機(jī)車柴油機(jī)電控系統(tǒng)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)與研究

李友峰

（南車集團(tuán) 戚墅堰機(jī)車有限公司 產(chǎn)品設(shè)計(jì)部，江蘇常州213011）

由于排放法規(guī)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，柴油機(jī)制造商紛紛采用燃油電子噴射系統(tǒng)升級(jí)原來(lái)的機(jī)械噴射系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)最新的HXN5車的GEVO16柴油機(jī)、HXN3車的265H柴油機(jī)，已全部采用電噴系統(tǒng)，青藏機(jī)車的7FDL柴油機(jī)也升級(jí)為電噴柴油機(jī)。國(guó)產(chǎn)的DF8CJ交流傳動(dòng)機(jī)車裝用的6 000PS R16V280ZJ型柴油機(jī)，也采用了燃油電噴系統(tǒng)。

引進(jìn)柴油機(jī)電噴系統(tǒng)的控制軟件都是國(guó)外公司自主開(kāi)發(fā)，并且作為核心技術(shù)不向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)讓。國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)的電噴軟件也是由國(guó)外供應(yīng)商開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)柴油機(jī)廠并不掌握。

控制系統(tǒng)是柴油機(jī)的大腦和核心，如今柴油機(jī)已經(jīng)步入了電控時(shí)代，不能掌握柴油機(jī)的核心軟件控制技術(shù)，必將受制于人。

因此，自主研發(fā)柴油機(jī)電噴控制軟件，從源代碼級(jí)別掌握柴油機(jī)的控制技術(shù)，對(duì)提高國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)技術(shù)水平，增強(qiáng)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，意義非凡。

1 硬件結(jié)構(gòu)與軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

電控單元采用一片飛思卡爾的MC9S12XEP100芯片，配合外圍的信號(hào)處理電路，輸出驅(qū)動(dòng)電路，電源供電電路等模塊構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)。

MC9S12XEP100芯片是16位雙核CPU，最高工作主頻50MHz，片上具有1MFlash，64kRAM，4kEEPROM，內(nèi)部集成了看門狗，一路RTI實(shí)時(shí)中斷，8路ECT增強(qiáng)型定時(shí)器模塊、8路TIM標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器模塊，8路PWM（脈寬調(diào)制模塊）通道，2個(gè)16通道、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3路SPI，5路CAN（1M／B），I／O輸入輸出端口等。由MC9S12XEP100組成的單片機(jī)電控單元最多可驅(qū)動(dòng)8缸機(jī)工作。

16缸柴油機(jī)采用兩套完全相同的電控單元，組成主、從ECU系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 主從ECU系統(tǒng)架構(gòu)

主ECU負(fù)責(zé)大多數(shù)傳感器信號(hào)的采集，轉(zhuǎn)速計(jì)算，噴射氣缸的判別，噴油參數(shù)的計(jì)算工作，控制8個(gè)氣缸的燃油噴射，并將另8個(gè)氣缸的噴射參數(shù)通過(guò)CAN口傳給從ECU。

從ECU接受主ECU傳來(lái)的噴射參數(shù)和仿真曲軸傳感器的脈沖信號(hào)，觸發(fā)噴油驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)氣缸的燃油噴射控制，如果主ECU的信號(hào)采集端口數(shù)量不夠時(shí)，從ECU也可以采集部分傳感器信號(hào)，并傳給主ECU進(jìn)行處理。

軟件開(kāi)發(fā)采用Freescale CodeWarrior IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，使用方便，支持C，C＋＋語(yǔ)言，可以內(nèi)嵌匯編語(yǔ)言；支持P＆E BDM連接協(xié)議，通過(guò)BDM調(diào)試模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MC9S12XEP100芯片資源的訪問(wèn)及運(yùn)行控制。系統(tǒng)集成了源程序編輯器，編譯器，連接器，匯編器，調(diào)試跟蹤器，用戶可以通過(guò)圖形用戶接口（GUI）方便地使用該系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行源程序的編輯，編譯，連接，調(diào)試，芯片程序刷新等，功能十分強(qiáng)大。

2 電控軟件設(shè)計(jì)

柴油機(jī)電控系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的嵌入式軟件系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)多個(gè)并發(fā)的任務(wù)來(lái)運(yùn)行的。根據(jù)不同的功能需求，將系統(tǒng)劃分為不同的任務(wù)模塊，任務(wù)模塊在調(diào)度程序的管理下，根據(jù)各自的優(yōu)先級(jí)，從高到低輪流獲得CPU等資源完成任務(wù)的執(zhí)行。而對(duì)于實(shí)時(shí)性非常高的任務(wù)，則定義為中斷處理模塊，一旦獲得中斷觸發(fā)信號(hào)，立刻中斷當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)入中斷處理模塊執(zhí)行。執(zhí)行完畢后再恢復(fù)當(dāng)前任務(wù)。

任務(wù)劃分的好壞直接影響系統(tǒng)的性能和執(zhí)行的效率。任務(wù)劃分的越多，任務(wù)程序越短，其執(zhí)行時(shí)間越短，其任務(wù)就能越快的執(zhí)行，系統(tǒng)的及時(shí)性就越好，但是任務(wù)劃分的太細(xì)，調(diào)度模塊的負(fù)擔(dān)就增大，任務(wù)本身能使用的資源就相對(duì)減少。因此，任務(wù)的劃分主要是依據(jù)功能，執(zhí)行頻率，實(shí)時(shí)性和優(yōu)先級(jí)的差異，劃分的任務(wù)功能上盡量相互獨(dú)立，任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性要弱。

根據(jù)電控系統(tǒng)的功能要求和任務(wù)劃分的原則，將整個(gè)控制系統(tǒng)的任務(wù)劃分如下：

任務(wù)1－發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算；任務(wù)2－發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)管理；任務(wù)3－噴油定時(shí)計(jì)算；任務(wù)4－噴油量計(jì)算；任務(wù)5－離散量掃描；任務(wù)6－模擬量采集及處理；任務(wù)7－勵(lì)磁信號(hào)計(jì)算；任務(wù)8－轉(zhuǎn)速目標(biāo)更新；任務(wù)9－主從ECU通訊處理；任務(wù)10－故障診斷和處理。

另外還有14個(gè)中斷處理程序，分別是 ⑴ 曲軸傳感器1中斷；⑵ 曲軸傳感器2中斷；⑶ 凸輪軸傳感器中斷；⑷RTI實(shí)時(shí)中斷；⑸噴油驅(qū)動(dòng)中斷。共有10個(gè)中斷，控制8個(gè)氣缸的噴油，其中有8個(gè)低位中斷，2個(gè)高位中斷。

軟件的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電控軟件的基本結(jié)構(gòu)

3 柴油機(jī)電噴系統(tǒng)的控制策略

將先進(jìn)的電子控制技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)的燃油控制中無(wú)疑是柴油機(jī)發(fā)展史上具有里程碑意義的技術(shù)突破，但其實(shí)施依賴于良好的控制策略?？刂撇呗缘暮脡模瑳Q定了控制軟件的成敗。因此，對(duì)柴油機(jī)控制中的算法和策略的研究非常重要。

3.1 柴油機(jī)狀態(tài)管理

柴油機(jī)的運(yùn)行工況由轉(zhuǎn)速和功率兩個(gè)參數(shù)來(lái)唯一表示。其中轉(zhuǎn)速更是反映柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最基本參數(shù)。根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速將柴油機(jī)的狀態(tài)分為停車、旋轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、運(yùn)行、超速5個(gè)狀態(tài)。5個(gè)狀態(tài)之間有3個(gè)轉(zhuǎn)速標(biāo)志點(diǎn)分別是啟噴轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)成功轉(zhuǎn)速、超速轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)管理模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，進(jìn)行狀態(tài)判別，然后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行處理。

當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，進(jìn)入停車模塊處理。

當(dāng)0＜柴油機(jī)轉(zhuǎn)速＜啟噴轉(zhuǎn)速時(shí)，認(rèn)識(shí)到柴油機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)起來(lái)了，但此時(shí)因轉(zhuǎn)速太低，禁止燃油噴射，此時(shí)，根據(jù)捕捉到的曲軸傳感器信號(hào)脈沖，進(jìn)行缺齒分析，只有找到缺齒，才具備噴油定時(shí)控制的基準(zhǔn)，找到缺齒后，稱發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)同步，同步是噴油的必要條件之一，如果未能同步，即使后面轉(zhuǎn)速超過(guò)啟噴轉(zhuǎn)速，仍然不能噴油。

當(dāng)啟噴轉(zhuǎn)速＜柴油機(jī)轉(zhuǎn)速＜啟動(dòng)成功轉(zhuǎn)速，進(jìn)入啟動(dòng)控制模塊，確定啟動(dòng)噴油量，如果此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已同步，則向氣缸內(nèi)噴油，柴油機(jī)啟動(dòng)。

當(dāng)啟動(dòng)成功轉(zhuǎn)速＜柴油機(jī)轉(zhuǎn)速＜超速轉(zhuǎn)速，進(jìn)入運(yùn)行模塊，柴油機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速＞超速轉(zhuǎn)速，進(jìn)入超速控制模塊，迅速停止噴油，使柴油機(jī)停機(jī)。

3.2 噴油定時(shí)控制

噴油定時(shí)控制的基礎(chǔ)是安裝在曲軸上的一個(gè)帶缺齒的測(cè)速齒盤，安裝時(shí)，缺齒的相位相對(duì)柴油機(jī)第1氣缸發(fā)火上止點(diǎn)保持一個(gè)固定的角度，軟件內(nèi)部，在判斷出缺齒位置后，根據(jù)安裝時(shí)缺齒的相位角推出柴油機(jī)第1氣缸發(fā)火上止點(diǎn)，獲得噴射定時(shí)的基準(zhǔn)。

國(guó)產(chǎn)6 000PS的R16V280ZJ柴油機(jī)，測(cè)速齒盤是120齒，缺1齒，曲軸旋轉(zhuǎn)1圈，將產(chǎn)生119個(gè)脈沖。從1到119對(duì)脈沖進(jìn)行編號(hào)。

組裝測(cè)速盤時(shí)，使曲軸處于第1氣缸上止點(diǎn)，順著曲軸旋轉(zhuǎn)方向，保證傳感器到缺齒的角度為B。軟件內(nèi)部檢測(cè)到缺齒時(shí)，認(rèn)為經(jīng)過(guò)曲軸轉(zhuǎn)角B將是柴油機(jī)第1氣缸上止點(diǎn)。對(duì)于凸輪信號(hào)，組裝保證曲軸處于第1氣缸壓縮上止點(diǎn)時(shí)，傳感器到凸輪信號(hào)齒的夾角為C。軟件檢測(cè)到凸輪脈沖信號(hào)，置標(biāo)志位，在期望的時(shí)間內(nèi)（夾角C）曲軸傳感器檢測(cè)到第1氣缸上止點(diǎn)為壓縮上止點(diǎn)，否則檢測(cè)到的上止點(diǎn)為排氣上止點(diǎn)。

噴油始點(diǎn)一般在上止點(diǎn)前，稱為供油提前角，設(shè)為A，真正的噴油定時(shí)點(diǎn)是B－A角度。

軟件工作流程是由一個(gè)整數(shù)變量記錄曲軸脈沖編號(hào)，在檢測(cè)到缺齒后，將缺齒后的第1齒定義為1，每檢測(cè)到一個(gè)脈沖，編號(hào)加1.，滿119后重新記錄為1。

假設(shè)B＝31°，A＝11°，曲軸脈沖間隔角為3°，噴油時(shí)刻為（B－A－3）／3＝5余2°。即真正的噴油時(shí)刻在5號(hào)脈沖到來(lái)之后的2°曲軸轉(zhuǎn)角。2°角對(duì)應(yīng)的時(shí)間t＝2×1／6n，（n是當(dāng)時(shí)的柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔計(jì)算），軟件內(nèi)在計(jì)數(shù)到5號(hào)脈沖后，延時(shí)t，開(kāi)始第1氣缸噴油。

根據(jù)發(fā)火次序和發(fā)火間隔角，可以計(jì)算出其余各氣缸的噴油脈沖號(hào)和延時(shí)時(shí)間。曲軸、凸輪軸傳感器相位圖如圖3所示。

圖3 曲軸、凸輪軸傳感器相位圖

3.3 噴油量控制

噴油量的控制采用的是閉環(huán)控制模式，控制的目標(biāo)是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，如果當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速發(fā)生偏差時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速PID控制算法計(jì)算出新的噴油量，并根據(jù)檢測(cè)到的進(jìn)氣壓力，進(jìn)氣溫度，冷卻水溫度，對(duì)噴油量進(jìn)行修正，再檢查當(dāng)前轉(zhuǎn)速下噴油量是否有限制，如果有，修正后的噴油量不得超過(guò)限制值，兩者取其小的值為最終噴油量。最后，根據(jù)轉(zhuǎn)速和最終噴油量在噴射MAP圖中查表求出當(dāng)前的噴射脈寬，軟件的噴射模塊根據(jù)噴射脈寬控制噴油泵電磁閥，完成噴油量控制。噴油量的控制過(guò)程如圖4。

圖4 噴油量控制策略

轉(zhuǎn)速PID控制采用增量式PID算法，其算法為：

式中Kp、Ki、Kd為比例、積分、微分系數(shù)。

3.4 勵(lì)磁控制策略

為實(shí)現(xiàn)機(jī)車柴油機(jī)和主發(fā)電機(jī)恒功運(yùn)行控制，電噴控制器需輸出一個(gè)勵(lì)磁控制信號(hào)。機(jī)車控制回路根據(jù)勵(lì)磁信號(hào)變化，改變主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)主發(fā)輸出功率的目的。

勵(lì)磁信號(hào)也采用閉環(huán)控制，控制目標(biāo)是噴油量，如果當(dāng)前噴油量與目標(biāo)噴油量有偏差，根據(jù)增量式PID控制算法，計(jì)算出勵(lì)磁信號(hào)的增量，與前次勵(lì)磁信號(hào)相加，得到新的勵(lì)磁信號(hào)，主發(fā)電機(jī)輸出功率相應(yīng)改變。具體的控制邏輯是：

①當(dāng)主發(fā)輸出功率＋輔助功率＝柴油機(jī)輸出功率時(shí)，當(dāng)前噴油量＝目標(biāo)噴油量。

②當(dāng)主發(fā)功率增加或輔助功率增加，導(dǎo)致主發(fā)輸出功率＋輔助功率＞柴油機(jī)輸出功率，引起當(dāng)前噴油量＞目標(biāo)噴油量，計(jì)算后得到一個(gè)負(fù)的勵(lì)磁信號(hào)增量，最終控制器輸出數(shù)值減小勵(lì)磁信號(hào)，主發(fā)功率下降，柴油機(jī)輸出功率保持不變。

③當(dāng)主發(fā)輸出功率＋輔助功率＜柴油機(jī)輸出功率時(shí)，當(dāng)前噴油量＜目標(biāo)噴油量，勵(lì)磁信號(hào)增加，主發(fā)功率增大，柴油機(jī)輸出功率保持不變，即實(shí)現(xiàn)了在任何情況下，柴油機(jī)輸出功率保持恒定。

3.5 啟動(dòng)控制策略

由于柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速低，燃油霧化效果差，特別是冷啟動(dòng)時(shí)，氣溫和燃油溫度都較低，因此，如果采用與正常工作相同的噴油控制策略，必然導(dǎo)致柴油機(jī)啟動(dòng)困難。

為了迅速啟動(dòng)柴油機(jī)，通常采用加大噴油量的方法，有兩種方式，一種采用固定噴油量，一種采用變啟動(dòng)油量的方式，根據(jù)啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣溫度，燃油溫度，滑油溫度，轉(zhuǎn)速的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整噴油量。

第1種方式控制簡(jiǎn)單，而且實(shí)踐證明效果不錯(cuò)。

第2種方式控制復(fù)雜，容易造成啟動(dòng)失敗，但是可以實(shí)現(xiàn)柔和啟動(dòng)，減少冒炭煙的幾率。

無(wú)論采用哪種方式，一旦啟動(dòng)成功，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)速PID控制模塊，需要迅速將噴油量減少到正常水平，否則轉(zhuǎn)速超調(diào)很大。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在R16V280ZJ型3＃柴油機(jī)上進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)控制器的啟動(dòng)試驗(yàn)，空載升降速試驗(yàn)和帶載運(yùn)行試驗(yàn)。該柴油機(jī)原采用進(jìn)口Heinzmann的電噴控制器。試驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)控制器的控制水平與進(jìn)口控制器的已完全一致，具備了線路運(yùn)行考核試驗(yàn)的條件。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5～圖9。

圖5 啟動(dòng)試驗(yàn)

圖6 空載逐檔升速試驗(yàn)

圖7 空載降速試驗(yàn)

圖8 突升、突降轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速超調(diào)小，空載運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，一般不超過(guò)±5r／min，偶爾有8～9r／min的波動(dòng)，一般1～2次后就迅速穩(wěn)定。檔位切換過(guò)程中，轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升降。

在帶載功率試驗(yàn)中，柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)與進(jìn)口控制器相當(dāng)，裝車功率點(diǎn)的油耗測(cè)得199.1g／（kW·h），相同功率點(diǎn)采用進(jìn)口控制器測(cè)得油耗為198.9g／（kW·h），兩者結(jié)果相當(dāng)。

圖9 帶載性能試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了機(jī)車柴油機(jī)嵌入式電控軟件的控制策略和算法，介紹了噴油定時(shí)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)和噴油量的控制。描述了機(jī)車恒功運(yùn)行控制的方法。

本軟件運(yùn)行于飛思卡爾MC9S12XEP100芯片上，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)內(nèi)單機(jī)功率最大的6 000PS機(jī)車柴油機(jī)的運(yùn)行控制，試驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件對(duì)柴油機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程、運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速，達(dá)到進(jìn)口控制器的水平，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

［1］周文華 高壓共軌電控噴油系統(tǒng)控制算法研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2002，23（4）：30－33.

［2］任 亮.高壓共軌柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［D］.北京：清華大學(xué)，2004.

［3］Basis Information 2000for Electronically Controlled Injection System［Z］.Heinzmann手冊(cè)