一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及多缸大功率机车柴油机，尤其涉及一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国铁路电气化的大力推进，内燃机车产量不断下降，但是众多特殊环境、特殊领域、特殊线路上内燃机车仍具有重要的战略意义。同时，随着电子技术的不断进步，内燃机车尤其是机车柴油机电控化、智能化趋势明显，但对于柴油机而言经济性、排放性能、适用性提升是柴油机发展的永恒主题。伴随着国内外对环境保护问题重视程度的日益提高，国内外排放法规也日趋严格，要求柴油机必须采用新技术实现实质性突破，而柴油机电喷控制技术的进步则是实现上述目标的基础。但由于柴油机控制器的工作环境比较恶劣，且其自身在工作时也要对外散热，另还有减震、绝缘、密封、防水、防盐雾以及EMC和EMI等要求，这就使得柴油机电喷控制技术比较复杂。

另外，近年来核心技术已经成为企业安身立命的重要命脉，而在机车柴油机电喷领域，国外技术、产品、供应商的垄断尤为严重。电喷控制技术的深度自主掌控，有利于打造企业的核心竞争能力，确立在铁路行业的优势地位和话语权，有助于将技术优势转化为质量优势和经济优势。在发动机的控制系统(ECU)中，CPU是核心部分，其具有运算与控制的功能，发动机在运行时，CPU采集各传感器的信号，进行运算，并将运算的结果转变为控制信号，控制被控对象的工作。CPU还实行对存储器(ROM/FLASH/EEPROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)和其它外部电路的控制；存储器ROM中存放的程序是经过精确计算和大量实验取得的数据为基础编写出来的，这个固有程序在发动机工作时，不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和计算。把比较和计算的结果用来对发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数的控制。

目前，公开的柴油机电喷控制技术方案主要分为两种，一种是采用单处理器控制模式，这种模式在面对多缸大功率机车柴油机时，由于控制的电磁阀越多需要运算的数据就会越多，会导致处理器一直运行在高负荷状态，降低产品的可靠性，这种方案主要针对8缸及以下的柴油车进行设计，其通常最大只能驱动8个喷油电磁阀；另一种采用分布式设计，比如12缸以上的柴油发动机通常采用两套控制器，控制器之间通过通信线进行信号的交互，其实时性、响应性不高，且控制器成本高昂，占用空间多，安装复杂。

发明内容

本发明的目的在于解决多缸大功率机车柴油机在采用单处理器控制时存在的控制可靠性降低，以及采用分布式设计存在的实时性、响应性较低且成本高昂的技术问题，从而提供一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统及控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，其特殊之处在于，包括处理单元和电磁控制单元；

所述处理单元包括第一处理器、第二处理器、第三处理器以及第四处理器；第一处理器、第二处理器以及第三处理器之间通信连接，第三处理器与第四处理器之间通信连接；

所述第一处理器，用于采集柴油机的曲轴信号和凸轮信号，并根据采集的曲轴信号和凸轮信号获得位置信号、同步信号以及转速信号；

所述第二处理器，用于根据外部输入的数字量、模拟量、频率量以及外部给定的运行状态进行处理和运算，获得运行指令、缸数和电磁阀电压；

所述第三处理器，用于根据运行指令、缸数以及电磁阀电压，获得相应的喷油配置信息；

所述第四处理器，用于接收第一处理器发送的位置信号和同步信号，并根据输入的位置信号、同步信号以及第三处理器输入的喷油配置信息，计算需要输出的PWM信号；

所述电磁控制单元的输入端连接第四处理器的输出端，用于根据PWM信号控制电磁阀的通断，进而控制喷油量，实现柴油机转速输出功率的控制。

进一步地，所述第一处理器、第二处理器以及第三处理器之间通过CAN总线通信连接。

进一步地，所述第三处理器与第四处理器之间通过并行总线通信连接。

进一步地，所述第一处理器、第二处理器、第三处理器均采用32位PowerArchitecture处理器；

所述第四处理器采用FPGA。

进一步地，所述电磁控制单元包括n个驱动器模块和n个MOS管模块；

所述驱动器模块包括n个高端驱动器和n个低端驱动器；

所述MOS管模块包括与n个高端驱动器和n个低端驱动器相应的n个高端MOS管和n个低端MOS管；

n个高端驱动器和n个低端驱动器的输入端分别连接第四处理器的2n个输出端，其输出端分别连接相应的n个高端MOS管和n个低端MOS管的栅极；

n个高端MOS管的漏极连接电磁阀电源端，源极连接电磁阀的线圈正；n个低端MOS管的源极均用于接地，漏极用于连接电磁阀的线圈负。

进一步地，所述电磁控制单元采用电磁阀电源升压电路可根据具体需求将电压调整在DC24～DC75V之间。

进一步地，所述第二处理器预留一个输入端口，用于接收第一处理器发送的位置信号和同步信号。

基于上述多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，本发明还提供了一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】第一处理器采集柴油机的曲轴信号和凸轮信号，并根据曲轴信号获得位置信号和转速信息，同时根据曲轴信号和凸轮信号获得同步信号；其中，位置信号和同步信号送入第四处理器，转速信息分别送入第二处理器和第三处理器；

2】第二处理器根据外部输入的数字量、模拟量、频率量以及外部给定的运行状态进行处理和运算，从而获得运行指令、缸数和电磁阀电压，并实时送入第三处理器；

3】第三处理器根据输入的运行指令、缸数以及电磁阀电压，获得相应的喷油配置信息，并实时送入第四处理器；

4】第四处理器根据第一处理器输入的位置信号、同步信号以及第三处理器输入的喷油配置信息，计算出需要输出的PWM信号，并实时送入电磁控制单元；

5】电磁控制单元根据PWM信号控制电磁阀的通断，进而控制喷油量，实现柴油机转速及输出功率的控制；

6】第二处理器和第三处理器根据外部给定的运行状态及转速信息使柴油机工作在指定的工况

本发明相比于现有技术的有益效果为：

1、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，在一个控制器中采用了多个处理器，且第一处理器、第二处理器、第三处理器、第四处理器之间进行多功能块协同工作，不仅降低了单个处理器的运算负荷，从而提高了产品的稳定性，多个处理器之间的实时性和响应性也大大优于现有的两套控制器之间的实时性和响应性，且成本较低，为解决多缸、控制复杂、模拟量通道多、数字量通道多等复杂的大功率机车柴油机系统提供了更优的电喷控制解决方案。

2、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，相比于进口产品主要为单一柴油机定制化设计的缺点，本发明第一处理器、第二处理器、第三处理器、第四处理器之间进行多功能块协同工作，可通过应用层软件修改某一个或几个功能块，例如电磁阀通道数量和电磁阀电压，即可兼容不同类型的柴油机。

3、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，模拟量信号通道和数字量信号通道可以达到14路，且预留了RS485、RS232、100M以太网的通讯端口，其外部模拟量信号通道、数字量信号通道以及通讯种类均优于进口产品。

4、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，目前按照20缸进行设计及实现，本发明也可通过修改第四处理器的功能模块，实现更多缸大功率机车柴油机的控制。

5、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，第一处理器、第二处理器以及第三处理器之间通过CAN总线通信连接，针对大量的转速信号，其处理速度和传输速率更快，可以进一步提高和保证传输信号的高及时性和高响应性。

6、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，第三处理器与第四处理器之间通过并行总线通信连接，在数据处理简单的基础上保证了数据的高速率传输。

7、本发明提供的一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制方法，通过第一处理器、第二处理器、第三处理器、第四处理器之间进行多功能块协同工作，替代现有的两套或多套控制器，其信号传输的实行性和响应性高，控制性能的稳定性也大大提升。

附图说明

图1为本发明一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，包括处理单元和电磁控制单元。处理单元包括第一处理器、第二处理器、第三处理器以及第四处理器。第一处理器、第二处理器以及第三处理器之间通信连接，第三处理器与第四处理器之间通信连接；优选的，本实施例中第一处理器、第二处理器以及第三处理器之间通过CAN总线通信连接，可以满足较大数据(转速信号)的高速传输；第三处理器与第四处理器之间通过并行总线通信连接，可以保证较高的通信速率；在本发明的其他实施例中第一处理器、第二处理器以及第三处理器之间，第三处理器与第四处理器之间也可以采用其他的总线实现通信连接。

第一处理器，用于采集柴油机的曲轴信号和凸轮信号，并根据采集的曲轴信号获得位置信号和转速信号，同时根据采集的曲轴信号和凸轮信号获得同步信号。其中，位置信号和同步信号同时送入第四处理器，用于使第四处理器可以准确的完成喷油功能。同时，第一处理器通过CAN总线将转速信息、故障信息等送入第二处理器和第三处理器，并且可以通过CAN总线的端口下载标定信息；此处标定信息也就是配置信息，用于确定柴油机的固有信息，以兼容不同型号柴油机。

第二处理器，主要用于完成接口信号，包括输入的数字量信号、模拟量信号、频率量信号、输出的数字量信号以及模拟量信号；第二处理器根据外部输入的数字量信号、模拟量信号、频率量信号进行逻辑运算，获得运行指令、缸数和电磁阀电压，以保证柴油机可靠稳定的运行。外部的其他部件用于通过上述输出的数字量信号和模拟量信号获取柴油机的运行状态等。第二处理器上还预留设置有一个输入端口，用于接收第一处理器发出的位置信号和同步信号。第二处理器上的模拟量信号通道和数字量信号通道可以达到14路，且预留了RS485、RS232、100M以太网的通讯端口，其模拟量信号通道、数字量信号通道以及通讯种类均优于进口产品。

第三处理器，用于根据运行指令、缸数、电磁阀电压，即第二处理器的运算结果，获得相应的喷油配置信息，进而通过喷油配置信息配置第四处理器的工作状态。上述喷油配置信息包括起始角度、提前角度、喷油量、目标转速等。

本发明中第四处理器采用FPGA，用于根据第一处理器输入的位置信号、同步信号以及第三处理器输入的喷油配置信息，计算需要输出的PWM信号。

电磁控制单元，用于根据第四处理器输入的PWM信号控制电磁阀的通断，进而控制喷油量，实现柴油机转速输出功率的控制。本实施例中电磁控制单元包括n个驱动器模块和n个MOS管模块；驱动器模块包括n个高端驱动器和n个低端驱动器，其中，n个高端驱动器具体为第一高端驱动器，第二高端驱动器…第n高端驱动器，n个低端驱动器具体为第一低端驱动器，第二低端驱动器…第n低端驱动器；MOS管模块包括与n个高端驱动器和n个低端驱动器相应的n个高端MOS管和n个低端MOS管；其中，n个高端MOS管具体为第一高端MOS管，第二高端MOS管…第n高端MOS管，n个低端MOS管具体为第一低端MOS管，第二低端MOS管…第n低端MOS管；n个高端驱动器和n个低端驱动器的输入端分别连接第四处理器的2n个输出端，n个高端驱动器和n个低端驱动器的输出端分别连接相应的n个高端MOS管和n个低端MOS管的栅极；n个高端MOS管的漏极连接电磁阀的电源端，源极连接电磁阀的线圈正；n个低端MOS管的源极均用于接地，漏极用于连接电磁阀的线圈负。

本发明采用多处理器协同工作实现多缸大功率柴油机的控制功能，目前已经实施，并配装12缸柴油机，经试验性能优良。以下通过具体的实施例来进行说明。

本实施例中第一处理器、第二处理器、第三处理器均采用32位PowerArchitecture处理器，第四处理器采用FPGA。柴油机缸数为12缸，电磁阀高端为公共端，采用低端控制方式，电磁阀线圈电压DC24V，最低空载转速325r/min。

柴油机启机有效，第一处理器在2-4转内获取准确的位置信号、同步信号以及转速信号，同时，第一处理器向第二处理器发送转速信号。第二处理器根据数字量输入信号、模拟量输入信号以及频率输入信号进行逻辑运算，并将计算获得的运行指令、缸数和电磁阀电压发送至第三处理器。第三处理器根据运行指令、缸数、电磁阀电压等信息，向第四处理器写入配置信息，第四处理器根据第一处理器输入的位置信号、同步信号以及第三处理器输入的喷油配置信息获得PWM信号；本实施例中的配置信息为喷油运行、不升压、12个电磁阀、按照左1右1—左6右6的顺序循环喷油。电磁控制单元，根据PWM信号控制电磁阀的通断，进而控制喷油量，实现柴油机转速输出功率的控制。其中，第二处理器和第三处理器根据外部指令及转速信号使柴油机工作在指定的工况。

本发明中电磁控制单元中的电磁阀电源电路采用升压电路，可以实现24V-75V任意电压电磁阀的兼容。同时，电磁阀控制器采用高端和低端均可控设计，这种设计可以兼容所有的控制类型，用以减少重复设计的工作。

目前，根据本发明已经对20缸大功率机车柴油机的控制进行了设计及实现，本发明也可通过修改第四处理器的功能模块，实现更多缸大功率机车柴油机的控制，例如将电磁控制单元高端和低端通道数增加，FPGA型号选用更高性能，就可以增加缸数，但是目前20缸已经能够满足市面上90％以上的大功率柴油机。

基于上述一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制系统，本发明还提供了一种多缸大功率机车柴油机燃油电喷控制方法，具体包括以下步骤：

1】第一处理器采集柴油机的曲轴信号和凸轮信号，并根据曲轴信号获得位置信号和转速信号，同时根据曲轴信号和凸轮信号获得同步信号；其中，位置信号和同步信号送入第四处理器，转速信号分别送入第二处理器和第三处理器；

2】第二处理器根据外部输入的数字量、模拟量、频率量以及外部给定的运行状态进行处理和运算，获得运行指令、缸数和电磁阀电压，并实时送入第三处理器；

3】第三处理器根据输入的运行指令、缸数、电磁阀电压，即第二处理器的运算结果，获得相应的喷油配置信息，并实时送入第四处理器。喷油配置信息包括起始角度、提前角度、喷油量、目标转速等。

4】第四处理器根据第一处理器输入的位置信号、同步信号以及第三处理器输入的喷油配置信息，计算出需要输出的PWM信号，并实时送入电磁控制单元；

5】电磁控制单元根据PWM信号控制电磁阀的通断，进而控制喷油量，实现柴油机转速输出功率的控制；

6】第二处理器和第三处理器根据外部给定的运行状态及转速信号使柴油机工作在指定的工况。

以上仅为本发明的一个具体实施例，在本发明的其他实施例中，第一处理器、第二处理器、第三处理器以及第四处理器还可以采用其他类型的处理器，采用其他处理器采用本发明类似解决方案的同样属于本专利保护范围。