一種大功率交流傳動重型軌道車柴油機啟動保控制方式

摘 要：大功率交流傳動軌道車整車控制邏輯復(fù)雜、接口多，會出現(xiàn)設(shè)計遺漏現(xiàn)象，其中柴油及啟動困難是常見故障之一。文章介紹了一種大功率交流傳動重型軌道車柴油機啟動邏輯控制設(shè)計原理，并對軟件模型進行Matlab仿真，針對柴油機運行過程中因誤操作起機按鈕的保護邏輯，以及啟動馬達自動脫開的邏輯進行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了柴油機按規(guī)定流程正確啟動及誤操作保護功能，并通過現(xiàn)場調(diào)試驗證了設(shè)計的正確性。

關(guān)鍵詞：大功率交流傳動重型軌道車 啟動邏輯控制 Matlab仿真

在內(nèi)燃機車電傳動系統(tǒng)中，因柴油發(fā)動機動力充足和功率大的優(yōu)勢被大量融入軌道交通領(lǐng)域，是機車得以穩(wěn)定運行的關(guān)鍵保障。柴油機啟動涉及燃油供給、機械運動部件、電控部分等多個系統(tǒng)，電控單元需根據(jù)油位、轉(zhuǎn)速、電流等傳感信號控制噴油量，同時結(jié)合整車控制邏輯條件進行柴油機啟動控制設(shè)計。柴油機啟機控制是整車控制邏輯的一個重要組成部分，文章將對交流傳動機車上使用柴油機啟機控制邏輯進行梳理分析，在MATLAB的SimuLink環(huán)境下進行開發(fā)及仿真驗證，并通過SST軟件轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行代碼，燒寫入整車控制單元（LCU）進行測試，可有效解決大功率柴油機啟動困難和因誤操作導(dǎo)致測試驗證不充分使用問題。

1 柴油機啟機控制原理

該柴油機啟動系統(tǒng)主要由啟動開關(guān)、蓄電池模塊、啟動繼電器、啟動接觸器、啟動馬達、停油電磁閥和電流傳感器組成，柴油機啟機電氣原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用DC24V電起動方式，當(dāng)整車控制單元LCU接受到啟機按鈕輸入信號時，繼而控制啟動馬達繼電器線圈和啟機接觸器線圈吸合，此時啟動馬達得電，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速大于200r/min時，嚙合齒輪脫開，柴油機進入正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

柴油機調(diào)速器控制系統(tǒng)控制電壓DC24V，通信接口采用HD14-9-1939P，可通過儀表箱上的啟機和停機按鈕控制發(fā)送請求，控制柴油機啟機和停油電磁閥得電停機。柴油機調(diào)速器控制原理如圖2所示。

2 柴油機啟機邏輯設(shè)計

2.1 啟機方式

柴油機啟動操作分為司機操縱臺起機和機旁起機。

操縱臺起機：按壓主駕駛臺右側(cè)綠色啟動按鈕3S以上釋放。

機旁起機：按壓柴油機調(diào)速器（ECU）面板上啟動請求按鈕釋放。

2.2 啟機條件

根據(jù)整車電氣原理圖，設(shè)計柴油機啟動條件如下：

（1）柴油機當(dāng)前轉(zhuǎn)速小于5RPM；

（2）柴油機冷卻風(fēng)扇斷路器開關(guān)閉合；

（3）ECU無故障反饋；

（4）無緊急停機按鈕按下；

（5）燃油壓力控制開關(guān)閉合；

（6）操作端換向器位于中間位；

（7）運行工況為起機模式。

當(dāng)滿足以上條件時，操作端按下起機按鈕，LCU通過CAN通訊向ECU發(fā)送起動指令，收到ECU的反饋后，啟動起機馬達；若進行機旁起機，按下ECU面板上啟動請求按鈕后，ECU通過CAN通訊向LCU發(fā)送起動請求，LCU判斷起機條件滿足后啟動起機馬達。

柴油機起機是由整車控制單元（LCU）通過控制啟動馬達投切完成的。當(dāng)條件滿足時，LCU控制啟動馬達供電繼電器吸合，傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入柴油機飛輪齒輪，啟動馬達拖動柴油機轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于200RPM時，LCU控制啟動馬達供電繼電器斷開，啟動馬達脫開，柴油機自啟動成功。

2.3 柴油機啟動保護設(shè)計

柴油機在啟動過程中如果邏輯錯誤，可能發(fā)生以下兩種不可逆的破壞性事故。

1）柴油機啟機成功后，啟動馬達沒有脫開。由于柴油機啟動成功后，轉(zhuǎn)速遠高于啟動馬達轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致啟動馬達線圈繞組燒毀。因此需仿真測試柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM時，啟動馬達自動脫開邏輯的穩(wěn)定性。同時邏輯設(shè)計要求，在起機不成功時，起機馬達最多工作20s，便自動脫開。

2）柴油機在運轉(zhuǎn)時，啟動馬達誤投入，會導(dǎo)致啟動齒輪和飛輪齒輪被打壞。因此需仿真測試柴油機轉(zhuǎn)速大于5RPM時，禁止啟動齒輪投入的邏輯穩(wěn)定性。

3 MATLAB-SimuLink邏輯驗證

EngRun：柴油機運轉(zhuǎn)，判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM。

EngDead：柴油機停機，判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速小于5RPM。

Cnd：柴油機起動命令，判斷條件如圖4所示。

En：柴油機起動使能，控制邏輯如圖5所示。

En邏輯模型中包含一個狀態(tài)機，主要功能是來判斷操縱臺起機和機旁起機。當(dāng)操縱臺起機或者機旁起機有且只有一個條件為真，同時滿足IsoAB=1，EngStp=0，LdUnit=0時，En=1。

根據(jù)圖 3邏輯模型，當(dāng)

EngRun=0；

EngDead=1；

En=1；

Cnd由0—gt;1（起機操作）

滿足以上條件時：STA輸出變?yōu)?，柴油機啟動馬達投入工作，當(dāng)檢測到柴油機轉(zhuǎn)速大于200RPM時，EngRun=1，STA=0，起機馬達脫開，完成起機。

4 模型仿真

通過手動設(shè)置模型輸入條件，對邏輯進行仿真測試。

4.1 啟動失敗仿真測試

按要求設(shè)置起機條件都滿足后，按下啟動按鈕，不給柴油機模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖6所示。

圖6中起機條件都滿足后，STA輸出為1s時變?yōu)?，啟動馬達投入工作，由于沒有收到柴油機轉(zhuǎn)速，邏輯判斷尚未起機成功，所以控制馬達一直投入，到21s時，STA變?yōu)?，強制脫開馬達，起機失敗。

4.2 啟動成功仿真測試

按要求設(shè)置起機條件都滿足后，按下啟動按鈕，通過CAN通訊按照表1向LCU發(fā)送柴油機模擬轉(zhuǎn)速，STA的仿真波形如圖7所示。

起機條件都滿足后，1s時STA輸出為變?yōu)?，起機馬達投入工作，在5s邏輯收到柴油機模擬轉(zhuǎn)速250RPM，大于200RPM，STA立刻變?yōu)?，啟動馬達脫開，起機成功，起機成功仿真波形如圖7所示。

4.3 誤操作起機仿真

通過CAN通訊按照表向LCU發(fā)送柴油機模擬轉(zhuǎn)速800RPM（柴油機怠速轉(zhuǎn)速），表示柴油機正在運行，設(shè)置其它條件都滿足，按下啟動按鈕后，STA的仿真波形如圖8所示。從圖8可以看出，在柴油機運行中，即使誤按了起機按鈕，STA輸出保持為0，啟動馬達不會誤投，因此不會產(chǎn)生打壞齒輪的后果。

5 結(jié)語

一種大功率交流傳動機車是為了滿足國內(nèi)極端工況重載運輸需求而設(shè)計，經(jīng)過前期的理論分析及半實物仿真驗證，文章介紹的邏輯模型實現(xiàn)了對柴油機的起機的自動控制，目前系統(tǒng)運行良好。

參考文獻：

[1]沈艷河，鄭蘭霞.柴油機智能啟動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2020，47（04）：55-58.

[2]郭會會，謝永紅，顧新建.柴油機啟動保護控制系統(tǒng)[J].工程機械與維修，2015（06）：89.

[3]高臻臻.試論電控單體泵柴油機起動過程控制策略[J].科技資訊，2018，16（35）：96-97.

[4]陳有兵，魏志友，夏東徽，等.電控柴油機起動過程故障研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2018，35（01）：72-77.

[5]張志涌，楊祖櫻. MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[6]石良臣. MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.