船用柴油机电控系统.pdf

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1、第3 2卷第 8期 2 0 1 0年 8月 舰船科学技术 SHI P S CI ENCE AND TECHNOL OGY Vo 1 32，No 8 Au g ，2 01 0 船用柴油机电控系统 金 江善 ，杨 林 ，陈 自强 ， 凌励逊 ， 周 海涛 ，曹 健 ，姜春 宇 ，周 志勇 ( 1 中国船舶重工集团公司第七一一研 究所， 上海 2 0 1 1 0 8 ； 2 上海交通大学， 上海 2 0 0 0 3 0 ) 摘 要 ： 为适应船用柴油机电控技术发展， 本文提出了一种船用柴油机电控系统架构方案， 采用先进的“ v ” 字型开发模式及开发 工具平 台开发 系统应用层 软件 ， 对 关键

2、电路 进行仿 真与试验 优化设计 ， 对 系统关键 可靠性技术 如凸轮轴和曲轴信号传感器物理冗余技术等进行研究 ， 并进行 了样机研 制。对研制 出的样机开展硬件 在环仿真试 验 和环境适应性试验 ， 试验表明样机能满足船用柴油机 电控系统需求 ， 通过功能 扩展， 还 可以支 持高压共 轨技术 以外 的 柴油机电控技术 。 关键词 ： 船 用 柴油机 ；电控 系统 ； E C U；高压共轨 中 图分 类号 ： T K 4 2 2 文献标识 码 ： A 文章编 号 ： l 6 7 2 7 6 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 7 0 0 5 DOI ： 1 0 3 4 0 4 j

3、 i s s n 1 6 7 2 7 6 4 9 2 0 1 0 0 8 0 1 4 The r e s e a r c h e o f e l e c t r i c a l l y c o nt r o l l e d s y s t e m o f m a r i ne di e s e l e n g i ne J I N J i a n g s h a n ，YANG L i n ，C HE N Z i q i a n g ，L I NG L i x u n ，Z HOU Ha i t a o 。 ， CAO J i a n。 ，J I ANG Ch u n y u ，Z HOU Z

4、 hi y o n g。 ( 1 T h e 7 1 1 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C S I C， S h a h g h a i 2 0 1 1 0 8 ， C h i n a ； 2 S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n o r d e r t o a d a p t t he e l e c t r o n i c t e c h n o l o

5、g y d e v e l o p me n t o f ma r i n e d i e s e l e n g i n e， a c o n t r o l f r a me wo r k i s p r o p o s e d i n t he p a p e r Th e s o f t wa r e i s d e v e l o p e d b y t he a d v a n c e d V- t y p e mo d e 1 T h e a c c o r d i n g l y p l a t f o r m i s u s e d d ur i n g t h e p r

6、o c e s s o f s o f t wa r e d e v e l o p i n g Th e h a r d wa r e i s o p t i mi z e d b y di g i t a l s i mu l a t i o n a n d b e n c h t e s t i n g An d t h e c o r e r e l i a b i l i t y t e c h n o l o g y h a s a l s o b e e n r e s e a r c h e d On e o f t h e mo s t i mp o r t a n t r

7、e l i a b i l i t y t e c h n o l o g i e s i n t he pa p e r i s t h e r e d u n d a n c y o f t h e c r a n k s e n s o r a n d c a m s e n s o r Th e p r o t o t y p e o f t h e c o n t r o l f r a me wo r k h a s b e e n d e v e l o p e d Th e p r o t o t y p e h a s b e e n t e s t e d o n t h

8、e ha r d wa r e i n l o o p t e s t b e n c h S o me r e l i a b i l i t y t e s t h a s a l s o b e e n c a r r i e d o u t f o r t h e p r o t o t y p e Th e t e s t r e s u l t p r o v e d t ha t t h e s y s t e m c a n we l l s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t o f ma r i n e di e s e l e n

9、 g i n e e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m Afte r e x p a n d i n g e x t r a f u n c t i o n s ， t h i s f r a me wo r k c a n b e u s e d i n o t h e r d i e s e l e n g i n e e l e c t r i c a l c o n t r o l a r e a b e s i d e hi g h - p r e s s ur e c o mmo n r a i l s y s t e m Ke

10、 y wo r ds： ma r i ne d i e s e l e n g i n e；e l e c t r i c a l l y c o n t r o l l e d s y s t e m ；ECU ；h i g h p r e s s u r e c o mmo n r a i l 0 引 言 随着对船用柴油机环保与节能要求的 日益严格 ， 电控高压共轨柴油机 已经成为当前船用 ， 柴油机技术 的发展方向。电控系统是其核心关键技术 。在 国外 ， 船用柴油机电控系统已经成为世界各国船用柴油机 公司 的研 发 重点 ， 一些 国外 的 著 名公 司如 MT U， w a r t

11、s i l a ， MA N B & W 等联合相关单位 已相继完成了各 自的产 品开发 ， 并 随其 整机 正进行 市 场 推广 。在 我 国 ， 尚缺 乏具有 自主 知 识产 权 的 电控 系统 技 术 ， 这 将严重制约我国船用柴油机技术的发展 。本 文介绍 一 种 船用柴 油机 电控 系统 。 1 船用柴油机 电控系统总体架构 1 1 国外船 用柴 油机 电控 系统典 型架构 MT U船用柴油机电控系统是典型的“ 分布式” 控 收 稿 日期 ： 2 0 1 00 42 0 作者简介 ： 金江善 ( 1 9 7 9一) ， 男 ， 工程师 ， 主要研究方向为柴油机 电控技术 。 第 8期

12、 金 江善 ， 等 ： 船 用柴 油机 电控 系统 7 1 制系 统 ( 见 图 1 ) 。整 个 电控 系 统 由 1 0类 模 块 组 成 ， 每个模 块 有相 对 独 立 的 功 能 。如 柴 油 机 及 共 轨 系 统 控制单元 E C U、 柴 油机机旁操纵面板 L O P及齿 轮箱 控制单元 G C U等 。各模块 之间通 过含冗余 机制 的 C A N总线相 互 连接 ， 完 成信 息交 互 。 MA N公 司 的 S a C o S系 统 是 集 柴 油 机 安 全 控 制 、 监 测 和速 度控 制功 能 于一体 的系统 ( 见 图 2 ) 。S a C o S 系统含有 4

13、个标准功能模块 ， 分别是共轨系统喷射控 制模块 、 柴油机运行控制模块 、 本地操纵面板及辅 助 机柜 。4个标 准 功能模 块 之 间通 过 C A N总 线 进行 连 接。辅助机柜中提供 MO D B U S或以太 网总线接 口与 其 他系 统联 接 。S a C o S是功 能 构 成 十 分灵 活 的系 统 ， 通 过功 能扩 展 ， 可支 持 共 轨 技 术 ， 可变 气 阀正 时等 节 能 减排 新技 术 。 图 1 MT U电控 系统 总体架构 Fi g 1 S t r u c t u r e o f e l e c t r i c a l l y c o n t r o l

14、l e d s y s t e m o f MTU 图 2 M A N S a C o S系统总体架构 Fi g 2 S t ru c t ur e o f M AN S aCo S 1 2新 柴油机 电控 系统 总体 架构 根据 船用 柴 油机 电控 系统 、 机 舱 自动化 系统 发展 现状以及船级社规范要求 ， 本文提出一种新的船用柴 油机电控系统总体架构。 新柴油机电控系统由发动机控制单元( E C U) 、 机 旁操纵面板( L O P ) 、 人机交互界面( HM I ) 、 独立安全系 统、 独立报警系统及其他机舱 自动化设备等构成。其 中主要开发模块为发动机控制单元 ( E C

15、 U) 、 机旁操纵 面板 ( L O P ) 及人机 交互 界 面 ( H MI ) 3个 功能模 块 。安 全系统、 报警系统和机舱 自动化设备均可采用成熟的 现有技 术和产 品 ， 只要考 虑相应 的接 口即可 。 E C U， L O P和 H MI 处 于机 舱集 控 室 、 驾驶 室操 控 系统 与船 舶 发 动 机 之 间 。一 方 面 ， E C U， L O P和 H MI 接收各种来 自集控室和驾驶室操控系统 的操控指令 ， 同时向集控 室、 驾驶室操 控系统返 回柴油 机工况参 数 。另一 方 面 ， E C U， L O P和 HMI 从 柴 油机 上 的各 种 传感器

16、获取柴油机运行数据， 对各类操控指令和柴油 机运 行数 据综 合分 析 处 理 后 向执 行 器部 件 发 送 控 制 信号 ， 控 制高压 共 轨等 柴油 机 电控 系统运 行 。总体 架 构中设有 2个电控单元 ( E C U) ， 互为备份 ， 提高系统 的安全性 ， 满足船级社规范要求 。 电控系统各功能模块之间可以通过线束或总线 信 号交 互信 息 。 柴 油机 电控 系 统 中 ， 电控 单 元 E C U是 系统 的重 点 。电控单元 E C U是典型的嵌入式控制设备。E C U 由输入信号调理 电路 ， 输 出信号驱动电路 ， 系统电源 电路 ， 系统配置电路 ， 底层驱动程序

17、， 嵌入式实时操作 系统 ， 通 讯 协议栈 和应用 软件 共 同组成 。 柴 油机 电控 系统 模块 主要 功 能定义 见表 1 。 表 1 模块 主要功能定义 Ta b 1 Th e ma i n f un c t i o n de f i ni t i o n 模块 主要功能定义 柴油机起动 、 停 车过程控 制 ； 主机及辅 机转速 控制 ； 电控 燃油系统控制 ； 柴油机安全及报警 ； 故障检测及处理 HMI 显示 、 查询 、 设置柴油机运行参数 L O P 柴油机机旁操纵 ， 常规传感器执行器处理功能 1 3新 电控 系统主 要技 术特 点 新 电控 系统 主 要技 术特 点如

18、下 ： 1 )系统配置灵活。可以满足多缸发动机共轨燃 油 系统 控制 需 求 。 系统 含 C A N等 总 线 接 口 ， 兼 容 最 新通讯技术 ， 具备较强的适应能力 。 2 )系统 可靠 性 强。系统 采用 了总 线冗 余、 双 E C U备份等增强系统可靠性的措施。 3 )丰 富的 系统控 制 及管 理功 能 。电控 系 统具 备 船用发动机转速控制 ， 喷射过程控制 ， 系统故 障检测 与处理 ， 共轨压力控制 ， 实 时在线 标定等多种 功能。 电控系统还预留丰富的硬件接 口和软件资源 ， 可满足 船用柴油机发展高压共轨 ， 电控单体泵 ， 电控增压系 统等电控技术的需要。 7

19、2 舰船科学技术 第 3 2卷 4 )良好 的环境 适应能力。电控 单元在结构设 计、 元器件选型等方面按相关标准要求优化设计 ， 保 证 系统 良好 的现 场环境 适应 能力 。 1 4柴 油机 电控 单元 E C U开 发 在开 发柴油 机 电控 单元 E C U时采用 目前最 先进 的“ V ” 字形 开发模 式和 开发工具 ( 见 图 3 ) 。 完成 E C U功能定义后搭建系统控制模 型， 进行 离线仿真并修改控制模型 ， 保证控制模型基本正确。 运用 自动代 码生 成工 具 将 系统 控 制模 型转 化 为控 制 程序源代码 。控制程序源代码经过编译、 调试后生成 目标代 码 。

20、 目标代 码下 载到 开发 的 E C U硬件 后形 成 电控系统电控单元样件。电控单元 E C U样件经过硬 件在 回路仿 真验证 无误后 可 以在 台架上 进行 E C U标 定试验， 最终形成定型的电控单元 E C U 。 产品代码 生成 和硬件 制作 图 3 先进的“ V” 字形开发模式 Fi g 3 Ad v a n c e d V mo d e l 2 电控单元 E C U关键 电路 对于高压共轨船用柴油机来说 ， 为了实现高压共 轨系统 的灵 活性 ， 通 常要 求 电控 喷油 器的 响应时 间小 于 0 4 ms 。因此 ， 对 电磁 阀的驱动电路提 出了实现 快速响应的能力要

21、求。 电磁阀升压电路经过 电路仿真和试验研究 ， 对升 压 电源 中 的关键 设计 参数 进行优 化 ， 优 化试 验 曲线 见 图 4。 对 电磁 阀 电流控 制 电路 的 MO S开 关 驱 动 时 序 ， 电流控制逻辑电路等电路进行优化设计 ， 电磁阀电流 控制电路在匹配 目标 电磁阀的情况下 ， 达到了设计指 标要求。电磁阀驱动电流试验曲线见图 5 。 3 电控单元 E C U关键 应用软件 3 1 柴 油机运 行控 制 柴 油机运行 控 制模 块 针 对 柴油 机 用途 在 全 工 况 l 氍 三 二 二 l 图 4升压 电源优化试验 曲线 Fi g 4 Te s t c ur v

22、e o f h i g h v o l t a g e p o we r s o ur c e 0 ； _ _ h 1 2 00 1 22 0 1 2 4 0 1 2 60 1 2 8 0 1 30 0 图 5 电磁 阀驱 动电流试验 曲线 Fi g 5 Cur r e nt o f e l e c t r o n i c v a l v e 范 围 内进 行管 理 ， 如 起 动 过程 ， 怠 速 运行 ， 加 载 卸 载 过程 ， 超速飞车异常处理 ， 紧急停车处理 ， 降速降功率 运行处理等 ， 以及对异常情况的处置 。 在 MA T L A B环境 下设计 柴油机运行控制模块。 在 M

23、 A T L A B s i m u l i n k 环 境 下 仿 真 测 试 柴 油 机 运 行 控 制模 块 ， 测 试 结 果 见 图 6 。仿 真 结 果 表 明 ， 设 计 的柴 油 机运行 控制模 块满 足设 计要 求 。 图 6柴油机运行控制模块仿真测试结果 Fi g 6 S i mu l a t i o n r e s u l t o f e ng i n e c o n t r o mo de l 懈 瞄 童 1 0 0 0 O 0 0 O O 0 第 8期 金 江善 ， 等 ： 船 用 柴油机 电控 系统 7 3 3 2柴 油机 转速 控 制 转速控制是船用柴油机 电控单

24、元的核心控制功 能之 一 。 由于柴 油机 是一 个 复杂非 线 性 系统 ， 为 了满 足船舶主机和辅机应用中对转速控制精度的要求 ， 针 对不 同 的船用 柴油 机 工 况 都 设 计 了专 门 的 转 速控 制 程序 以提 高全 工 况 范 围 内 的转 速 控 制 精 度 。典 型船 用柴 油机 转速 控制 程序 及 技术 特点 见表 2 。 在 MA T L A B s i mu l i n k 环 境 下 建 立 转 速 控 制 程 序 模型。转速控制程序仿真测试结果见第 5节。 表 2典型柴油 机转速控制程序主要技术特 点 Ta b 2 The ma i n f e a t u

25、r e o f e n g i ne s pe e d c o n t r o l pr o g r a m 柴油机工况 转速控制程序 主要技术 特点 起动过程 根 据环境 条件 自动设 定起动油量 ； 冒烟限制 加 载 卸 载 蔫 票 率 控 制 ； 多 转 速 给 定 ，满 足 并 车 并 网 3 3 高 压共 轨 系统控 制 喷 油 速率 曲线 对 柴 油 机燃 油 经 济 性 、 尾 气 排放 、 燃烧 噪声 和性 能 等均具 有 显著 影 响 ， 需 要根 据 柴油机 运行 环境 参数 、 运 行 工 况 对 共 轨 系 统进 行 柔 性 控 制 。 共轨 系统 控制 主要 包含 3

26、部分 控制 功能 ， 分 别是 共轨 压力控制 ， 喷射正时控制 ， 喷射脉宽控制。 共轨 压力 控制 程 序 模 块 根 据 柴 油 机 当前 的运 行 参数确定 目标喷射压力 ， 并通过标定获得最优喷射压 力。轨压控制算法 以 目标喷射压力为调节 目标控制 高压 油泵 的 P C V阀 。 喷射正 时 控制 程 序 根 据 柴 油 机运 行 参 数 如 进 气 温度 ， 进气压力等确定最优 喷射正时 ， 换算成最终 的 电磁 阀起始激励 角度 ， E C U底层程序根据 发动机的 瞬时相位和转速信息换算成 喷油器 电磁 阀激励脉冲 的起 始 时刻 。 喷射脉宽控制模块根据转速控制程序计算的

27、喷 射油 量 和 当前 实 际轨 压 ， 确定 电控 喷 油器 的 电磁 阀激 励脉 宽 。 高压 共 轨控 制程 序 主 要 功 能 模 块 及 主 要 技术 特 点见表 3 。 在MA T L A B s i m u l i n k 环 境 下 建 立 燃 油 系 统 控 制 模型 。部 分高 压共 轨控 制 程序 测试 结果 见第 5节 。 表 3 高压共轨 系统控 制程序 主要技术特点 Ta b 3 Th e ma i n f e a t u r e o f c o mmo n r a i l s y s t e m c o n t r o l pr o g r a m 控制功 能 高

28、压共轨 系统控制程序 主要技 术特点 共轨压力控制 开环 与闭环相结合 ， 调节速度快 ， 精度高 喷 射 正 时 控 制 善 参 数 的 自 动 优 化 ； 多 种 补 偿 喷射 脉宽控制 多种补偿措 施 油量计量精 确 4 电控单元 E C U关键可靠性技术研 究 4 1 双 E C U备份 技术 为满足船 级 社 相 关 规 定 要求 ， 采 用 先进 的双 E C U “ 热备份” 工作模式 ， 即双 E C U同时工作 ， 但 只有 获得 系 统控制 权 的 E C U能 驱动 执行 器 。 4 2关键 传 感器 冗余 高压 共轨 柴 油机 很 多 控 制 参 数是 基 于 转 角

29、进行 控制 ， 如 喷油 正时 。准 确获 得柴 油机 转角 信息 对于控 制 的准确 性乃 至 柴油 机安 全至关 重 要 。 E C U中使用的凸轮轴或 曲轴信号传感器采用冗 余设置 。设计了多种工作模式 ， 以保证传感器在不同 的工作状态下 E C U能最准确获取柴油机角度信息。 开发了柴油机相位和转角计算程序并进行 了试验 测试。图7是模式 1 下的处理结果。图 8是模式 2下 的处理结果。试验结果表 明， 开发 的程序能正确计算 各种 模式下柴 油机转 角信息 ， 满足 实时性和冗余要 求 。 图 7模式 1 试验测试结果 Fi g 7 Te s t r e s u l t o f mo de l 1 图 8模 式 2试 验 测 试 结 果 Fi g 8 Te s t r e s u l t o f mo d e l 2 5 电控单元 E C U平 台试验 硬件 在环 ( H I L ) 仿 真 和标 定 是 E C U 开发 流程 中 的重要环节， 是确保系统功能、 性能、 可靠性的重要措