一種大功率交流傳動重型軌道車柴油機啟動?？刂品绞?/h1>
2025-08-12 00:00:00張譯文
時代汽車 2025年15期
摘 要：大功率交流傳動軌道車整車控制邏輯復雜、接口多，會出現(xiàn)設計遺漏現(xiàn)象，其中柴油及啟動困難是常見故障之一。文章介紹了一種大功率交流傳動重型軌道車柴油機啟動邏輯控制設計原理，并對軟件模型進行Matlab仿真，針對柴油機運行過程中因誤操作起機按鈕的保護邏輯，以及啟動馬達自動脫開的邏輯進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了柴油機按規(guī)定流程正確啟動及誤操作保護功能，并通過現(xiàn)場調(diào)試驗證了設計的正確性。
關鍵詞：大功率交流傳動重型軌道車 啟動邏輯控制 Matlab仿真
在內(nèi)燃機車電傳動系統(tǒng)中，因柴油發(fā)動機動力充足和功率大的優(yōu)勢被大量融入軌道交通領域，是機車得以穩(wěn)定運行的關鍵保障。柴油機啟動涉及燃油供給、機械運動部件、電控部分等多個系統(tǒng)，電控單元需根據(jù)油位、轉(zhuǎn)速、電流等傳感信號控制噴油量，同時結(jié)合整車控制邏輯條件進行柴油機啟動控制設計。柴油機啟機控制是整車控制邏輯的一個重要組成部分，文章將對交流傳動機車上使用柴油機啟機控制邏輯進行梳理分析，在MATLAB的SimuLink環(huán)境下進行開發(fā)及仿真驗證，并通過SST軟件轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行代碼，燒寫入整車控制單元（LCU）進行測試，可有效解決大功率柴油機啟動困難和因誤操作導致測試驗證不充分使用問題。
1 柴油機啟機控制原理
該柴油機啟動系統(tǒng)主要由啟動開關、蓄電池模塊、啟動繼電器、啟動接觸器、啟動馬達、停油電磁閥和電流傳感器組成，柴油機啟機電氣原理圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用DC24V電起動方式，當整車控制單元LCU接受到啟機按鈕輸入信號時，繼而控制啟動馬達繼電器線圈和啟機接觸器線圈吸合，此時啟動馬達得電，當柴油機轉(zhuǎn)速大于200r/min時，嚙合齒輪脫開，柴油機進入正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
柴油機調(diào)速器控制系統(tǒng)控制電壓DC24V，通信接口采用HD14-9-1939P，可通過儀表箱上的啟機和停機按鈕控制發(fā)送請求，控制柴油機啟機和停油電磁閥得電停機。柴油機調(diào)速器控制原理如圖2所示。
2 柴油機啟機邏輯設計
2.1 啟機方式
柴油機啟動操作分為司機操縱臺起機和機旁起機。
操縱臺起機：按壓主駕駛臺右側(cè)綠色啟動按鈕3S以上釋放。
機旁起機：按壓柴油機調(diào)速器（ECU）面板上啟動請求按鈕釋放。
2.2 啟機條件
根據(jù)整車電氣原理圖，設計柴油機啟動條件如下：
（1）柴油機當前轉(zhuǎn)速小于5RPM；
（2）柴油機冷卻風扇斷路器開關閉合；
（3）ECU無故障反饋；
（4）無緊急停機按鈕按下；
（5）燃油壓力控制開關閉合；
（6）操作端換向器位于中間位；
（7）運行工況為起機模式。
當滿足以上條件時，操作端按下起機按鈕，LCU通過CAN通訊向ECU發(fā)送起動指令，收到ECU的反饋后，啟動起機馬達；若進行機旁起機，按下ECU面板上啟動請求按鈕后，ECU通過CAN通訊向LCU發(fā)送起動請求，LCU判斷起機條件滿足后啟動起機馬達。
柴油機起機是由整車控制單元（LCU）通過控制啟動馬達投切完成的。當條件滿足時，LCU控制啟動馬達供電繼電器吸合，傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入柴油機飛輪齒輪，啟動馬達拖動柴油機轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)速大于200RPM時，LCU控制啟動馬達供電繼電器斷開，啟動馬達脫開，柴油機自啟動成功。
2.3 柴油機啟動保護設計
柴油機在啟動過程中如果邏輯錯誤，可能發(fā)生以下兩種不可逆的破壞性事故。
1）柴油機啟機成功后，啟動馬達沒有脫開。由于柴油機啟動成功后，轉(zhuǎn)速遠高于啟動馬達轉(zhuǎn)，會導致啟動馬達線圈繞組燒毀。因此需仿真測試柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM時，啟動馬達自動脫開邏輯的穩(wěn)定性。同時邏輯設計要求，在起機不成功時，起機馬達最多工作20s，便自動脫開。
2）柴油機在運轉(zhuǎn)時，啟動馬達誤投入，會導致啟動齒輪和飛輪齒輪被打壞。因此需仿真測試柴油機轉(zhuǎn)速大于5RPM時，禁止啟動齒輪投入的邏輯穩(wěn)定性。
3 MATLAB-SimuLink邏輯驗證
EngRun：柴油機運轉(zhuǎn)，判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM。
EngDead：柴油機停機，判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速小于5RPM。
Cnd：柴油機起動命令，判斷條件如圖4所示。
En：柴油機起動使能，控制邏輯如圖5所示。
En邏輯模型中包含一個狀態(tài)機，主要功能是來判斷操縱臺起機和機旁起機。當操縱臺起機或者機旁起機有且只有一個條件為真，同時滿足IsoAB=1，EngStp=0，LdUnit=0時，En=1。
根據(jù)圖 3邏輯模型，當
EngRun=0；
EngDead=1；
En=1；
Cnd由0—gt;1（起機操作）
滿足以上條件時：STA輸出變?yōu)?，柴油機啟動馬達投入工作，當檢測到柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM時，EngRun=1，STA=0，起機馬達脫開，完成起機。
4 模型仿真
通過手動設置模型輸入條件，對邏輯進行仿真測試。
4.1 啟動失敗仿真測試
按要求設置起機條件都滿足后，按下啟動按鈕，不給柴油機模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖6所示。
圖6中起機條件都滿足后，STA輸出為1s時變?yōu)?，啟動馬達投入工作，由于沒有收到柴油機轉(zhuǎn)速，邏輯判斷尚未起機成功，所以控制馬達一直投入，到21s時，STA變?yōu)?，強制脫開馬達，起機失敗。
4.2 啟動成功仿真測試
按要求設置起機條件都滿足后，按下啟動按鈕，通過CAN通訊按照表1向LCU發(fā)送柴油機模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖7所示。
起機條件都滿足后，1s時STA輸出為變?yōu)?，起機馬達投入工作，在5s邏輯收到柴油機模擬轉(zhuǎn)速250RPM，大于200RPM，STA立刻變?yōu)?，啟動馬達脫開，起機成功，起機成功仿真波形如圖7所示。
4.3 誤操作起機仿真
通過CAN通訊按照表向LCU發(fā)送柴油機模擬轉(zhuǎn)速800RPM（柴油機怠速轉(zhuǎn)速），表示柴油機正在運行，設置其它條件都滿足，按下啟動按鈕后，STA的仿真波形如圖8所示。從圖8可以看出，在柴油機運行中，即使誤按了起機按鈕，STA輸出保持為0，啟動馬達不會誤投，因此不會產(chǎn)生打壞齒輪的后果。
5 結(jié)語
一種大功率交流傳動機車是為了滿足國內(nèi)極端工況重載運輸需求而設計，經(jīng)過前期的理論分析及半實物仿真驗證，文章介紹的邏輯模型實現(xiàn)了對柴油機的起機的自動控制，目前系統(tǒng)運行良好。
參考文獻：
[1]沈艷河，鄭蘭霞.柴油機智能啟動控制系統(tǒng)設計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2020，47（04）：55-58.
[2]郭會會，謝永紅，顧新建.柴油機啟動保護控制系統(tǒng)[J].工程機械與維修，2015（06）：89.
[3]高臻臻.試論電控單體泵柴油機起動過程控制策略[J].科技資訊，2018，16（35）：96-97.
[4]陳有兵，魏志友，夏東徽，等.電控柴油機起動過程故障研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2018，35（01）：72-77.
[5]張志涌，楊祖櫻. MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.
[6]石良臣. MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.
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關鍵詞：大功率交流傳動重型軌道車 啟動邏輯控制 Matlab仿真
在內(nèi)燃機車電傳動系統(tǒng)中，因柴油發(fā)動機動力充足和功率大的優(yōu)勢被大量融入軌道交通領域，是機車得以穩(wěn)定運行的關鍵保障。柴油機啟動涉及燃油供給、機械運動部件、電控部分等多個系統(tǒng)，電控單元需根據(jù)油位、轉(zhuǎn)速、電流等傳感信號控制噴油量，同時結(jié)合整車控制邏輯條件進行柴油機啟動控制設計。柴油機啟機控制是整車控制邏輯的一個重要組成部分，文章將對交流傳動機車上使用柴油機啟機控制邏輯進行梳理分析，在MATLAB的SimuLink環(huán)境下進行開發(fā)及仿真驗證，并通過SST軟件轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行代碼，燒寫入整車控制單元（LCU）進行測試，可有效解決大功率柴油機啟動困難和因誤操作導致測試驗證不充分使用問題。
1 柴油機啟機控制原理
該柴油機啟動系統(tǒng)主要由啟動開關、蓄電池模塊、啟動繼電器、啟動接觸器、啟動馬達、停油電磁閥和電流傳感器組成，柴油機啟機電氣原理圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用DC24V電起動方式，當整車控制單元LCU接受到啟機按鈕輸入信號時，繼而控制啟動馬達繼電器線圈和啟機接觸器線圈吸合，此時啟動馬達得電，當柴油機轉(zhuǎn)速大于200r/min時，嚙合齒輪脫開，柴油機進入正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
柴油機調(diào)速器控制系統(tǒng)控制電壓DC24V，通信接口采用HD14-9-1939P，可通過儀表箱上的啟機和停機按鈕控制發(fā)送請求，控制柴油機啟機和停油電磁閥得電停機。柴油機調(diào)速器控制原理如圖2所示。
2 柴油機啟機邏輯設計
2.1 啟機方式
柴油機啟動操作分為司機操縱臺起機和機旁起機。
操縱臺起機：按壓主駕駛臺右側(cè)綠色啟動按鈕3S以上釋放。
機旁起機：按壓柴油機調(diào)速器（ECU）面板上啟動請求按鈕釋放。
2.2 啟機條件
根據(jù)整車電氣原理圖，設計柴油機啟動條件如下：
（1）柴油機當前轉(zhuǎn)速小于5RPM；
（2）柴油機冷卻風扇斷路器開關閉合；
（3）ECU無故障反饋；
（4）無緊急停機按鈕按下；
（5）燃油壓力控制開關閉合；
（6）操作端換向器位于中間位；
（7）運行工況為起機模式。
當滿足以上條件時，操作端按下起機按鈕，LCU通過CAN通訊向ECU發(fā)送起動指令，收到ECU的反饋后，啟動起機馬達；若進行機旁起機，按下ECU面板上啟動請求按鈕后，ECU通過CAN通訊向LCU發(fā)送起動請求，LCU判斷起機條件滿足后啟動起機馬達。
柴油機起機是由整車控制單元（LCU）通過控制啟動馬達投切完成的。當條件滿足時，LCU控制啟動馬達供電繼電器吸合，傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入柴油機飛輪齒輪，啟動馬達拖動柴油機轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)速大于200RPM時，LCU控制啟動馬達供電繼電器斷開，啟動馬達脫開，柴油機自啟動成功。
2.3 柴油機啟動保護設計
柴油機在啟動過程中如果邏輯錯誤，可能發(fā)生以下兩種不可逆的破壞性事故。
1）柴油機啟機成功后，啟動馬達沒有脫開。由于柴油機啟動成功后，轉(zhuǎn)速遠高于啟動馬達轉(zhuǎn)，會導致啟動馬達線圈繞組燒毀。因此需仿真測試柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM時，啟動馬達自動脫開邏輯的穩(wěn)定性。同時邏輯設計要求，在起機不成功時，起機馬達最多工作20s，便自動脫開。
2）柴油機在運轉(zhuǎn)時，啟動馬達誤投入，會導致啟動齒輪和飛輪齒輪被打壞。因此需仿真測試柴油機轉(zhuǎn)速大于5RPM時，禁止啟動齒輪投入的邏輯穩(wěn)定性。
3 MATLAB-SimuLink邏輯驗證
EngRun：柴油機運轉(zhuǎn)，判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM。
EngDead：柴油機停機，判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速小于5RPM。
Cnd：柴油機起動命令，判斷條件如圖4所示。
En：柴油機起動使能，控制邏輯如圖5所示。
En邏輯模型中包含一個狀態(tài)機，主要功能是來判斷操縱臺起機和機旁起機。當操縱臺起機或者機旁起機有且只有一個條件為真，同時滿足IsoAB=1，EngStp=0，LdUnit=0時，En=1。
根據(jù)圖 3邏輯模型，當
EngRun=0；
EngDead=1；
En=1；
Cnd由0—gt;1（起機操作）
滿足以上條件時：STA輸出變?yōu)?，柴油機啟動馬達投入工作，當檢測到柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM時，EngRun=1，STA=0，起機馬達脫開，完成起機。
4 模型仿真
通過手動設置模型輸入條件，對邏輯進行仿真測試。
4.1 啟動失敗仿真測試
按要求設置起機條件都滿足后，按下啟動按鈕，不給柴油機模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖6所示。
圖6中起機條件都滿足后，STA輸出為1s時變?yōu)?，啟動馬達投入工作，由于沒有收到柴油機轉(zhuǎn)速，邏輯判斷尚未起機成功，所以控制馬達一直投入，到21s時，STA變?yōu)?，強制脫開馬達，起機失敗。
4.2 啟動成功仿真測試
按要求設置起機條件都滿足后，按下啟動按鈕，通過CAN通訊按照表1向LCU發(fā)送柴油機模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖7所示。
起機條件都滿足后，1s時STA輸出為變?yōu)?，起機馬達投入工作，在5s邏輯收到柴油機模擬轉(zhuǎn)速250RPM，大于200RPM，STA立刻變?yōu)?，啟動馬達脫開，起機成功，起機成功仿真波形如圖7所示。
4.3 誤操作起機仿真
通過CAN通訊按照表向LCU發(fā)送柴油機模擬轉(zhuǎn)速800RPM（柴油機怠速轉(zhuǎn)速），表示柴油機正在運行，設置其它條件都滿足，按下啟動按鈕后，STA的仿真波形如圖8所示。從圖8可以看出，在柴油機運行中，即使誤按了起機按鈕，STA輸出保持為0，啟動馬達不會誤投，因此不會產(chǎn)生打壞齒輪的后果。
5 結(jié)語
一種大功率交流傳動機車是為了滿足國內(nèi)極端工況重載運輸需求而設計，經(jīng)過前期的理論分析及半實物仿真驗證，文章介紹的邏輯模型實現(xiàn)了對柴油機的起機的自動控制，目前系統(tǒng)運行良好。
參考文獻：
[1]沈艷河，鄭蘭霞.柴油機智能啟動控制系統(tǒng)設計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2020，47（04）：55-58.
[2]郭會會，謝永紅，顧新建.柴油機啟動保護控制系統(tǒng)[J].工程機械與維修，2015（06）：89.
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[5]張志涌，楊祖櫻. MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.
[6]石良臣. MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.
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