CN108278170A - 共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置和在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置，包括：MCU、CPLD等，CPLD根据低端电流调理电路输出的电流调制信号，以及输入驱动使能信号生成高端调制输出脉冲，该高端调制输出脉冲控制高端集成驱动电路，同时该高端调制输出脉冲也被输入到CPLD，CPLD将设置一个检测窗口，并将检测窗口内的高端调制输出脉冲送入MCU的高速时间处理单元；同时CPLD将生成的实际高压开放信号输入到MCU；MCU中高速时间处理单元根据高端调制输出脉冲信号自动得出高端调制输出脉冲信号中每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存至内存；MCU依据电磁阀衔铁吸合点检测逻辑分析这些高脉宽、低脉宽的时间值估算出电磁阀衔铁吸合时刻。

Description

共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置和在线检测方法

技术领域

本发明涉及内燃机控制系统，尤其是柴油机共轨电控燃油喷射技术领域。

背景技术

喷油器电磁阀衔铁吸合点是喷油器的实际开启点，是检测电磁阀是否正常工作的一个重要指标，也可被ECU软件用来计算实际的喷油时刻，提高喷油时刻的计算精度。目前检测电磁阀衔铁吸合点需要使用激光测位仪等专业仪器，操作起来很繁琐，而且还需要在喷油器上做打孔的处理，因此不能作为通用的在线检测方法。

目前喷油器电磁阀衔铁吸合点的检测方法包括：

(1)通过专用仪器来测量电磁阀衔铁的吸合时刻，使用这种办法需要在喷油器上做特殊的打孔处理；

(2)通过加速度传感仪，通过测试喷油器电磁阀衔铁吸合时的撞击加速度来测量吸合时刻；

(3)通过检测电路生成具有拐点的驱动电流，通过高速采样的办法得到电流的采样值，分析这些电流采样值得到电磁阀衔铁吸合时刻。

目前检测方法存在的主要缺点为：

(1)使用激光测位仪专用仪器测量喷油器电磁阀衔铁吸合点，操作繁琐，而且还需要对喷油器进行特殊处理，需要借助示波器读取数据，大规模使用时效率较低；

(2)使用加速度传感仪来测量喷油器电磁阀衔铁吸合点，也需要借助示波器读取数据，大规模使用时效率较低；

(3)已知的共轨喷油器电磁阀吸合点的检测电路，需先标定一个驱动恒压，然后在整个驱动过程中，该驱动恒压不变。如果喷油器电磁阀参数差异性较大的话，则这种不变的驱动常压会导致生成的电流拐点不明显，从而导致最终的计算结果有偏差。

上述方法1，2都不适合移值到ECU中进行在线检测，方法3虽然可移植到ECU中，但是需要大幅修改驱动结构，增加设计成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置，以及在该检测装置中使用的在线检测方法，由于电磁阀衔铁吸合的过程是会导致电磁阀电感参数动态变化，吸合后电感参数将保持稳定，这样就会导致电流调制脉宽有一个由变化到稳定的过程，分析电流调制脉宽的变化规律就能较为精确的估算电磁阀衔铁的吸合时刻；本发明采用的技术方案是：

一种共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置，包括：MCU、CPLD、高端集成驱动电路、低端集成驱动电路、低端电流调理电路、高端开关管Q1和Q2、低端开关管Q3、电阻R1；MCU连接CPLD，CPLD分别连接高端集成驱动电路和低端集成驱动电路，高端集成驱动电路的两个输出端分别连接高端开关管Q1和Q2的控制端，高端开关管Q1的电流输入端接电池电压，电流输出端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接喷油器一端；高端开关管Q2的电流输入端接高压源，电流输出端接喷油器一端；喷油器另一端接低端开关管Q3的电流输入端；低端集成驱动电路的输出端接低端开关管Q3的控制端，低端开关管Q3的电流输出端通过电阻R1接地；低端电流调理电路的采样端口接电阻R1的两端，低端电流调理电路的输出端接CPLD；二极管D2的阳极接喷油器一端，阴极接地；

其主要改进之处在于，

MCU中包含高速时间处理单元，高速时间处理单元支持脉冲输入并自动计算每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存每个高脉宽、低脉宽的时间值至内存；

CPLD根据低端电流调理电路输出的电流调制信号，以及输入驱动使能信号生成高端调制输出脉冲，该高端调制输出脉冲控制高端集成驱动电路，同时该高端调制输出脉冲也被输入到CPLD，CPLD将设置一个检测窗口，并屏蔽掉检测窗口以外的高端调制输出脉冲信号，并将检测窗口内的高端调制输出脉冲送入MCU的高速时间处理单元；同时CPLD将生成的实际高压开放信号输入到MCU；

MCU中高速时间处理单元根据高端调制输出脉冲信号自动得出高端调制输出脉冲信号中每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存至内存；MCU依据电磁阀衔铁吸合点检测逻辑分析这些高脉宽、低脉宽的时间值估算出电磁阀衔铁吸合时刻；

检测窗口的起始位置为电磁阀驱动电流的最高峰值限制时刻，结束位置为二阶维持电流设定时刻。

进一步地，电磁阀衔铁吸合点检测逻辑的核心是通过分析检测窗口内的高端调制输出脉冲的脉宽变化规律，找到脉宽由无规律变为有规律时最后一个无规律的脉宽所处的位置；然后通过下式计算衔铁吸合时刻：

T+t₁+...+t_n-1+Δt/2 (1)

其中T是检测窗口开始时间即检测窗口起始位置对应时间，N是最后一个无规律脉宽在高脉宽、低脉宽时间值数组中的位置，t₁,….t_n-1就是最后一个无规律脉宽之前各高脉宽、低脉宽的时间值，最后一个无规律脉宽取实际脉宽△t的一半来估算。

更进一步地，电磁阀衔铁吸合点检测逻辑具体包括以下过程：

S101，判断驱动电池电压是否为正常工作电压，若否则等待驱动电池电压达到正常工作电压，若是则进行下一步；

S102，建立检测窗口内高端调制输出脉冲的高脉宽、低脉宽的时间值数组；

S103，依次判断数组中每个高脉宽、低脉宽的时间值是否和对应的高脉宽、低脉宽的特征值相同，并记录是否相同的标志；

S104，判断记录的脉宽时间值是否表现出前段出现脉宽时间值和相应特征值不同，而后段出现脉宽时间值和相应特征值相同的情况，若是则记录下数组中最后一次和特征值不同的位置，转步骤S105；若否则转步骤S106；

S105，根据第一次和最后一次脉宽时间值和相应特征值不同的位置，以及检测窗口的起始位置，根据公式(1)估算衔铁吸合时刻；然后结束；

S106，重新进行一组数据的分析并累计出错次数n；

S107，出错次数n是否小于设定检测K，若是则返回步骤S102；若否则判断喷油器电磁阀工作异常，衔铁无法正常吸合。

本发明的有益效果在于：

1)较为精确估算喷油器电磁阀衔铁吸合时刻可以提高ECU软件计算实际喷油时刻的能力。

2)喷油器电磁阀衔铁吸合时刻可以作为ECU软件在线判断喷油器是否正常工作的一个依据。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑结构图。

图2为本发明的逻辑相位图。

图3为本发明的检测装置的逻辑结构图。

图4为本发明的检测逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为一个共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置的原理图；该装置包括：MCU、CPLD(可编程逻辑器件)、高端集成驱动电路、低端集成驱动电路、低端电流调理电路、高端开关管Q1和Q2、低端开关管Q3、电阻R1；其中Q1、Q2和Q3均可采用NMOS管；MCU连接CPLD，CPLD分别连接高端集成驱动电路和低端集成驱动电路，高端集成驱动电路的两个输出端分别连接高端开关管Q1和Q2的控制端(即栅极)，高端开关管Q1的电流输入端(即漏极)接电池电压，电流输出端(即源极)接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接喷油器一端；高端开关管Q2的电流输入端(即漏极)接高压源，高压源提供高压BOOST，Q2的电流输出端(即源极)接喷油器一端；喷油器另一端接低端开关管Q3的电流输入端(即漏极)；低端集成驱动电路的输出端接低端开关管Q3的控制端(即栅极)，低端开关管Q3的电流输出端(即源极)通过电阻R1接地；低端电流调理电路的采样端口接电阻R1的两端，低端电流调理电路的输出端接CPLD；二极管D2的阳极接喷油器一端，阴极接地；

喷油器电流调制一般采用PEAK-HOLD模式，即首先用高压快速拉升喷油器的驱动电流到达设定的最高峰值，然后用电池电压分2个阶段将电流维持在设定的一阶阈值，二阶阈值。如图2所示；驱动电流包括三个阶段：高压开放阶段、一阶维持电流阶段和二阶维持电流阶段；在高压开放阶段，高压源的高压BOOST迅速注入到喷油器电磁阀中，电磁阀驱动电流迅速拉升到设定的最高峰值，此阶段Q2和Q3打开；而后驱动电流被调制为一阶维持电流，二阶维持电流；由于本发明的重点是在线检测喷油器电磁阀衔铁吸合时刻,因此会重点描述在传统的驱动结构上如何改进以得到可分析的高端调制输出脉冲信号以及分析高端调制输出脉冲变化规律的电磁阀衔铁吸合点检测逻辑2个方面内容，因此对于电流的调制逻辑、低端电流调理电路的工作原理不做重点描述；

MCU中包含高速时间处理单元，高速时间处理单元支持脉冲输入并自动计算每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存每个高脉宽、低脉宽的时间值至内存；

CPLD除了生成常规的喷油器驱动逻辑(比如高端调制输出脉冲、高压开放信号、低端调制输出脉冲)外，还需要对高端调制输出脉冲设置一个检测窗口，屏蔽掉窗口以外的脉冲，这样做可减轻MCU的工作负担；

CPLD根据低端电流调理电路输出的电流调制信号(如图1中的峰值电流限制信号、一阶电流控制信号、二阶电流控制信号)，以及输入驱动使能信号生成高端调制输出脉冲，该高端调制输出脉冲控制高端集成驱动电路，同时该高端调制输出脉冲也被输入到CPLD，CPLD将设置一个检测窗口，并屏蔽掉检测窗口以外的高端调制输出脉冲信号，并将检测窗口内的高端调制输出脉冲送入MCU的高速时间处理单元；同时CPLD将生成的实际高压开放信号输入到MCU，以便估算电磁阀衔铁吸合时刻；MCU中高速时间处理单元根据高端调制输出脉冲信号自动得出高端调制输出脉冲信号中每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存至内存；MCU按照电磁阀衔铁吸合点检测逻辑分析这些高脉宽、低脉宽的时间值的变化规律估算出电磁阀衔铁吸合时刻；

从图2可看出，电磁阀衔铁吸合时刻一般出现在一阶维持电流阶段；在该阶段电流变化规律是由杂乱的锯齿波向有规律的锯齿波过渡，有规律的锯齿波的始点可认为就是电磁阀衔铁吸合时刻；因此通过分析高端调制输出脉冲的高，低脉宽时间值的变化规律就可估算出电磁阀衔铁吸合时刻。低端电流调理电路需将维持电流的峰值和谷值阈值设置在一个较小的范围，这样做才能使高端调制输出脉冲的脉宽发生明显的变化，客观反映出衔铁吸合过程电感参数的变化。如果维持电流的峰值和谷值阈值设置的太大，则高端调制输出脉冲的脉宽变化就不能反映电感参数的变化；

图3是本发明的逻辑结构图，通过CPLD生成检测窗口内的高端调制输出脉冲以屏蔽掉窗口以外的高端调制输出脉冲信号，这样做可以减轻高速时间处理单元的运算负担；检测窗口的起始位置为电磁阀驱动电流的最高峰值限制时刻(对应于高压开放信号脉冲结束时刻)，结束位置为二阶维持电流设定时刻。高速时间处理单元可自动转存检测窗口内高端调制输出脉冲的高脉宽、低脉宽的时间值，基于这些数据，电磁阀衔铁吸合点检测逻辑可估算出电磁阀衔铁吸合时刻；

图4是电磁阀衔铁吸合点检测逻辑流程图，该逻辑的核心就是要通过分析高端调制输出脉冲的脉宽变化规律，找到脉宽由无规律变为有规律时最后一个无规律的脉宽所处的位置，图2箭头所示的脉宽就是最后一个无规律的脉宽，在估算衔铁吸合时刻时，可以由下式估算：

T+t₁+...+t_n-1+Δt/2 (1)

其中T是检测窗口开始时间即检测窗口起始位置对应时间，也即是高压开放信号的脉宽，N是最后一个无规律脉宽在数组中的位置，t₁,….t_n-1就是最后一个无规律脉宽之前各高脉宽、低脉宽的时间值，最后一个无规律脉宽取实际脉宽△t的一半来估算；由于现在的喷油器的感性参数较小，实际的脉宽值在10μS左右，取其一半约5μS；实际的误差应在10μS以内；由于实际的喷油器电磁阀衔铁吸合时刻约在200-400μS之间，因此这样的误差精度可以很好的支持软件精确计算喷油时刻，也可作为判断喷油器是否正常工作的一个重要依据。

电磁阀衔铁吸合点检测逻辑具体包括以下过程，如图4所示，

S101，判断驱动电池电压是否为正常工作电压，若否则等待驱动电池电压达到正常工作电压，若是则进行下一步；

S102，建立检测窗口内高端调制输出脉冲的高脉宽、低脉宽的时间值数组；

S103，依次判断数组中每个高脉宽、低脉宽的时间值是否和对应的高脉宽、低脉宽的特征值相同，并记录是否相同的标志；

S104，判断记录的脉宽时间值是否表现出前段出现脉宽时间值和相应特征值不同，而后段出现脉宽时间值和相应特征值相同的情况，若是则记录下数组中最后一次和特征值不同的位置，转步骤S105；若否则转步骤S106；

S105，根据第一次和最后一次脉宽时间值和相应特征值不同的位置，以及检测窗口的起始位置，根据公式(1)估算衔铁吸合时刻；然后结束；

S106，重新进行一组数据的分析并累计出错次数n；

S107，出错次数n是否小于设定检测次数K，若是则返回步骤S102；若否则判断喷油器电磁阀工作异常，衔铁无法正常吸合。

本在线检测装置还引入正常脉宽特征值的概念，即通过实验确定某型号喷油器在正常工作电压(通常为24伏)驱动情况下，衔铁正常吸合后其正常高脉宽、低脉宽的时间值范围；在实际应用中如果在特定电池电压驱动下，检测到的脉宽时间值不在相应的特征值范围，可认为此时衔铁还未完全吸合，脉宽处在无规律的变化过程中；如果累计几次记录的脉宽数组都不在特征值范围，不能表现出前段无规律后段有规律的变化，即可认为该喷油器出现故障。图4中K为设定的检测次数，如累计K次都不能满足逻辑条件，即可认定该喷油器工作异常。

Claims (5)

1.一种共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置，包括：MCU、CPLD、高端集成驱动电路、低端集成驱动电路、低端电流调理电路、高端开关管Q1和Q2、低端开关管Q3、电阻R1；MCU连接CPLD，CPLD分别连接高端集成驱动电路和低端集成驱动电路，高端集成驱动电路的两个输出端分别连接高端开关管Q1和Q2的控制端，高端开关管Q1的电流输入端接电池电压，电流输出端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接喷油器一端；高端开关管Q2的电流输入端接高压源，电流输出端接喷油器一端；喷油器另一端接低端开关管Q3的电流输入端；低端集成驱动电路的输出端接低端开关管Q3的控制端，低端开关管Q3的电流输出端通过电阻R1接地；低端电流调理电路的采样端口接电阻R1的两端，低端电流调理电路的输出端接CPLD；二极管D2的阳极接喷油器一端，阴极接地；

其特征在于，

MCU中包含高速时间处理单元，高速时间处理单元支持脉冲输入并自动计算每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存每个高脉宽、低脉宽的时间值至内存；

CPLD根据低端电流调理电路输出的电流调制信号，以及输入驱动使能信号生成高端调制输出脉冲，该高端调制输出脉冲控制高端集成驱动电路，同时该高端调制输出脉冲也被输入到CPLD，CPLD将设置一个检测窗口，并屏蔽掉检测窗口以外的高端调制输出脉冲信号，并将检测窗口内的高端调制输出脉冲送入MCU的高速时间处理单元；同时CPLD将生成的实际高压开放信号输入到MCU；

MCU中高速时间处理单元根据高端调制输出脉冲信号自动得出高端调制输出脉冲信号中每个高脉宽、低脉宽的时间值并自动转存至内存；MCU依据电磁阀衔铁吸合点检测逻辑分析这些高脉宽、低脉宽的时间值估算出电磁阀衔铁吸合时刻；

检测窗口的起始位置为电磁阀驱动电流的最高峰值限制时刻，结束位置为二阶维持电流设定时刻。

2.如权利要求1所述的共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置，其特征在于，

电磁阀衔铁吸合点检测逻辑的核心是通过分析检测窗口内的高端调制输出脉冲的脉宽变化规律，找到脉宽由无规律变为有规律时最后一个无规律的脉宽所处的位置；然后通过下式计算衔铁吸合时刻：

T+t₁+...+t_n-1+Δt/2 (1)

其中T是检测窗口开始时间即检测窗口起始位置对应时间，N是最后一个无规律脉宽在高脉宽、低脉宽时间值数组中的位置，t₁,….t_n-1就是最后一个无规律脉宽之前各高脉宽、低脉宽的时间值，最后一个无规律脉宽取实际脉宽△t的一半来估算。

3.如权利要求2所述的共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测装置，其特征在于，

电磁阀衔铁吸合点检测逻辑具体包括以下过程：

S101，判断驱动电池电压是否为正常工作电压，若否则等待驱动电池电压达到正常工作电压，若是则进行下一步；

S102，建立检测窗口内高端调制输出脉冲的高脉宽、低脉宽的时间值数组；

S103，依次判断数组中每个高脉宽、低脉宽的时间值是否和对应的高脉宽、低脉宽的特征值相同，并记录是否相同的标志；

S104，判断记录的脉宽时间值是否表现出前段出现脉宽时间值和相应特征值不同，而后段出现脉宽时间值和相应特征值相同的情况，若是则记录下数组中最后一次和特征值不同的位置，转步骤S105；若否则转步骤S106；

S105，根据第一次和最后一次脉宽时间值和相应特征值不同的位置，以及检测窗口的起始位置，根据公式(1)估算衔铁吸合时刻；然后结束；

S106，重新进行一组数据的分析并累计出错次数n；

S107，出错次数n是否小于设定检测K，若是则返回步骤S102；若否则判断喷油器电磁阀工作异常，衔铁无法正常吸合。

4.一种共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测方法，其特征在于，

通过分析检测窗口内的高端调制输出脉冲的脉宽变化规律，找到脉宽由无规律变为有规律时最后一个无规律的脉宽所处的位置；然后通过下式计算衔铁吸合时刻：

T+t₁+...+t_n-1+Δt/2 (1)

其中T是检测窗口开始时间即检测窗口起始位置对应时间，N是最后一个无规律脉宽在高脉宽、低脉宽时间值数组中的位置，t₁,….t_n-1就是最后一个无规律脉宽之前各高脉宽、低脉宽的时间值，最后一个无规律脉宽取实际脉宽△t的一半来估算。

5.如权利要求4所述的共轨喷油器电磁阀衔铁吸合点在线检测方法，其特征在于，

该在线检测方法依据一个电磁阀衔铁吸合点检测逻辑进行衔铁吸合点检测；

电磁阀衔铁吸合点检测逻辑具体包括以下过程：

S101，判断驱动电池电压是否为正常工作电压，若否则等待驱动电池电压达到正常工作电压，若是则进行下一步；

S102，建立检测窗口内高端调制输出脉冲的高脉宽、低脉宽的时间值数组；

S103，依次判断数组中每个高脉宽、低脉宽的时间值是否和对应的高脉宽、低脉宽的特征值相同，并记录是否相同的标志；

S104，判断记录的脉宽时间值是否表现出前段出现脉宽时间值和相应特征值不同，而后段出现脉宽时间值和相应特征值相同的情况，若是则记录下数组中最后一次和特征值不同的位置，转步骤S105；若否则转步骤S106；

S105，根据第一次和最后一次脉宽时间值和相应特征值不同的位置，以及检测窗口的起始位置，根据公式(1)估算衔铁吸合时刻；然后结束；

S106，重新进行一组数据的分析并累计出错次数n；

S107，出错次数n是否小于设定检测K，若是则返回步骤S102；若否则判断喷油器电磁阀工作异常，衔铁无法正常吸合。