趙維學(xué)，張立成，馮家強(qiáng)，李蒙，李陽，薛滋德

（1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250306；2.中海油田服務(wù)股份有限公司新疆分公司，新疆 輪臺(tái) 841600）

柴油機(jī)電控技術(shù)是近年來內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，尤其是微控制器的可靠性越來越強(qiáng)，并且對(duì)微控制器進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，相關(guān)技術(shù)越來越完善。這在一定程度上推動(dòng)了傳統(tǒng)柴油機(jī)液調(diào)速器朝著數(shù)字化以及電子化調(diào)速器的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)電子調(diào)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(qiáng)了對(duì)機(jī)車計(jì)算機(jī)控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探討。目前，已經(jīng)研發(fā)了基于位置控制室的噴油系統(tǒng)的柴油機(jī)電控系統(tǒng)，并完成了配機(jī)試驗(yàn)。開展電控系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)工作時(shí)，需要盡可能提高其啟動(dòng)特性，保證電控系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性，同時(shí)要對(duì)帶載扭矩特性進(jìn)行全面把握。在當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展背景下，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，與國內(nèi)大功率內(nèi)燃機(jī)車制造維修保養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀相符合。

1 內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)特點(diǎn)

內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的過程比較復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)柴油化學(xué)能朝機(jī)械性能的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)過程中，還要對(duì)內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)以及在試驗(yàn)中的電控噴油系統(tǒng)進(jìn)行深入分析。尤其要對(duì)電控系統(tǒng)的控制核心進(jìn)行科學(xué)把握，了解柴油機(jī)動(dòng)力性、柴油經(jīng)濟(jì)性、噪聲、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及可靠性、耐久性等各項(xiàng)因素。在內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展過程中，其主要應(yīng)用特點(diǎn)包括以下方面。

可以對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在電控系統(tǒng)運(yùn)行中，與其他控制技術(shù)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(nèi)燃機(jī)車性能優(yōu)化和協(xié)調(diào)性，可以保證對(duì)噴油正時(shí)以及噴油量進(jìn)行柔性控制，大大降低柴油機(jī)的燃油消耗和有害排放。

在柴油機(jī)的運(yùn)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(shí)刻最佳指標(biāo)都會(huì)存在一定差異。為了保證柴油機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)柴油機(jī)在運(yùn)行過程中的不同參量要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。而傳統(tǒng)機(jī)械控制方式無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，只有利用電控系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。

利用電子控制技術(shù)可以大大提升柴油機(jī)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(wù)，能夠保證操作過程的自動(dòng)化以及自適應(yīng)控制，表現(xiàn)了機(jī)電一體化的優(yōu)越性。

2 內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要重視對(duì)計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。這是內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。目前，我國在內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)研制過程中對(duì)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(shè)計(jì)中硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)都以模塊化設(shè)計(jì)為主。需要按照具體的功能需求完成設(shè)計(jì)工作。在硬件設(shè)計(jì)中需要對(duì)齒條驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、主控模塊、通信模塊、監(jiān)控模塊等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。此外，還要積極應(yīng)用新元器件，進(jìn)一步提高硬件設(shè)計(jì)的可靠性，保證電控系統(tǒng)的整體性能?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求對(duì)有源濾波器、功率MOSFET、隔離放大器、雙端口RAM等進(jìn)行充分應(yīng)用。在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從以下角度出發(fā)。

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崟r(shí)采集相關(guān)參數(shù)，保證運(yùn)算速度與實(shí)際要求相符合。在具體的設(shè)計(jì)工作中，可以對(duì)微控制器系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，將其與PID算法進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控管理工作。對(duì)復(fù)雜度比較高的控制算法進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要添加管理功能。此時(shí)，可以利用32位微控制器的浮點(diǎn)運(yùn)算功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者在硬件系統(tǒng)上調(diào)整16位微控制器。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

在對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)信號(hào)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(guān)量輸入等不同內(nèi)容。

頻率量輸入。在具體的設(shè)計(jì)中，需要利用磁電式傳感器對(duì)輸出電壓進(jìn)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(shí)器的功能，對(duì)通過磁電式傳感器獲取的脈沖寬度數(shù)值進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)。以此為基礎(chǔ)，可以對(duì)柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。為了提高數(shù)據(jù)采樣的精確度，在對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，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(shè)備的應(yīng)用價(jià)值。例如，對(duì)增壓機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)等進(jìn)行應(yīng)用，可以保證脈沖信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

模擬量輸入。在這一環(huán)節(jié)需要準(zhǔn)確掌握司機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，并且要對(duì)齒條位置、主發(fā)電機(jī)電流、電壓、牽引電機(jī)的電流信號(hào)等進(jìn)行明確。還要采集油溫、水溫等數(shù)值。利用A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理可以完成有量程的放大電路設(shè)計(jì)工作。

開關(guān)量輸入。在這一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過機(jī)車的駕駛室控制面板手動(dòng)輸入開關(guān)相關(guān)參數(shù)。

2.3 齒條驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)時(shí)，執(zhí)行器的主要功能是通過直流力矩電機(jī)。利用MOSFET管H橋電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這樣可以確保齒條運(yùn)行，其最大行程為25mm，通常機(jī)電時(shí)間常數(shù)為3ms。在開展執(zhí)行器的位置布置時(shí)，需要利用滑環(huán)式電位器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在不同的傳感器中運(yùn)行中，對(duì)控制系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)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(zhuǎn)速反饋傳感器獲取相關(guān)信號(hào)。這是對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行控制的關(guān)鍵內(nèi)容。現(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(yàn)中是以接觸式為主。除了以上硬件設(shè)計(jì)外，電控系統(tǒng)的ECU還可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試接口設(shè)計(jì)。對(duì)工控機(jī)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，能夠全面監(jiān)測轉(zhuǎn)速和齒條的具體位置，才能夠確保后期數(shù)據(jù)調(diào)整的合理性。

3 系統(tǒng)的保障性設(shè)計(jì)

在具體的設(shè)計(jì)中，需要從以下角度出發(fā)，確保電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

3.1 抗干擾性措施設(shè)計(jì)

在開展微處理器設(shè)計(jì)工作時(shí)，為了保證微處理器的抗干擾性能，最好以微處理器總線時(shí)鐘頻率為主完成設(shè)計(jì)工作對(duì)，可以對(duì)控制器內(nèi)部的電磁輻射量進(jìn)行有效控制，同時(shí)對(duì)32位和16位微控制器的性能特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)具體的使用情況，對(duì)不同微控制器進(jìn)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(duì)微控制器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行充分應(yīng)用，對(duì)外部電路進(jìn)行簡化。在對(duì)信號(hào)濾波電路進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，主要利用硬件濾波以及帶有隔離功能的高精度運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行處理，能夠?yàn)V除信號(hào)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(yùn)行過程中供電要求以蓄電池組方式為主，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了在機(jī)車柴油機(jī)啟動(dòng)過程中，蓄電池組的瞬時(shí)輸入電流相對(duì)較大，而瞬態(tài)電壓會(huì)降到38V，輔助發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中的供電電壓能夠達(dá)到150V。輸入電壓的變化區(qū)間偏差達(dá)到4倍。為了提高內(nèi)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(shè)計(jì)過程中，回路主要是以獨(dú)立設(shè)計(jì)為主，能夠防止共用電源回路在運(yùn)行中產(chǎn)生的級(jí)間耦合干擾問題。對(duì)待不同控制模塊的電源，要以分開設(shè)置供電回路的形式進(jìn)行操作。一般在設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括主控模塊供電回路、齒條驅(qū)動(dòng)模塊供電回路以及信號(hào)調(diào)理模塊供電回路等。完成供電回路設(shè)計(jì)后，還要對(duì)信號(hào)接地方式進(jìn)行科學(xué)選擇。目前，信號(hào)接地主要以數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、電源地保護(hù)接地等為主。對(duì)信號(hào)回路進(jìn)行獨(dú)立性接地設(shè)計(jì)后，可以在公共點(diǎn)進(jìn)行安全接地。將接地系統(tǒng)與屏蔽系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，還可以預(yù)防大多數(shù)噪聲問題。因此，在電控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)接地方式進(jìn)行科學(xué)選擇至關(guān)重要。對(duì)信號(hào)輸入電路進(jìn)行模擬時(shí)，為了防止信號(hào)屏蔽層的接地環(huán)流出現(xiàn)嚴(yán)重的噪聲干擾問題，可以使用高精度隔離運(yùn)算放大器對(duì)環(huán)路進(jìn)行截?cái)?。這一方案的性價(jià)比更加突出，具有良好的使用效果。

3.2 可靠性措施設(shè)計(jì)

在內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保在每個(gè)系統(tǒng)的每部分和每個(gè)程序都設(shè)計(jì)信息反饋功能。這樣有利于對(duì)具體的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測。在具體的設(shè)計(jì)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(yīng)對(duì)這一情況，需要保證系統(tǒng)的自適應(yīng)狀態(tài)。一旦發(fā)生故障，微控制器能夠及時(shí)發(fā)揮恢復(fù)系統(tǒng)功能，雖然會(huì)導(dǎo)致微控制器的能力降低，但是仍然能夠保證機(jī)車正常運(yùn)行。按照這種設(shè)計(jì)原則可以提高可靠性設(shè)計(jì)的綜合水平。

在主控模塊設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)雙CCPU板的工作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括單板和雙板兩種工作方式，其中CPUA板主要對(duì)內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行控制；而CPUB板可以完成監(jiān)控功能。二者的功能可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在監(jiān)控模塊運(yùn)行過程中，可以對(duì)機(jī)車的具體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄，可以完成機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取的監(jiān)控信息能夠及時(shí)反饋到操作界面。

4 內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

完成內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整后，將設(shè)計(jì)的裝置在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行安裝并開展仿真試驗(yàn)工作。在此次試驗(yàn)中主要完成啟動(dòng)、怠速和加減載荷等不同試驗(yàn)。在具體的試驗(yàn)操作中，需要利用監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)比電子調(diào)速器與原機(jī)械調(diào)速器在內(nèi)燃汽車大功率柴油機(jī)控制過程中的具體應(yīng)用效果。在試驗(yàn)過程中，軟件設(shè)計(jì)的控制算法和程序結(jié)構(gòu)主要是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)辨識(shí)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷。兩種柴油機(jī)控制系統(tǒng)通過整定試驗(yàn)后，所有的參數(shù)都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，柴油機(jī)的工況穩(wěn)定。被控對(duì)象的主要工作特點(diǎn)是以智能化軟件設(shè)計(jì)為主，能夠從最大程度上保證柴油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的安全性，防止出現(xiàn)冒黑煙問題。在試驗(yàn)中也證實(shí)了內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)在運(yùn)行中必須充分應(yīng)用各種抗干擾測試，否則，會(huì)導(dǎo)致汽車出現(xiàn)經(jīng)常性死機(jī)或者控制失靈等情況。

在此次分析中，主要對(duì)機(jī)車柴油機(jī)電控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和不同功率柴油機(jī)的臺(tái)架情況進(jìn)行試驗(yàn)。通過試驗(yàn)證實(shí)了機(jī)車柴油機(jī)載荷一旦發(fā)生變化，串級(jí)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(jī)車的整體運(yùn)行水平，在對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要利用具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的16位微控制器完成設(shè)計(jì)工作。除此之外，在對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行改善時(shí)，發(fā)揮仿人智能控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)。在具體的設(shè)計(jì)中，可以降低啟動(dòng)時(shí)間的速度超調(diào)，防止柴油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)冒黑煙情況。也可以對(duì)冷態(tài)啟動(dòng)的最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理控制，提高柴油機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

對(duì)電控系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)指標(biāo)比機(jī)液調(diào)速器的性能更佳。對(duì)兩種控制穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行，兩者并無明顯差距。目前，在國內(nèi)電控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)在應(yīng)用過程中是以位置控制方式為主，可行性相對(duì)較強(qiáng)。而對(duì)電控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及可靠性進(jìn)行分析，將電子調(diào)速器作為核心可以保證電控系統(tǒng)的應(yīng)用效益。

5 結(jié)語

總而言之，在我國鐵路行業(yè)發(fā)展過程中，對(duì)經(jīng)濟(jì)性、排放性以及安全性的要求都在不斷提高，內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)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(qiáng)大，其結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，開發(fā)難度隨之增加。為了保證內(nèi)燃機(jī)車大功率柴油機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用效果。在具體的開發(fā)過程中，需要加強(qiáng)功能驗(yàn)證，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等角度出發(fā)對(duì)電控系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析。在此次研究中，利用仿真試驗(yàn)完成了電控單元的調(diào)試和功能驗(yàn)證，能夠提高后期臺(tái)架試驗(yàn)效率，對(duì)節(jié)約成本也有積極作用。