一種基于fpga的發(fā)動機尾氣金屬磨粒收集系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于發(fā)動機故障診斷領域，設及一種針對磁力及流量聯合控制的方法，具 體設及一種基于FPGA的發(fā)動機尾氣金屬磨粒收集系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 發(fā)動機的故障診斷技術主要有維修性診斷和預防性診斷兩個方面。維修性診斷主 要針對已暴露出來的故障進行診斷。預防性診斷則主要針對的是發(fā)動機尚未出現明顯故障 時，對其進行的全面技術狀況檢查和預測。對于越來越復雜的發(fā)動機構造來說，采取一種實 時有效簡單的方式來來監(jiān)控和預測發(fā)動機可能產生的故障是十分重要的，因此針對預防性 診斷的研究對我們來說意義顯得更加重大。目前發(fā)動機的預防性診斷研究主要集中在研究 發(fā)動機內部機械副運動產生的金屬磨粒方面。相對于之前有過的磨粒分析設備，例如鐵譜 儀等只能通過磨粒產生的電磁效應來判斷磨粒的大小的方法而言，采用一種方法將產生的 磨粒進行收集，利用掃描離子電導顯微鏡及掃描電化學顯微鏡觀察收集到的金屬磨粒的= 維幾何信息和電化學分布信息（如表面氧化情況），對磨粒進行統(tǒng)計分析，可W得到磨粒產 生的原因，可W更全面的推測出發(fā)動機中摩擦副與零件的表面狀況，預測出可能產生故障 的位置。發(fā)動機內部產生的金屬磨粒主要來源于潤滑油和尾氣兩部分，潤滑油中包含的金 屬磨粒是當前研究的重點，并且已經取得了重大的科研進展，但針對尾氣中金屬磨粒的研 究卻開展的較少，尾氣中包含的金屬磨粒對于判斷發(fā)動機活塞及油路中的故障具有重要的 研究價值，設計一套完整的系統(tǒng)對其進行收集，可供后續(xù)的故障診斷和研究，該也是本專利 的目的所在。
[0003] 發(fā)動機運行過程中產生的金屬磨粒會隨尾氣噴射出來，呈現出較高速的粒子狀 態(tài)，尺寸在微米級別，因此需要特別的裝置對其進行收集。發(fā)動機內部的部件大部分由鐵磁 性的金屬構成，只要能夠收集足夠的鐵磁性金屬磨粒，就能夠對發(fā)動機故障診斷提供參照。 設計一種裝置使磨粒在尾氣噴出過程中分離，并且使用傳感器對收集狀況進行監(jiān)測，是本 裝置需要解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是對發(fā)動機的尾氣中的金屬磨粒進行收集，提供出一種切實有效的 理論和操作方法，集收集與監(jiān)測于一體，可W高效的完成收集任務，并盡量降低成本，為未 來的市場化打好基礎。，通過收集到的金屬磨粒對發(fā)動機進行故障預測和診斷，系統(tǒng)中也
[0005] 為達到W上目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] 一種基于FPGA的發(fā)動機尾氣金屬磨粒收集系統(tǒng)，包括基于FPGA平臺上的USB通 信單元和用于統(tǒng)一 FPGA平臺上各單元的操作時序的時鐘單元；FPGA通過USB通信單元與 上位機相交互；FPGA上還連接有用于控制勵磁線圈輸出可變電流的可控恒流源、用于控制 步進電機轉向機旋轉量的電機驅動單元W及氣體流量傳感器和用于檢測磨粒收集效果的 電磁感應線圈；發(fā)動機尾氣由安裝于發(fā)動機尾噴口上的=通T形石英管的橫管進入輸出管 道，勵磁線圈纏繞在=通T形石英管中部的縱管上，電磁感應線圈纏繞在=通T形石英管的 橫管上；氣體流量傳感器安裝于=通T形石英管的氣體進口處。
[0007] 所述FPGA通過D/A轉換單元輸出可變電壓控制信號到可控恒流源上，使恒流源為 碼磁線圈輸出可變電流。
[000引所述FPGA通過A/D轉換單元采集氣體流量傳感器輸出的流量模擬信號和電磁感 應線圈輸出的感應電動勢模擬信號，流量模擬信號和感應電動勢模擬信號經A/D轉換單元 轉化成為數字信號，輸入到FPGA中進行信號處理；所述FPGA上還設置用于對數字信號和模 擬信號進行放大、濾波處理的信號調理單元。
[0009] 所述發(fā)動機尾噴口處依次安裝針型閥、氣體流量傳感器、=通T形石英管W及輸 出管道，氣體流量傳感器和磁感應線圈所采集到的數據經FPGA處理后反饋給上位機，上位 機處理后發(fā)出控制指令控制步進電機，由步進電機控制針型閥調節(jié)氣體的流量。
[0010] 所述=通T形石英管上纏繞有兩組感應線圈。
[0011] 所述氣體流量傳感器采用能夠將流量范圍為0?2(K)L/min的氣體流量值W 1? 5V電壓信號的形式輸出的AWM720P1氣體流量傳感器。
[001引一種基于FPGA的發(fā)動機尾氣金屬磨粒收集方法，包括W下步驟：
[001引1)將USB通信單元與上位機連接，將電機驅動單元與步進電機的接口相連，將D/ A轉換單元與可控恒流源的接口相連，將可控恒流源與碼磁線圈的接口相連，將A/D轉換單 元與氣體流量傳感器及電磁感應線圈的接口相連；
[0014] 2)將針型閥的氣體入口管道接在發(fā)動機尾噴口上，并依次連接氣體流量傳感器、 =通T形石英管W及輸出管道；啟動發(fā)動機；控制部分通電后進行初始化操作，定量氣體的 流量及流速；
[0015] 3)FPGA輸出碼磁線圈的初始電流值，經過D/A轉換后控制可控恒流源輸出電流到 碼磁線圈上，產生相應的電磁力，對尾氣中的金屬磨粒進行吸附使其偏轉；
[0016] 4)利用氣體流量傳感器測出的實際氣體流量計算出氣體通過兩電磁感應線圈相 同位置處的時差A t，當帶有金屬磨粒的尾氣能前端電磁感應線圈產生感應電動勢信號時， 需要啟動A/D轉換單元此刻的信號，間隔A t時間后啟動對另一個電磁感應線圈的信號進 行采樣，對比信號分析磨粒的被吸附情況；
[0017] 5)分析樣本的金屬磨粒的被收集情況，判斷收集效率是否達到要求，并調整碼磁 線圈的電流大小，同時配合針形閥的開口，使磨粒收集情況能穩(wěn)定；
[001引6)在發(fā)動機工況穩(wěn)定及磨粒收集情況良好的情況下，使裝置持續(xù)運行直到收集量 滿足要求為止，取出所需要的金屬磨粒，收集過程結束。
[0019] 所述步驟2)中，初始化操作包括控制系統(tǒng)內部操作指令的初始化，發(fā)送電機控制 指令，通過A/D轉換單元采集氣體流量傳感器反饋回的值，動態(tài)調整針形閥的開口量，最終 定量氣體的流量及流速。
[0020] 所述步驟5)中，判斷收集效率是否達到要求的具體方法是：
[0021] 如果達到要求，則保持到完成收集量為止；如果沒有達到要求，則調整通過碼磁線 圈的電流大小，改變電磁力，再次分析相同樣本的磨粒的收集情況，同時輔助W調整針形閥 的開口來進行控制，使氣體的流速變化，從而使內部的磨粒的運動速度發(fā)生變化，通過兩者 的配合進行動態(tài)的控制，直到磨粒收集情況能穩(wěn)定保持在較高的效率上。
[0022] 所述FPGA通過模糊控制對氣體流量進行控制，由上位機輸出預定的氣體流量，通 過氣體流量傳感器反饋回的實際流量值，建立W預定值與實際值的誤差E及誤差的變化率 EC為輸入，給予步進電機的脈沖數為輸出的模糊控制器的模型，對氣體流量進行控制，使其 穩(wěn)定在設定值上。
[0023] 與現有技術相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0024] 本發(fā)明提供的基于FPGA的發(fā)動機尾氣金屬磨粒收集系統(tǒng)，用于收集發(fā)動機尾氣 中的金屬性磨粒，用收集到的磨粒對發(fā)動機的工況進行診斷，最終達到對發(fā)動機的故障進 行預測的目的。本發(fā)明將傳統(tǒng)的電磁式線圈的電磁效應運用于發(fā)動機故障診斷領域，機械 部分裝置結構較為簡單，控制部分則集成到FPGA控制板上，整體裝置體積較小，未來可開 發(fā)成為手提式的便攜裝備，應用前景較廣。相對于目前的針對發(fā)動機磨粒進行故障診斷的 方法（例如鐵譜儀、油液磨粒檢測儀、在線金屬掃描儀等）來說，具有可實際收集金屬磨粒 進行更全面診斷且成本更小的優(yōu)點。
[0025] 本發(fā)明針對電磁感應線圈部分的控制方法則主要采用數據統(tǒng)計進行控制的方法， 采集并計數因金屬磨粒通過而形成的感應電動勢波形，W十為單位進行統(tǒng)計。若收集樣本 設定為十，則實際的收集效果右分為S類；第一類的走個W上，則認為收集效果良好，可保 持該狀態(tài)；第二類為四個至走個，則認為收集效果欠佳，可加大供給碼磁線圈的電流大小， 再進行統(tǒng)計，若感應電流已加到最大收集效果仍然沒有明顯改變，則因減小氣體流速，重復 進行統(tǒng)計，直到達到第一種收集效果；第立類為四個W下，該種情況下，收集效果很差，并且 存在很大的隨機性，該種情況下應該W調整流速為主，W調節(jié)電磁力為輔，最終達到第一種 狀態(tài)。
[0026] 進一步的，本發(fā)明對整個裝置的控制算法主要依據于模糊控制，因為尾氣的流速 直接關系到收集效果及針對兩電磁感應線圈的A/D信號采集間隔，因此使尾氣的流速實際 可調是十分重要的。借助高精度氣體流量傳感器精確測量出實際的氣體流速值，與我們預 設的流速值進行對比，W預設值與實際值的誤差及誤差的變化作為模糊控制器的輸入，步 進電機的步數作為輸出。W模糊控制的自適應調整能力使氣體的流速最終穩(wěn)定到我們所預 設的值上，最終為進行不同電磁感應線圈的采樣提示時間基準。
[0027] 進一步，本發(fā)明還具有良好的人機交互性能，能夠通過上位機發(fā)送初始控制指令， 實時顯示系統(tǒng)反饋回的波形，根據反饋回的波形，能夠對系統(tǒng)進行下一步的控制。。
【附圖說明】
[002引圖1為本發(fā)明收集系統(tǒng)的結構示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明線圈部分的結構示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明機械部分氣體流向及控制示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明氣體流量傳感器流量與電壓關系曲線圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明尾氣流量模糊控制器結構圖；
[0033] 圖6為本發(fā)明尾氣金屬磨粒收集裝置工作流程圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0035] 參見圖1，為基于FPGA的發(fā)動機尾氣金屬磨粒收集系統(tǒng)的控制部分，該控制部分 由A/D轉換單元、D/A轉換單元、步進電機驅動單元、USB通信單元等模塊組成，其中A/D轉 換單元分別用來采集氣體流量傳感器及電磁感應線圈所反饋回的電壓信號，其中采集回的 氣體流量傳感器的信號用來表示當前通過的氣體流量的實際值，采集回的電磁感應線圈的 信號用來表示當前通過其中的磨粒存與收集情況；D/A轉換單元用來控制可控恒流源產生 可變電流，進一步產生可變的電磁力，從而能夠調整對金屬磨粒的吸附力；電機驅動單元用 來驅動步進電機；并由步進電機帶動所連接的針形閥轉動，控制其開口大??；USB通信單元 通過外設通訊接口與上位機通訊得到預設的控制目標，并將控制目標參數傳送給D/A轉換 單元及電機驅動單元