試析內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)試驗

趙維學，張立成，馮家強，李蒙，李陽，薛滋德

（1.中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250306；2.中海油田服務股份有限公司新疆分公司，新疆 輪臺 841600）

柴油機電控技術是近年來內燃機技術發(fā)展的重要趨勢，尤其是微控制器的可靠性越來越強，并且對微控制器進行應用時，相關技術越來越完善。這在一定程度上推動了傳統(tǒng)柴油機液調速器朝著數(shù)字化以及電子化調速器的方向發(fā)展。目前，國內外對柴油機電子調試系統(tǒng)的研究越來越深入。在我國鐵路行業(yè)發(fā)展過程中，加強了對機車計算機控制關鍵技術進行深入探討。目前，已經研發(fā)了基于位置控制室的噴油系統(tǒng)的柴油機電控系統(tǒng)，并完成了配機試驗。開展電控系統(tǒng)優(yōu)化和改進工作時，需要盡可能提高其啟動特性，保證電控系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性，同時要對帶載扭矩特性進行全面把握。在當前的社會發(fā)展背景下，對內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)進行全面設計，與國內大功率內燃機車制造維修保養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀相符合。

1 內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)特點

內燃機車柴油機的過程比較復雜，可以實現(xiàn)柴油化學能朝機械性能的轉換。電控噴油系統(tǒng)主要包含傳感器、電控單元以及集成執(zhí)行器。其中電控單元是以高性能處理器為核心研究的，在具體的設計過程中，還要對內燃機車大功率柴油機以及在試驗中的電控噴油系統(tǒng)進行深入分析。尤其要對電控系統(tǒng)的控制核心進行科學把握，了解柴油機動力性、柴油經濟性、噪聲、運轉平穩(wěn)性以及可靠性、耐久性等各項因素。在內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)發(fā)展過程中，其主要應用特點包括以下方面。

可以對不同參數(shù)進行調節(jié)。在電控系統(tǒng)運行中，與其他控制技術相比，電控系統(tǒng)的精確性以及靈活度更高，能夠在極大程度上提高內燃機車性能優(yōu)化和協(xié)調性，可以保證對噴油正時以及噴油量進行柔性控制，大大降低柴油機的燃油消耗和有害排放。

在柴油機的運行中，循環(huán)供油量以及噴油提前角受很多因素影響，不同時刻最佳指標都會存在一定差異。為了保證柴油機處于最佳運行狀態(tài)，對柴油機在運行過程中的不同參量要進行實時監(jiān)測與控制。而傳統(tǒng)機械控制方式無法實現(xiàn)這一目標，只有利用電控系統(tǒng)才能夠實現(xiàn)動態(tài)實時控制。

利用電子控制技術可以大大提升柴油機控制方式的靈活度，除了可以開展常規(guī)穩(wěn)態(tài)性控制外，還可以通過拓展各種過渡過程的優(yōu)化控制、故障檢測以及處理任務，能夠保證操作過程的自動化以及自適應控制，表現(xiàn)了機電一體化的優(yōu)越性。

2 內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)設計

在內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)設計過程中，需要重視對計算機控制管理系統(tǒng)進行科學設計。這是內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)。目前，我國在內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)研制過程中對控制器、執(zhí)行器、傳感器以及控制輸入輸出等不同部分的研究都比較深入。在具體的設計中硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計都以模塊化設計為主。需要按照具體的功能需求完成設計工作。在硬件設計中需要對齒條驅動模塊、信號調理模塊、主控模塊、通信模塊、監(jiān)控模塊等進行合理設計。此外，還要積極應用新元器件，進一步提高硬件設計的可靠性，保證電控系統(tǒng)的整體性能?？梢愿鶕?jù)實際需求對有源濾波器、功率MOSFET、隔離放大器、雙端口RAM等進行充分應用。在具體的系統(tǒng)設計時，需要從以下角度出發(fā)。

2.1 主控模塊設計

為了能夠實時采集相關參數(shù)，保證運算速度與實際要求相符合。在具體的設計工作中，可以對微控制器系統(tǒng)進行應用，將其與PID算法進行聯(lián)合使用開展數(shù)據(jù)采集工作，能夠大大提高數(shù)據(jù)采集效率。通過實驗分析確定了16位微控制器能夠滿足PID算法要求，并且還可以實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控管理工作。對復雜度比較高的控制算法進行應用時，需要添加管理功能。此時，可以利用32位微控制器的浮點運算功能進行設計，或者在硬件系統(tǒng)上調整16位微控制器。

2.2 信號調理模塊

在對信號調理模塊進行設計時，需要對信號輸入特征全面考慮，可以將特征定義為頻率量輸入、模擬量輸入和開關量輸入等不同內容。

頻率量輸入。在具體的設計中，需要利用磁電式傳感器對輸出電壓進行控制，確保其處于0.2～18V。之后開展整形處理，可以利用高速輸入HSI端口并發(fā)揮定時器的功能，對通過磁電式傳感器獲取的脈沖寬度數(shù)值進行累加統(tǒng)計。以此為基礎，可以對柴油機的實際轉速進行計算。為了提高數(shù)據(jù)采樣的精確度，在對轉速信號進行采集時，需要利用，曲軸角度域完成采樣工作。此外，需要充分發(fā)揮輔助設備的應用價值。例如，對增壓機、冷卻風機等進行應用，可以保證脈沖信號采集的準確性。

模擬量輸入。在這一環(huán)節(jié)需要準確掌握司機轉數(shù)，并且要對齒條位置、主發(fā)電機電流、電壓、牽引電機的電流信號等進行明確。還要采集油溫、水溫等數(shù)值。利用A/D轉換進行處理可以完成有量程的放大電路設計工作。

開關量輸入。在這一環(huán)節(jié)設計時，需要通過機車的駕駛室控制面板手動輸入開關相關參數(shù)。

2.3 齒條驅動模塊設計

對電控系統(tǒng)進行綜合設計時，執(zhí)行器的主要功能是通過直流力矩電機。利用MOSFET管H橋電路進行驅動。這樣可以確保齒條運行，其最大行程為25mm，通常機電時間常數(shù)為3ms。在開展執(zhí)行器的位置布置時，需要利用滑環(huán)式電位器進行設計。在不同的傳感器中運行中，對控制系統(tǒng)的發(fā)電機動態(tài)特性產生影響的最主要環(huán)節(jié)是執(zhí)行器的齒條位置，需要利用轉速反饋傳感器獲取相關信號。這是對電控系統(tǒng)進行控制的關鍵內容?，F(xiàn)階段，執(zhí)行器位置反饋傳感器主要包括接觸式和非接觸式。在試驗中是以接觸式為主。除了以上硬件設計外，電控系統(tǒng)的ECU還可以實現(xiàn)調試接口設計。對工控機進行應用時，能夠全面監(jiān)測轉速和齒條的具體位置，才能夠確保后期數(shù)據(jù)調整的合理性。

3 系統(tǒng)的保障性設計

在具體的設計中，需要從以下角度出發(fā)，確保電控系統(tǒng)設計的合理性。

3.1 抗干擾性措施設計

在開展微處理器設計工作時，為了保證微處理器的抗干擾性能，最好以微處理器總線時鐘頻率為主完成設計工作對，可以對控制器內部的電磁輻射量進行有效控制，同時對32位和16位微控制器的性能特點進行對比。根據(jù)具體的使用情況，對不同微控制器進行選擇。在本次研究過程中使用16位微控制器，主頻為16MHz，可以對微控制器內的A/D轉換功能進行充分應用，對外部電路進行簡化。在對信號濾波電路進行應用時，主要利用硬件濾波以及帶有隔離功能的高精度運算放大器對其進行處理，能夠濾除信號頻率，保證電控系統(tǒng)的抗干擾性能。

高可靠性以及抗干擾性能的電控系統(tǒng)在運行過程中供電要求以蓄電池組方式為主，通過試驗驗證了在機車柴油機啟動過程中，蓄電池組的瞬時輸入電流相對較大，而瞬態(tài)電壓會降到38V，輔助發(fā)電機在運行過程中的供電電壓能夠達到150V。輸入電壓的變化區(qū)間偏差達到4倍。為了提高內燃汽車電控系統(tǒng)的供電水平，可以利用專用電源完成供電。在電源設計過程中，回路主要是以獨立設計為主，能夠防止共用電源回路在運行中產生的級間耦合干擾問題。對待不同控制模塊的電源，要以分開設置供電回路的形式進行操作。一般在設計時，主要包括主控模塊供電回路、齒條驅動模塊供電回路以及信號調理模塊供電回路等。完成供電回路設計后，還要對信號接地方式進行科學選擇。目前，信號接地主要以數(shù)字信號、模擬信號、電源地保護接地等為主。對信號回路進行獨立性接地設計后，可以在公共點進行安全接地。將接地系統(tǒng)與屏蔽系統(tǒng)進行結合，還可以預防大多數(shù)噪聲問題。因此，在電控系統(tǒng)的具體設計時，對接地方式進行科學選擇至關重要。對信號輸入電路進行模擬時，為了防止信號屏蔽層的接地環(huán)流出現(xiàn)嚴重的噪聲干擾問題，可以使用高精度隔離運算放大器對環(huán)路進行截斷。這一方案的性價比更加突出，具有良好的使用效果。

3.2 可靠性措施設計

在內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)可靠性設計時，需要確保在每個系統(tǒng)的每部分和每個程序都設計信息反饋功能。這樣有利于對具體的運行參數(shù)進行全面監(jiān)測。在具體的設計過程中，信息反饋來源不同裝置和子程序，反饋的信息可能出現(xiàn)延遲或者提前。為了有效應對這一情況，需要保證系統(tǒng)的自適應狀態(tài)。一旦發(fā)生故障，微控制器能夠及時發(fā)揮恢復系統(tǒng)功能，雖然會導致微控制器的能力降低，但是仍然能夠保證機車正常運行。按照這種設計原則可以提高可靠性設計的綜合水平。

在主控模塊設計時，可以對雙CCPU板的工作方式進行設計，主要包括單板和雙板兩種工作方式，其中CPUA板主要對內燃機車進行控制；而CPUB板可以完成監(jiān)控功能。二者的功能可以自動轉換。在監(jiān)控模塊運行過程中，可以對機車的具體運行狀態(tài)進行記錄，可以完成機車運行狀態(tài)實時監(jiān)控，獲取的監(jiān)控信息能夠及時反饋到操作界面。

4 內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)仿真試驗

完成內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)設計和調整后，將設計的裝置在柴油機試驗臺上進行安裝并開展仿真試驗工作。在此次試驗中主要完成啟動、怠速和加減載荷等不同試驗。在具體的試驗操作中，需要利用監(jiān)控系統(tǒng)對相關信號數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，對比電子調速器與原機械調速器在內燃汽車大功率柴油機控制過程中的具體應用效果。在試驗過程中，軟件設計的控制算法和程序結構主要是通過試驗數(shù)據(jù)和系統(tǒng)辨識方法進行評價和判斷。兩種柴油機控制系統(tǒng)通過整定試驗后，所有的參數(shù)都能夠達到設計要求，柴油機的工況穩(wěn)定。被控對象的主要工作特點是以智能化軟件設計為主，能夠從最大程度上保證柴油機在啟動時的安全性，防止出現(xiàn)冒黑煙問題。在試驗中也證實了內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)在運行中必須充分應用各種抗干擾測試，否則，會導致汽車出現(xiàn)經常性死機或者控制失靈等情況。

在此次分析中，主要對機車柴油機電控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和不同功率柴油機的臺架情況進行試驗。通過試驗證實了機車柴油機載荷一旦發(fā)生變化，串級控制算法仍然能夠保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了提升機車的整體運行水平，在對硬件系統(tǒng)進行設計時，需要利用具有浮點運算功能的16位微控制器完成設計工作。除此之外，在對柴油機的動態(tài)性能指標進行改善時，發(fā)揮仿人智能控制算法能夠實現(xiàn)目標。在具體的設計中，可以降低啟動時間的速度超調，防止柴油機在啟動時出現(xiàn)冒黑煙情況。也可以對冷態(tài)啟動的最低轉速進行合理控制，提高柴油機啟動運行的平穩(wěn)性。

對電控系統(tǒng)的整體性能進行分析，發(fā)現(xiàn)其動態(tài)指標比機液調速器的性能更佳。對兩種控制穩(wěn)態(tài)指標進行，兩者并無明顯差距。目前，在國內電控系統(tǒng)相關技術不斷發(fā)展的背景下，內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)在應用過程中是以位置控制方式為主，可行性相對較強。而對電控系統(tǒng)的經濟性以及可靠性進行分析，將電子調速器作為核心可以保證電控系統(tǒng)的應用效益。

5 結語

總而言之，在我國鐵路行業(yè)發(fā)展過程中，對經濟性、排放性以及安全性的要求都在不斷提高，內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)的發(fā)展也越來越成熟。隨著電控系統(tǒng)功能逐漸強大，其結構也越來越復雜，開發(fā)難度隨之增加。為了保證內燃機車大功率柴油機電控系統(tǒng)的應用效果。在具體的開發(fā)過程中，需要加強功能驗證，同時從經濟性、可靠性等角度出發(fā)對電控系統(tǒng)的應用價值進行分析。在此次研究中，利用仿真試驗完成了電控單元的調試和功能驗證，能夠提高后期臺架試驗效率，對節(jié)約成本也有積極作用。