（轮机工程专业论文）机车柴油机电控系统开发的若干问题研究.pdf

一 一j 互 、 气 独创性声明 ， iilllllllllilllr l r r l l l tj l l l r l l f f l li i f l l l i l 0 y 18 8 0 5 6 7 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：型窒逸日期：2 q ! ! ：皇! 墨垒 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：割据引签名嗡碍日期训如 p b 武汉理工大学硕+ 学位论文 摘要 全球性的能源危机以及严重的环境污染，各个国家对柴油机这一主要 动力装置的燃油经济性以及排放性能都提出了更高的要求。采用柴油机电 子控制技术成为当前改善柴油机性能的重要手段。 对于柴油机电子控制系统的开发，主要涉及柴油机控制策略的制定、 控制系统软硬件的设计、仿真开发平台的设计以及标定技术的开发。 内燃机车在铁路运输中占据着十分重要的地位，根据目前国内机车柴 油机运用现状，本文以东风4 型内燃机车1 6 v 2 4 0 z j a 型柴油机的电控系统 开发为研究目标。将硬件在环仿真技术应用到机车柴油机电控开发，对其 中的关键的技术问题进行研究。 本文主要从以下几方面展开研究： 1 借助m a t l a b 的x p ct a r g e t 工具搭建柴油机仿真模型实时运行平 台。主要进行了平台硬件系统的搭建、实时系统启动盘的制作以及p c i l 7 1 2 板卡接口驱动程序的开发。 2 为了加快系统开发过程，研究并实现s i m u l i n k 模型自动生成 x c l 6 4 c s 单片机支持的程序代码。 3 控制系统扩展功能的实现。设计f p g a 硬件电路，对单片机资源进 行扩展，实现多缸柴油机单体泵电磁阀控制的功能。 4 电控单体泵电磁阀驱动电路的设计。根据单体泵电磁阀工作时的特 点与性能要求，得出合理的电磁阀控制方式，并设计电磁阀驱动电路。 u 专关键词：柴油机：电子控制：g a in ；自动代码生成：硬件在环仿真 - 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e s h o r t a g e o f p e t r o l e u ms o u r c e sa n dd e t e r i o r a t i o no f e n v i r o n m e n t ，e v e r yc o u n t r yp r e s e n t sh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rf u e le c o n o m ya n d e m i s s i o np e r f o r m a n c ei nd i e s e le n g i n e e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo fd i e s e l e n g i n ei sc u r r e n t l yt h ep r i m a r ym e a n so fi m p r o v i n ge n g i n ep e r f o r m a n c e f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i e s e le n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，t h e d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e d e s i g no fs i m u l a t i o np l a t f o r ma n dt h ed e v e l o p m e n to fc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y a r em a i n l yr e l a t e d d i e s e l l o c o m o t i v e s p l a y a l l i m p r o t a n t r o l ei nt h e r a i l w a y t r a n s p o r t a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ta p p l i c a t i o ns t a t u s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t s t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd i e s e l 16 v 2 4 0 z j a i nt h ed i e s e ll o c o m o t i v e s t h eh a r d w a r e i n t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e di n t ot h ef i e l do fe l e c t r o n i cc o n t r o lo nt h ed i e s e ll o c o m o t i v e s o m e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d t h em a jo rr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o nc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h er e a l - t i m es i m u l a t i o np l a t f o r mi se s t a b l i s h e db yx p c t a r g e t t h e h a r d w a r es y s t e mo ft h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l d ，t h er e a l t i m es y s t e mb o o t d i s ki sp r o d u c t e d ，t h ed r i v e rb a s e do np c i1712i sd e v e l o p e d 2 t os a v et h ed e v e l o p m e n tt i m e ，t h et e c h n o l o g yo fc o d ea u t o m a t i c g e n e r a t i o nf r o ms i m u l i n km o d e lt ot h ep r o g r a m m eo fx c16 4i sr e s e a r c h e d 3 t h ef u n c t i o ne x t e n s i o no ft h ec o n t r o l s y s t e mi sr e a l i z e d c o n t r o l f u n c t i o no ft h ee l e c t r o n i cu n i tp u m ps o l e n o i dv a l v ei nm u l t i c y l i n d e rd i e s e l e n g i n ei sa c h i e v e dt h r o u g ht h ed e s i g no ff p g ah a r d w a r e 4 t h ed r i v i n gc i r c u i to ft h ee l e c t r o n i cu n i t p u m ps o l e n o i dv a l v ei s d e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es o l e n o i dv a l v e ，t h ec o n l ：r o l m e t h o di so b t a i n e d ，a n dt h ed r i v i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e l e c t r o n i cc o n t r o l ；s o l e n o i dv a l v e ；c o d ea u t o m a t i c g e n e r a t i o n ；h a r d w a r e - i n - - t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o n ； h 严 b 一 。蕾扣 。l 武汉理t 大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 选题背景和意义一1 1 2 仿真开发平台的应用现状分析3 1 3 机车柴油机电控系统分析6 1 3 1 机车柴油机牵引特性分析6 1 3 2 机车柴油机电控系统7 1 4 本文的主要工作1 3 第2 章基于x p ct a r g e t 的实时仿真平台开发1 4 2 1 构建x p ct a r g e t 实时平台1 4 2 1 1x p ct a r g e t 实时平台介绍1 4 2 1 2 目标机启动盘制作1 5 2 1 3 宿主机与目标机的通信1 6 2 1 4 模型运行实时性一1 7 2 2 基于x p ct a r g e t 的采集卡驱动程序开发1 8 2 2 1s f u n c t i o n 简介一l9 2 2 2s f u n c t i o n 驱动程序设计1 9 2 2 3 设备驱动模块创建及测试2 1 2 3 本章小结2 2 第3 章s i m u l i n k 模型的自动程序代码生成2 3 3 1 代码自动生成的原理分析2 3 3 2 x c l 6 4 c s 处理器的自动代码生成2 5 3 2 1 目前存在的问题分析2 5 3 2 2 建立基于x c l 6 4 c s 的自动代码生成环境2 6 3 2 3 集成手写驱动代码3 0 3 2 4 模型下载功能实现一3 3 3 3 本章小结3 4 第4 章基于f p g a 的系统扩展实现3 6 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 4 1f p g a 系统设计概述3 7 4 2 系统整体功能定义3 8 4 3 系统模块划分与设计3 9 4 3 1 系统模块划分一3 9 4 3 2s p i 接口设计4 0 4 3 3 数据分配器模块设计4 2 4 3 4p w m 控制单元设计一4 4 4 3 5p w m 输出单元设计4 6 4 4 实验与结果一4 8 4 5 本章小结4 9 第5 章电控单体泵电磁阀驱动电路设计一5 0 5 1 电磁阀控制方式分析5 0 5 2 驱动电路设计5 4 5 3 本章小结一6 l 第6 章总结与展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间所发表的论文6 7 i v _ p - ， 善 “ t o 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 1 机车柴油机电子控制 全球性的能源危机以及严重的环境污染，各个国家对柴油机这一主要动 力装置的燃油经济性以及排放性能都提出了更高的要求。采用柴油机电子控 制技术成为当前改善柴油机性能的主要手段。 内燃机车在铁路运输中占据着十分重要的地位。作为柴油机的一个重要 应用领域，机车柴油机的耗能和排放对社会同样具有很大影响。燃油消耗率 是柴油机的重要经济性指标，论文 1 中通过对当前国内外机车柴油机燃油 消耗率的比较发现，美国、德国、俄罗斯所生产的机车柴油机，燃油消耗率 大都在1 9 5 9 k w h ，并且部分机型在1 9 0 1 9 1 9 k w h 之间：而国产机车的燃油消 耗率大约在2 0 7 9 k w h 。虽然1 6 v 2 4 0 z j d 与r 1 6 v 2 8 0 z j a 型分别达到了2 0 4 6 与 1 9 2 8 9 k w h 的水平，但关键部件如喷油泵、喷油器、电控单元等均为国外产 品。排放性能方面，如表卜1 为国际铁路联盟、美国以及国内机车柴油机的 排放标准。从表中可以看出，我国当前的限值标准也较其它国家低，这和当 前我国的技术落后有很大关系。 表1 1 各国机车柴油机的排放限值比较2 4 1 国家标准( g k w h ) n 0 xh cc op m u i ci 1 9 9 71 2 0o 83 0 u i ci i 2 0 0 39 9 o 83 0o 3 u i ci i 2 0 0 86 00 52 o0 2 美国e p at i e r 0 1 9 9 8 1 2 61 3 46 7 o 8 美国e p at i e r l 2 0 0 2 9 9o 73 00 6 美国e p at i e r 2 2 0 0 6 7 40 42 o 0 3 中国19 9 7 1 6 o1 64 0 中国2 0 0 6 9 90 8 3 00 3 北美和欧洲的许多国家在上世纪9 0 年代己在大功率机车柴油机上安装 武汉理工大学硕士学位论文 电子燃油喷射系统。如美国g m 公司1 9 9 3 年在机车柴油机1 6 7 1 0 g 3 a 上采用电 控泵喷嘴系统，随后在f 5 9 p h i 型客运机车和s d 8 0 m a c 型货运机车的1 2 缸和2 0 缸柴油机上也采用了该系统。美国g e 公司1 9 9 3 年开始在d a s h 系列内燃机车的 1 6 缸柴油机7 f d l 上安装电控单体泵系统。c a t e r p i l l a r 公司、c u m m i n s 公司以 及德国m t u 公司等也均已推出专用于机车柴油机的电控喷射系统，并在新造 机车以及旧车改造项目中广泛应用哺1 。 当前我国内燃机车保有量大，并且大多数采用联合调节器控制，即使少 量装有电控系统，也均为通过购买国外成套产品来实现，内燃机车主机厂主 要完成电控系统与柴油机的匹配试验及装配工作。由于现有的柴油机资源不 可能在短时间内快速更新，因此如何通过继承实现发展是现阶段面临的重要 问题。通过机车柴油机电控技术的研究，对现有机车柴油机进行电控升级改 造，不仅能够降低油耗，获得很大的经济效益，而且具有广阔的市场前景， 也能够为我国柴油机电控技术的发展积累一定的经验。 2 电控仿真开发平台 在电控系统开发过程中，为了缩短开发时间，同时保证产品质量，必须 有一套规范的开发方法。传统的开发方法是在确定好系统需求后，由硬件工 程师设计硬件电路，软件工程师实现控制方案，最后在测试台上对真实的控 制系统进行测试哺1 。这种方法主要存在如下缺点h 1 ： 在台架测试阶段，控制系统才与被控系统结合，出现问题时增加了 解决问题的成本。因此对设计人员的经验要求较高。 调试时，系统软硬件错误交织在一起，增加了调试的复杂性。 软件仿真正确后，采用手工方法将仿真模型翻译为控制系统程序语 言。增加了系统开发时间，同时软件可读性较差。 另外，在开发过程中，根据仿真对象的不同，仿真方法可以分为哺1 ： 纯数学仿真：控制器与控制对象均为仿真模型。 快速控制原型仿真：控制对象为实物，控制器为实时运行的系统。 硬件在环仿真：控制器为真实的控制系统，控制对象为实时运行的 模型。 在传统的开发过程中，虽然也借助计算机进行仿真研究，但大部分采用 纯数学仿真。在柴油机e c u 的开发过程中，基于以上三种仿真形式，目前国 内外普遍采用了v 字形开发模式。该模式的开发流程如图卜1 所示： 2 h ，i i k k 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1v 开发模式流程图 应用该模式，在开发初期通过快速控制原型技术对设计者的控制思路在 实时硬件上进行测试。可以在开发初期及时发现问题，并对模型进行修正。 在开发后期也能够进行控制代码的自动生成旧。1 。硬件在环仿真技术主要是 利用实时运行的控制对象模型对真实的控制系统进行测试，降低了在真实对 象上直接运行时的风险。控制系统的匹配标定工作主要集中在开发后期完 成，通过匹配标定调整各控制算法中的参数使系统性能达到最佳。由于硬件 在环仿真技术能够实现先期的虚拟标定，因此大大减少了试验台的标定工作 量，缩短台架标定时间，节约了大量成本1 。 1 2 仿真开发平台的应用现状分析 在柴油机电子控制系统开发过程中，当今国外很多著名厂商女i a u d i 、 a v l 、b o s c h 、r i c a r d oe n g i n e e r i n g 、s i e m e n s 、f o r d 等普遍采用了硬件在环 仿真开发方案n 2 q 引。 在国外，典型的仿真开发平台主要有以下几种： 1 美国n i 公司的c o m p a c t r i o 平台以及p x i 实时系统平台1 。前者主要 用于控制算法比较简单、i 0 数目较少的电子控制单元；后者主要用于复杂 的动力总成系统和主动悬架系统。如德国m i c r o n o r a 公司在汽车发动机管理 系统开发时利用了n ip x i 平台，该平台包含p x a - 8 1 9 6 实时控制器、p x l 6 7 2 3 模拟输出板卡、p x l 7 8 3 1f p g a 板卡以及p x ic a n 模块。柴油机模型采用 s i m u li n k 工具建立，借助n i 公司提供的软件接口工具包s i t 和m a t l a b 软件代 码自动生成工具r t w ，将模型编译为l a b v i e w 运行环境可调用的动态库文件。 上位机监控软件采用l a b v i e w 建立。其中f p g a 板卡主要用于曲轴、凸轮轴、 点火等信号的产生与捕获，程序设计通过l a b v i e w 编程实现。 武汉理工大学硕士学位论文 2 德国d s p a c e 公司开发的d s p a c e 仿真平台n 5 叫7 1 。该平台将e c u 的开发、 编程、测试集成在一个统一的环境下，从而加快了开发流程。主要由高速计 算能力的d s p a c e 硬件、i o 接口库r t i 、实验调试软件c o n t r o l d e s k 组成。r t i 是连接d s p a c e 与s i m u li n k 模型的纽带，主要用于i o 模块的选择与配置。 c o n t r o l d e s k 运行于上位机中，主要用于实验过程中的管理。模型采用 m a t l a b s i m u l i n k 建立，支持r t w 从模型框图到c 代码的自动生成和编译下载。 3 德国e t a s 公司提供的仿真开发工具n8 1 。如图l - 2 所示，a s c e t 提供图 形化的建模、代码生成、快速原型等功能；l a b c a r 提供硬件在环仿真；i n c a 应用于e c u 的匹配测试。 图1 - 2e t a s 公司提供的开发工具 在国内，典型的硬件在环仿真开发平台主要有以下几种实现形式： 1 以普通的微机作为处理器，构成x p ct a r g e t 系统。该系统由m a t h w o r k s 公司开发，可将常用的计算机或p c 兼容机转变为一个实时系统。如论文 1 9 中利用m a t l a b 的x p ct a r g e t t 具箱结合研华的数据采集卡p c i1 7 11 设计了一 个共轨柴油机的e c u 硬件在环仿真系统。其中搭载仿真模型的宿主机为普通 p c 机，仿真平台的处理器选用a m da t h l o n 2 4 g h z 的兼容机。另外由于转速信 号的产生对硬件的要求较高，系统中直接将转速信号通过p c i l 7 1 1 板卡的1 3 路1 0 输出，通过m p c 5 6 3 ( 工作频率5 6 m h z ) 产生曲轴信号与凸轮轴信号。 2 p c 机中运行柴油机模型与监控程序，通过嵌入式系统将模型输出转 换为控制器e c u 输入所需要的信号。如图卜3 为论文 2 0 开发的硬件在环仿真 系统。该系统主要包括p c 机、仿真e c u 和实际e c u = 部分。在p c 机上通过多线 程编程技术实现了监控界面、仿真模型与通讯线程的实时执行。仿真e c u 利 用v 8 5 0 e g p l 的3 2 位单片机开发，一方面将p c 机传来的柴油机工作状态信息 转化为控制器所需要的模拟信号、开关信号以及p w m 信号；另一方面采集e c u 4 “ 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 控制器的各种输出控制信号，并反馈给上位p c 机。上位p c 机与仿真e c u 以及 控制器e c u 之间的通讯通过c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线完成。监控 界面采用l a b v i e w 软件开发。 图1 - 3 利用仿真e c u 组成的硬件仿真平台 3 p c 机中运行柴油机模型与监控程序，通过1 0 板卡将模型输出转换为 控制器e c u 所需要的信号。如论文 2 1 中，采用p c 机与p c i 9 11 2 板卡的仿真开 发方式。p c 机中模型的运行、参数的监控采用n i 公司的l a b v i e w 软件实现， p c i 9 11 2 把从p c 机接收到的参数通过时间处理器、d a 和i o 口转换为电信号 传送到e c u ；e c u 按照接收到的信号运行，并把运行结果即控制软件计算出的 控制参数通过串口送到p c 系统中的模型。论文 2 2 中采用p c 机与p c i 7 8 3 1 板 卡的方式搭建了电控柴油机仿真开发平台。 4 p c 机种运行监测与通讯程序，发动机模型运行在独立设计的嵌入式 系统上。如论文 2 3 的仿真平台包括：p c 机、柴油机模型运行e c u 、柴油机 控$ u e c u 。利用m a t l a b s i m u l i n k 建立柴油机模型与控制模型，软件仿真验证 后将模型转换为嵌入式处理器支持的程序代码。其中柴油机模型运行的处理 器一般选用d s p ，p c 机采用l a b v i e w 建立监控界面。 武汉理工大学硕士学位论文 c a n 总线 图1 - 4 模型在d s p 中实时运行的硬件仿真平台 为了提高开发效率，在软件仿真通过后，将软件仿真的模型代码转换为 目标处理器支持的代码格式时，普遍采用自动代码生成技术心引。如论文 2 5 应用m a t l a b s i m u l i n k 和第三方工具包“e m b e d d e dt a r g e tf o r i n f i n e o nc 1 6 6 m i c r o c o n t r o l l 一及亿恒c 1 6 7 开发板实现了电控高压共轨柴油机轨压的快速 原型控制和自动代码生成，并在油泵试验台上与m i c r o a u t o b o x 的控制效果进 行了实验对比，验证了生成代码的正确性。论文 2 6 应用d s p a c e 中的 t a r g e t l i n k 工具实现了s i m u l i n k 模型到c 语言代码的自动生成。论文 2 7 中 基于英飞凌x c l 6 4 c s 平台，利用m a t l a b 的r t w i 具实现了控制代码的自动生 成，利用d a v e 工具生成了硬件底层驱动代码，并经过代码合成，实现了建模、 仿真、代码自动生成、下载的全过程。另外论文 6 2 8 中也都通过自动代 码生成技术进行了控制系统的开发。 综合以上可以看出，自动代码转换主要有以下两种实现方式： 1 利用m a t l a b 提供的嵌入式代码生成工具。该工具提供了模型到产品 级代码的自动生成，并且m a t l a b 还集成一些第三方工具，这些工具提供了针 对具体硬件自动生成驱动代码的支持。 2 在d s p a c e 开发平台中利用t a r g e t li n k 工具自动从s i m u li n k 模型中生 成产品代码。 1 3 机车柴油机电控系统分析 1 3 1 机车柴油机牵引特性分析 d f 4 b 型内燃机车采用交一直流电力传动形式，柴油机曲轴通过半刚性联 6 武汉理工大学硕士学位论文 轴节与牵引发电机相连，组成柴油机一发电机组。柴油机的功率除小部分供 给机车辅助装置外，绝大部分供给牵引发电机。发电机发出的三相交流电， 经主整流柜整流后，供给6 台并联的直流牵引电动机乜9 | 。整个动力系统的结 构如图i - 5 所示： 图i - 5 柴油一发电机组动力传递示意图 由柴油机的特性可知，要充分利用柴油机的功率，必须使柴油机在机车 运行速度范围内始终在额定工况下工作。但在列车运行时，由于线路条件和 牵引吨位的变化，柴油机经常在变工况、变工作环境下运行。为了在部分负 荷工况时，柴油机也具有较好的运行经济性，要求柴油机能够始终运行在经 济特性曲线上。针对1 6 v 2 4 0 型柴油机，在各个给定档位下选取燃油消耗率最 低的点，连成的曲线即为柴油机经济特性曲线。其中的每个点对应特定的转 速和功率旧引。 机械式系统中主要采用转速一功率联合调节器实现机车柴油机的恒转速 与恒功率控制。该系统由三部分组成，配速系统、调速系统和功调系统。三 部分之间用联合杠杆连在一起，联合调节。配速系统用于柴油机转速参考值 的给定，在机车档位恒定时，柴油机负载的变化导致转速变化，调速系统会 通过喷油来维持转速值的恒定，同时功调单元将通过对励磁电流的调节使柴 油机负荷保持恒定，最终使柴油机始终工作在设定转速与固定负荷。在机车 档位手柄改变时，柴油机转速、喷油量与励磁电流同时变化，直至调整到设 定工况3 。 1 3 2 机车柴油机电控系统 1 主要参量控制逻辑分析 燃油喷射的电子控制是柴油机电控系统的一个重要功能。它包括喷油 量的控制与喷油定时的控制。 喷油量的控制有开环控制和闭环控制两种方式。开环方式是基于精确 标定的喷射m a p 来实现的。基本思想是根据柴油机的实时转速与负荷从喷 油m a p 中查找对应的基本喷油量，并根据实测的进气压力、进气温度、冷 7 武汉理工大学硕士学位论文 却水温度等进行修正钉。得到的结果与当前转速下的最大喷油量作比较， 取最小值作为最终喷油量。再根据喷油量一喷油脉宽转换m a p 确定喷油脉 宽，最后通过驱动电磁阀完成喷油量的控制。因此，开环控制方式的效果 取决于m a p 标定的质量引。 闭环控制方式是通过控制算法，在上一次喷油量的基础上通过对转速 的负反馈，计算出下一次所需的喷油量。闭环方法能够减少标定m a p 的工 作量。 喷油定时是通过事先标定好的定时m a p 实现。根据发动机转速和负荷 查询喷油定时m a p ，插值后得到基本喷油提前角，然后根据各种传感器信 号提供的辅助信息进行修正。喷油定时对发动机的性能有很大影响，而且 各种指标之间往往又是矛盾的。例如喷油定时推迟，滞燃期缩短，可以降 低最高燃烧温度，从而降低n o , 排放，但会导致燃油经济性变差，同时增 加hc 和微粒排放。相反，较早的喷油定时能改善经济性，但增加了加， 排放，同时造成燃烧粗暴。因此在喷油定时map 标定时需要根据不同的 优化目标综合考虑。 如图1 6 为h e i n z m a n n 的d a r d a n o s 控制系统结构： 图1 - 6d a r d a n o s 控制系统结构图 该系统通过检测安装在曲轴处的齿轮盘发出的脉冲信号来计算转速， 然后将该转速送入调速器( 调速控制程序) 。调速器将实际转速与司机设 定转速相比较，使用p i d 算法，计算出柴油机所需的供油量。然后，控制 系统根据冷却水温度、增压空气压力，查找此设定转速下的最大供油量。 并将这些限制值与p i d 计算的供油量进行比较，取最小值作为最终供油量 值。供油始点根据转速、增压空气温度以及喷油量信息确定。最后控制系 8 武汉理工大学硕士学位论文 统按照固定的发火次序，根据已有的供油始点、供油期，发出电磁阀驱动 控制信号，经过驱动电路放大后，驱动电磁阀工作，使柴油机转速维持在 司机手柄设定转速【3 4 】。 通过上述控制过程可以看出，该系统中喷油量的控制采用了闭环p i d 算法实现，喷油定时的控制采用了基于m a p 的开环控制方法，并通过一 些参数对喷油量最大值进行了限制，而且对喷油量和喷油定时进行了参数 修正。 恒功率的调节也分为开环控制与闭环控制两种。论文 3 5 】中采用如图 1 7 所示的开环控制算法实现： 图1 7 恒功率励磁系统控制框图 在某一固定手柄位，励磁信号的大小由当前喷油量与随转速变化而定 的预设喷油量的差值，以及适当的比例系数决定。输出励磁信号的计算公 式如下： k = ( g q ) x k + i f ( 1 1 ) 其中i r t 为目标励磁电流，砌为该转速下的标定励磁电流，q 为当前喷 油量，吼为该转速下的标定喷油量，k 是一个值为负数的比例系数，绝对 值越大，控制回路响应速度越快。 常用的闭环控制方式如图卜8 所示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 匝堕 二匝 ! ；输出至牵弓 图1 8 控制牵引发电机功率恒定的控制系统框刚珀j 控制系统通过检测当前的司机控制器手柄位，确定当前工况的功率给 定值。然后检测牵引发电机的主电压、主电流信号，计算当前的实际功率， 并与给定功率进行比较，利用p i d 算法输出控制牵引发电机的励磁电流。 在控制过程中，还需将采集的主电压、主电流与发电机最高工作电压、最 高工作电流进行比较，超过最高限制值时，以最小值进行输出控制，从而 起到限压、限流的作用。但此系统仅实现了牵引发电机的恒功率调节，对 于因其它负载变化而导致的柴油机功率变化不能调节。 开环与闭环的控制方法在实际中都有应用，为了方便今后对这两种控 制方法进行对比研究，在控制单元设计时需要兼顾闭环控制时的数学运算 对处理器速度的要求以及开环控制时大量m a p 对存储空间的要求。 2 电控系统控制单元 电控系统主要由以下四个部分组成：各种输入信号的采集、控制单元、 输出驱动单元以及对外的通信接口。其中控制单元是整个系统的核心，承 担着采集数据的运算与分析、控制策略的实现、通信、故障诊断和监控等。 控制系统对实时性要求很高，严格要求系统在规定时间内准确的完成各种 数据处理以及控制指令的产生。例如，在柴油机每个喷油周期内，不仅要 精确的计算每缸的喷油提前角与喷油持续期，而且还要输出控制相应的电 磁阀，同时还应实现故障诊断、网络通信等任务1 35 。 本文所设计的控制系统整体结构如图1 9 所示： 蟊 莞4 厣b 一 图1 - 9 控制系统整体结构图 l o + - 弓- 一 一号号信 一 一 号一 一信信一量 号号一 信号一度力哄 信信一 钏佰 温压开 爪漉 剜轴种种钟 电意 曲 备备各 主主 武汉理工人学硕士学位论文 从图中可以看出，设计中控制单元采用单片机+ f p g a 方式实现。单 片机选用英飞凌1 6 位系列微处理器x c l 6 4 c s 。英飞凌1 6 位系列微处理 器是英飞凌科技公司的重点发展产品，在汽车电子、工业控制领域得到广 泛应用。其中x c l 6 4 c s 是英飞凌1 6 位微控制器的第四代产品，最高工作 频率4 0 m h z ，该产品加入了d s p 功能数字滤波器算法，大大缩短了乘除 运算的时间；采用了五级流水线结构，并且大多数指令为单周期指令。同 时内部集成了丰富的片上资源，包括1 4 通道的模数转换器，转换精度1 0 位或8 位，转换时间可降至2 1 5 u s 。具有控制器局域网( t w i n c a n ) 模块， 两个节点可独立工作，或通过网关交换数据。另外还具有两个捕获比较 单元，两个异步同步串行通道，两个高速同步串行通道( s p i 兼容) 等， 寻址空间高达1 6 m b ，外部存储区占用约1 2 m b 寻址空间【3 7 】。 目前国内机车柴油机上安装的德国h e i n z m a n n 公司生产的 m v c 0 1 1 0 2 0 控制器，采用的微处理芯片为m o t o r o l a6 8 3 3 2 ，该处理器与 x c l 6 4 c s 的资源比较如表1 2 所示： 表1 - 2x c l 6 4 c s 与m c 6 8 3 3 2 处理器资源【3 7 3 8 l 总线 型号 f l a s hr a m 串行接口 a dc a n 捕获比较 频率 2 个异步同两个捕获比较 x c l 6 4 步串行接口、具有双单元，每个单元 c p u l 6 4 0 m h z1 2 8 k6 k1 4 路 2 个高速同步c a n 提供16 路捕获 串行接口比较通道 1 6 通道具有捕获 m c 6 8 3 3 2 2 0 m h zo2 k q s p l 、s c i 无无比较功能的定 c p u 3 2 时处理单元 通过表1 2 可以看出，x c l 6 4 c s 处理器功能比较强大，因此也能够用 来作为机车柴油机电控系统的控制芯片，并且片内集成有丰富的外设资 源，简化了外围硬件电路的设计。 参照论文 3 5 】中的计算方法，对该处理器用在机车电控系统时的实时 性进行验证，以确定本文所设计的电控单元是否满足系统控制的实时性要 求。 本文所控制的1 6 v 2 4 0 柴油机在最高转速下每转所用时间为： i 一i i l i ：6 0 x 1 0 0 0 ( 1 - 2 ) 门n “ 其中为最大转速，此处为1 1 0 0 r m i n 。 武汉理工大学硕士学位论文 每度曲轴转角所占用的最短时间为瓦一曲，转速的采样精度和单体泵电 磁阀输出控制的最小分辨率必须要满足该时间限制。 t m i n2 需( m s ) ( 1 - 3 ) 柴油机每个工作循环所用的最短时间为，电控单元的软件执行效 率必须满足该时间限制。 z = 2 t ，( 聊s )(1-4minm a i n )上 一 ，-，i j ， 对单个气缸的最短处理周期为c 一曲，电控单元同步判缸和输出控制代 码的执行效率必须满足该时间限制。 7 t 一曲= 篁( 聊s ) ( 1 5 ) 其中c 为气缸数。 计算得出z 一赫为5 4 5 m s ，疋一i i 血i 为0 1 5 m s ，为1 0 9 m s ，i 一曲为 6 8 1 m s 。 本文所选的主控芯片x c l 6 4 c s ，最高工作频率为4 0 m h z ，执行每条 指令所用的时间为2 5 n s 。柴油机电控程序代码大约在百万行的数量级，根 据论文 3 5 】中所提到的，在一个柴油机工作循环内所有程序代码全部执行 ( 极限情况，一般为6 8 ) 共占用2 ，1 3 5 ，7 6 3 个指令周期。因此推断 x c l 6 4 c s 大约用时5 3 4 m s ，所以可以满足每个工作循环最短时间1 0 9 m s 的要求。 该论文中给出的关于信号同步与捕获的代码所占用的指令周期数为 6 0 4 ，x c l 6 4 c s 执行所需时间为1 5 1 u s ；单缸p w m 输出控制代码所占用 的指令周期为2 9 8 4 ，x c l 6 4 c s 执行所需时间为7 4 6 u s ，完全可以满足单 缸最短处理周期的6 8 l m s 的要求。另外，x c l 6 4 c s 的输入捕获和输出比 较单元采用1 6 位的定时器控制，可以达到很高的控制精度，因此均能满 足每度曲轴转角瓦一曲的时间要求，并可以实现更高精度控制。 为了降低单片机软件开发的难度，同时方便今后系统的功能扩展，本 文设计f p g a 硬件逻辑电路实现电磁阀开启与关闭的控制。单片机与 f p g a 之间采用s p i 总线通信。以下为通信速度是否满足系统控制实时性 的计算： x c l 6 4 c s 中s p i 最高工作频率为2 0 m h z ，传输一个字节的时间为 与8 = 0 4 ( u s ) ，假设控制过程中柴油机喷油控制数据每半个工作循环 2 0 1 0 0 1 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 更新一次，则最短需更新周期为公式1 2 计算的i 一曲= 5 4 5 m s 。在该时 间内可以传输大量的数据，完全满足实时性要求。 1 4 本文的主要工作 本文主要从以下几个方面进行研究： 1 柴油机实时仿真平台搭建。利用x p ct a r g e t i 具搭建柴油机模型实 时运行平台，平台中通过p c i l 7 1 2 板卡实现柴油机与控制器之间信号的实时 输入与输出。设计了基于x p ct a r g e t 的p c i l 7 1 2 板卡驱动程序。 2 s i m u l i n k 模型自动生成x c l 6 4 c s 单片机支持的程序代码。m a t l a b 中集 成的第三方工具提供了对英飞凌系列单片机的支持，可以实现从s i m u l i n k 模型到程序代码的自动转换，但仅对部分外设提供了支持。文中在对自动代 码生成过程研究的基础上，提出了针对其它外设的解决方案。 3 f p g a 模块功能的设计。通过f p g a 控制柴油机工作过程中单体泵电磁 阀的开启与关闭，实现了单片机资源的扩展，并降低了单片机软件设计的难 度。 4 电控单体泵系统电磁阀驱动电路的设计。根据单体泵电磁阀工作时 的特点与性能要求，得出合理的电磁阀控制方式，并设计电磁阀驱动电路。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于x p ct a r g e t 的实时仿真平台开发 本章利用x p ct a r g e t 工具构建了柴油机模型实时运行平台。主要进行 了平台硬件系统的搭建、实时系统启动盘的制作以及基于p c i1 7 1 2 板卡接 口驱动程序的开发。利用该平台，可以进行模型的实时仿真运行，同时能 够实现模型中信号的实时输入与输出。 2 1 构建x p ct ar g e t 实时平台 2 1 1x p ct ar g e t 实时平台介绍 x p ct a r g e t 是一个由m a t h w o r k s 公司开发的工具。它可将常用的计算 机或p c 兼容机转变为一个实时系统，主要用在产品的原型开发与硬件在 环仿真系统中。该系统由硬件和软件两部分构成，硬件包括宿主机、目标 机、i o 设备板卡、以及宿主机与目标机之间的通信设备。软件包括m a t l a b 、 s i m u l i n k 、r t w 、x p ct a r g e t 以及c 编译器。 x p ct a r g e t 平台的系统结构如图2 一l 所示。通过该图可以看出，当 i o 硬件与被控对象相连时，平台中运行实时的控制系