一種大功率交流傳動(dòng)重型軌道車柴油機(jī)啟動(dòng)?？刂品绞?/h1>
2025-08-12 00:00:00張譯文
時(shí)代汽車 2025年15期
摘 要：大功率交流傳動(dòng)軌道車整車控制邏輯復(fù)雜、接口多，會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)遺漏現(xiàn)象，其中柴油及啟動(dòng)困難是常見故障之一。文章介紹了一種大功率交流傳動(dòng)重型軌道車柴油機(jī)啟動(dòng)邏輯控制設(shè)計(jì)原理，并對(duì)軟件模型進(jìn)行Matlab仿真，針對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中因誤操作起機(jī)按鈕的保護(hù)邏輯，以及啟動(dòng)馬達(dá)自動(dòng)脫開的邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)按規(guī)定流程正確啟動(dòng)及誤操作保護(hù)功能，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：大功率交流傳動(dòng)重型軌道車 啟動(dòng)邏輯控制 Matlab仿真
在內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)中，因柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力充足和功率大的優(yōu)勢(shì)被大量融入軌道交通領(lǐng)域，是機(jī)車得以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵保障。柴油機(jī)啟動(dòng)涉及燃油供給、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、電控部分等多個(gè)系統(tǒng)，電控單元需根據(jù)油位、轉(zhuǎn)速、電流等傳感信號(hào)控制噴油量，同時(shí)結(jié)合整車控制邏輯條件進(jìn)行柴油機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)。柴油機(jī)啟機(jī)控制是整車控制邏輯的一個(gè)重要組成部分，文章將對(duì)交流傳動(dòng)機(jī)車上使用柴油機(jī)啟機(jī)控制邏輯進(jìn)行梳理分析，在MATLAB的SimuLink環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)及仿真驗(yàn)證，并通過(guò)SST軟件轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行代碼，燒寫入整車控制單元（LCU）進(jìn)行測(cè)試，可有效解決大功率柴油機(jī)啟動(dòng)困難和因誤操作導(dǎo)致測(cè)試驗(yàn)證不充分使用問(wèn)題。
1 柴油機(jī)啟機(jī)控制原理
該柴油機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)主要由啟動(dòng)開關(guān)、蓄電池模塊、啟動(dòng)繼電器、啟動(dòng)接觸器、啟動(dòng)馬達(dá)、停油電磁閥和電流傳感器組成，柴油機(jī)啟機(jī)電氣原理圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用DC24V電起動(dòng)方式，當(dāng)整車控制單元LCU接受到啟機(jī)按鈕輸入信號(hào)時(shí)，繼而控制啟動(dòng)馬達(dá)繼電器線圈和啟機(jī)接觸器線圈吸合，此時(shí)啟動(dòng)馬達(dá)得電，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200r/min時(shí)，嚙合齒輪脫開，柴油機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
柴油機(jī)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(guò)儀表箱上的啟機(jī)和停機(jī)按鈕控制發(fā)送請(qǐng)求，控制柴油機(jī)啟機(jī)和停油電磁閥得電停機(jī)。柴油機(jī)調(diào)速器控制原理如圖2所示。
2 柴油機(jī)啟機(jī)邏輯設(shè)計(jì)
2.1 啟機(jī)方式
柴油機(jī)啟動(dòng)操作分為司機(jī)操縱臺(tái)起機(jī)和機(jī)旁起機(jī)。
操縱臺(tái)起機(jī)：按壓主駕駛臺(tái)右側(cè)綠色啟動(dòng)按鈕3S以上釋放。
機(jī)旁起機(jī)：按壓柴油機(jī)調(diào)速器（ECU）面板上啟動(dòng)請(qǐng)求按鈕釋放。
2.2 啟機(jī)條件
根據(jù)整車電氣原理圖，設(shè)計(jì)柴油機(jī)啟動(dòng)條件如下：
（1）柴油機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速小于5RPM；
（2）柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇斷路器開關(guān)閉合；
（3）ECU無(wú)故障反饋；
（4）無(wú)緊急停機(jī)按鈕按下；
（5）燃油壓力控制開關(guān)閉合；
（6）操作端換向器位于中間位；
（7）運(yùn)行工況為起機(jī)模式。
當(dāng)滿足以上條件時(shí)，操作端按下起機(jī)按鈕，LCU通過(guò)CAN通訊向ECU發(fā)送起動(dòng)指令，收到ECU的反饋后，啟動(dòng)起機(jī)馬達(dá)；若進(jìn)行機(jī)旁起機(jī)，按下ECU面板上啟動(dòng)請(qǐng)求按鈕后，ECU通過(guò)CAN通訊向LCU發(fā)送起動(dòng)請(qǐng)求，LCU判斷起機(jī)條件滿足后啟動(dòng)起機(jī)馬達(dá)。
柴油機(jī)起機(jī)是由整車控制單元（LCU）通過(guò)控制啟動(dòng)馬達(dá)投切完成的。當(dāng)條件滿足時(shí)，LCU控制啟動(dòng)馬達(dá)供電繼電器吸合，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合入柴油機(jī)飛輪齒輪，啟動(dòng)馬達(dá)拖動(dòng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于200RPM時(shí)，LCU控制啟動(dòng)馬達(dá)供電繼電器斷開，啟動(dòng)馬達(dá)脫開，柴油機(jī)自啟動(dòng)成功。
2.3 柴油機(jī)啟動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)
柴油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中如果邏輯錯(cuò)誤，可能發(fā)生以下兩種不可逆的破壞性事故。
1）柴油機(jī)啟機(jī)成功后，啟動(dòng)馬達(dá)沒(méi)有脫開。由于柴油機(jī)啟動(dòng)成功后，轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于啟動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)馬達(dá)線圈繞組燒毀。因此需仿真測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200RPM時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)自動(dòng)脫開邏輯的穩(wěn)定性。同時(shí)邏輯設(shè)計(jì)要求，在起機(jī)不成功時(shí)，起機(jī)馬達(dá)最多工作20s，便自動(dòng)脫開。
2）柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)誤投入，會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)齒輪和飛輪齒輪被打壞。因此需仿真測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于5RPM時(shí)，禁止啟動(dòng)齒輪投入的邏輯穩(wěn)定性。
3 MATLAB-SimuLink邏輯驗(yàn)證
EngRun：柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，判斷條件為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200RPM。
EngDead：柴油機(jī)停機(jī)，判斷條件為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速小于5RPM。
Cnd：柴油機(jī)起動(dòng)命令，判斷條件如圖4所示。
En：柴油機(jī)起動(dòng)使能，控制邏輯如圖5所示。
En邏輯模型中包含一個(gè)狀態(tài)機(jī)，主要功能是來(lái)判斷操縱臺(tái)起機(jī)和機(jī)旁起機(jī)。當(dāng)操縱臺(tái)起機(jī)或者機(jī)旁起機(jī)有且只有一個(gè)條件為真，同時(shí)滿足IsoAB=1，EngStp=0，LdUnit=0時(shí)，En=1。
根據(jù)圖 3邏輯模型，當(dāng)
EngRun=0；
EngDead=1；
En=1；
Cnd由0—gt;1（起機(jī)操作）
滿足以上條件時(shí)：STA輸出變?yōu)?，柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)投入工作，當(dāng)檢測(cè)到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200RPM時(shí)，EngRun=1，STA=0，起機(jī)馬達(dá)脫開，完成起機(jī)。
4 模型仿真
通過(guò)手動(dòng)設(shè)置模型輸入條件，對(duì)邏輯進(jìn)行仿真測(cè)試。
4.1 啟動(dòng)失敗仿真測(cè)試
按要求設(shè)置起機(jī)條件都滿足后，按下啟動(dòng)按鈕，不給柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖6所示。
圖6中起機(jī)條件都滿足后，STA輸出為1s時(shí)變?yōu)?，啟動(dòng)馬達(dá)投入工作，由于沒(méi)有收到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，邏輯判斷尚未起機(jī)成功，所以控制馬達(dá)一直投入，到21s時(shí)，STA變?yōu)?，強(qiáng)制脫開馬達(dá)，起機(jī)失敗。
4.2 啟動(dòng)成功仿真測(cè)試
按要求設(shè)置起機(jī)條件都滿足后，按下啟動(dòng)按鈕，通過(guò)CAN通訊按照表1向LCU發(fā)送柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖7所示。
起機(jī)條件都滿足后，1s時(shí)STA輸出為變?yōu)?，起機(jī)馬達(dá)投入工作，在5s邏輯收到柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速250RPM，大于200RPM，STA立刻變?yōu)?，啟動(dòng)馬達(dá)脫開，起機(jī)成功，起機(jī)成功仿真波形如圖7所示。
4.3 誤操作起機(jī)仿真
通過(guò)CAN通訊按照表向LCU發(fā)送柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速800RPM（柴油機(jī)怠速轉(zhuǎn)速），表示柴油機(jī)正在運(yùn)行，設(shè)置其它條件都滿足，按下啟動(dòng)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(jī)運(yùn)行中，即使誤按了起機(jī)按鈕，STA輸出保持為0，啟動(dòng)馬達(dá)不會(huì)誤投，因此不會(huì)產(chǎn)生打壞齒輪的后果。
5 結(jié)語(yǔ)
一種大功率交流傳動(dòng)機(jī)車是為了滿足國(guó)內(nèi)極端工況重載運(yùn)輸需求而設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)前期的理論分析及半實(shí)物仿真驗(yàn)證，文章介紹的邏輯模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)的起機(jī)的自動(dòng)控制，目前系統(tǒng)運(yùn)行良好。
參考文獻(xiàn)：
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[2]郭會(huì)會(huì)，謝永紅，顧新建.柴油機(jī)啟動(dòng)保護(hù)控制系統(tǒng)[J].工程機(jī)械與維修，2015（06）：89.
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[4]陳有兵，魏志友，夏東徽，等.電控柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程故障研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2018，35（01）：72-77.
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[6]石良臣. MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2014.
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關(guān)鍵詞：大功率交流傳動(dòng)重型軌道車 啟動(dòng)邏輯控制 Matlab仿真
在內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)中，因柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力充足和功率大的優(yōu)勢(shì)被大量融入軌道交通領(lǐng)域，是機(jī)車得以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵保障。柴油機(jī)啟動(dòng)涉及燃油供給、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、電控部分等多個(gè)系統(tǒng)，電控單元需根據(jù)油位、轉(zhuǎn)速、電流等傳感信號(hào)控制噴油量，同時(shí)結(jié)合整車控制邏輯條件進(jìn)行柴油機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)。柴油機(jī)啟機(jī)控制是整車控制邏輯的一個(gè)重要組成部分，文章將對(duì)交流傳動(dòng)機(jī)車上使用柴油機(jī)啟機(jī)控制邏輯進(jìn)行梳理分析，在MATLAB的SimuLink環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)及仿真驗(yàn)證，并通過(guò)SST軟件轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行代碼，燒寫入整車控制單元（LCU）進(jìn)行測(cè)試，可有效解決大功率柴油機(jī)啟動(dòng)困難和因誤操作導(dǎo)致測(cè)試驗(yàn)證不充分使用問(wèn)題。
1 柴油機(jī)啟機(jī)控制原理
該柴油機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)主要由啟動(dòng)開關(guān)、蓄電池模塊、啟動(dòng)繼電器、啟動(dòng)接觸器、啟動(dòng)馬達(dá)、停油電磁閥和電流傳感器組成，柴油機(jī)啟機(jī)電氣原理圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用DC24V電起動(dòng)方式，當(dāng)整車控制單元LCU接受到啟機(jī)按鈕輸入信號(hào)時(shí)，繼而控制啟動(dòng)馬達(dá)繼電器線圈和啟機(jī)接觸器線圈吸合，此時(shí)啟動(dòng)馬達(dá)得電，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200r/min時(shí)，嚙合齒輪脫開，柴油機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
柴油機(jī)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(guò)儀表箱上的啟機(jī)和停機(jī)按鈕控制發(fā)送請(qǐng)求，控制柴油機(jī)啟機(jī)和停油電磁閥得電停機(jī)。柴油機(jī)調(diào)速器控制原理如圖2所示。
2 柴油機(jī)啟機(jī)邏輯設(shè)計(jì)
2.1 啟機(jī)方式
柴油機(jī)啟動(dòng)操作分為司機(jī)操縱臺(tái)起機(jī)和機(jī)旁起機(jī)。
操縱臺(tái)起機(jī)：按壓主駕駛臺(tái)右側(cè)綠色啟動(dòng)按鈕3S以上釋放。
機(jī)旁起機(jī)：按壓柴油機(jī)調(diào)速器（ECU）面板上啟動(dòng)請(qǐng)求按鈕釋放。
2.2 啟機(jī)條件
根據(jù)整車電氣原理圖，設(shè)計(jì)柴油機(jī)啟動(dòng)條件如下：
（1）柴油機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速小于5RPM；
（2）柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇斷路器開關(guān)閉合；
（3）ECU無(wú)故障反饋；
（4）無(wú)緊急停機(jī)按鈕按下；
（5）燃油壓力控制開關(guān)閉合；
（6）操作端換向器位于中間位；
（7）運(yùn)行工況為起機(jī)模式。
當(dāng)滿足以上條件時(shí)，操作端按下起機(jī)按鈕，LCU通過(guò)CAN通訊向ECU發(fā)送起動(dòng)指令，收到ECU的反饋后，啟動(dòng)起機(jī)馬達(dá)；若進(jìn)行機(jī)旁起機(jī)，按下ECU面板上啟動(dòng)請(qǐng)求按鈕后，ECU通過(guò)CAN通訊向LCU發(fā)送起動(dòng)請(qǐng)求，LCU判斷起機(jī)條件滿足后啟動(dòng)起機(jī)馬達(dá)。
柴油機(jī)起機(jī)是由整車控制單元（LCU）通過(guò)控制啟動(dòng)馬達(dá)投切完成的。當(dāng)條件滿足時(shí)，LCU控制啟動(dòng)馬達(dá)供電繼電器吸合，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合入柴油機(jī)飛輪齒輪，啟動(dòng)馬達(dá)拖動(dòng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于200RPM時(shí)，LCU控制啟動(dòng)馬達(dá)供電繼電器斷開，啟動(dòng)馬達(dá)脫開，柴油機(jī)自啟動(dòng)成功。
2.3 柴油機(jī)啟動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)
柴油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中如果邏輯錯(cuò)誤，可能發(fā)生以下兩種不可逆的破壞性事故。
1）柴油機(jī)啟機(jī)成功后，啟動(dòng)馬達(dá)沒(méi)有脫開。由于柴油機(jī)啟動(dòng)成功后，轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于啟動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)馬達(dá)線圈繞組燒毀。因此需仿真測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200RPM時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)自動(dòng)脫開邏輯的穩(wěn)定性。同時(shí)邏輯設(shè)計(jì)要求，在起機(jī)不成功時(shí)，起機(jī)馬達(dá)最多工作20s，便自動(dòng)脫開。
2）柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)誤投入，會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)齒輪和飛輪齒輪被打壞。因此需仿真測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于5RPM時(shí)，禁止啟動(dòng)齒輪投入的邏輯穩(wěn)定性。
3 MATLAB-SimuLink邏輯驗(yàn)證
EngRun：柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，判斷條件為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200RPM。
EngDead：柴油機(jī)停機(jī)，判斷條件為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速小于5RPM。
Cnd：柴油機(jī)起動(dòng)命令，判斷條件如圖4所示。
En：柴油機(jī)起動(dòng)使能，控制邏輯如圖5所示。
En邏輯模型中包含一個(gè)狀態(tài)機(jī)，主要功能是來(lái)判斷操縱臺(tái)起機(jī)和機(jī)旁起機(jī)。當(dāng)操縱臺(tái)起機(jī)或者機(jī)旁起機(jī)有且只有一個(gè)條件為真，同時(shí)滿足IsoAB=1，EngStp=0，LdUnit=0時(shí)，En=1。
根據(jù)圖 3邏輯模型，當(dāng)
EngRun=0；
EngDead=1；
En=1；
Cnd由0—gt;1（起機(jī)操作）
滿足以上條件時(shí)：STA輸出變?yōu)?，柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)投入工作，當(dāng)檢測(cè)到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于200RPM時(shí)，EngRun=1，STA=0，起機(jī)馬達(dá)脫開，完成起機(jī)。
4 模型仿真
通過(guò)手動(dòng)設(shè)置模型輸入條件，對(duì)邏輯進(jìn)行仿真測(cè)試。
4.1 啟動(dòng)失敗仿真測(cè)試
按要求設(shè)置起機(jī)條件都滿足后，按下啟動(dòng)按鈕，不給柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖6所示。
圖6中起機(jī)條件都滿足后，STA輸出為1s時(shí)變?yōu)?，啟動(dòng)馬達(dá)投入工作，由于沒(méi)有收到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，邏輯判斷尚未起機(jī)成功，所以控制馬達(dá)一直投入，到21s時(shí)，STA變?yōu)?，強(qiáng)制脫開馬達(dá)，起機(jī)失敗。
4.2 啟動(dòng)成功仿真測(cè)試
按要求設(shè)置起機(jī)條件都滿足后，按下啟動(dòng)按鈕，通過(guò)CAN通訊按照表1向LCU發(fā)送柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖7所示。
起機(jī)條件都滿足后，1s時(shí)STA輸出為變?yōu)?，起機(jī)馬達(dá)投入工作，在5s邏輯收到柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速250RPM，大于200RPM，STA立刻變?yōu)?，啟動(dòng)馬達(dá)脫開，起機(jī)成功，起機(jī)成功仿真波形如圖7所示。
4.3 誤操作起機(jī)仿真
通過(guò)CAN通訊按照表向LCU發(fā)送柴油機(jī)模擬轉(zhuǎn)速800RPM（柴油機(jī)怠速轉(zhuǎn)速），表示柴油機(jī)正在運(yùn)行，設(shè)置其它條件都滿足，按下啟動(dòng)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(jī)運(yùn)行中，即使誤按了起機(jī)按鈕，STA輸出保持為0，啟動(dòng)馬達(dá)不會(huì)誤投，因此不會(huì)產(chǎn)生打壞齒輪的后果。
5 結(jié)語(yǔ)
一種大功率交流傳動(dòng)機(jī)車是為了滿足國(guó)內(nèi)極端工況重載運(yùn)輸需求而設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)前期的理論分析及半實(shí)物仿真驗(yàn)證，文章介紹的邏輯模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)的起機(jī)的自動(dòng)控制，目前系統(tǒng)運(yùn)行良好。
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