機車柴油機電控系統(tǒng)嵌入式軟件的開發(fā)與研究

李友峰

（南車集團 戚墅堰機車有限公司 產(chǎn)品設計部，江蘇常州213011）

由于排放法規(guī)的要求越來越嚴格，柴油機制造商紛紛采用燃油電子噴射系統(tǒng)升級原來的機械噴射系統(tǒng)，國內最新的HXN5車的GEVO16柴油機、HXN3車的265H柴油機，已全部采用電噴系統(tǒng)，青藏機車的7FDL柴油機也升級為電噴柴油機。國產(chǎn)的DF8CJ交流傳動機車裝用的6 000PS R16V280ZJ型柴油機，也采用了燃油電噴系統(tǒng)。

引進柴油機電噴系統(tǒng)的控制軟件都是國外公司自主開發(fā)，并且作為核心技術不向國內轉讓。國產(chǎn)柴油機的電噴軟件也是由國外供應商開發(fā)，國內柴油機廠并不掌握。

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

因此，自主研發(fā)柴油機電噴控制軟件，從源代碼級別掌握柴油機的控制技術，對提高國產(chǎn)柴油機技術水平，增強產(chǎn)品的核心競爭力，意義非凡。

1 硬件結構與軟件開發(fā)環(huán)境

電控單元采用一片飛思卡爾的MC9S12XEP100芯片，配合外圍的信號處理電路，輸出驅動電路，電源供電電路等模塊構成的單片機系統(tǒng)。

MC9S12XEP100芯片是16位雙核CPU，最高工作主頻50MHz，片上具有1MFlash，64kRAM，4kEEPROM，內部集成了看門狗，一路RTI實時中斷，8路ECT增強型定時器模塊、8路TIM標準定時器模塊，8路PWM（脈寬調制模塊）通道，2個16通道、12位模數(shù)轉換器，3路SPI，5路CAN（1M／B），I／O輸入輸出端口等。由MC9S12XEP100組成的單片機電控單元最多可驅動8缸機工作。

16缸柴油機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

主ECU負責大多數(shù)傳感器信號的采集，轉速計算，噴射氣缸的判別，噴油參數(shù)的計算工作，控制8個氣缸的燃油噴射，并將另8個氣缸的噴射參數(shù)通過CAN口傳給從ECU。

從ECU接受主ECU傳來的噴射參數(shù)和仿真曲軸傳感器的脈沖信號，觸發(fā)噴油驅動，實現(xiàn)對8個氣缸的燃油噴射控制，如果主ECU的信號采集端口數(shù)量不夠時，從ECU也可以采集部分傳感器信號，并傳給主ECU進行處理。

軟件開發(fā)采用Freescale CodeWarrior IDE集成開發(fā)環(huán)境，該系統(tǒng)功能強大，使用方便，支持C，C＋＋語言，可以內嵌匯編語言；支持P＆E BDM連接協(xié)議，通過BDM調試模塊，可以實現(xiàn)對MC9S12XEP100芯片資源的訪問及運行控制。系統(tǒng)集成了源程序編輯器，編譯器，連接器，匯編器，調試跟蹤器，用戶可以通過圖形用戶接口（GUI）方便地使用該系統(tǒng)來進行源程序的編輯，編譯，連接，調試，芯片程序刷新等，功能十分強大。

2 電控軟件設計

柴油機電控系統(tǒng)是一個實時性很強的嵌入式軟件系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是通過多個并發(fā)的任務來運行的。根據(jù)不同的功能需求，將系統(tǒng)劃分為不同的任務模塊，任務模塊在調度程序的管理下，根據(jù)各自的優(yōu)先級，從高到低輪流獲得CPU等資源完成任務的執(zhí)行。而對于實時性非常高的任務，則定義為中斷處理模塊，一旦獲得中斷觸發(fā)信號，立刻中斷當前任務，轉入中斷處理模塊執(zhí)行。執(zhí)行完畢后再恢復當前任務。

任務劃分的好壞直接影響系統(tǒng)的性能和執(zhí)行的效率。任務劃分的越多，任務程序越短，其執(zhí)行時間越短，其任務就能越快的執(zhí)行，系統(tǒng)的及時性就越好，但是任務劃分的太細，調度模塊的負擔就增大，任務本身能使用的資源就相對減少。因此，任務的劃分主要是依據(jù)功能，執(zhí)行頻率，實時性和優(yōu)先級的差異，劃分的任務功能上盡量相互獨立，任務之間的關聯(lián)性要弱。

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

任務1－發(fā)動機轉速計算；任務2－發(fā)動機狀態(tài)管理；任務3－噴油定時計算；任務4－噴油量計算；任務5－離散量掃描；任務6－模擬量采集及處理；任務7－勵磁信號計算；任務8－轉速目標更新；任務9－主從ECU通訊處理；任務10－故障診斷和處理。

另外還有14個中斷處理程序，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實時中斷；⑸噴油驅動中斷。共有10個中斷，控制8個氣缸的噴油，其中有8個低位中斷，2個高位中斷。

軟件的基本結構如圖2所示。

圖2 電控軟件的基本結構

3 柴油機電噴系統(tǒng)的控制策略

將先進的電子控制技術應用于柴油機的燃油控制中無疑是柴油機發(fā)展史上具有里程碑意義的技術突破，但其實施依賴于良好的控制策略。控制策略的好壞，決定了控制軟件的成敗。因此，對柴油機控制中的算法和策略的研究非常重要。

3.1 柴油機狀態(tài)管理

柴油機的運行工況由轉速和功率兩個參數(shù)來唯一表示。其中轉速更是反映柴油機運行狀態(tài)的最基本參數(shù)。根據(jù)柴油機轉速將柴油機的狀態(tài)分為停車、旋轉、啟動、運行、超速5個狀態(tài)。5個狀態(tài)之間有3個轉速標志點分別是啟噴轉速、啟動成功轉速、超速轉速。

發(fā)動機狀態(tài)管理模塊根據(jù)轉速計算模塊計算出的發(fā)動機當前轉速，進行狀態(tài)判別，然后轉向相應的功能模塊進行處理。

當柴油機轉速為0時，進入停車模塊處理。

當0＜柴油機轉速＜啟噴轉速時，認識到柴油機已經(jīng)轉起來了，但此時因轉速太低，禁止燃油噴射，此時，根據(jù)捕捉到的曲軸傳感器信號脈沖，進行缺齒分析，只有找到缺齒，才具備噴油定時控制的基準，找到缺齒后，稱發(fā)動機已經(jīng)同步，同步是噴油的必要條件之一，如果未能同步，即使后面轉速超過啟噴轉速，仍然不能噴油。

當啟噴轉速＜柴油機轉速＜啟動成功轉速，進入啟動控制模塊，確定啟動噴油量，如果此時發(fā)動機已同步，則向氣缸內噴油，柴油機啟動。

當啟動成功轉速＜柴油機轉速＜超速轉速，進入運行模塊，柴油機按照設定的轉速穩(wěn)定運行。

當柴油機轉速＞超速轉速，進入超速控制模塊，迅速停止噴油，使柴油機停機。

3.2 噴油定時控制

噴油定時控制的基礎是安裝在曲軸上的一個帶缺齒的測速齒盤，安裝時，缺齒的相位相對柴油機第1氣缸發(fā)火上止點保持一個固定的角度，軟件內部，在判斷出缺齒位置后，根據(jù)安裝時缺齒的相位角推出柴油機第1氣缸發(fā)火上止點，獲得噴射定時的基準。

國產(chǎn)6 000PS的R16V280ZJ柴油機，測速齒盤是120齒，缺1齒，曲軸旋轉1圈，將產(chǎn)生119個脈沖。從1到119對脈沖進行編號。

組裝測速盤時，使曲軸處于第1氣缸上止點，順著曲軸旋轉方向，保證傳感器到缺齒的角度為B。軟件內部檢測到缺齒時，認為經(jīng)過曲軸轉角B將是柴油機第1氣缸上止點。對于凸輪信號，組裝保證曲軸處于第1氣缸壓縮上止點時，傳感器到凸輪信號齒的夾角為C。軟件檢測到凸輪脈沖信號，置標志位，在期望的時間內（夾角C）曲軸傳感器檢測到第1氣缸上止點為壓縮上止點，否則檢測到的上止點為排氣上止點。

噴油始點一般在上止點前，稱為供油提前角，設為A，真正的噴油定時點是B－A角度。

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

假設B＝31°，A＝11°，曲軸脈沖間隔角為3°，噴油時刻為（B－A－3）／3＝5余2°。即真正的噴油時刻在5號脈沖到來之后的2°曲軸轉角。2°角對應的時間t＝2×1／6n，（n是當時的柴油機瞬時轉速，瞬時轉速可以根據(jù)兩個脈沖之間的時間間隔計算），軟件內在計數(shù)到5號脈沖后，延時t，開始第1氣缸噴油。

根據(jù)發(fā)火次序和發(fā)火間隔角，可以計算出其余各氣缸的噴油脈沖號和延時時間。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，控制的目標是柴油機轉速，如果當前轉速與目標轉速發(fā)生偏差時，根據(jù)轉速PID控制算法計算出新的噴油量，并根據(jù)檢測到的進氣壓力，進氣溫度，冷卻水溫度，對噴油量進行修正，再檢查當前轉速下噴油量是否有限制，如果有，修正后的噴油量不得超過限制值，兩者取其小的值為最終噴油量。最后，根據(jù)轉速和最終噴油量在噴射MAP圖中查表求出當前的噴射脈寬，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。噴油量的控制過程如圖4。

圖4 噴油量控制策略

轉速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 勵磁控制策略

為實現(xiàn)機車柴油機和主發(fā)電機恒功運行控制，電噴控制器需輸出一個勵磁控制信號。機車控制回路根據(jù)勵磁信號變化，改變主發(fā)電機的勵磁，實現(xiàn)調節(jié)主發(fā)輸出功率的目的。

勵磁信號也采用閉環(huán)控制，控制目標是噴油量，如果當前噴油量與目標噴油量有偏差，根據(jù)增量式PID控制算法，計算出勵磁信號的增量，與前次勵磁信號相加，得到新的勵磁信號，主發(fā)電機輸出功率相應改變。具體的控制邏輯是：

①當主發(fā)輸出功率＋輔助功率＝柴油機輸出功率時，當前噴油量＝目標噴油量。

②當主發(fā)功率增加或輔助功率增加，導致主發(fā)輸出功率＋輔助功率＞柴油機輸出功率，引起當前噴油量＞目標噴油量，計算后得到一個負的勵磁信號增量，最終控制器輸出數(shù)值減小勵磁信號，主發(fā)功率下降，柴油機輸出功率保持不變。

③當主發(fā)輸出功率＋輔助功率＜柴油機輸出功率時，當前噴油量＜目標噴油量，勵磁信號增加，主發(fā)功率增大，柴油機輸出功率保持不變，即實現(xiàn)了在任何情況下，柴油機輸出功率保持恒定。

3.5 啟動控制策略

由于柴油機啟動時，轉速低，燃油霧化效果差，特別是冷啟動時，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，必然導致柴油機啟動困難。

為了迅速啟動柴油機，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，一種采用變啟動油量的方式，根據(jù)啟動時的進氣溫度，燃油溫度，滑油溫度，轉速的變化，動態(tài)調整噴油量。

第1種方式控制簡單，而且實踐證明效果不錯。

第2種方式控制復雜，容易造成啟動失敗，但是可以實現(xiàn)柔和啟動，減少冒炭煙的幾率。

無論采用哪種方式，一旦啟動成功，轉入轉速PID控制模塊，需要迅速將噴油量減少到正常水平，否則轉速超調很大。

4 試驗驗證

在R16V280ZJ型3＃柴油機上進行了國產(chǎn)控制器的啟動試驗，空載升降速試驗和帶載運行試驗。該柴油機原采用進口Heinzmann的電噴控制器。試驗結果表明，國產(chǎn)控制器的控制水平與進口控制器的已完全一致，具備了線路運行考核試驗的條件。試驗結果見圖5～圖9。

圖5 啟動試驗

圖6 空載逐檔升速試驗

圖7 空載降速試驗

圖8 突升、突降轉速試驗

啟動時，轉速超調小，空載運行穩(wěn)定，轉速波動小，一般不超過±5r／min，偶爾有8～9r／min的波動，一般1～2次后就迅速穩(wěn)定。檔位切換過程中，轉速能實現(xiàn)平穩(wěn)升降。

在帶載功率試驗中，柴油機各項參數(shù)指標與進口控制器相當，裝車功率點的油耗測得199.1g／（kW·h），相同功率點采用進口控制器測得油耗為198.9g／（kW·h），兩者結果相當。

圖9 帶載性能試驗

5 結束語

本文詳細論述了機車柴油機嵌入式電控軟件的控制策略和算法，介紹了噴油定時機制的實現(xiàn)和噴油量的控制。描述了機車恒功運行控制的方法。

本軟件運行于飛思卡爾MC9S12XEP100芯片上，成功實現(xiàn)了對國內單機功率最大的6 000PS機車柴油機的運行控制，試驗結果表明，該軟件對柴油機的啟動過程、運行過程穩(wěn)定控制，動態(tài)響應快速，達到進口控制器的水平，實現(xiàn)了預期目標。

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

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

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