一种基于fpga的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于发动机故障诊断领域，设及一种针对磁力及流量联合控制的方法，具 体设及一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法。
【背景技术】
[0002] 发动机的故障诊断技术主要有维修性诊断和预防性诊断两个方面。维修性诊断主 要针对已暴露出来的故障进行诊断。预防性诊断则主要针对的是发动机尚未出现明显故障 时，对其进行的全面技术状况检查和预测。对于越来越复杂的发动机构造来说，采取一种实 时有效简单的方式来来监控和预测发动机可能产生的故障是十分重要的，因此针对预防性 诊断的研究对我们来说意义显得更加重大。目前发动机的预防性诊断研究主要集中在研究 发动机内部机械副运动产生的金属磨粒方面。相对于之前有过的磨粒分析设备，例如铁谱 仪等只能通过磨粒产生的电磁效应来判断磨粒的大小的方法而言，采用一种方法将产生的 磨粒进行收集，利用扫描离子电导显微镜及扫描电化学显微镜观察收集到的金属磨粒的= 维几何信息和电化学分布信息（如表面氧化情况），对磨粒进行统计分析，可W得到磨粒产 生的原因，可W更全面的推测出发动机中摩擦副与零件的表面状况，预测出可能产生故障 的位置。发动机内部产生的金属磨粒主要来源于润滑油和尾气两部分，润滑油中包含的金 属磨粒是当前研究的重点，并且已经取得了重大的科研进展，但针对尾气中金属磨粒的研 究却开展的较少，尾气中包含的金属磨粒对于判断发动机活塞及油路中的故障具有重要的 研究价值，设计一套完整的系统对其进行收集，可供后续的故障诊断和研究，该也是本专利 的目的所在。
[0003] 发动机运行过程中产生的金属磨粒会随尾气喷射出来，呈现出较高速的粒子状 态，尺寸在微米级别，因此需要特别的装置对其进行收集。发动机内部的部件大部分由铁磁 性的金属构成，只要能够收集足够的铁磁性金属磨粒，就能够对发动机故障诊断提供参照。 设计一种装置使磨粒在尾气喷出过程中分离，并且使用传感器对收集状况进行监测，是本 装置需要解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是对发动机的尾气中的金属磨粒进行收集，提供出一种切实有效的 理论和操作方法，集收集与监测于一体，可W高效的完成收集任务，并尽量降低成本，为未 来的市场化打好基础。，通过收集到的金属磨粒对发动机进行故障预测和诊断，系统中也
[0005] 为达到W上目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，包括基于FPGA平台上的USB通 信单元和用于统一 FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；FPGA通过USB通信单元与 上位机相交互；FPGA上还连接有用于控制励磁线圈输出可变电流的可控恒流源、用于控制 步进电机转向机旋转量的电机驱动单元W及气体流量传感器和用于检测磨粒收集效果的 电磁感应线圈；发动机尾气由安装于发动机尾喷口上的=通T形石英管的横管进入输出管 道，励磁线圈缠绕在=通T形石英管中部的纵管上，电磁感应线圈缠绕在=通T形石英管的 横管上；气体流量传感器安装于=通T形石英管的气体进口处。
[0007] 所述FPGA通过D/A转换单元输出可变电压控制信号到可控恒流源上，使恒流源为 碼磁线圈输出可变电流。
[000引所述FPGA通过A/D转换单元采集气体流量传感器输出的流量模拟信号和电磁感 应线圈输出的感应电动势模拟信号，流量模拟信号和感应电动势模拟信号经A/D转换单元 转化成为数字信号，输入到FPGA中进行信号处理；所述FPGA上还设置用于对数字信号和模 拟信号进行放大、滤波处理的信号调理单元。
[0009] 所述发动机尾喷口处依次安装针型阀、气体流量传感器、=通T形石英管W及输 出管道，气体流量传感器和磁感应线圈所采集到的数据经FPGA处理后反馈给上位机，上位 机处理后发出控制指令控制步进电机，由步进电机控制针型阀调节气体的流量。
[0010] 所述=通T形石英管上缠绕有两组感应线圈。
[0011] 所述气体流量传感器采用能够将流量范围为0?2(K)L/min的气体流量值W 1? 5V电压信号的形式输出的AWM720P1气体流量传感器。
[001引一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，包括W下步骤：
[001引1)将USB通信单元与上位机连接，将电机驱动单元与步进电机的接口相连，将D/ A转换单元与可控恒流源的接口相连，将可控恒流源与碼磁线圈的接口相连，将A/D转换单 元与气体流量传感器及电磁感应线圈的接口相连；
[0014] 2)将针型阀的气体入口管道接在发动机尾喷口上，并依次连接气体流量传感器、 =通T形石英管W及输出管道；启动发动机；控制部分通电后进行初始化操作，定量气体的 流量及流速；
[0015] 3)FPGA输出碼磁线圈的初始电流值，经过D/A转换后控制可控恒流源输出电流到 碼磁线圈上，产生相应的电磁力，对尾气中的金属磨粒进行吸附使其偏转；
[0016] 4)利用气体流量传感器测出的实际气体流量计算出气体通过两电磁感应线圈相 同位置处的时差A t，当带有金属磨粒的尾气能前端电磁感应线圈产生感应电动势信号时， 需要启动A/D转换单元此刻的信号，间隔A t时间后启动对另一个电磁感应线圈的信号进 行采样，对比信号分析磨粒的被吸附情况；
[0017] 5)分析样本的金属磨粒的被收集情况，判断收集效率是否达到要求，并调整碼磁 线圈的电流大小，同时配合针形阀的开口，使磨粒收集情况能稳定；
[001引6)在发动机工况稳定及磨粒收集情况良好的情况下，使装置持续运行直到收集量 满足要求为止，取出所需要的金属磨粒，收集过程结束。
[0019] 所述步骤2)中，初始化操作包括控制系统内部操作指令的初始化，发送电机控制 指令，通过A/D转换单元采集气体流量传感器反馈回的值，动态调整针形阀的开口量，最终 定量气体的流量及流速。
[0020] 所述步骤5)中，判断收集效率是否达到要求的具体方法是：
[0021] 如果达到要求，则保持到完成收集量为止；如果没有达到要求，则调整通过碼磁线 圈的电流大小，改变电磁力，再次分析相同样本的磨粒的收集情况，同时辅助W调整针形阀 的开口来进行控制，使气体的流速变化，从而使内部的磨粒的运动速度发生变化，通过两者 的配合进行动态的控制，直到磨粒收集情况能稳定保持在较高的效率上。
[0022] 所述FPGA通过模糊控制对气体流量进行控制，由上位机输出预定的气体流量，通 过气体流量传感器反馈回的实际流量值，建立W预定值与实际值的误差E及误差的变化率 EC为输入，给予步进电机的脉冲数为输出的模糊控制器的模型，对气体流量进行控制，使其 稳定在设定值上。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：
[0024] 本发明提供的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，用于收集发动机尾气 中的金属性磨粒，用收集到的磨粒对发动机的工况进行诊断，最终达到对发动机的故障进 行预测的目的。本发明将传统的电磁式线圈的电磁效应运用于发动机故障诊断领域，机械 部分装置结构较为简单，控制部分则集成到FPGA控制板上，整体装置体积较小，未来可开 发成为手提式的便携装备，应用前景较广。相对于目前的针对发动机磨粒进行故障诊断的 方法（例如铁谱仪、油液磨粒检测仪、在线金属扫描仪等）来说，具有可实际收集金属磨粒 进行更全面诊断且成本更小的优点。
[0025] 本发明针对电磁感应线圈部分的控制方法则主要采用数据统计进行控制的方法， 采集并计数因金属磨粒通过而形成的感应电动势波形，W十为单位进行统计。若收集样本 设定为十，则实际的收集效果右分为S类；第一类的走个W上，则认为收集效果良好，可保 持该状态；第二类为四个至走个，则认为收集效果欠佳，可加大供给碼磁线圈的电流大小， 再进行统计，若感应电流已加到最大收集效果仍然没有明显改变，则因减小气体流速，重复 进行统计，直到达到第一种收集效果；第立类为四个W下，该种情况下，收集效果很差，并且 存在很大的随机性，该种情况下应该W调整流速为主，W调节电磁力为辅，最终达到第一种 状态。
[0026] 进一步的，本发明对整个装置的控制算法主要依据于模糊控制，因为尾气的流速 直接关系到收集效果及针对两电磁感应线圈的A/D信号采集间隔，因此使尾气的流速实际 可调是十分重要的。借助高精度气体流量传感器精确测量出实际的气体流速值，与我们预 设的流速值进行对比，W预设值与实际值的误差及误差的变化作为模糊控制器的输入，步 进电机的步数作为输出。W模糊控制的自适应调整能力使气体的流速最终稳定到我们所预 设的值上，最终为进行不同电磁感应线圈的采样提示时间基准。
[0027] 进一步，本发明还具有良好的人机交互性能，能够通过上位机发送初始控制指令， 实时显示系统反馈回的波形，根据反馈回的波形，能够对系统进行下一步的控制。。
【附图说明】
[002引图1为本发明收集系统的结构示意图；
[0029] 图2为本发明线圈部分的结构示意图；
[0030] 图3为本发明机械部分气体流向及控制示意图；
[0031] 图4为本发明气体流量传感器流量与电压关系曲线图；
[0032] 图5为本发明尾气流量模糊控制器结构图；
[0033] 图6为本发明尾气金属磨粒收集装置工作流程图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0035] 参见图1，为基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统的控制部分，该控制部分 由A/D转换单元、D/A转换单元、步进电机驱动单元、USB通信单元等模块组成，其中A/D转 换单元分别用来采集气体流量传感器及电磁感应线圈所反馈回的电压信号，其中采集回的 气体流量传感器的信号用来表示当前通过的气体流量的实际值，采集回的电磁感应线圈的 信号用来表示当前通过其中的磨粒存与收集情况；D/A转换单元用来控制可控恒流源产生 可变电流，进一步产生可变的电磁力，从而能够调整对金属磨粒的吸附力；电机驱动单元用 来驱动步进电机；并由步进电机带动所连接的针形阀转动，控制其开口大小；USB通信单元 通过外设通讯接口与上位机通讯得到预设的控制目标，并将控制目标参数传送给D/A转换 单元及电机驱动单元