试析内燃机车大功率柴油机电控系统试验

赵维学，张立成，冯家强，李蒙，李阳，薛滋德

（1.中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250306；2.中海油田服务股份有限公司新疆分公司，新疆 轮台 841600）

柴油机电控技术是近年来内燃机技术发展的重要趋势，尤其是微控制器的可靠性越来越强，并且对微控制器进行应用时，相关技术越来越完善。这在一定程度上推动了传统柴油机液调速器朝着数字化以及电子化调速器的方向发展。目前，国内外对柴油机电子调试系统的研究越来越深入。在我国铁路行业发展过程中，加强了对机车计算机控制关键技术进行深入探讨。目前，已经研发了基于位置控制室的喷油系统的柴油机电控系统，并完成了配机试验。开展电控系统优化和改进工作时，需要尽可能提高其启动特性，保证电控系统的可靠性以及抗干扰性，同时要对带载扭矩特性进行全面把握。在当前的社会发展背景下，对内燃机车大功率柴油机电控系统进行全面设计，与国内大功率内燃机车制造维修保养发展现状相符合。

1 内燃机车大功率柴油机电控系统特点

内燃机车柴油机的过程比较复杂，可以实现柴油化学能朝机械性能的转换。电控喷油系统主要包含传感器、电控单元以及集成执行器。其中电控单元是以高性能处理器为核心研究的，在具体的设计过程中，还要对内燃机车大功率柴油机以及在试验中的电控喷油系统进行深入分析。尤其要对电控系统的控制核心进行科学把握，了解柴油机动力性、柴油经济性、噪声、运转平稳性以及可靠性、耐久性等各项因素。在内燃机车大功率柴油机电控系统发展过程中，其主要应用特点包括以下方面。

可以对不同参数进行调节。在电控系统运行中，与其他控制技术相比，电控系统的精确性以及灵活度更高，能够在极大程度上提高内燃机车性能优化和协调性，可以保证对喷油正时以及喷油量进行柔性控制，大大降低柴油机的燃油消耗和有害排放。

在柴油机的运行中，循环供油量以及喷油提前角受很多因素影响，不同时刻最佳指标都会存在一定差异。为了保证柴油机处于最佳运行状态，对柴油机在运行过程中的不同参量要进行实时监测与控制。而传统机械控制方式无法实现这一目标，只有利用电控系统才能够实现动态实时控制。

利用电子控制技术可以大大提升柴油机控制方式的灵活度，除了可以开展常规稳态性控制外，还可以通过拓展各种过渡过程的优化控制、故障检测以及处理任务，能够保证操作过程的自动化以及自适应控制，表现了机电一体化的优越性。

2 内燃机车大功率柴油机电控系统设计

在内燃机车大功率柴油机电控系统设计过程中，需要重视对计算机控制管理系统进行科学设计。这是内燃机车大功率柴油机电控系统设计的重要环节。目前，我国在内燃机车大功率柴油机电控系统研制过程中对控制器、执行器、传感器以及控制输入输出等不同部分的研究都比较深入。在具体的设计中硬件系统设计和软件系统设计都以模块化设计为主。需要按照具体的功能需求完成设计工作。在硬件设计中需要对齿条驱动模块、信号调理模块、主控模块、通信模块、监控模块等进行合理设计。此外，还要积极应用新元器件，进一步提高硬件设计的可靠性，保证电控系统的整体性能。可以根据实际需求对有源滤波器、功率MOSFET、隔离放大器、双端口RAM等进行充分应用。在具体的系统设计时，需要从以下角度出发。

2.1 主控模块设计

为了能够实时采集相关参数，保证运算速度与实际要求相符合。在具体的设计工作中，可以对微控制器系统进行应用，将其与PID算法进行联合使用开展数据采集工作，能够大大提高数据采集效率。通过实验分析确定了16位微控制器能够满足PID算法要求，并且还可以实现系统监控管理工作。对复杂度比较高的控制算法进行应用时，需要添加管理功能。此时，可以利用32位微控制器的浮点运算功能进行设计，或者在硬件系统上调整16位微控制器。

2.2 信号调理模块

在对信号调理模块进行设计时，需要对信号输入特征全面考虑，可以将特征定义为频率量输入、模拟量输入和开关量输入等不同内容。

频率量输入。在具体的设计中，需要利用磁电式传感器对输出电压进行控制，确保其处于0.2～18V。之后开展整形处理，可以利用高速输入HSI端口并发挥定时器的功能，对通过磁电式传感器获取的脉冲宽度数值进行累加统计。以此为基础，可以对柴油机的实际转速进行计算。为了提高数据采样的精确度，在对转速信号进行采集时，需要利用，曲轴角度域完成采样工作。此外，需要充分发挥辅助设备的应用价值。例如，对增压机、冷却风机等进行应用，可以保证脉冲信号采集的准确性。

模拟量输入。在这一环节需要准确掌握司机转数，并且要对齿条位置、主发电机电流、电压、牵引电机的电流信号等进行明确。还要采集油温、水温等数值。利用A/D转换进行处理可以完成有量程的放大电路设计工作。

开关量输入。在这一环节设计时，需要通过机车的驾驶室控制面板手动输入开关相关参数。

2.3 齿条驱动模块设计

对电控系统进行综合设计时，执行器的主要功能是通过直流力矩电机。利用MOSFET管H桥电路进行驱动。这样可以确保齿条运行，其最大行程为25mm，通常机电时间常数为3ms。在开展执行器的位置布置时，需要利用滑环式电位器进行设计。在不同的传感器中运行中，对控制系统的发电机动态特性产生影响的最主要环节是执行器的齿条位置，需要利用转速反馈传感器获取相关信号。这是对电控系统进行控制的关键内容。现阶段，执行器位置反馈传感器主要包括接触式和非接触式。在试验中是以接触式为主。除了以上硬件设计外，电控系统的ECU还可以实现调试接口设计。对工控机进行应用时，能够全面监测转速和齿条的具体位置，才能够确保后期数据调整的合理性。

3 系统的保障性设计

在具体的设计中，需要从以下角度出发，确保电控系统设计的合理性。

3.1 抗干扰性措施设计

在开展微处理器设计工作时，为了保证微处理器的抗干扰性能，最好以微处理器总线时钟频率为主完成设计工作对，可以对控制器内部的电磁辐射量进行有效控制，同时对32位和16位微控制器的性能特点进行对比。根据具体的使用情况，对不同微控制器进行选择。在本次研究过程中使用16位微控制器，主频为16MHz，可以对微控制器内的A/D转换功能进行充分应用，对外部电路进行简化。在对信号滤波电路进行应用时，主要利用硬件滤波以及带有隔离功能的高精度运算放大器对其进行处理，能够滤除信号频率，保证电控系统的抗干扰性能。

高可靠性以及抗干扰性能的电控系统在运行过程中供电要求以蓄电池组方式为主，通过试验验证了在机车柴油机启动过程中，蓄电池组的瞬时输入电流相对较大，而瞬态电压会降到38V，辅助发电机在运行过程中的供电电压能够达到150V。输入电压的变化区间偏差达到4倍。为了提高内燃汽车电控系统的供电水平，可以利用专用电源完成供电。在电源设计过程中，回路主要是以独立设计为主，能够防止共用电源回路在运行中产生的级间耦合干扰问题。对待不同控制模块的电源，要以分开设置供电回路的形式进行操作。一般在设计时，主要包括主控模块供电回路、齿条驱动模块供电回路以及信号调理模块供电回路等。完成供电回路设计后，还要对信号接地方式进行科学选择。目前，信号接地主要以数字信号、模拟信号、电源地保护接地等为主。对信号回路进行独立性接地设计后，可以在公共点进行安全接地。将接地系统与屏蔽系统进行结合，还可以预防大多数噪声问题。因此，在电控系统的具体设计时，对接地方式进行科学选择至关重要。对信号输入电路进行模拟时，为了防止信号屏蔽层的接地环流出现严重的噪声干扰问题，可以使用高精度隔离运算放大器对环路进行截断。这一方案的性价比更加突出，具有良好的使用效果。

3.2 可靠性措施设计

在内燃机车大功率柴油机电控系统可靠性设计时，需要确保在每个系统的每部分和每个程序都设计信息反馈功能。这样有利于对具体的运行参数进行全面监测。在具体的设计过程中，信息反馈来源不同装置和子程序，反馈的信息可能出现延迟或者提前。为了有效应对这一情况，需要保证系统的自适应状态。一旦发生故障，微控制器能够及时发挥恢复系统功能，虽然会导致微控制器的能力降低，但是仍然能够保证机车正常运行。按照这种设计原则可以提高可靠性设计的综合水平。

在主控模块设计时，可以对双CCPU板的工作方式进行设计，主要包括单板和双板两种工作方式，其中CPUA板主要对内燃机车进行控制；而CPUB板可以完成监控功能。二者的功能可以自动转换。在监控模块运行过程中，可以对机车的具体运行状态进行记录，可以完成机车运行状态实时监控，获取的监控信息能够及时反馈到操作界面。

4 内燃机车大功率柴油机电控系统仿真试验

完成内燃机车大功率柴油机电控系统设计和调整后，将设计的装置在柴油机试验台上进行安装并开展仿真试验工作。在此次试验中主要完成启动、怠速和加减载荷等不同试验。在具体的试验操作中，需要利用监控系统对相关信号数据进行统计和分析，对比电子调速器与原机械调速器在内燃汽车大功率柴油机控制过程中的具体应用效果。在试验过程中，软件设计的控制算法和程序结构主要是通过试验数据和系统辨识方法进行评价和判断。两种柴油机控制系统通过整定试验后，所有的参数都能够达到设计要求，柴油机的工况稳定。被控对象的主要工作特点是以智能化软件设计为主，能够从最大程度上保证柴油机在启动时的安全性，防止出现冒黑烟问题。在试验中也证实了内燃机车大功率柴油机电控系统在运行中必须充分应用各种抗干扰测试，否则，会导致汽车出现经常性死机或者控制失灵等情况。

在此次分析中，主要对机车柴油机电控系统的软件系统、硬件系统和不同功率柴油机的台架情况进行试验。通过试验证实了机车柴油机载荷一旦发生变化，串级控制算法仍然能够保证控制系统的稳定性。为了提升机车的整体运行水平，在对硬件系统进行设计时，需要利用具有浮点运算功能的16位微控制器完成设计工作。除此之外，在对柴油机的动态性能指标进行改善时，发挥仿人智能控制算法能够实现目标。在具体的设计中，可以降低启动时间的速度超调，防止柴油机在启动时出现冒黑烟情况。也可以对冷态启动的最低转速进行合理控制，提高柴油机启动运行的平稳性。

对电控系统的整体性能进行分析，发现其动态指标比机液调速器的性能更佳。对两种控制稳态指标进行，两者并无明显差距。目前，在国内电控系统相关技术不断发展的背景下，内燃机车大功率柴油机电控系统在应用过程中是以位置控制方式为主，可行性相对较强。而对电控系统的经济性以及可靠性进行分析，将电子调速器作为核心可以保证电控系统的应用效益。

5 结语

总而言之，在我国铁路行业发展过程中，对经济性、排放性以及安全性的要求都在不断提高，内燃机车大功率柴油机电控系统的发展也越来越成熟。随着电控系统功能逐渐强大，其结构也越来越复杂，开发难度随之增加。为了保证内燃机车大功率柴油机电控系统的应用效果。在具体的开发过程中，需要加强功能验证，同时从经济性、可靠性等角度出发对电控系统的应用价值进行分析。在此次研究中，利用仿真试验完成了电控单元的调试和功能验证，能够提高后期台架试验效率，对节约成本也有积极作用。