机车柴油机电控系统嵌入式软件的开发与研究

李友峰

（南车集团 戚墅堰机车有限公司 产品设计部，江苏常州213011）

由于排放法规的要求越来越严格，柴油机制造商纷纷采用燃油电子喷射系统升级原来的机械喷射系统，国内最新的HXN5车的GEVO16柴油机、HXN3车的265H柴油机，已全部采用电喷系统，青藏机车的7FDL柴油机也升级为电喷柴油机。国产的DF8CJ交流传动机车装用的6 000PS R16V280ZJ型柴油机，也采用了燃油电喷系统。

引进柴油机电喷系统的控制软件都是国外公司自主开发，并且作为核心技术不向国内转让。国产柴油机的电喷软件也是由国外供应商开发，国内柴油机厂并不掌握。

控制系统是柴油机的大脑和核心，如今柴油机已经步入了电控时代，不能掌握柴油机的核心软件控制技术，必将受制于人。

因此，自主研发柴油机电喷控制软件，从源代码级别掌握柴油机的控制技术，对提高国产柴油机技术水平，增强产品的核心竞争力，意义非凡。

1 硬件结构与软件开发环境

电控单元采用一片飞思卡尔的MC9S12XEP100芯片，配合外围的信号处理电路，输出驱动电路，电源供电电路等模块构成的单片机系统。

MC9S12XEP100芯片是16位双核CPU，最高工作主频50MHz，片上具有1MFlash，64kRAM，4kEEPROM，内部集成了看门狗，一路RTI实时中断，8路ECT增强型定时器模块、8路TIM标准定时器模块，8路PWM（脉宽调制模块）通道，2个16通道、12位模数转换器，3路SPI，5路CAN（1M／B），I／O输入输出端口等。由MC9S12XEP100组成的单片机电控单元最多可驱动8缸机工作。

16缸柴油机采用两套完全相同的电控单元，组成主、从ECU系统，如图1所示。

图1 主从ECU系统架构

主ECU负责大多数传感器信号的采集，转速计算，喷射气缸的判别，喷油参数的计算工作，控制8个气缸的燃油喷射，并将另8个气缸的喷射参数通过CAN口传给从ECU。

从ECU接受主ECU传来的喷射参数和仿真曲轴传感器的脉冲信号，触发喷油驱动，实现对8个气缸的燃油喷射控制，如果主ECU的信号采集端口数量不够时，从ECU也可以采集部分传感器信号，并传给主ECU进行处理。

软件开发采用Freescale CodeWarrior IDE集成开发环境，该系统功能强大，使用方便，支持C，C＋＋语言，可以内嵌汇编语言；支持P＆E BDM连接协议，通过BDM调试模块，可以实现对MC9S12XEP100芯片资源的访问及运行控制。系统集成了源程序编辑器，编译器，连接器，汇编器，调试跟踪器，用户可以通过图形用户接口（GUI）方便地使用该系统来进行源程序的编辑，编译，连接，调试，芯片程序刷新等，功能十分强大。

2 电控软件设计

柴油机电控系统是一个实时性很强的嵌入式软件系统，整个系统是通过多个并发的任务来运行的。根据不同的功能需求，将系统划分为不同的任务模块，任务模块在调度程序的管理下，根据各自的优先级，从高到低轮流获得CPU等资源完成任务的执行。而对于实时性非常高的任务，则定义为中断处理模块，一旦获得中断触发信号，立刻中断当前任务，转入中断处理模块执行。执行完毕后再恢复当前任务。

任务划分的好坏直接影响系统的性能和执行的效率。任务划分的越多，任务程序越短，其执行时间越短，其任务就能越快的执行，系统的及时性就越好，但是任务划分的太细，调度模块的负担就增大，任务本身能使用的资源就相对减少。因此，任务的划分主要是依据功能，执行频率，实时性和优先级的差异，划分的任务功能上尽量相互独立，任务之间的关联性要弱。

根据电控系统的功能要求和任务划分的原则，将整个控制系统的任务划分如下：

任务1－发动机转速计算；任务2－发动机状态管理；任务3－喷油定时计算；任务4－喷油量计算；任务5－离散量扫描；任务6－模拟量采集及处理；任务7－励磁信号计算；任务8－转速目标更新；任务9－主从ECU通讯处理；任务10－故障诊断和处理。

另外还有14个中断处理程序，分别是 ⑴ 曲轴传感器1中断；⑵ 曲轴传感器2中断；⑶ 凸轮轴传感器中断；⑷RTI实时中断；⑸喷油驱动中断。共有10个中断，控制8个气缸的喷油，其中有8个低位中断，2个高位中断。

软件的基本结构如图2所示。

图2 电控软件的基本结构

3 柴油机电喷系统的控制策略

将先进的电子控制技术应用于柴油机的燃油控制中无疑是柴油机发展史上具有里程碑意义的技术突破，但其实施依赖于良好的控制策略。控制策略的好坏，决定了控制软件的成败。因此，对柴油机控制中的算法和策略的研究非常重要。

3.1 柴油机状态管理

柴油机的运行工况由转速和功率两个参数来唯一表示。其中转速更是反映柴油机运行状态的最基本参数。根据柴油机转速将柴油机的状态分为停车、旋转、启动、运行、超速5个状态。5个状态之间有3个转速标志点分别是启喷转速、启动成功转速、超速转速。

发动机状态管理模块根据转速计算模块计算出的发动机当前转速，进行状态判别，然后转向相应的功能模块进行处理。

当柴油机转速为0时，进入停车模块处理。

当0＜柴油机转速＜启喷转速时，认识到柴油机已经转起来了，但此时因转速太低，禁止燃油喷射，此时，根据捕捉到的曲轴传感器信号脉冲，进行缺齿分析，只有找到缺齿，才具备喷油定时控制的基准，找到缺齿后，称发动机已经同步，同步是喷油的必要条件之一，如果未能同步，即使后面转速超过启喷转速，仍然不能喷油。

当启喷转速＜柴油机转速＜启动成功转速，进入启动控制模块，确定启动喷油量，如果此时发动机已同步，则向气缸内喷油，柴油机启动。

当启动成功转速＜柴油机转速＜超速转速，进入运行模块，柴油机按照设定的转速稳定运行。

当柴油机转速＞超速转速，进入超速控制模块，迅速停止喷油，使柴油机停机。

3.2 喷油定时控制

喷油定时控制的基础是安装在曲轴上的一个带缺齿的测速齿盘，安装时，缺齿的相位相对柴油机第1气缸发火上止点保持一个固定的角度，软件内部，在判断出缺齿位置后，根据安装时缺齿的相位角推出柴油机第1气缸发火上止点，获得喷射定时的基准。

国产6 000PS的R16V280ZJ柴油机，测速齿盘是120齿，缺1齿，曲轴旋转1圈，将产生119个脉冲。从1到119对脉冲进行编号。

组装测速盘时，使曲轴处于第1气缸上止点，顺着曲轴旋转方向，保证传感器到缺齿的角度为B。软件内部检测到缺齿时，认为经过曲轴转角B将是柴油机第1气缸上止点。对于凸轮信号，组装保证曲轴处于第1气缸压缩上止点时，传感器到凸轮信号齿的夹角为C。软件检测到凸轮脉冲信号，置标志位，在期望的时间内（夹角C）曲轴传感器检测到第1气缸上止点为压缩上止点，否则检测到的上止点为排气上止点。

喷油始点一般在上止点前，称为供油提前角，设为A，真正的喷油定时点是B－A角度。

软件工作流程是由一个整数变量记录曲轴脉冲编号，在检测到缺齿后，将缺齿后的第1齿定义为1，每检测到一个脉冲，编号加1.，满119后重新记录为1。

假设B＝31°，A＝11°，曲轴脉冲间隔角为3°，喷油时刻为（B－A－3）／3＝5余2°。即真正的喷油时刻在5号脉冲到来之后的2°曲轴转角。2°角对应的时间t＝2×1／6n，（n是当时的柴油机瞬时转速，瞬时转速可以根据两个脉冲之间的时间间隔计算），软件内在计数到5号脉冲后，延时t，开始第1气缸喷油。

根据发火次序和发火间隔角，可以计算出其余各气缸的喷油脉冲号和延时时间。曲轴、凸轮轴传感器相位图如图3所示。

图3 曲轴、凸轮轴传感器相位图

3.3 喷油量控制

喷油量的控制采用的是闭环控制模式，控制的目标是柴油机转速，如果当前转速与目标转速发生偏差时，根据转速PID控制算法计算出新的喷油量，并根据检测到的进气压力，进气温度，冷却水温度，对喷油量进行修正，再检查当前转速下喷油量是否有限制，如果有，修正后的喷油量不得超过限制值，两者取其小的值为最终喷油量。最后，根据转速和最终喷油量在喷射MAP图中查表求出当前的喷射脉宽，软件的喷射模块根据喷射脉宽控制喷油泵电磁阀，完成喷油量控制。喷油量的控制过程如图4。

图4 喷油量控制策略

转速PID控制采用增量式PID算法，其算法为：

式中Kp、Ki、Kd为比例、积分、微分系数。

3.4 励磁控制策略

为实现机车柴油机和主发电机恒功运行控制，电喷控制器需输出一个励磁控制信号。机车控制回路根据励磁信号变化，改变主发电机的励磁，实现调节主发输出功率的目的。

励磁信号也采用闭环控制，控制目标是喷油量，如果当前喷油量与目标喷油量有偏差，根据增量式PID控制算法，计算出励磁信号的增量，与前次励磁信号相加，得到新的励磁信号，主发电机输出功率相应改变。具体的控制逻辑是：

①当主发输出功率＋辅助功率＝柴油机输出功率时，当前喷油量＝目标喷油量。

②当主发功率增加或辅助功率增加，导致主发输出功率＋辅助功率＞柴油机输出功率，引起当前喷油量＞目标喷油量，计算后得到一个负的励磁信号增量，最终控制器输出数值减小励磁信号，主发功率下降，柴油机输出功率保持不变。

③当主发输出功率＋辅助功率＜柴油机输出功率时，当前喷油量＜目标喷油量，励磁信号增加，主发功率增大，柴油机输出功率保持不变，即实现了在任何情况下，柴油机输出功率保持恒定。

3.5 启动控制策略

由于柴油机启动时，转速低，燃油雾化效果差，特别是冷启动时，气温和燃油温度都较低，因此，如果采用与正常工作相同的喷油控制策略，必然导致柴油机启动困难。

为了迅速启动柴油机，通常采用加大喷油量的方法，有两种方式，一种采用固定喷油量，一种采用变启动油量的方式，根据启动时的进气温度，燃油温度，滑油温度，转速的变化，动态调整喷油量。

第1种方式控制简单，而且实践证明效果不错。

第2种方式控制复杂，容易造成启动失败，但是可以实现柔和启动，减少冒炭烟的几率。

无论采用哪种方式，一旦启动成功，转入转速PID控制模块，需要迅速将喷油量减少到正常水平，否则转速超调很大。

4 试验验证

在R16V280ZJ型3＃柴油机上进行了国产控制器的启动试验，空载升降速试验和带载运行试验。该柴油机原采用进口Heinzmann的电喷控制器。试验结果表明，国产控制器的控制水平与进口控制器的已完全一致，具备了线路运行考核试验的条件。试验结果见图5～图9。

图5 启动试验

图6 空载逐档升速试验

图7 空载降速试验

图8 突升、突降转速试验

启动时，转速超调小，空载运行稳定，转速波动小，一般不超过±5r／min，偶尔有8～9r／min的波动，一般1～2次后就迅速稳定。档位切换过程中，转速能实现平稳升降。

在带载功率试验中，柴油机各项参数指标与进口控制器相当，装车功率点的油耗测得199.1g／（kW·h），相同功率点采用进口控制器测得油耗为198.9g／（kW·h），两者结果相当。

图9 带载性能试验

5 结束语

本文详细论述了机车柴油机嵌入式电控软件的控制策略和算法，介绍了喷油定时机制的实现和喷油量的控制。描述了机车恒功运行控制的方法。

本软件运行于飞思卡尔MC9S12XEP100芯片上，成功实现了对国内单机功率最大的6 000PS机车柴油机的运行控制，试验结果表明，该软件对柴油机的启动过程、运行过程稳定控制，动态响应快速，达到进口控制器的水平，实现了预期目标。

［1］周文华 高压共轨电控喷油系统控制算法研究［J］.内燃机工程，2002，23（4）：30－33.

［2］任 亮.高压共轨柴油机电控喷射系统软件设计［D］.北京：清华大学，2004.

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