基于波形分析的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)

彭桂枝

摘 要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷也變得日益復(fù)雜，對(duì)于故障診斷的儀器、設(shè)備的要求也更高。利用波形分析法診斷電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障，將是未來汽修行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。中高職院校的培養(yǎng)模式是以就業(yè)為導(dǎo)向的，必須跟市場(chǎng)緊密結(jié)合，未來提高專業(yè)教學(xué)的質(zhì)量，節(jié)約實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的資金投入，讓學(xué)生多多動(dòng)手實(shí)踐。目前，很多公司和高校、職院都在將計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)有機(jī)結(jié)合，積極開發(fā)虛擬儀器，將所開發(fā)的虛擬儀器應(yīng)用于日常的教學(xué)活動(dòng)，以提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電控發(fā)動(dòng)機(jī)波形；虛擬儀器；示教系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0083-02

隨著電子技術(shù)的成熟發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)已被電控發(fā)動(dòng)機(jī)所取代。發(fā)動(dòng)機(jī)故障的形式呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，用于傳統(tǒng)的診斷設(shè)備及發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)，但因檢測(cè)的精度、質(zhì)量低，檢測(cè)的項(xiàng)目不夠豐富，且對(duì)人工依賴性高等缺點(diǎn)，已經(jīng)越來越難以適應(yīng)于電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷，新型的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)與診斷設(shè)備登上了歷史的舞臺(tái)。在汽車檢測(cè)診斷儀器的開發(fā)中，加入“虛擬儀器”的開發(fā)設(shè)想，對(duì)汽車的故障檢測(cè)與診斷起著重要的作用。自主開發(fā)故障診斷儀，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)有機(jī)結(jié)合，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，操作便捷，可用于各級(jí)各類的中、高職汽車專業(yè)的實(shí)踐活動(dòng)。讓聽講者能夠直觀、感性的學(xué)習(xí)知識(shí)，掌握知識(shí)，凸顯效果。

基于波形分析的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)，是利用所開發(fā)的診斷儀讀取發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器和執(zhí)行器等部件的波形，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)波形分析發(fā)動(dòng)機(jī)故障，從而可以快速精準(zhǔn)的定位故障點(diǎn)。故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器、執(zhí)行器標(biāo)準(zhǔn)波形的測(cè)試，也可應(yīng)用于故障波形的測(cè)試，同時(shí)配備了各部件的工作原理等說明，方便操作者使用。該診斷系統(tǒng)的開發(fā)可以給一線維修人員研究通過波形分析發(fā)動(dòng)機(jī)故障提供一定的借鑒，可以通過投影儀等多媒體手段展現(xiàn)在所有學(xué)生面前，幫助學(xué)生理解通過波形分析發(fā)動(dòng)機(jī)故障的方法。在開發(fā)前，首先要準(zhǔn)備一些硬件為系統(tǒng)軟件的開發(fā)提供平臺(tái)。然后根據(jù)系統(tǒng)的具體功能將系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，分別按照各個(gè)模塊的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)整體功能的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開發(fā)功能流程如圖1所示。

1 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺(tái)

診斷系統(tǒng)開發(fā)所使用的硬件設(shè)備主要有計(jì)算機(jī)、NI cDAQ 9172數(shù)據(jù)采集卡和豐田卡羅拉1.6 L汽車等，通過數(shù)據(jù)采集卡采集汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器和執(zhí)行器的波形信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)USB口傳輸至電腦診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算處理后以波形圖的形式顯示在診斷系統(tǒng)中。

1.1.1 計(jì)算機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件要求都不是太高，計(jì)算機(jī)主要是用來接收采集卡所采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算后將結(jié)果輸出顯示。系統(tǒng)采用的計(jì)算機(jī)的配置為Windows XP操作系統(tǒng)，奔騰3處理器、2 GB內(nèi)存、500 G硬盤、支持PCI-E2.0標(biāo)準(zhǔn)接口、獨(dú)立顯卡、1 024×768以上分辯率的顯示器。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集卡

采集卡是故障診斷系統(tǒng)的核心部件之一，完成診斷系統(tǒng)的信號(hào)采集、放大、處理等任務(wù)。本診斷系統(tǒng)采用NI cDAQ 9172（美國(guó)NI公司產(chǎn)品）數(shù)據(jù)采集卡來完成各傳感器、執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集與輸出。該采集卡是一款由總線供電的單槽NI CompactDAQ USB機(jī)箱，適用于小型的傳感器信號(hào)測(cè)量。該采集卡是一個(gè)運(yùn)算速度快、功能多的總線數(shù)據(jù)傳輸裝置，輸入電壓值為4.75～5.25 V，最大輸出1 MHz速率的12位模/數(shù)電轉(zhuǎn)換、一個(gè)內(nèi)置式的16路模擬量輸入1 K先入先出（FIFO）緩存存儲(chǔ)儲(chǔ)器。

1.1.3 豐田卡羅拉1.6 L汽車

以豐田卡羅拉1.6 L轎車為測(cè)試對(duì)象，該車搭載1ZR-FE電控發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試該實(shí)車的標(biāo)準(zhǔn)波形和實(shí)際波形，能對(duì)所設(shè)計(jì)的診斷系統(tǒng)起到驗(yàn)證的作用。

1.2 軟件開發(fā)的軟件平臺(tái)

MathWorks公司（美國(guó)）于20世紀(jì)開發(fā)出了具有強(qiáng)大功能的MATLAB軟件，這個(gè)軟件現(xiàn)在也成為了最有活力、最有影響力的軟件。MATLAB軟件的編程極為簡(jiǎn)單，因此發(fā)展至今已經(jīng)在很多行業(yè)、領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。MATLAB內(nèi)置了大量數(shù)學(xué)函數(shù)和專用工具箱。即可以使用文本編輯的方式編寫代碼，也可以在圖形界面上處理數(shù)據(jù)。同時(shí)提供了遵從GPIB、RS232、VXI和RS485協(xié)議的API函數(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡的通信。軟件中的GUIDE模塊允許用戶方便的開發(fā)圖形用戶界面，并內(nèi)置了大量ActiveX控件，可以調(diào)用大部分Windows風(fēng)格的控件。因此該系統(tǒng)開發(fā)選擇此軟件平臺(tái)。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 用戶登錄

登錄，需要用戶輸入登錄口令才能進(jìn)入系統(tǒng)。這是一個(gè)常規(guī)軟件所必備的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開發(fā)者權(quán)利及使用者權(quán)利的保護(hù)，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)色為灰色，讓使用者覺得清新自然。

登錄部分：在登錄前界面顯示“請(qǐng)輸入登錄口令”，只有用戶輸入正確的口令才能進(jìn)一步使用該診斷系統(tǒng)，否則無法使用。登錄界面包括三個(gè)功能按鈕，分別為系統(tǒng)功能介紹、實(shí)時(shí)波形測(cè)試、模擬波形測(cè)試按鈕，在點(diǎn)擊進(jìn)入后，就進(jìn)入到功能的登錄界面。

2.2 模擬波形測(cè)試模塊

模擬波形測(cè)試部分，對(duì)于仿真模擬測(cè)試信號(hào)的運(yùn)行參數(shù)可以通過信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。

發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器和執(zhí)行器的波形各不相同，有正弦波，有方波。該診斷儀綜合考慮此實(shí)際特點(diǎn)，故在做模擬波形測(cè)試時(shí)，有波形的選擇按鈕，可以選擇不同的波形，如方波、余弦波進(jìn)行測(cè)試，并且對(duì)于波形的振幅、頻率都可以進(jìn)行修改，使得所讀取的波形能夠在頻幕范圍內(nèi)顯示效果最佳。系統(tǒng)還設(shè)置了傳感器電壓過載報(bào)警按鈕，當(dāng)電壓信號(hào)超過12 V或傳感器信號(hào)超過5 V電壓時(shí)，燈亮報(bào)警。

2.3 實(shí)時(shí)波形測(cè)試模塊

該部分包括專用示波器以及通用示波器兩個(gè)功能模塊。通用示波器的測(cè)試功能描述：電控發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器和執(zhí)行器在正常的工作狀態(tài)下，必然有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出波形來說明當(dāng)前所采集到的信號(hào)量，通用示波器就用于電控發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)傳感器和執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)波形的測(cè)試，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理，以數(shù)字形式顯示在測(cè)試的面板上，并可以輸出波形。該面板上還設(shè)置了“負(fù)壓報(bào)警”按鈕，因?yàn)樵谶@個(gè)部分對(duì)電壓的規(guī)定為正數(shù)，一旦出現(xiàn)負(fù)數(shù)，進(jìn)行進(jìn)行負(fù)壓報(bào)警；系統(tǒng)的功能被放大，對(duì)X軸和Y軸的坐標(biāo)可以調(diào)節(jié)，以便波形在頻幕范圍內(nèi)顯示效果最佳。通用示波器測(cè)試框圖如圖2所示。在測(cè)試過程中，通用示波器可以反映出發(fā)動(dòng)機(jī)所有傳感器的電信號(hào)的變化。

專用示波器模塊包括：噴油器、爆震傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、氧傳感器、空氣流量傳感器的波形測(cè)試、功能介紹等。專用示波器測(cè)試框圖，如圖3所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

氧傳感器標(biāo)準(zhǔn)波形如圖4所示。氧傳感器的最大電壓值應(yīng)大于800 mV，最小電壓值應(yīng)不大于200 mV，從濃變稀的允許響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在100 ms左右。氧傳感器在工作時(shí)，不滿足以上三個(gè)特點(diǎn)中的任意一個(gè)都可以判定為其有故障。在過量空氣系數(shù)值等于1時(shí)，氧傳感器的輸出電壓值約為450～500 mV之間，但是變化時(shí)間也視車型而定，通常不得大于400 ms，若超出這個(gè)時(shí)間范圍，則故障為該傳感器的響應(yīng)速度太慢。

利用該診斷系統(tǒng)測(cè)試火花塞高壓線單缸斷路故障。根據(jù)采集器采集到的氧傳感器波形與標(biāo)準(zhǔn)的氧傳感器波形相比，發(fā)現(xiàn)波形上的電壓超過450 mV，是因?yàn)樘幱诨旌蠚怏w過渡段（濃/稀過渡）。根據(jù)維修手冊(cè)的解釋，該項(xiàng)原因出現(xiàn)可能是發(fā)動(dòng)機(jī)的個(gè)別缸體不能正常工作，因?yàn)楦邏簲嗦匪拢珱]有燃燒的混合氣體進(jìn)入導(dǎo)致出現(xiàn)這種情況。故障波形如圖5所示。

通過故障診斷系統(tǒng)開發(fā)完成后，通過在實(shí)車上的調(diào)試與測(cè)試，驗(yàn)證了波形分析法診斷電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣延蓮.基于波形分析的汽車電控發(fā)動(dòng)機(jī)示教系統(tǒng)開發(fā)[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 周同政等.電噴發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器故障的檢測(cè)與診斷[J].汽車電器，2005，（3）.

[3] 魯植雄.汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)波形分析圖解[M].江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[4] 陳寧.基于虛擬儀器的電控發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2008.

[5] 張賢明.MATLAB語言及應(yīng)用案例[M].南京：東南大學(xué)出版社，2010.