内燃机车大功率柴油机电控系统试验研究_曹恒
大功率柴油发动机性能试验自动化监测系统
大功率柴油发动机性能试验自动化监测系统
胡俊达;杨跃龙
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2003(000)004
【摘要】文章介绍了一个车用大功率柴油发动机性能试验自动化监测系统,着重阐述了系统的构成、监视、检测与控制功能.
【总页数】2页(P52-53)
【作者】胡俊达;杨跃龙
【作者单位】湖南工程学院,电气与信息工程系,湖南,湘潭,411101;湖南工程学院,电气与信息工程系,湖南,湘潭,411101
【正文语种】中文
【中图分类】TP274.4:TP274.2
【相关文献】
1.大功率柴油发动机前端轮系自动张紧机构研究 [J], 杨献学; 郭文天; 曹寓
2.大功率柴油发动机配气相位与提前供油角度调整注意事项 [J], 仲崇成;苟方怀
3.大功率柴油发动机维护保养与维修 [J], 仲崇成;苟方怀
4.大功率柴油发动机电控系统故障诊断与分析 [J], 仲崇成;王柏武
5.大功率船用柴油发动机缸压测量研究 [J], 陈宗煌;陈红佑;吴超
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科技成果——柴油机综合电控系统
科技成果——柴油机综合电控系统成果简介
电控系统被称为柴油机的“大脑”，是柴油机的重要组成部分，对提高柴油机的自动化水平、经济性、动力性和改善排放等具有重要作用。
柴油机电控技术水平的高低已经成为衡量柴油机先进性的重要标志，是柴油机产品核心竞争力的重要体现。
作为专业从事动力装置自动控制与测试技术研究和产品开发的单位，研发的柴油机综合电控系统具有电控燃油喷射、缸排断油与相继增压控制、齿轮箱控制、系统运行状态监测及数据记录、安全保护、远程数据传输等功能，其技术水平处于国际先进。
采用的关键技术有：柴油机电控燃油喷射和综合性能优化控制技术、电控系统的冗余热备份技术、系列化执行器及其驱动设计与匹配技术、冗余通讯技术、软硬件设计技术等。
现已形成系列化产品，产品投入市场8年，目前产品成功应用到船舶、电站、铁路机车领域，可根据用户需求开发或定制产品。
该项目获2010年国家技术发明二等奖，获授权发明专利14项，编写相关国家和行业标准6部。
项目成熟情况
该技术具有完全自主知识产权，产品成熟。
应用范围
可应用于船舶、铁路、公路、电站、工程机械等柴油机，也可推广应用于双燃料发动机和气体发动机。
HXN5B型大功率交流传动内燃机车整车型式试验浅析
HXN5B型大功率交流传动内燃机车整车型式试验浅析摘要: 详细介绍了HXN5B型大功率交流传动调车内燃机车型式试验的情况，并对其发展的前景进行展望。
关键词: HXN5B型机车; 大功率; 调车; 型式试验HXN5B型大功率交流传动内燃机车( 以下简称HXN5B型机车) 是为解决我国现有调车机车与干线机车牵引定数不匹配而研制的新一代调车机车，适用于大、中型编组站的编组、调车作业及小运转。
该机车以南车戚墅堰机车有限公司( 以下简称戚机公司) 4000 马力等级机车平台为基础，充分借鉴既有机车的技术，对机车可靠性、可适用性、可维护性及瞭望条件等方面进行了优化设计和改善提高，并针对调车机车的特点优化了机车的牵引性能［1］。
为了验证HXN5B 型机车性能，在铁路总公司的组织下，中国铁道科学研究院机车车辆研究所(以下简称铁科院) 负责进行了机车型式试验。
试验结果表明，机车各项性能均符合试验大纲要求，满足试验指标。
1试验大纲概述HXN5B型机车整车型式试验大纲是经铁路总公司批复，戚机公司依据GB /T 3315－2006《内燃机车制成后投入使用前的试验方法》、GB /T 3314－2006《内燃机车通用技术条件》、《4400马力交流传动调车内燃机车设计任务书》、《戚墅堰公司交流传动调车内燃机车技术规范》生成的，主要进行动力学性能试验、承载结构强度试验、冬季防寒保温试验、牵引特性试验、最大起动牵引力试验、夏季高温高海拔试验、冷却系统性能试验、柴油机功率试验、燃油消耗量试验、制动试验及其他大纲规定试验［2］。
试验在2012年11月～2013年8月间进行，铁科院、戚机公司共同开展了HXN5B型机车整车型式试验。
2 试验情况2．1 动力学性能和承载结构强度试验为了考核HXN5B型机车在实际运行中转向架等关键承力部件的动应力，验证转向架等关键承力部件的机械应力安全度是否满足机车设计条件及标准规定的强度要求和运用里程( 年限) 要求，在北京铁路局管内京承线及京秦线进行了动力学和承载结构强度试验。
高压共轨电控系统柴油机在孟加拉内燃动车组中的应用浅析
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中 图分 类 号 ： Ｕ ２ ６ 文献 标识 码 ： Ａ
在 孟 加 拉 内燃 动 车组 项 目中采 用 的 柴 油机 是德 国 Ｍ Ａ Ｎ公 司的 Ｄ ２ ８ ７ ６ Ｌ Ｕ Ｅ ６ ２ ２ 高压 共 轨 系统 电控 柴油 机 。Ｍ Ａ Ｎ柴 油机 般 应 用 于 国 内汽 车 行 业 或是 船 舶 行 业 应 用于 铁路 机 车还 是 首 次 。机 车发 电用 的 柴 油机 比船 舶 应 用 柴 油 机 对 调 速 的 要
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２ ２一 中国新技术新产品
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高 新 技 术
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探 究北 方地 区建筑外 墙渗 漏 的原 因及控制措施
赵学君
（ 辽宁城开地产集 团有限公司 ， 辽 宁 沈阳 １ １ ０ ０ ３ ６ ）
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高 新 技 术
高压 共 轨电 控系 统 柴油 机在孟加 拉内 燃动 车组中 的 应用 浅 析
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机车柴油机数字式电子调速器
文章编号: 100028608 (2000) 0320326204机 车 柴 油 机 数 字 式 电 子 调 速 器段 军, 孙 宝 元, 曹 恒( 大连理工大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116024 )摘要: 为提高我国内燃机车柴油机的调控水平, 研制一种以M C S 280C 196KC 单片机为核心的机车柴油机数字式电子调速器, 介绍了其硬件结构和软件设计方法. 配机实验表明该调速器在 性能上优于目前正在使用的机械液压式调速器, 并且在控制方式智能化和功能扩展能力方面显 示了其优势.关键词: 柴油机; 调速器; P I D 控制ƒ单片机 中图分类号: 文献标识码: T K 407. 9 A在我国, 铁路运输事业在国民经济中一直占有比较重要的地位. 而以柴油机为动力的内燃机车 又在铁路运输中居主导地位, 并且内燃化还在进 展. 随着“九五”期间乃至2000 年以后内燃机车向 着“重载、提速”这一目标前进, 对柴油机的动力性 能提出了更高的要求. 目前机车上装备的机械液 压式调速器由于各可调参数是一次性调定供各工 况使用, 这样一来柴油机的稳定性和动态指标、怠 速和负载性能很难兼顾, 造成柴油机调控水平低, 特别是在重载高速机车上柴油机的调控性能不好, 这是一个比较突出的问题 1 .根据我国内燃机车行业的目前状况, 在不改变 现有机械式燃油系统的情况下, 利用微电子技术, 即用数字式电子调速器代替正在使用的机械液压 式调速器, 既是提高我国内燃机车技术水平、产品 档次和运行质量的一条捷径, 又不至于大幅度提高 成本, 便于用户和生产厂家接受. 另一方面, 柴油 机的微机控制又是整个机车微机控制的基础, 这也 会为今后这一目标的实现提供保障.移 z 相 比, 经 P I D 调 节 器 2 计 算 出 脉 宽 调 制 信 号的占空比. 该 P W M 信号控制执 行 机 构 动P W M 作, 以拉动喷油泵供油齿条, 来调节柴油机的循环供油量, 最终达到即使在负载发生变化的情况下也 能使柴油机在给定转速点稳定地工作这一目的.柴油机的数学模型难以准确建立, 并且离散性 较大, 再加上硬件运算速度的制约, 因此目前柴油 机数字式电子调速系统应用最普遍和效果较好的 控制算法仍为 P I D 控制, 即:1 tt ∫i u ( t ) = e ( t ) + e ( t ) d t + (1) k p t d0 式中: u ( t )、e ( t ) 为调节量和转速偏差量; k p 、t i 、t d 分 别为比例增益、积分和微分时间常数.在数字式 P I D 调节器中, 调节规律由差分方 程实现, 数字 P I D 控制算法采用一般常用的后向 差分近似, 即:kk i6 e ( j ) + kd[ e (k ) - e (k - 1) ]u (k ) = k p e (k ) + j = 0(2)k p T ƒt i , k d = k p t d ƒT 分别为积分系数和微 为采样间隔.式中: k i = 分系数, T工作原理本文提出的数字式电子调速器基本工作原理如图1所示, 该调速器是一个转速、供油齿条位移1P I D 控制虽然具有一定的鲁棒性, 但是对于像柴油机这种包括气体流动、往复机械运动、燃油喷 射、油气混合、燃烧膨胀等诸多过程的非常复杂的 非线性瞬变系统, 再加上机车柴油机工况的千变万 化, 用一组固定不变的 P I D 参数显然不能满足控制 上 的 要 求, 特 别 是 在 大 动 态 情 况 下 2 、3. 因 此,P I D 参数随工况的智能调整是一个成功的数字式闭环串级 P I D 控制系统. 通过转速传感器反馈的 柴油机实际转速 n 与给定转速 n g 相比产生转速偏 差 e , 经 P I D 调节器1计算得出喷油泵供油齿条的 计算位移 z g , 再与位移传感器反馈的齿条实际收稿日期: 1999204227; 修订日期: 2000203210基金项目: 铁道部铁路科技研究开发计划资助项目 ( 98J 17)作者简介: 段 军 ( 1964～ ) , 男, 博士生; 孙宝元 ( 1937～ ) , 男, 教授, 博士生导师.d e ( t )d t段 军等: 机车柴油机数字式电子调速器第3期327电子调速器的关键所在. 通过转速偏差及偏差变 化率判断动态情况, 通过齿条位移判别工况, 并依 此来调整 P I D 参数; 另外, 根据转速限制最大供油 量, 这些智能控制思想用软件实现起来非常方便, 也体现了数字式 P I D 调节器智能化的优势所在.司20世纪90年代中期推出的M C S 280C 196KC 这一16 位单片机配以外扩的 RAM 、E P ROM 等集成电 路组成单片机应用系统, 结构框图如图3所示.80C 196KC 单片机具有性能高、运算速度快、 指令丰富、编程效率高等优点. 时钟频率16 M H z, 可升至20 M H z, 可寻址 空 间 64 kB , 内 部 包 括 256 b i t 的寄存器阵列和特殊功能寄存器, 另外还增加 硬件设计数字式电子调速器的硬件主要由控制器、执行机构和各种传感器组成, 其结构框图如图2所示.2. 1 控制器控制器主要完成调速与控制计算、系统工作状 态监测、人机对话以及与 PC 机通讯联络等功能, 它是数字式电子调速器的核心部分, 采用 In t el 公2了256 b i t 的 RAM , 这些 RAM 靠“垂直窗口”也可 以由 RA L U 直接访问, 因而给程序设计带来很大 方便. 高速输入输出单元 H S I ƒH S O , 可检测和产 生脉冲的分辨率高达1 Λm ; 并带有采样保持电路 的8通道10位 A ƒD 转换器、中断控制器、全双工串 行口、两个16位定时器和一个监视定时器 4.PW M图2 数字式电子调速器硬件结构框图F ig 12 T h e sch e m a t i c o f h a r d w a r e st r uctu r e o f d i g i ta l e l ect r o n ic g o ve r no r出 ΖΖ ΖΖΖ Ζ Ζα 图3 控制器结构框图启动停车控制 模态8255A8279 显示键盘RAME P ROM数 据 地址 总线 PC 机双端口 RAM转速给定电位器控制器 (单片机 应用系统)驱 动 电 路力 矩 电 机柴 油 机齿条位移传感器转速传感器执行机构大连理工大学学报第40卷328转速反馈信号由高速输入H S I.1引入; 齿条位移反馈信号和给定转速信号由A ƒD 转换口输入; 率来实现, 频率的高低取决于力矩电机的频响特性. 频率太高, 电颤振作用不明显; 频率太低, 力矩电机会发生显著的颤振, 以致使控制精度恶化. 实际应用中综合权衡选取之.为提高P W M 信号的分辨率, P W M 出H S O. 2和H S O. 3输出.另外通过并行接口芯片8255A 信号由高速输扩展了开关量软件设计系统软件由主控制程序和若干个功能模块(子程序)、中断服务程序所构成. 其中主程序完成系统各硬件芯片的工作方式初始化和任务调度管理;启动、停车、控制计算、人机交互等任务由相应的功能模块完成; 而反馈信号采集、P W M 输出等实时性要求高的过程, 则采用中断控制方式由相应的中断服务程序完成. 软件框图如图4所示.由于实时控制不是在中断服务程序中执行, 而是采用调度程序来控制各模块( 任务) 是否执行及执行顺序, 这样一来, 当由中断控制的采样控制周期到来时, 必须首先执行调度程序, 即退出该中断服务程序时必须返回到调度程序, 而不能返回到原来的断点. 因此, 为保证软件的正确运行, 中断返回地址的修改将是软件设计的关键. 这在M C S96汇编程序中, 可通过改变堆栈中返回地址的内容来实现, 即在中断返回指令R E T执行之前将调度程序地址放到中断堆栈的顶部, 从而代替原来的中断返回地址.另外任务调度管理的软件设计思想也为今后系统功能的扩展带来了方便, 需要增加功能只需编制相应的功能模块, 再在调度程序中加以安排即可, 而不必对中断服务程序做大的改动.3输入; 通过8279芯片实现了人机对话; 通过双端口RAM I D T7132实现与PC 机之间的并行通讯.2. 2 传感器本系统要采集的模拟信号有两个: 齿条位移反馈信号和给定转速信号. 前者由电位器式位移传感器采得, 后者由一旋转式电位器给出.柴油机转速反馈信号由一与柴油机曲轴同轴的齿轮发出, 用一磁电式转速传感器检测, 该信号类似于正弦信号, 需经整形以变为单片机能接受的矩形脉冲信号.2. 3 执行机构执行机构由通用永磁直流力矩电机及复位弹簧、摇臂连杆组成. 力矩电机由于其力矩惯量高、动态反应快、线性度好, 能双向调节, 且可持续工作在堵转工况等特点, 原理上很适合于此应用场合,但摩擦阻力矩偏大, 因而静态特性不佳. 因此能否有效地克服摩擦阻力、改善静态特性, 是通用力矩电机能否用做柴油机调速执行元件的关键. 克服摩擦阻力的一种有效方法为施加颤振信号, 以颤振信号使力矩电机沿回转方向产生一个高频微振, 使静摩擦力减小. 在柴油机调速系统中可利用的颤振信号为电颤振和柴油机运转时产生的机械振动.其中电颤振作用可通过选择适当的P W M 调制频图4 程序框图F ig14 T h e sch e m a t i c o f p r o g r am段 军等: 机车柴油机数字式电子调速器第3期329和、超调小、过渡时间短, 明显优于机械液压式调速 器, 而且空载波动率也与机械液压式调速器相当, 带载当然更不成问题, 动态过程也令人满意. 可以 预计随着控制参数进一步优化, 油、水、气各分系统 的温度和压力信息的引入, 将会实现在各工况下对 柴油机的最优调控, 这样柴油机的可靠性、经济性 都将得到大幅度提高.配机实验结果与讨论在柴油机数字式电子调速器的研制过程中, 先后在6135型柴油机和16240Z 型柴油机上进行了台 架实验, 结果令人满意. 并且在16240Z 型柴油机 上与机械液压式调速器进行了启机 ( 430 r ƒm i n ) 和 空载稳定性对比实验, 结果如图5、表1所示. 图6为 负载100% 突加突卸 ( 800 r ƒm i n ) 时柴油机的响应 曲线.4图 6 负载突加突卸时柴油机响应曲线F ig 16 T h e re s po n se cu r ve s o f suddenl o ad ch a n ge o f d i e se l en g i n e图5 启机过程柴油机响应曲线F ig 15 T h e re s po n se cu r ve s o f sta r t i n g of d i e s e l en g i n e参考文献:表1 标定转速下空载转速波动率实验数据T ab 11 T h e te s t da t a o f s p e ed ch a n g i n g ra t e a tn g w h e n un l o aded1铁道部大连机车车辆工厂. 东风4B 型内燃机车柴油机M . 大连: 大连理工大学出版社, 2 W oo d w a r d G o ve r no r Com p a n y .1993.723D ig ita l Speed E n g i n e s -D SL C T MΩƒ%n ƒ( r r m in - 1) 机械液压式数字式Co n tro lf o rRec i proca t i n g430500 600 700 800 900 0. 9 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 1. 00. 8 0. 7 0. 5 0. 4 0. 3 Co m pa t i b le O p era t i o n an d Ca l ibra t i o n M an u a l M . U S A : W oo d w a r d G o ve r no r Com p a n y , 1996.中谷俊彦. 舶用主机 E °L のY J S 自动调整 に 关 する 研究 J ]. 日本舶用机关学会志, 1997, 32 (10) :7852791. 31 000 0. 3 0. 3实验结果表明, 该数字式电子调速器的研制是 成功的. 由于智能控制思想的引入, 启机过程柔陈宝江, 翟 勇. M C S 单片机系统实用指南 M . 北4京: 机械工业出版社, 1997.A n e w d ig i ta l el ectron ic govern o r f o r l ocom o t i ve d iesel en g i n eDUANJ un ,SUN B a o 2y ua n ,CAOHe ng( S c h oo l of M e c h . Eng . , D a lia n U n i v . of Te c h no .l , D a lia n 116024, C h i n a )A b stra c t : A ne w k i nd of d i g ita l e l ect r on i c gove r no r is p ropo s ed i n th is p a p e r to i m p rove the con t r o lcap a b i lity of th e l o com o t i ve d i e s el eng i ne s m ade i n C h i na . T h e d i g i ta l e l ect r on i c governo r is ba s ed on the 162b it m i crocom p u te r typ e In telM C S 280C 196KC . T h e m ethod fo r de si gn i ng th e h a rdw a re and the s of t w a r e is i n t roduced. O n li ne exp er i m en t s p rove tha t the ne w d i g ita l e l ect ron i c gove rno r is sup e ri o r i n p e rfo r m a nce t o the o l d k i nd of m echan i ca l 2hyd rau li c gove rno r st ill i n u se now. T h e ne w governo r ha s show n m a ny advan t age s i n i n t elli gen t con t r o l and funct i o n exp a n s i o n fo r the l o com o t i ve d i e s el eng i ne s .Key words : d i ese l eng i ne; gove r no r ; P I D con t r o l ƒsi ng l e 2ch i p m i c rop rocess o r。
HXN3型内燃机车电传动控制系统研究分析
HXN3型内燃机车电传动控制系统研究分析【摘要】本文详细阐述了HXN3型内燃机车的各系统的工作原理，主要包括：交流传动系统、辅助供电系统、网络通讯系统、空气制动系统等，结合内燃机车的性能特性分析了目前HXN3机车电传动的矢量控制、PWM控制等技术、网络通讯控制的观点以及方法。
【关键字】内燃机车；电传动；控制技术1 引言随着经济的快速发展，铁路运输业的得到了迅猛发展，为此机车“客运高速，货运重载”的需求也越来越大，未来提高大功率内燃机车的性能，逐渐将先进的交流电传动技术应用于HXN3内燃机车，这不仅提高了内燃机车机车的技术水平，也提升了铁路装备的制造水平。
为此，HXN3内燃机车的交流电传动技术需要更深一步分析研究。
近十几年来交流电传动技术以及相关的控制技术已经逐渐应用于内燃机车控制过程，为满足铁路运输属于需求的内燃机车的大功率要求，对内燃机车的交流电传动技术以及与之相关各个系统的控制技术进行研究和分析，是目前铁路机车研究领域中的一个重要方向。
2 内燃机车电传动简介2.1直流电传动直流电传动是电力机车较普遍应用的一种传动方式，再工作过程输入直流电机的电能与机械能进行可逆的转换。
内燃机通过具有弹性性质的联轴节来驱动直流发电机，发电机把内燃机曲轴上的机械能转变为可以调节控制的直流电能，经直流牵引电动机把电能转变为转速以及转矩都能够进行调节的机械能，然后通过联轴节连接齿轮箱，经过齿轮箱驱动机车动车轮对，这样来实现牵引控制。
这种传动方式的发电机和牵引电动机都是釆用直流电机，所以也称为直-直电传动。
2.2交-直流电传动伴随内燃机功率与转速的逐渐提高，内燃机车逐步向大功率方向发展，但是直流牵引发电机的功率输出由于受到换向以及机车功率限界等各个因素的制约限制，单台内燃机功率一般被限制在2200KW以内，直到上世纪60年代，大功率机车的整流技术逐步成熟，交-直流电传动技术得到了广泛应用。
交-直流电传动属于直流调速系统，他是采用交流牵引发电机，交流牵引发电机输出的三相交流电，经过整流器将交流整流转变为直流，然后再经过直流牵引电动机通过联轴节来驱动机车动车车轮，直流牵引发电机相比，这种交流传动方式的牵引发电机具有无换向器的特性，这种方式结构简单，运行安全可靠，并且维护简单。
试析内燃机车大功率柴油机电控系统试验
试析内燃机车大功率柴油机电控系统试验图2 构件质量追溯标志制定与运用4 新型质量追溯体系的应用价值装配式BIPV全寿命光伏阵列构件要经历设计、生产、安装、运营等多个环节，以RFID技术为跟踪手段，质量追溯需要分别准确采集每个批次与构件质量追溯紧密相关的企业认证、原材料入库检验、构件赋码、生产过92研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用中国设备工程 2023.07 （下）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。
交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法[发明专利]
![交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a58a2ef210a6f524cdbf854e.png)
专利名称：交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法
专利类型：发明专利
发明人：冯江华,张朝阳,许峻峰,杨文昭,陈乐生,倪大成,何良,刘可安,尚敬,南永辉
申请号：CN201310472809.X
申请日：20131011
公开号：CN103490674A
公开日：
20140101
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统，包括：蓄电池、第一接触器、第二接触器、第三接触器、二极管、电容、斩波控制电路、逆变器、同步发电机、柴油机、电压电流信号处理电路、位置信号处理电路、驱动控制系统、机车控制系统和接触器驱动电路。
本发明还公开了一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统设计方法。
本发明通过设计二极管和电容，能够实现当系统出现故障，存在电流反充时，通过二极管的单向导通特性阻断电流对蓄电池的反充，同时通过故障保护逻辑，防止电流完全反充给电容。
通过对系统中的蓄电池、同步发电机和逆变器的设计，能够实现从系统的角度来进行最佳的匹配设计，为交流内燃机车电气牵引系统的设计提供了依据。
申请人：南车株洲电力机车研究所有限公司
地址：412001 湖南省株洲市石峰区时代路169号
国籍：CN
代理机构：北京集佳知识产权代理有限公司
代理人：王宝筠
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试验研究内燃机车大功率柴油机电控系统试验研究1)Investigation on the Elec tronic Control System of Heavy Duty Diesel Locomotive曹 恒 孙宝元 段 军 (大连理工大学)潘大德 李天福 (大连内燃机车研究所)摘要 介绍了基于位置控制式的内燃机车大功率柴油机电控系统的开发和试验研究,进行了可靠性、抗干扰性、启动特性以及扭矩加载特性等试验,提出了实用化的柴油机电控系统实施方案。
关键词:柴油机 电子调速器 微控制器 内燃机车 中图分类号:TK417柴油机电控技术的应用是90年代内燃机技术发展的重要标志。
随着微控制器可靠性的提高与应用技术的成熟,传统使用的柴油机机液调速器已经迅速向数字式电子调速器的方向发展,国内外已经相继开发了各种柴油机电子调速系统。
在铁道部 九五!科技发展计划项目 机车计算机控制关键技术!课题子项的研究中,我们研制开发了基于位置控制式喷油系统的柴油机电控系统,并分别对Z6135和16V240ZA 两种柴油机进行了试验台配机试验。
对电控系统在改善启动特性、带载扭矩特性以及可靠性和抗干扰性等方面进行了考核,为上车实际运行积累了经验。
试验结果表明,在目前国情下,这种基于位置控制的内燃机车大功率柴油机电控系统设计方案在技术上是成熟可靠的,在国内大功率内燃机车制造、使用和维修保养工艺水平的现状下,是实用可行的。
1 电控系统功能模块简介机车柴油机电控系统是列车级计算机控制管理系统中最重要的核心部分,是对列车进行计算机控制管理的基础。
我们研制的柴油机电控系统主要由控制器、执行器、传感器、控制输入和输出5部分组成,系统的软、硬件为模块化设计。
按照不同功能,硬件分为主控模块、信号调理模块、齿条驱动模块、通讯模块和监控模块等。
在硬件设计中采用了一些新元器件用以提高系统的可靠性和整机性能,例如隔离放大器、有源滤波器、功率MOSFET 、双端口RAM 和80C196KC 等等。
试验用的Z6135柴油机配机示意图见图1。
图1 Z6135柴油机电控系统配机试验示意1.1 主控模块 为了保证参数实时采集和控制要求的运算速度,用Intel80C196KC 构成微控制器系统,采用串级控制PID 算法(见图2)。
试验表明,16位微控制器能够满足串级PID 算法并兼顾系统的监控管理功能要求。
但是若使用复杂的控制算法并添加管理功能,采用有浮点运算功能的32位微控制器较好,或者在硬件上对16位微控制器做相应调整,例如改为CPU 多主结构。
1.2 信号调理模块 按照信号的输入特征定义为频率量输入、模拟量输入和开关量输入。
频率量输入 采用磁电式传感器,输出电压0.2V~18V,经整形后,通过80C196KC 高速输入HSI 端口,使用定时器/计数器功能对磁电式传感器给出的两个脉冲宽度之间的计数值进行累加,计算后得到柴油机实际转速。
为提高采样精度在转速信收稿日期:1999 09 131)铁道部 九五!铁路科技发展计划(98J17)项目第一作者简介:曹 恒,男,1954年生,副教授,在职博士生,主要研究方向:模糊智能控制,柴油机电子控制与仿真。
116023,大连理工大学机械系传感测控研究所。
第1期(总第125期)2000年2月 车 用 发 动 机VEHICLE E NGINENo.1(Total No.125)Feb.2000号采样中使用了曲轴角度域采样方式。
对辅助设备例如增压器、冷却风机等使用转速表输出脉冲信号即可满足测量精度。
模拟量输入 是指司机转数给定、齿条位置反馈、主发电机电流、电压、励磁、6个牵引电机电流信号等等,另外还包括油温、水温等。
经80C196KC 片内的8路10位A/D 进行转换,并设计有量程放大电路。
开关量输入 来自机车驾驶室控制面板上的各种手动输入开关。
1.3 齿条驱动模块 电控系统执行器使用直流力矩电机,经MOSFE T 管H 桥电路驱动后推动齿条,最大行程25mm,机电时间常数3ms 。
执行器的位置反馈使用了滑环式电位器。
在众多传感器中,对控制发动机动态特性影响最大的是执行器齿条(油门)位置反馈和转速反馈传感器。
这两个反馈信号是单脉冲位置控制电控系统的关键(注:在双脉冲位置控制电控系统时,增加了发电机电压、电流反馈信号)。
目前齿条位置反馈传感器主要有接触式和非接触式两种,在试验中使用了前者。
除了上述3个主要部分,电控系统ECU 还包括操作、调试接口,另外使用华远系列工控机,对转速、图3 电控系统EC U 试验板照片齿条位置等数据进行实时监控,为调整控制参数提供依据。
检验设计目的用的电控系统EC U 试验板见图3。
2 抗干扰性和可靠性措施机车柴油机电控系统能否上车正常运行,难点是系统本身的抗干扰性和可靠性。
由于电控系统在有强烈空间电磁信号干扰的环境中工作,在运行中自身产生的电磁信号又形成内部的干扰源,所以在抗干扰设计中,必须充分考虑到这些因素的影响和采取有效的措施,对外部干扰采用滤波削减,对内部干扰则用合理的电路设计来避免。
通过在16V240ZA 和Z6135两种型号柴油机的台架试验,证明采用以下措施是有效的。
2.1 抗干扰性措施微处理器的选择 尽可能选用较低的微处理器总线时钟频率,以降低控制器内部的电磁辐射量。
在比较Intel 公司32位和16位微控制器的性能特点以后,根据实际情况使用了16位80C196KC 作为微控制器,主频为16MHz,并充分利用微控制器片内的A/D 功能,减少外部电路。
信号滤波电路 使用了硬件滤波和带隔离的高精度运算放大器,充分滤除信号频率以外的干扰信号。
高可靠性抗干扰电源 电控系统供电要求以蓄电池组方式供电。
试验证实,在机车柴油机起动瞬间由于蓄电池组输出大电流的影响,其瞬态电压最低可降至38V,而当辅助发电机工作时其供电电压最高可达150V,输入电压变化范围高低之差将近4倍。
为了满足机车电控系统的特殊供电要求,采用了专用电源。
电源供电回路分开 为了防止共用电源回路而带来的级间耦合干扰,对不同的控制模块采取电源供电回路各自分开的形式,主要分为主控模块供电14 车 用 发 动 机 2000年第1期回路、齿条驱动模块供电回路和信号调理模块供电回路3个部分。
信号的接地方式 定义数字信号地、模拟信号地、电源地、功率放大噪声!地、保护地、机构和设备金属件!地等等,采用信号回路各自分别接地后再在1点公共安全接地的做法。
实践证明,如果能把接地和屏蔽正确结合使用可以解决大部分噪声问题,因此在系统设计中对接地方式必须充分给予注意。
值得特别指出,在模拟信号输入电路中,为了排除模拟信号屏蔽层接地环流的噪声干扰,采用高精度隔离运算放大器,将接地环路截断,该方案有较高性能价格比,实际使用效果良好。
2.2 提高可靠性的措施机车电控系统可靠性设计的原则之一是在系统的每个部分、每个程序中都设计有信息反馈功能,以便确认预期性能是否真实地起作用。
实际使用中,由于信息反馈来自各个装置和子程序,即使信息反馈的某些情况延迟或者提前到来,系统也应能保持自适应状态。
假如发生了故障,微控制器就能够恢复系统功能,即使能力有所降低,但是机车还能正常运行。
基于这种设计思想提出了以下可靠性改进措施。
采用CP U板的冗余度设计 为了提高可靠性,主控模块采用双CPU板,工作状态分为单板工作方式1,双板工作方式2。
其中CPU A板完成控制功能,CPU B板执行监控功能,二者功能可以自动切换。
监控模块黑匣子! 所谓黑匣子!即机车运行状态记录仪,主要功能为实时监控机车运行状态,并反馈信息给操作者。
目前在试验中使用一台工控机作为现场实时监控,完成实时数据采集和显示报警工作。
电控系统实际上车运行后,该装置即简化为功能模块板装在电控系统机箱中。
提高关键反馈信号可靠度 例如对转速反馈信号使用了冗余度设计,将2个电磁传感器并联使用;齿条位置反馈信号传感器与驱动轴直连等。
实用的后备方案 为了保证在微控制器控制故障状态下机车仍能运行,设想了机车电控系统和原有的机液调速器并行安装的后备方案。
当微控制器出现故障时只要很少的调整时间即可恢复机液调速器正常工作。
由于采用柴油机电喷技术要彻底改造现有的机车燃油喷射系统,因此更适合新车。
而以电子调速器为核心的位置式电控系统,只要在原有的机液调速器基础上做少量改动即可完成升级,并且原有的机液调速器仍可作为后备设备使用。
因此我们认为,只有结合国情进行机车电控系统改造,才是电子调速器上车应用的唯一出路。
在相当一段时间内,在内燃机车上使用电子调速器的位置式电控系统具有成熟的应用基础和广阔的市场。
3 试验结果分析研制的机车电控系统经过试验调整后,分别安装在柴油机试验台上进行启动、怠速和加减载荷等试验。
通过分析监控系统实时采集数据,对比了电子调速器和原机液调速器的控制效果。
在16V240ZA柴油机试验台上的启动过程曲线见图4。
a 电子调速器b 机液调速器图4 16V240ZA柴油机使用电子/机液调速器启动特性曲线152000年2月 曹 恒等:内燃机车大功率柴油机电控系统试验研究试验研究中的主要工作是检验软件设计的控制算法和程序结构。
通过大量试验数据和采用系统辨识的方法,摸索出了一套整定PI D 参数的规律。
在两种柴油机上的试验表明,经过整定后的PID 参数是合理的,启动超调很小,柴油机稳态工况也很好。
针对被控对象工作特点的智能化软件设计思想,从根本上杜绝了在启动时柴油机大量冒黑烟的现象。
试验过程证实,电控系统要进入实用阶段,关键是要采取各种抗干扰措施,否则会经常性地出现死机和控制失灵,不能正常运行。
本项研究工作进行了机车柴油机电控系统软硬件的开发和两种不同功率的柴油机的台架试验。
试验结果表明:1)对于机车柴油机载荷突变工况,串级PID 控制算法能满足基本控制要求。
若要提高性能,除算法修正外,硬件应该考虑有浮点运算功能的32位微控制器。
2)仿人智能控制算法可以改善柴油机各项动态性能指标,例如减少启动时间的速度超调,减少启动冒黑烟和降低冷态启动时的最低转数,增加启动平稳性和加快响应。
从整机性能上比较,电控系统动态指标优于机液调速器,稳态指标与机液调速器大致相当。
3)在国内目前条件下大功率柴油机应用以位置控制式为主的电控系统是可行的。
从经济性和可靠性的角度考虑,在相当一段时间里以电子调速器为核心的大功率柴油机电控系统仍会占有主导地位。
因此应加大实用性研究的投入,争取早日国产化上车。
4)本试验工作为机车电控系统上车实际运行奠定了基础。
参 考 文 献1 Ryan W P,Woodford R S,Performance Optimization of A Digital Speed Governing System Applied to Stationary Diesel Genera tors.Gooper Cameron Corp.SAE952145,19952 T eruji Sekzawa,Makotend,Shioya.An Adaptive Engine Control Algorithm For Acceleration Response.SAE910256,19913 Chris Banyai.Desi gning With Microcontrollers For Low E MI.In ter Corp.S AE950836,19954 Daniel C,Garvey.A Di g i tal Control Al gorithm for Diesel En gine Governing.Woodward Corp.SAE850174,19855 孙涵芳.Intel16单片机.北京:北京航空航天大学出版社,1995(编辑 李建新)信息福特/PSA(标致雪铁龙集团)合作研制柴油机福特和PSA 有意向在柴油机研制方面进行合作。