專利名稱：壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，特別是一種用于柴油機電控共軌 噴油器中壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置。
背景技術：
現代柴油機共軌噴射系統(tǒng)中，廣泛采用壓電執(zhí)行器精確控制電控噴油器的噴油時 間和噴油量。由于壓電執(zhí)行器的性能和可靠性直接影響發(fā)動機的性能和可靠性，因此，需要 有一種能對壓電執(zhí)行器進行實時故障診斷檢測的方法和裝置，以便當故障出現后能及時對 控制策略進行調整，防止故障進一步蔓延、惡化。根據CN101133501A介紹，壓電執(zhí)行器是一種層疊型結構，壓電執(zhí)行器由多層壓電 體層和內部電極層構成，層疊片在電氣特性方面是并聯的電容，在使用過程中會出現各層 (主要是靠外的層)分離，結果導致執(zhí)行器電氣和機械特性變化，嚴重者可導致功能失效， 因此控制系統(tǒng)必須能夠實時監(jiān)測壓電執(zhí)行器是否存在各種故障，確認故障并發(fā)出故障報警信號?，F有技術中，專利文獻CN1581667A和US6820474B2公開了一種壓電執(zhí)行器的診斷 方法和裝置，是基于電荷或電壓來控制。專利文獻W02005040582A2公開了另一種壓電執(zhí)行 器的診斷方法，它用于診斷的控制參數是壓電執(zhí)行器的有效電阻。以上專利存在的不足之 處是它們雖然可判斷壓電執(zhí)行器是否有故障，但難以通過對上述參數的分析準確判斷壓電 執(zhí)行器的故障類型，例如壓電元件是否存在短路和斷路故障，如果發(fā)生壓電元件層間故障， 也無法定性分析層間故障的嚴重程度。壓電元件是壓電執(zhí)行器的核心部件，在現有技術中，專利CN101072939A和 US6522049B2都涉及壓電元件驅動電路。其中可用于電流測量的方法是，利用串聯在測量 回路中的對地測量電阻進行電流測量。由于在這種驅動電路中，測量電阻一端對地，在實際 控制系統(tǒng)中由于驅動電路地線較易受到干擾，必將直接影響電路電流測量的準確性和可靠 性，從而影響故障判斷的準確性。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提出一種新的用于柴油機電 控共軌噴油器壓電元件的診斷檢測方法及裝置。本發(fā)明所采用的技術方案和主要特征是預先在閃存存儲器Flash ROM中設定經 試驗獲得的，壓電執(zhí)行器驅動回路的控制參數范圍，包括期望加載電壓、控制參數上限、控 制參數下限、控制參數檢測時亥lj、驅動充電時間、放電卸載時間等，通過檢測在規(guī)定時刻控 制參數的數值，并和通過試驗確定的參數范圍進行對比，據此判斷壓電執(zhí)行器是否發(fā)生故 障；其特征是確定的控制參數是通過壓電元件的驅動電流，通過對電流值的分析不僅能判 斷壓電執(zhí)行器是否發(fā)生故障，而且可通過檢測壓電元件的電壓、電流和充、放電時間分析出 壓電執(zhí)行器的故障類型，包括壓電元件層間脫開，壓電元件斷路，壓電元件電極短路故障。此外還可以在充電和放電過程中按照預先設定的時刻進行電流和時間測量，并按照兩個測 量結果綜合判斷系統(tǒng)是否確實存在故障，以防止系統(tǒng)故障誤判。壓電執(zhí)行器中的核心部件 是壓電元件。本發(fā)明利用串聯在驅動M0S管上端和下端的電流傳感器，檢測通過壓電元件 的電流。此外，本發(fā)明還通過調整和壓電元件并聯的電阻網絡阻值來實現期望的壓電元件 充電電壓。與現有技術不同，本發(fā)明中，通過串聯在驅動M0S管和地線之間的電流傳感器測 量驅動電流，通過串聯在放電M0S管和地線之間的電流傳感器測量放電電流，還通過串聯 在放電回路中的電阻限制卸載電流，消除了地線干擾影響，而且可同時測量電流數值和方 向，大大提高了壓電元件故障判斷的可靠性。同時本發(fā)明在進行故障判斷時，對壓電元件期 望負載電壓實時測量，并測量充電和放電時間，再和預存的數據進行比照，按照預先設計的 算法進行分析，對中間位置進行插值計算，并根據充電和放電綜合判斷系統(tǒng)是否存在故障。本發(fā)明的優(yōu)點是測量的電流值準確、可靠，不僅能判斷壓電執(zhí)行器是否發(fā)生故障， 而且可檢測壓電元件是否發(fā)生短路、斷路等故障類型。同時無需額外增加電控單元成本，只 需調整硬件信號的采集和軟件算法程序。本技術方案的應用特征和優(yōu)點將由下面對附圖示出的實施例進行詳細描述，但本 發(fā)明的保護范圍并不限于說明書和附圖的具體描述。在此，所有描述或所示特征本身形成 本發(fā)明的內容，它與權利要求中的概括或引用有關，而不僅限于說明書及附圖所展示的形式。


圖1是本發(fā)明所述壓電元件執(zhí)行器原理性電路框圖；圖2是壓電元件驅動電壓和電流波形示意圖；圖3是不同壓電容值時電壓與充電時間關系圖；圖4是不同壓電容值時電壓與放電時間關系圖；圖5是壓電元件驅動電流及控制信號時序圖；圖6是壓電元件充電電壓反饋控制原理框圖；圖7是數字電位計61阻值隨壓電元件充電電壓變化趨勢；圖8是壓電元件執(zhí)行器故障診斷檢測方法流程圖；圖9是壓電元件執(zhí)行器故障分析和判斷方法。圖中區(qū)域代號A 壓電驅動升壓電路B 信號處理及控制電路，包括專用芯片G及控制存儲單元H圖中元器件代號壓電元件11、12、13、14、15、16電流傳感器21、22、23、24二極管31、32、33、34電感41、42，電容51，52數字電位計61M0S 管:71、72、73、74、75、76、77、78、79
三極管81，蓄電池91控制信號101 110，反饋信號111 117電阻201 214比較器301與非門401圖中時間、電壓、電容參數代號tr 實測壓電元件充電上升時間；tf 實測壓電元件放電下降時間；tm 壓電元件正常時充電上升時間；tnf 壓電元件正常時放電下降時間；tfl 電壓從期望電壓Vmax到門限電壓Vttoesh的放電時間；Vfflax 壓電元件期望充電電壓；Vthresh 壓電電壓門檻限值；Vb。。st 壓電元件驅動高壓；Cpizo 壓電元件塊實際等效容值；Corg 正常壓電元件塊容值；+Ipi 壓電元件峰值充電電流，-Ip2 壓電元件峰值放電電流；Ir 壓電元件充電電流，If 壓電元件放電電流。
具體實施例方式以下結合附圖詳細說明本發(fā)明所述壓電元件執(zhí)行器故障診斷檢測方法的工作原 理、具體結構及優(yōu)選的實施例。圖1是本發(fā)明所述壓電元件執(zhí)行器原理性電路框圖，其中包括兩個用虛線框包圍 的區(qū)域A和B，其中區(qū)域B是信號處理及控制電路，包括專用芯片G及控制存儲單元H，G負 責處理各種電壓、電流輸入信號，同時輸出控制存儲單元H所需的控制信號?？刂拼鎯卧?H據接收到的信號進行計算，并輸出控制信號驅動壓電元件。圖1以本發(fā)明在一臺六缸柴油 機上的應用為例。區(qū)域A是壓電驅動升壓電路，即利用MOS管78的高速通斷，利用升壓電感41將蓄電池91的直流電壓轉換為壓電元件驅動需要的高壓Vb。。st，該高壓通過二極管31的單向導 通作用保存于電容51，以便形成一個穩(wěn)定的高壓源。控制信號107是由專用芯片G輸出的 PWM(Pulse Width Modulation)信號，用于控制MOS管78的開啟和關斷，采樣電阻201用于 測量MOS管78導通時的回路電流，并通過反饋信號117輸入到信號處理及控制電路B，當信 號117高于設定限值，即驅動回路電流超過限值時，軟件自動調整控制信號107，從而避免 系統(tǒng)由于電流過大而受到進一步損壞。由精密電阻202、203組成的分壓網絡測量電容51高壓，并通過反饋信號112輸入 到區(qū)域B，當采集到的電壓信號112低于設定限值時MOS管78繼續(xù)工作，從而繼續(xù)對電容 51充電；當采集到的電壓信號112高于設定限值時，MOS管78截止，從而停止對電容51充 電。電流傳感器21串聯在電容51負端和地之間，用于測量電容充、放電時的電流，并通過 信號111輸入到區(qū)域B，信號111和其他信號一起實現對壓電元件的故障診斷和分析。
六個壓電元件11、12、13、14、15、16相互并聯，每個壓電元件分別和電阻205并聯，各壓電元件分別與驅動MOS管71、72、73、74、75、76串聯，與其對應的控制信號101、102、 103、104、105、106分別來自信號處理及控制電路B。各壓電元件驅動回路與電流傳感器24 串聯，用于系統(tǒng)回路電流測量，采用電流傳感器可有效防止驅動過程中的地線干擾，提高系 統(tǒng)電流測量精度，且可同時測量電流數值及方向。MOS管79和77控制壓電元件驅動，這里僅以壓電元件11為例說明系統(tǒng)驅動控制 過程。當壓電元件11需要驅動時，信號處理及控制電路B通過PWM控制信號108將MOS管 79導通，電流通過電容51流過導通的MOS管79、二極管32、電感42、電流傳感器22、壓電元 件11、導通的驅動MOS管71、電流傳感器24、地、電流傳感器21，最后返回電容51。其中二 極管34用于防止驅動過程中電感42側出現負電壓，二極管33防止壓電執(zhí)行器驅動電壓過 高，即壓電執(zhí)行器的驅動電壓不得超過電容51的電壓值。壓電元件11充電電壓通過206和 61組成的電阻網絡進行測量，其中206為精密電阻，61為數字電位計，并通過反饋信號115 反饋進入信號處理及控制電路B，用于壓電元件充電電壓的閉環(huán)反饋控制和測量。當MOS管79截止時，由于電感42的儲能作用，電流通過電感42、電流傳感器22、 壓電元件11、導通的驅動MOS管71、電流傳感器24、地、二極管34，最后返回到電感42。這 樣通過MOS管79的重復導通和關閉實現對壓電元件11進行充電，直至壓電元件被充到期 望電壓為止。當需要對壓電元件11放電時，首先信號處理及控制電路B通過信號110和101使 得MOS管77和71導通，電流從壓電元件11、限流電阻204、導通的放電MOS管77、電流傳 感器23、地、電流傳感器24、導通的驅動MOS管71、最后返回到壓電元件11，直至壓電元件 11的電壓降低到期望值(例如0)，以便準備下一次驅動，在放電回路中限流電阻204可有 效控制壓電元件放電時的電流幅值，而且可防止使用電感限流反復關斷時所引起的反電勢 干擾。圖2是壓電元件驅動電壓和電流波形示意圖，在圖中電壓OA段是壓電元件充電過 程，此時，能量從電容51向壓電元件放電，當被充到期望的電壓值后停止充電，該過程產生 充電電流波形U記電壓從零充到期望值時的時間為上升時間仁；當電壓充到期望值后保 持恒定，即電壓曲線AB;當驅動結束后開始放電，即能量從壓電元件流出直至為零，形成電 壓曲線BD段，并產生放電電流波形If，記電壓從期望值到零的時間為下降時間tf，Vthresh為 壓電電壓的某個門檻限值，Vfflax為壓電元件期望的充電電壓，這些符號和參數將在后續(xù)的故 障診斷及分析中使用。壓電元件利用壓電陶瓷材料經疊層工藝制作而成，為增加系統(tǒng)的變形量，通常使 用數片壓電陶瓷材料通過低溫共燒整體燒結，而每一片壓電陶瓷片可看成一個容性負載， 即可等效成電容模型，因而，壓電元件執(zhí)行器可等效為幾個電容的并聯。若相鄰兩片壓電 陶瓷材料極性連結良好，即可等效為并聯的電容個數最多，即壓電元件塊的容值最大，記為 C0rgo若由于某種原因，如振動、驅動電流過大或系統(tǒng)老化等導致壓電元層間電極燒斷，則等 效為并聯的電容個數減少，也就是說壓電元件塊的容值cpiz。減小，即Cpiz?！?Corg,也就是壓 電元件參數發(fā)生了變化(故障)，此時，將直接影響壓電元件在充、放電過程的特征，本發(fā)明 正是利用這個特性來進行壓電元件的故障分析和判斷。圖3是不同壓電容值時電壓與充電時間關系圖，即通過試驗確定的特定壓電元件參數在不同期望充電電壓Vmax時需要的充電時間、，即Vmax越大則需要的充電時間、越長。 利用不同的壓電容值參數進行試驗，最終形成如圖3所示的三維曲線，并存儲在控制單元 存儲器中，從圖中可見，在相同期望充電電壓Vmax時，壓電元件容值越大，則實際需要的充電 時間仁也就越長。圖4是不同壓電容值時電壓與放電時間關系圖，即通過試驗確定的特定壓電元件參數在不同期望電壓Vmax時需要的放電時間tf，即Vmax越大則需要的放電時間tf也越長。利 用不同壓電容值參數進行試驗，最終形成如圖4所示的三維曲線。從圖中見，在相同期望充 電電壓Vmax時，壓電元件容值越大，則實際需要的放電時間tf也就越長。實際應用中為提高 、測量精度，可設定如圖2所示電壓門檻限值Vthresh，該電壓稍高于地線零電壓，例如5. 0V, 即測量電壓從期望電壓Vmax到門限電壓Vthresh的放電時間tfl，從而可防止由于電壓零位測 量不確定性而引起的誤差，大大提高了放電時間的測量精度，從而提高了系統(tǒng)對壓電元件 故障分析和判斷的準確性。圖5是壓電元件驅動電流及控制信號時序圖，圖中在壓電元件充電時形成一個 + Ip1的峰值充電電流，而在壓電元件放電時形成-Ip2的峰值放電電流，在壓電元件充、放電 過程中，驅動信號分別有效，即圖1中101、102、103、104、105、106之一，在充電過程中圖1 充電PWM信號108同時有效，實現從電容51到壓電元件的充電；在放電時圖1放電控制信 號110和驅動信號在相同的時序范圍內有效，從而確保壓電元件能量被徹底釋放。圖6是壓電元件充電電壓反饋控制的一個具體實施例，從壓電元件電阻網絡206、 61分壓后的電壓信號115輸入到比較器301負端，其中PWMl是由單片機產生的充電信號， 比較器輸出信號和PWMl控制信號經與非門401邏輯處理，并利用三極管81提升驅動能力， 并起到邏輯反向作用，并從三極管81集電極輸出信號108控制MOS管79的開啟和關閉，即 控制高壓是否加載到壓電元件。從圖中的邏輯信號可見，當反饋信號115超過門檻電壓后， 控制信號108為低電平，即NPN型MOS管79截止，而當信號115低于門檻電壓時，則MOS管 79導通，即繼續(xù)對壓電元件充電。圖7為數字電位計61阻值隨壓電元件充電電壓的變化趨勢，根據圖1和圖6的原 理分析可見，壓電元件充電電壓的大小受反饋電壓信號115控制，當圖6比較器正端輸入電 壓一定時，即比較器翻轉電壓一定，若壓電元件分壓電阻網絡中電阻206固定，則數字電位 計61阻值的變化直接反映反饋信號115的電壓，同時決定了壓電元件期望的充電電壓。當 數字電位計61阻值變大時，信號115具有輸出更高電壓的趨勢，即在壓電元件電壓較低時 就達到門檻電壓，也就是說壓電元件期望的充電電壓較低。反之，當數字電位計61阻值變 小時壓電元件期望的充電電壓升高。因而，可通過調整數字電位計61阻值的大小來確定期 望的壓電元件充電電壓，并通過圖6所示的電壓閉環(huán)進行電壓精確控制。圖8為壓電元件執(zhí)行器故障診斷檢測方法流程圖，步驟SlO完成電控單元系統(tǒng)初 始化，即初始化控制寄存器、A/D采樣、驅動輸出模塊等，為壓電元件驅動及故障診斷做準 備。步驟S20確定需要的壓電元件驅動電壓，壓電元件在實際工作中由于老化、發(fā)動機工 況變化等因素，需對壓電元件驅動電壓進行優(yōu)化，該步驟根據優(yōu)化標定好的MAP查詢本次 驅動期望的充電電壓，然后據圖7所示的曲線，通過控制信號109調整數字電位計61的阻 值，以實現壓電元件期望的充電電壓。步驟S30為噴油器驅動，其信號邏輯如圖5所示，噴 油規(guī)律控制則由當時發(fā)動機的工況所決定。步驟S40為驅動電壓采樣，由于壓電元件屬于電壓驅動型執(zhí)行器，在執(zhí)行器整個驅動周期內都通過反饋信號115實時檢測壓電元件電壓狀態(tài)，同時在高壓加載期內將通過電流傳感器22、24檢測系統(tǒng)回路電流，在壓電元件電壓 卸載時通過電流傳感器23、24檢測系統(tǒng)回路電流。S50為驅動電流及時間采樣，從圖1可 見，在高壓加載期間，電流從電容51到MOS管79，經過二極管32到電感42，經過電流傳感 器22，再經過壓電執(zhí)行器負載，最后通過電流傳感器24到地線并返回電容51，可見電流傳 感器22、24數值和方向一致；而在放電過程中，電流從壓電執(zhí)行器經過限流電阻204到放電 MOS管77，經電流傳感器23，最后經地線通過電流傳感器24返回到壓電執(zhí)行器，可見在放電 過程中電流傳感器23、24所測量的結果數值一致，但方向相反。步驟S60為故障分析和判 斷，也是本發(fā)明的核心所在，詳細的分析見圖9所示，當系統(tǒng)無故障時本次驅動結束，若有 故障，則進入步驟S70進行故障處理，即根據故障類型和嚴重程度程序進入不同的程序判 斷分支。圖9為壓電元件執(zhí)行器故障分析和判斷方法，根據圖2所示的驅動壓電元件電壓 和電流曲線，驅動過程中據信號115的電壓反饋，當電壓達到期望驅動電壓時的測量時間 記為、，驅動電流最大為+Ipi，在放電過程中，從期望電壓Vmax到門檻電壓Vthresh的測量時間 記為tfl，驅動電流反向最大為-IP2。步驟S61首先判斷正向充電電流是否零，若為零則在 步驟S62中判斷反向放電電流是否為零，若兩者都為零則判斷為斷路故障。顯然斷路故障 驅動時由于并聯壓電元件的電阻很大，即負載很大，驅動時電流傳感器22、24的測量電流 非常小，若考慮到系統(tǒng)干擾等因素，此時電流即可認為是零。而在放電過程中，由于壓電元 件開路，顯然電流傳感器23、24處也沒有電流流過。當正向充電電流不等于零，步驟S63中 判斷+Ipi是否過大，即遠大于正常值，當電流過大時步驟S64判斷反向放電電流是否為零， 若為零則判斷為短路故障。顯然，當壓電元件短路時充電過程由于沒有負載，則電流傳感器 22,24處測量電流將遠大于正常值，而在放電過程中，由于壓電元件短路，放電時電流傳感 器23、24處將無電流測量值。當正向充電電流不等于零，同時也不過大時，記某次驅動期望充電電壓和壓電元 件正常容值時經圖3查表所得上升時間為tm，壓電元件屬層疊型結構，當出現故障，如層間 脫開斷路時直接反映就是壓電元件容值下降，也就是說在同樣電壓下變形量減小，則在相 同期望充電電壓時充電時間將縮短；記在放電過程中，據某次驅動期望電壓和壓電元件正 常容值經過圖4查表所得下降時間為tnf，容值下降后在相同期望電壓時放電時間縮短，步 驟S65首先判斷實測上升時間t, < tm是否成立，若成立則在步驟S66中判斷放電時間tfl < tnf是否成立，為防止故障誤判，設定一個故障計數器，即當S65和S66兩個條件同時成立 開始計數，步驟S67判斷連續(xù)計數是否達到三次，若成立則確認壓電元件系統(tǒng)故障，在其他 情況下故障判斷結束，即進行下一次驅動故障判斷，且當實際時間測量值與正常時間值差 距越大，則壓電元件層間脫開斷路的故障程度越嚴重，即容值越小。以上所述的具體實施方式
，包括所列舉的流程框圖，在本發(fā)明內容和權利要求所 覆蓋的范圍內可有多種變型和改變，因此，所述的實施例并不構成對本發(fā)明權利要求保護 范圍的限制。
權利要求
一種壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，預先在閃存存儲器Flash ROM中設定經試驗獲得的，壓電執(zhí)行器驅動回路的控制參數范圍，包括期望加載電壓、控制參數上限、控制參數下限、控制參數檢測時刻、驅動充電時間、放電卸載時間等，通過檢測在規(guī)定時刻控制參數的數值，并和通過試驗確定的參數范圍進行對比，據此判斷壓電執(zhí)行器是否發(fā)生故障；其特征是確定的控制參數是通過壓電元件的驅動電流，通過對電流值分析，不僅能判斷壓電執(zhí)行器是否發(fā)生故障，而且可以通過檢測壓電元件的電壓、電流和充、放電時間分析出壓電執(zhí)行器的故障類型。
2.根據權利要求1所述的壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，其特征在于利用串聯在 驅動M0S管上端和下端的電流傳感器，檢測通過壓電元件的電流。
3.根據權利要求1所述的壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，其特征在于，通過串聯 在放電回路中的電阻限制卸載電流。
4.根據權利要求1所述的壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，其特征在于，通過檢測 壓電元件的電壓、電流和充、放電時間，分析出故障類型，包括壓電元件層間脫開，壓電元件 斷路，壓電元件電極短路故障。
5.根據權利要求4所述的壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，其特征在于通過調整和 壓電元件并聯的電阻網絡阻值來實現期望的壓電元件充電電壓。
6.根據權利要求4所述的壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，其特征在于通過串聯在 驅動M0S管和地線之間的電流傳感器測量驅動電流，通過串聯在放電M0S管和地線之間的 電流傳感器測量放電電流，且可同時測量電流數值和方向。
7.根據權利要求1所述的壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，其特征是在進行故障判 斷時，對壓電元件期望負載電壓進行實時測量，并測量充電和放電時間，再和預存的數據進 行對比；對中間位置值進行插值計算，并根據充電和放電特征共同判斷系統(tǒng)是否存在故障。
全文摘要
本發(fā)明涉及柴油機噴油器壓電執(zhí)行器的診斷檢測方法及裝置，預先在閃存存儲器Flash ROM中設定經試驗獲得的，壓電執(zhí)行器驅動回路的控制參數范圍，包括期望加載電壓、控制參數上限、控制參數下限、控制參數檢測時刻、驅動充電時間、放電卸載時間等，通過檢測在規(guī)定時刻控制參數的數值，并和通過試驗確定的參數進行對比，據此判斷壓電執(zhí)行器是否發(fā)生故障；其特征是確定的控制參數是通過壓電元件的驅動電流。該方法可檢測壓電元件是否發(fā)生短路、斷路和層間脫開故障，且無需額外增加電控單元成本；僅需調整硬件信號采集和軟件算法程序，為噴油器壓電執(zhí)行器的開發(fā)及應用奠定基礎。
文檔編號G01R19/145GK101806875SQ20091000423
公開日2010年8月18日 申請日期2009年2月13日 優(yōu)先權日2009年2月13日
發(fā)明者宋國民, 愈謝斌, 沈妍, 陸召振, 高葳 申請人:無錫油泵油嘴研究所