发动机传感器执行器检测仪设计.pdf

年第 期发动机传感器执行器检测仪设计孟梅,李风刚,曹红艳,王志军(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 )摘要:在发动机售后过程中,经常会出现传感器和执行器故障误判的情况,这给售后工作带来极大的不便,因此需要开发便携简易的传感器执行器检测工具来解决这一问题.本文设计了一种发动机传感器执行器检测系统,介绍了几类故障率高的发动机传感器执行器的工作原理,针对这几类传感器执行器进行检测系统的硬件设计及诊断策略开发.实验结果表明:本系统能够准确检测出发动机传感器执行器是否存在故障,大大提高了传感器执行器的检测速度,减少了传感器执行器的误判率.关键词:传感器;执行器;检测中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()E n g i n eS e n s o ra n dA c t u a t o rD e t e c t o rD e s i g nM e n gM e i,L iF e n g g a n g,C a oH o n g y a n,W a n gZ h i j u n(W e i c h a iP o w e rC o,L t d,W e i F a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ea f t e r s a l e sp r o c e s so ft h ee n g i n e,t h em i s j u d g m e n to fs e n s o r sa n da c t u a t o r so f t e no c c u r s,w h i c hb r i n g sg r e a t i n c o n v e n i e n c e t o t h ea f t e r s a l e sw o r k,s o i t i sn e c e s s a r yt od e v e l o pp o r t a b l ea n ds i m p l ed e t e c t i o nt o o l f o rs e n s o r sa n da c t u a t o r s t os o l v et h i sp r o b l e m I nt h i sp a p e r,ad e t e c t i o ns y s t e mo fe n g i n es e n s o ra n da c t u a t o r i sd e s i g n e d T h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f s o m e t y p e so f e n g i n es e n s o r sa n da c t u a t o r sw i t hh i g hf a i l u r er a t e,a n dd e v e l o p sh a r d w a r ed e s i g na n dd e t e c t i o ns t r a t e g y E x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h i ss y s t e mc a nd e t e c t t h e f a i l u r eo f e n g i n e s e n s o r s a n da c t u a t o r s a c c u r a t e l y,g r e a t l y i m p r o v i n g t h ed e t e c t i o ns p e e da n dr e d u c i n gt h em i s j u d g m e n t r a t e K e yw o r d s:S e n s o r;A c t u a t o r;D e t e c t i o n作者简介:孟梅()女,山东省济南市,汉族,工程师,硕士,研究方向:电控软件算法仿真测试引言发动机售后三包期内传感器、执行器的误判率一直居高不下.究其原因,主要是缺乏简单有效的检测传感器和执行器故障情况的设备.为了降低误判率,迫切需要设计一种发动机传感器执行器检测仪.本文设计的检测仪使用简单,不但提高了检测速度,更提高了检测的准确性.发动机传感器执行器的工作原理 传感器工作原理发动机传感器种类很多,其中误判率高的有模拟量类传感器和复杂传感器.模拟量类传感器主要有温度类和压力类.温度类传感器有水温传感器、机油温度传感器、环境温度传感器、燃油温度传感器、进气温度传感器等.温度类传感器的原理是温度变化引起电阻变化,从而改变电路的输出电压值,通过确定电压与电阻的关系,最终得到温度与电压的关系;温度传感器的材料一般为热敏电阻,电阻与温度的关系有正相关特性和负相关特向两种,根据不同的用途,温度传感器选择不同特性的电阻.压力类传感器有大气压力传感器、进气歧管压力传感器、轨压传感器、压差传感器等.压力类传感器的原理是压电效应,压力的改变对应电压信号的改变;传感元件由一片硅芯片组成,在硅芯片上蚀刻出一片压力膜片,压力膜片上有个压电电阻(应变片)组成一个惠斯顿电桥.硅芯片的厚度是微米级的,因此压力的改变会使硅芯片发生变形,个压电电阻跟着变形,其电阻随着改变.信号经处理后,形成与压力相关的电压信号.复杂传感器主要是N O x传感器,N O x传感器用于测量N O x浓度,有传感元件和控制单元组成,通过C AN总线与发动机E C U通讯.N O x传感器内部包含两个工作室,第一室中有一个氧泵电极,在该氧泵上加上一定电压,首先去除废气中较大部分的氧气、燃烧可燃气体,同时将废气中N O转化为N O,将转化后的气体通入第二室中;第二室中包括一个辅助电极与一个测量电极,其中辅助电极的作用是除去剩余的O,而测量电极的作用是使工作室内的发生还原反应,生成N和O,然后根据分解产生的氧的含量,即可计算出排气中N O x的含量.N O x传感器内部有自诊断系统,通过C AN报文向E C U发送传感器是否有故障.执行器工作原理发动机执行器主要有指示灯、继电器、电磁阀、风扇等,是接收控制信息并作出响应的装置;驱动方式有高边驱动、低边驱动、H桥驱动、PWM驱动等方式.根据执行器支持的驱动方式驱动执行器,执行器会有相应的响应,如指示灯亮,继电器吸合、电磁阀吸合、风扇转速变化.发动机传感器执行器检测仪硬件设计检测仪系统硬件结构如图所示,主要包括MC U模块、电源模块、模拟信号采集模块、C AN模块、驱动模块、温度测量模块、人机交互模块.MC U模块MC U模块是电子模块的中枢系统,除了主控MC U,内燃机与配件w w w n r j p j c n图硬件系统架构图还包括其工作需要的复位电路、时钟电路、滤波电路等基本的外围电路,主控MC U选取恩智浦的MP C B,该芯片是 位的微控制器,最大时钟频率为 MH z,具有MB的F L A S H、K B的D R AM和 K B的E E P R OM,多达 路的I O通道、支持多种通讯.该芯片包含了恩智浦用于汽车电子领域的最新集成器件,经济且高效.电源模块电源模块(见图),包括电源防反接模块、D C D C稳压模块、L D O V稳压模块、L D O V稳压模块、T r a c k e r传感器供电模块.电源防反接模块主要实现外部电源输入的防反接功能,采用PMO S防反接的方法.D C D C稳压模块主要用于输入电源稳压,将电源电压稳定在一定范围内,为系统内部芯片供电.L D O V稳压模块用来为MC U及其他需要 V供电电压的模块供电,采用英飞凌的低压差线性稳压芯片T L E D.该芯片电压输入范围为 V V,输出驱动电流可达 mA,输出电压 V,并具有过流保护、过温保护、反接保护、短路保护等多种电路保护功能.L D O V稳压模块为串行F L A S H及其他需要 V工作的模块供电,采用安森美的低压差线性稳压芯片N C V S T T G,输入最大电压为 V,输出驱动电流可达 A,输出电压为 V,具有过流和超温保护功能.T r a c k e r传感器供电模块为外部传感器供电,采用英飞凌的低压差跟踪稳压器T L E E.该芯片输出电压 V,输出电流 mA,具有反接保护和短路保护功能,可以设置其为关机模式,以减少静态电流.图电源模块架构图图模拟信号采集电路 模拟信号采集模块模拟信号采集模块(见图),含有两路模拟输入,兼容电压型输入与电阻型输入;具备多个阻值的上拉电阻,多个阻值的下拉电阻,并可独立配置.C A N模块C AN模块用于检测仪与N O x传感器之间的报文收发,采用集成芯片T J A .T J A 芯片是恩智浦专门应用于汽车工业中的第三代C AN高速收发器,可以为C AN协议控制器提供发送接收差分信号的功能.同时此芯片改进了电磁兼容及静电放电性能,可靠性更强.驱动模块驱动模块包括低边开关、P WM、高边供电和H桥驱动,其中H桥驱动复用一路高边供电和一路低边输出,满足不同的执行器驱动方式;低边开关和P WM用来驱动开关类执行器和P WM类执行器.硬件电路采用英飞凌的集成芯片T L E S G,该芯片专为动力总成应用设计,最大支持 A电流输出,主要用于驱动各类负载.并且配备串行外设接口S P I,用于控制和诊断.所有输出通道都实现电流反馈功能,支持对地短路(S C G)、负载开路(O L)、对电源短路(S C B)诊断功能,支持过流过热保护.其中有两个输入引脚可以对开关进行P WM控制.高边供电用来给执行器进 行 V供 电,硬 件 电 路 采 用 英 飞 凌 的 集 成 芯 片B T S L,该芯片具备过载保护、过压保护和热关断等功能.芯片最大支持电流为 A,工作电压范围为 V V,当有输入引脚输入是P WM信号时,对应输出可以按照P WM信号的周期和占空比驱动负载;H桥的硬件电路采用集成芯片T L E ,该芯片具有很高的可靠性和保护功能,其特点有:()连续输出最大电流为 A,可提供最高峰值为 A的电流;()具有过压保护和输出短路保护功能,防止元器件损坏;()可与单片机双向通讯,发送故障诊断信息或接受控制命令;()只需要一路P WM信号和一路方向信号即可实现控制,节省硬件资源,且控制灵活可靠.温度测量模块温度测量模块测量环境温度,用于温度类传感器测试对比.采用两路热敏电阻采集值相互校验的方法,确保温度测量模块测量值准确.人机交互模块人机交互模块包括液晶显示器L C D 和一个输入设备薄膜键盘.液晶显示屏是一个耗电量非常低的电子显示器件,主要应用在便携式电子设备中.它不但省电,还可以显示大量信息内容.液晶显示器L C D 是单色薄膜背光显示屏幕,能够显示行文字,每行最大显示个汉字或 个英文字符.薄膜键盘有上下左右导航键,数 字 键.存 储 采 用 外 部F L A S H存 储 芯 片W Q ,V供电,与MC U通过S P I进行通讯.发动机传感器执行器检测仪检测策略及软件设计 检测测略温度类传感器是电阻型的传感器,失效模式为开路、短路或零点漂移,采集传感器电压值,转换为电阻值后查表计算相应的温度值,如果温度值为最大值、最小值或是与检测仪中温度值对比差值超过阈值即可判断传感器已损坏;压力类传感器是电压型传感器,诊断仪根据采集的电压值,查表得相应的电压值,在常压下,显示的大气压力,压力值在 k P a以内可认为传感器无故障;N O x传感器是智能型的,通过C A N通讯与外部进行通讯:首先需要诊断仪给N O x传感器发出激活报文,让N O x传感器进入工作状 年第 期态,检测其内部电路是否正常,空气中的N O x浓度是否正常,氧气浓度是否正常.然后N O x传感器发出报文,检测仪接收,检测仪根据接收到的报文解析出传感器是否存在故障.执行器的检测就是根据执行器的驱动方式选择相应的驱动,控制开关的打开与闭合,如果执行器做出了相应的响应则认为执行器无故障.软件设计同种类型的传感器有不同的型号或规格,就会对应着不同的件号,检测流程如图所示:图检测流程按照检测流程进行人机交互界面,开机时首先进入开机界面,然后进入主界面.上下键为选项选择键,按下该键可以选择要进入的条目.右键为确认键,按下该键将进入由上下键所选择的条目.左键为取消键,按下该键将进入上层目录.进入主界面后可以选择进入传感器测试、执行器测试二个目录;按上下键选择进入的条目,按O K按键进入所选条目界面,如图所示:图开机界面和主界面以传感器测试为例,在主目录下进入传感器测试,按上下键可以依次显示所有可以测试的传感器.选择所要测试的传感器,按O K按键进入所选传感器的测试界面.进入下一界面,选择相应的传感器件号,按O K按键进行检测,检测完成显示测试结果.图检测过程界面实验结果选取有不同故障的环境温度传感器、压差传感器、进气压力温度传感器、传感器、指示灯、继电器;作为对照,选取无故障的上述传感器一组.用发动机传感器执行器检测仪进行检测.图发动机传感器执行器检测仪测试无故障的一组传感器,测试结果如表:表实验结果环境温度压差传感器 进气压力温度N O x传感器指示灯继电器无故障无故障无故障无故障无故障无故障测试有故障的一组传感器,测试结果如表:表实验结果环境温度压差传感器 进气压力温度N O x传感器指示灯继电器有故障有故障有故障有故障有故障有故障实验结果显示,本文设计的发动机传感器执行器检测仪的检测结果全部正确.结束语本文设计了一种发动机传感器执行器检测仪,具有便携、使用简单,准确性高等特点.使用发动机传感器执行器检测仪可以缩短检测时间,有力的解决了发动机三包期内传感器和执行器误判率高的问题.参考文献:党安明,张钦军传感器与检测技术M北京:北京大学出版社,丁行海浅析柴油机S C R系统中氮氧传感器的检修J汽车维修,():陈钊汽车发动机用传感器的现状及展望J江汉大学学报(自然科学版),():李洋纯电动装载机整车控制器及控制策略研究D山东大学 毛本泉混合动力专用高压共轨柴油机E C U硬件研究与设计D昆明理工大学 H P G t t l e r S p e c i f i c a t i o n S m a r t N O x S e n s o r U n i n o x V RR e g e n s b u r g:S i e m e n sV D O A u t o m o t i v e,