摩托车磁电机在线微机检测系统的研究与开发.doc

摩托车磁电机在线微机检测系统的研究与开发

- 4 -
摘要：针对目前我国磁电机产品在线检测设备的落后现状，采用现代微机检测与控制技术开发了一种新型的摩托车磁电机在线微机检测系统。该系统采用独特的设计方法提高了检测对象的装夹速度和灵活方便性，采用特别的信号处理和算法显著提高了摩托车磁电机点火提前角的数字化检测精度。应用结果表明，该检测系统运行稳定可靠，检测精度高，具有一定的实用性和推广价值。

关键词：磁电机；点火系统；在线；检测控制

The Study and Development of On-line Test System for Motorcycle Magnet Generator with Microcomputer

Abstract: This paper develops a new type of on-line test system for motorcycle magnet generator with modern microcomputer measure and control technology. The facility and efficiency of operation has been improved due to the special design of mechanism. We increase the precision of ignition angle by using a special signal processing algorithms. The application shows that this system runs stably and accurately. The technology and methods adopted in the system are practical and worthy of using abroad.
Keywords: magnet generator, ignition system, on-line test, measure and control

0 引言
磁电机[1]是摩托车中非常重要的部件，它不仅直接为发动机点火系统供给点火能量，而且也是摩

托车其它电器电子设备直接或间接的唯一电能来源，其质量的好坏直接影响到摩托车的整体性能发
挥和可靠性。
长期以来，我国摩托车行业存在重生产轻测试的倾向，使得我国的磁电机产品在线检测技术和设备非常落后，因此充分利用现代微机检测与控制技术研究开发性能更好、使用更方便而成本更低的摩托车零部件在线检测设备具有重要的、较普遍的意义。本文将通过摩托车磁电机产品性能的在线检测技术和设备的研究开发，探讨其具体实现的方法和途径，以满足和提高我国摩托车行业零部件质量控制的要求和水平[2 ~ 4]。
1 磁电机在线检测系统的硬件组成与机械设计
一个完整的在线测试系统首先应该在硬件结构设计上保证其测试对象在真实的或模拟的工作环境下工作，然后才能利用各种测试仪器获取检测对象的真实信息并进行分析处理。
本文开发的磁电机在线检测系统硬件主要包括了两大部分：机械模拟台架和测试仪器硬件，其系统结构如图1所示。机械模拟台架仍然采用目前抽检测试台类似的结构，即使用变频器控制的调速电
测试信号
外部操作
控制信号
外部操作
磁电机对象
传动系
变频调速电机
变频器
传感器

信号调理电路
串行通讯口
A/D采集卡
处理器
显示器
存储器
键盘鼠标

图1 测试系统硬件总体结构

机驱动并模拟在发动机曲轴上磁电机的转动，并设计专用的电路将磁电机产生的各种信号通过整流、滤波等进行调理后输入到A/D数据采集卡，然后利用计算机实现磁电机信号的分析处理。但为适应在线检测的要求，本文在磁电机快速装夹机构设计方法上进行了探讨，具体结构如图2所示。
为满足磁电机在线检测的要求，其安装和检测应该控制在25秒之内，这样利用一人操作的在生产线上对称布置的两台检测设备，才能保证在产量为6000台/天的生产节拍，因此其检测效率和装夹时间的要求较为苛刻，而目前磁电机抽检用的测试设备采用螺钉固定定子于底座和用螺母固定转子在锥轴上的方法，不能达到要求。为此本文设计的结构如图2所示的快速装夹机构，只需在相应的位置放下磁电机定子并转动手柄将其固紧，然后放下磁电机转子并盖上箱盖将其压紧即可完成装夹动作，熟练后只需3~5秒就可完成，同样在拆卸时只需打开箱盖，松开手柄就可将磁电机取出。而且简单更换其中很少部件就能适应不同产品的检测，缩短在线检测中产品切换时的准备时间。
另外在硬件设计上还解决了因转速高而引起的高频振动噪声、运转平稳性和耐久性、制造成本等问题。
1
2
3
4
6
7
8
9
10
12
5
11

1. 盒体 2. 转子 3. 定子 4. 通用底座 5. 专用底座 6. 驱动轴 7. 固紧螺杆8. 固紧螺母 9. 拉紧销 10. 锥套 11. 固紧手柄 12. 弹簧压紧机构

图2 磁电机测试机械台架装夹机构

2 检测系统的软件设计
磁电机及其组成的点火系统的信号检测和快速处理是本在线检测系统的另一重要方面，本文基于Windows操作系统平台，使用Visual C++6.0开发工具和面向对象的方法设计和开发了磁电机在线检测的软件系统，实现了更高的点火提前角的数字化检测精度、更好的用户界面、更丰富的功能和可扩展性、可重用性、可维护性，并具有声音提示报警和统计分析等功能。
2.1 面向对象技术和方法的应用
本文采用现代面向对象[5] (Object-Oriented，简称OO)技术的思想和方法，对磁电机在线检测的软件系统进行了设计和开发。面向对象技术的观点基于一种直观的思维方式，以一种自然的方法描述客观世界，把客观世界的事物看成一个个不同的对象，每一个对象都有自己的属性和方法，对象之间采用消息等机制进行通信。其基本的特征有数据抽象、封装、继承、多态及消息通信等，比之面向过程的方法在开发效率、代码的可重用性、软件的可扩展性和可维护性等方面具有明显的优点。
CMagObject
测试对象数据类
812PGComm
CMagFunc
CFre500
CWaveMonitor
CSerialComm
CWaveDevice
A/D板卡接口类
数据处理类
变频器控制类
串口通信类
波形显示类
音频操作类
对象名称 说明

图3 磁电机在线检测系统软件的主要封装类

本文设计的磁电机在线检测系统的对象如图3所示，图中的对象包括了系统的测试、处理、控制、结果的表达与存储等过程，分别使用动态链接库、COM组件、C++中的类和模板等形式进行代码的封装在这些对象的具体实现中，如串行通信和声音提示等，大部分都直接使用了底层的Windows API函数，与其他使用第三方控件和接口实现的方式相比，使用更灵活、功能更强大、运行效率更高。
2.2 检测系统软件架构方法
本文充分采用了MFC的 Document/View软件架构思想，利用由CDocument派生的CMagObject表达和封装测试对象的数据内容，用CView派生的CWaveMonitor表达和封装测试对象的多种外观和视觉侧面，从而实现数据的管理与表达分开，使程序结构更清晰，开发效率更高。

外部操作
存储器
CWaveMonitor
音箱
显示器
CWaveDevice

CSerialComm
CFre500

812PGComm
CMagFunc
CMagObject
生成测试文件
图4对象间的通信和连接关系

在VC中Document/View结构主要有两种实现方式：SDI（Single Document Interface，单文档界面） 和MDI（Multiple Documents Interface，多文档界面），VC的Application Framework会根据用户选择自动产生代码框架，使用非常方便。其中SDI只支持一种文档结构，一个SDI程序一次只能处理一个文档对象；MDI接口可支持多种文档，并可同时处理多个文档对象。本文采用了MDI结构，以便今后测试对象的扩展。具体对象间的通信和连接关系如图4所示。检测系统软件界面如图5所示。
2.3 磁电机在线检测系统的点火提前角测试算法[6]
为保证测试结果的准确性、可靠性、稳定性以及满足在线检测的效率要求，本文对点火提前角、充电电压、电流等检测的算法上进行了改进和探讨，以点火提前角的检测算法的探讨为例说明如下：

检测采样到点火原始信号波形如图6所示，其中x0，x2位置处的负脉冲表示磁电机转动位置信号，而x1表示点火时刻位置。理论上，点火提前角可用下式计算得到：

其中β为固定的修正值。但由于最高采样频率受到AD卡的限制以及转速波动、噪声的影响，实际中x0，x1， x2位置很难精确确定，因而点火提前角的检测存在误差并且不同的信号周期具有波动，为此，本文提出了曲线拟合搜索法。
如图6所示，首先根据原始信号的特征构造一条拟合的规则的曲线去逼近原始信号，然后将x0，x1和x2的搜索确定转变成对y0，y1和y2的确定。而规则曲线的构造方法如下：
根据原始信号特征构造转位方波和点火脉冲三角波，然后在一定的范围内横向移动方波和三角波的位置，同时对方波和三角波的宽度进行拉伸和压缩，将每改变一步得到的拟合曲线与原始信号进行卷积并将得到的结果记录下来进行比较，其中最小值所对应的曲线就是最佳拟合曲线。
x0
x1
x2
y0
y1
y2
图6 测量点火提前角的信号
点火脉冲信号
γ
实践证明，使用该方法能够显著提高点火提前角的检测精度和稳定性。另外本文对具体的算法进行了优化，将算法的运行时间控制在一个比较理想的范围内，保证了算法的效率。
3 结论
本文将开发的摩托车磁电机在线微机检测系统产品（整体外观如图7所示）的测试结果与进口的磁电机检测设备上的测试结果进行了比较，得到各个检测项目中最大的误差在4％以内，同时运行稳定可靠，使用方便，测试效率高而成本大幅度降低，实现并达到了大批量磁电机生产的在线检测的要求。目前该在线检测系统已成功交付生产厂家使用并得到用户好评，证明了其适用性和可靠性。开发过程中所提出的技术和方法可以在类似产品的在线检测中推广应用。
参考文献：
[1] 任立环. 摩托车磁电机技术现状和展望[A]. 小型内燃机, 1999,28(6)：41-42.
[2] 李捷辉.采用单片机实现摩托车磁电机性能的测试[A]，小型内燃机，1999,28(6):23-27
[3] 赵德安，李金伴.磁电机性能智能测试台的研制[A]，电气传动，1998年第3期:35-39
[4] 李旭辉,肖沙里，吴占民.磁电机实时测试系统[B]，自动化与仪表，2002年第4期:41-43
[5] Chung, C. M.; Lee, M. C., Object-oriented programming software metrics[A], International Journal of Mini and Microcomputers, 1994, 16(1):7-15
[6] 李及贤，任立环.磁电机点火系统主要参数的测试及其典型波形[A]，小型内燃机，1994,23(5):54-58