柴油發動機電子調速控制系統的設計

孫宇，束長健，曾潔

(大連交通大學 電氣信息工程學院，遼寧 大連 116028)*

柴油發動機作為傳統的動力機械裝置，廣泛應用于機車、船舶、發電機組等領域.盡管先進的高壓共軌技術已經應用于大功率內燃機，但目前采用電子調速控制技術的內燃機依然存在.由于牽引電機負載存在變化，所以需要柴油發動機的輸出功率也要隨之改變，也就是說柴油發動機的輸出轉速會影響牽引電機的功率輸出[1].若內燃機轉速控制不穩發生波動，發電機輸出電壓和頻率也產生波動，從而影響機車的平穩行駛.隨著對用電質量以及用電成本的要求越來越高，將數字式電子調速技術應用到柴油發電機組上是必然趨勢，但是在國內僅僅停留在實驗室階段和模擬樣機階段.為了能夠實現對柴油發動機轉速的實時控制，本文在分析了數字式電子調速技術的工作原理和PID控制原理的基礎上，重新設計了控制系統，以模糊自適應控制進行系統控制，并通過分析對比，擇了恩智浦公司生產的最新款車用級芯片MC9S12XEP100作為主控單元，控制發電機組的運行更為穩定.

本文根據需求和控制策略設計了電調控制系統的軟件架構，通過MATLAB把控制模型轉換成C代碼燒入到控制單元中，在CodeWarrior開發環境下使用C語言編寫軟件代碼，通過上位機對系統進行標定，最后通過實驗室模擬平臺進行軟件調試.

1 電調控制系統的架構設計

1.1 柴油機電子調速控制系統的組成

目前市場上有大量的柴油機電子調速控制系統，大部分以國外為主，都是由傳感器、控制器和執行器三個基本部分構成，通過分析和對比，本文重新對系統架構進行了設計，如圖1所示.

圖1 柴油發電機組電子調速控制系統的整體結構

電子調速控制系統的微控制器通過安裝在柴油機上的傳感器檢測出柴油機的曲軸位置、供油調節執行器位置等狀態參數，并對采集到的這些柴油機工況信號進行抗干擾處理，然后根據控制算法(策略)輸出脈沖寬度調制信號驅動供油調節執行器，以達到控制柴油機供油量及調速的目的.同時在控制器中設計通信接口電路，以便通過上位機來實現對控制器中的參數進行監測及在線標定任務，從而方便操作人員對于柴油發動機的控制與觀察.

本文主要的研究方向為調速部分，本文柴油機的轉速受供油調節執行器的位移量控制，位移量的增大或減少使得柴油機供油量增加或減少，導致柴油發動機轉速上升或下降.同時，柴油發動機的加載、卸載以及負載的波動均會引起柴油發動機轉速的變化，因此為了保證柴油機的平穩運行需對柴油機進行實時電子調速控制.

1.2 內燃機電子調速控制器的設計思想

電子控制單元(ECU)是柴油發動機電子調速控制系統的核心部件，它可以依照負載的變化來實時調節燃油量的供給，從而保持柴油發電機組的轉速穩定[2].由于傳統的模擬式電子調速器調試方便，所以目前仍然在一些柴油發電機組的轉速控制中有應用.但是與模擬式電子調速器相比，數字式電子調速系統由于采用了計算機控制技術更容易實現復雜而有效的控制算法，且便于拓展升級使柴油機獲得更好的轉速控制精度、穩定性及動態響應.

1.2.1 調速控制系統的功能需求分析

電子調速控制單元作為柴油發動機電子調速控制系統的“大腦”在整個柴油發動機電控系統中起到了關鍵作用.電子控制單元應具備控制軟件的運行環境配置及內部的邏輯計算與處理基本功能，為方便實時監控與在線標定，還應具備與上位機及其他系統的通信功能，最后還要具備對外部信號的采集與處理、控制算法的運算以及輸出燃油調節執行器驅動信號等功能.

1.2.2 微控制器的選擇

本文的控制系統采用恩智浦車用級芯片MC9S12XEP100為核心微控制器.MC9S12XEP100為雙核微控制器，采用XGATE技術，內部資源豐富，專為低成本的應用場合設計，強大的片內資源與簡單的外圍電路結合可以支持信號采集與處理、控制算法的運算、控制信號輸出以及與上位機通信等功能，用于本文可滿足柴油發動機電子調速控制系統的要求[3].

1.2.3 模糊自適應PID控制

當前智能控制得到了重大發展，模糊控制又是一個重要的分支[4].在控制系統中，控制對象有時較為復雜，具有非線性，控制參數容易隨著時間改變，還會受到外界某些客觀因素的影響，沒法使用標準的函數對其進行表示，數學模型難以建立，使用常規的PID控制無法做到良好控制，本文通過對多種智能控制進行分析和對比，最后選擇了模糊自適應PID控制作為本設計的主控制策略[5].

模糊自適應控制是將控制對象看成是一個模糊整體，利用模糊控制器在其中對其進行控制，以誤差和誤差變化作為輸入，利用模糊控制規則參數進行及時的修改，以滿足不同時刻的 和 對PID參數自整定的要求[6].模糊控制規則就是根據往復的實驗以及現場專家的經驗制定的規律.模糊自適應PID控制器如圖2所示.

圖2 模糊自適應PID控制制系統簡圖

2 電調控制系統的軟件設計

2.1 柴油發動機電子調速控制系統軟件總體結構

根據調速控制系統的功能需求分析，本文把整個柴油發動機電子調速控制系統的軟件部分分為底層、通信層和應用層三大部分.

模塊化后的軟件整體結構如圖3所示，底層軟件包括底層系統軟件和板級支持包BSP，是根據單片機的片上資源進行設計的，通信層軟件是結合單片機各個功能模塊，實現底層和應用層之間的數據交換與監控標定，應用層軟件是根據需求自行設計開發，根據底層的接口變量進行轉速計算、燃油調節執行器驅動、PID控制算法、插值算法等等功能，并且依照接口定義和功能函數完成對供油調節執行器部分的控制.

圖3 控制軟件整體結構

2.2 柴油機電子調速控制系統軟件設計

2.2.1 主程序設計

主控程序可以根據控制要求設定內容，主控程序的主要任務就是初始化、工作時序、任務調度、控制模式等.首先是完成對整個調速控制系統的初始化設置與調整，之后觀察柴油機如果處于停機狀態，則進行冷機狀態的自檢.起動之后，先設定目標轉速并使得電子控制單元與上位機之間進行通信聯系.對比目標轉速與測量的實際轉速，若大于超速的截止門限值(由具體機型而定)，則進入超速工況，超速報警并停機，否則開始檢測轉速是否低于起動成功轉速，即怠速最低值(由具體機型而定)，如果低于起動成功轉速則檢查是否低于起噴轉速(由具體機型而定)，如果低于起噴轉速，則進入停止工況，如果高于起噴轉速但是低于起動成功轉速，則檢測起動成功否，起動不成功則進入起動工況，進入起動工況有兩種方式，一是固定油量起動，會以恒定轉速運行，二是根據轉速MAP查表規定起動油量.如果高于起動成功轉速，則進入調速工況，需要先對PID參數進行初始化設置，如果以固定油量運行，則同上文起動工況，如果不是固定油量運行，則根據PID參數更新調節，進入到轉速閉環控制函數當中.圖4為主程序流程圖.

圖4 主程序工作流程

2.2.2 初始化軟件設計

電子調速控制系統的核心芯片MC9S12XEP100的輸入輸出端口不僅僅可以用做GPIO，也可以用作某些外設功能，所以對于輸入輸出端口必須進行初始化設置，設置相關控制參數并且指定端口類型.電子調速控制系統的初始化工作主要包括時鐘和復位初始化、實時中斷初始化、MCU端口初始化、增強型定時器初始化、PWM初始化 和AD初始化等.

2.2.3 轉速信號采集程序

本文使用雙轉速信號的目的是保證信號采集的穩定性，當主信號出現故障時可以立即啟用備用轉速信號，轉速信號1跟轉速信號2通過互檢的方式來判斷是否出現故障.程序初始化時，默認轉速信號1為有效信號.曲軸的信號通過磁電式轉速傳感器采集信號，經過信號處理函數，處理之后計算出兩個上升沿之間的(一個周期的)時間間隔，一般是上升沿或者下降沿進行計數(中斷進入)之后通過轉速計算函數計算出轉速.轉速信號檢測流程如圖5所示.

圖5 轉速信號處理軟件流程圖

2.2.4 供油齒條位置模擬量信號采集程序設計

當AD模塊工作時，先經過采樣、AD轉換，最后將所處理的結果保存在相對應的寄存器當中，當AD模塊每次進行工作時，先要進行若干次的掃描，連續多次掃描有利于實現信號的濾波處理.

在A/D轉換過程中，會存在線性誤差，在程序中必須對轉換后的數字量進行數字濾波.如圖6所示，本設計采用的濾波方法是中值濾波法，多次測量去除兩個最值，剩余取平均值，取其平均值作為最后的輸入量.公式如下：

圖6 模擬采樣程序流程圖

2.2.5 輸出驅動信號程序設計

PWM常常用于對負載的控制電流大小，比如直流電機控制、供油調節執行器的開度控制等等.通過函數的相關調用，實現直流電機的轉動，直流電機的正反轉是通過輸入輸出口的高低電平來控制的，而直流電機的電流大小是通過PWM波的占空比來實現的，在該柴油發電機組模擬實驗平臺上，使用PWM驅動對供油調節執行器進行控制[7].

PWM控制所使用的算法是輸出時鐘周期=通道時鐘源周期*Period，此處通道時鐘源周期為通過調用PWM_ClockSelect()函數選擇的通道時鐘源.

在工況模式判別的函數中，會存在一個油量限制的子函數程序，油量限制即供油齒條的位移距離，通常供油齒條的位移距離與控制供油齒條的電流大小成比例關系，本文利用PWM的占空比大小對電流大小的控制，實現對供油齒條位移距離的控制，由于PWM寄存器中每一位的最高范圍是256(8位)，即使其中一位的占空比為100%也滿足不了供油持續角的最大開度，為了滿足供油持續角的最大開度，本文采用PWM級聯的方式，將兩位同時進行PWM波控制，最高范圍是65536(16位)，這樣就能夠滿足供油持續角的最大開度范圍，從而實現對供油持續角度的范圍控制.

3 測試結果分析

3.1 供油調節執行器位置信號測試

本文通過上位機對柴油發電機組人為標定目標值，單片機將0～5V的電壓信號轉換為與之相對應的數字量.

表1所示為供油調節執行器信號采集測試的誤差分析，經過計算平均誤差為0.416%，最大誤差小于1%，由此可見，電子調速控制系統的模擬量轉換模塊工作較為穩定可靠.

表1 供油調節執行器信號采集測試誤差分析

圖7可以看出測試數據經過擬合之后是非常理想的線性關系，測試擬合直線和理想曲線之間幾乎完成重合，所以模擬信號的數字量轉換過程是符合設計要求的.

圖7 供油調節執行器位置信號擬合曲線

3.2 轉速信號處理模塊測試

測試轉速信號處理模塊時，使得函數信號發生器與電子控制單元頻率信號輸入接口相連，轉速的變化可以通過改變類正弦波的頻率來實現，示波器探頭接在單片輸入捕捉的引腳上，測試結果如圖8所示.

(a)500 Hz

圖中分別是當輸入正弦波信號頻率為500和1200Hz時的信號處理波形，如圖可知，隨著轉速的增加輸出信號的頻率并沒有出現大的波動，誤差小于2%，基本上可以忽略不計，幅值穩定符合要求.

4 結論

本文根據機車柴油發動機的工作特性給出了柴油機電子調速控制系統的設計方案，選用恩智浦芯片MC9S12XEP100為MCU的電控單元，然后以CodeWarrior為軟件開發環境，根據柴油機調速控制的需要，主要對采集的供油齒條位移模擬量信號進行數字濾波處理，然后采用測周法對柴油機轉速進行采集與精確計算，電控單元采用模糊自適應PID控制算法控制其輸出的PWM占空比來控制供油調節器驅動電流的大小，以實現對供油齒條位置的控制，從而達到對柴油機供油量的精確控制.本文對于柴油內燃機的調速控制技術研究及產品開發具有一定的參考價值.