能量，mJ;t—放電時(shí)間，ms;V—放電電壓，V;I—放電電流，A。

2.3 磁電機(jī)停車測(cè)試

CDI 點(diǎn)火系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示，通過(guò)電容C1的充放電，在次級(jí)點(diǎn)火線圈的放大下形成高壓，并依據(jù)磁電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，通過(guò)晶閘管SCR1 自動(dòng)調(diào)整控制放電時(shí)刻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要求熄火停車時(shí)，只需接通停車開(kāi)關(guān)，使電容C1不進(jìn)行充放電動(dòng)作，即無(wú)法產(chǎn)生瞬時(shí)高壓。因此對(duì)停車測(cè)試，可通過(guò)外部機(jī)械動(dòng)作，控制繼電器接通停車開(kāi)關(guān)，測(cè)試此時(shí)磁電機(jī)定子是否繼續(xù)產(chǎn)生高壓即可，檢測(cè)持續(xù)時(shí)間至少為3 s。

圖5 CDI 點(diǎn)火系統(tǒng)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件

基于虛擬儀器的磁電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究充分利用了LabVIEW［10-12］強(qiáng)大的圖形化功能，利用其在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應(yīng)用提供的開(kāi)發(fā)工具，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期和成本，并能保證系統(tǒng)的高效與穩(wěn)定。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件功能主要包括人機(jī)交互模塊、機(jī)械與電氣動(dòng)作控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)表生成模塊以及參數(shù)設(shè)置與結(jié)果判定模塊，系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

本研究通過(guò)LabVIEW 隊(duì)列消息通信的多線程協(xié)調(diào)處理機(jī)制進(jìn)行了軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，能夠保證在大量數(shù)據(jù)高效處理的同時(shí)，進(jìn)行其他模塊的操作控制。系統(tǒng)的人機(jī)UI 界面簡(jiǎn)潔高效、操作方便，可以直觀地觀測(cè)采集信號(hào)的波形以及處理的實(shí)時(shí)結(jié)果，為了更清晰、有效地觀察采集信號(hào)，本研究均對(duì)界面顯示的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，在自動(dòng)化測(cè)量中具有重要的實(shí)際意義。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該系統(tǒng)在自主研發(fā)的磁電機(jī)綜合試驗(yàn)臺(tái)上得到了驗(yàn)證，本研究對(duì)多種型號(hào)的磁電機(jī)定子進(jìn)行了全面的出廠性能檢測(cè)。以AD110-09 磁電機(jī)定子為例，對(duì)各轉(zhuǎn)速下的開(kāi)路峰值電壓、點(diǎn)火提前角以及點(diǎn)火能量等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，相關(guān)轉(zhuǎn)速下上述3 指標(biāo)的測(cè)試情況如圖7～10所示。

圖7 兩磁電機(jī)定子開(kāi)路電壓波形(6 000 r·min -1)

圖8 兩磁電機(jī)定子峰值電壓與點(diǎn)火提前角度(6 000 r·min-1)

圖9 磁電機(jī)定子點(diǎn)火能量測(cè)試圖(6 000 r·min -1)

圖10 磁電機(jī)定子點(diǎn)火能量測(cè)試圖(12 000 r·min -1)

本研究在試驗(yàn)中對(duì)1 000 個(gè)定子樣品進(jìn)行了合格性測(cè)試，共檢出12 個(gè)不良品，與現(xiàn)有檢測(cè)臺(tái)測(cè)試結(jié)果完全吻合。通過(guò)查看磁電機(jī)定子性能參數(shù)測(cè)試報(bào)表，可觀察批量產(chǎn)品的性能一致性，并分析出產(chǎn)生不良品的主要原因。由于該系統(tǒng)采用直接采集磁電機(jī)電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)原始電壓信號(hào)的分析與處理，能夠準(zhǔn)確地測(cè)試出磁電機(jī)定子的各項(xiàng)性能參數(shù)。該系統(tǒng)對(duì)磁電機(jī)定子各項(xiàng)性能的測(cè)試均采用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行誤差補(bǔ)償標(biāo)定，經(jīng)對(duì)比分析，誤差主要來(lái)源于電壓傳導(dǎo)線路以及高壓探頭傳感器的衰減誤差和對(duì)信號(hào)濾波處理造成的少量信號(hào)偏差，這些均在測(cè)試誤差的允許范圍內(nèi)，能夠較好地滿足磁電機(jī)定子出廠性能檢測(cè)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究以工控機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集卡為硬件平臺(tái)，以LabVIEW 為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，多線程操作處理，針對(duì)磁電機(jī)定子性能檢測(cè)提出了全新的系統(tǒng)測(cè)試方法，可同步對(duì)開(kāi)路峰值電壓、點(diǎn)火提前角等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并克服了傳統(tǒng)儀器對(duì)點(diǎn)火能量等高端指標(biāo)測(cè)試存在的困難。該系統(tǒng)功能完善，開(kāi)發(fā)周期短，人機(jī)界面美觀易用，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，測(cè)試誤差小，檢測(cè)效率提高80%，并具有一定的測(cè)試柔性，很好地解決了國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段磁電機(jī)定子檢測(cè)臺(tái)存在的各指標(biāo)測(cè)試模塊獨(dú)立、成本高、檢測(cè)效率低、精度差等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)在磁電機(jī)出廠檢測(cè)領(lǐng)域具有很大的市場(chǎng)價(jià)值，亦對(duì)其他自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了重要的參考價(jià)值。

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