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多缸柴油机主—从ECU分布式控制系统研究

宋雪桦  
【摘要】:柴油发动机由于具有油耗低、功率大、扭矩大等特性,越来越广泛地应用于交通运输中。随着社会的进步,车用发动机这一传统的动力装置出现了许多新的挑战,表现为动力性、经济性、耐久性和排放等方面必须满足更高的要求,而现代科技的飞速发展,使电子控制技术成为改善发动机性能的重要手段。因此,研究开发出具有自主知识产权且符合国情的柴油机控制系统,对提高我国车用柴油机自主开发能力和市场竞争能力,保证车用动力产业持续、稳定和健康发展具有重要意义。 作为车用柴油机的重要应用领域,内燃机车出于牵引功率较大,不受电力系统故障的影响,具有稳定发展的潜力。论文针对16缸柴油发动机电控系统研究了基于车载网络CAN总线的分布式结构、控制策略和系统的软硬件,进行了详细设计,并经发动机台架实验获得验证。为了进一步提高车载网络通信速度、提高网络容错和纠错能力,论文还研究了高速FlexRay通信网络,并设计各节点的硬件和软件,最终整合成高速分布式控制系统。论文在对车用电控系统发展现状、关键技术及未来趋势的基础上,展开了下述研究工作: (1)研究多缸柴油机分布式系统构架。通过分析现有乍载网络结构特点、柴油机对电控系统的需求,针对机车多缸柴油发动机提出了基于CAN总线的主-从电控单元(ECU)的系统构架,创造性的采用两个具有完全相同软、硬件结构的ECU,研制成主-从ECU的发动机分布式控制系统,通过设置ECU所在物理位置相应I/O口线电平高低,自动识别ECU的主-从身份。 (2)分布式控制系统软件和硬件设计。分析了16缸柴油机分布式控制系统硬件工作原理,研究了主要器件的选型并设计了主要硬件电路,设计了CAN网络通信接口和网络通信协议,对系统软件做了整体规划。 (3)分布式发动机控制策略的研究。根据机乍柴油机工作特性,设计了整体控制策略和分模块控制策略,主要控制包括转速采集、工况判别、转速控制、励磁控制和故障诊断五大模块。基于发动机硬件系统对分布式主-从发动机电控单元控制软件底层和应用层设计做了详细分析,包括主从ECU位置确定、喷油时间同步原理、主ECU的系统软件流程、从ECU的系统软件流程、发动机控制的数据和指令通信协议设计。设计了转速计算、最大油量限制、供油触发参数计算、故障诊断设计、排放控制等算法。 (4)基于高速FlexRay网络的分布式控制系统的研究。为适应粒下一代高速车载网络的需求,特别是实现车联网技术与发动机系统的接入,论文进一步研究了高速FlexRay总线网络的发动机分布式控制系统,包括FlexRay网络系统的特点,数据帧结构定义,时间同步机制,FlexRay系统的主—从ECU的同步机制。更新设计了带有FlexRay总线控制器和总线驱动器的电控单元,研究了通信协议,并实现了分布式控制系统。 (5)分布式控制系统试验研究。对基于CAN网络的主-从发动机控制系统做了分项测试和台架测试实验,通过对主-从ECU系统进行实验标定,得到实验数据。测试表明,主-从ECU控制系统可稳定实施对多缸柴油机的联合控制,发动机在预定的各实验工况转速比较稳定,误差可控制在0.5%以内,通过进一步优化标定可以实现更好的效果。 搭建了两个节点的FlexRay控制系统试验平台。实验表明,在两个或更多时槽中,实现了比CAN速度更高和信息量更多的实时数据交换,系统最高通信速度可以达到10 Mbit/s。同时采用FlexRay定时高速发送曲轴位置同步信号,可取消基于CAN总线分布式系统中的同步信号专递专用接口线,进一步简化系统,提高了系统的可靠性,并为新一代车载网络提供了一种可资借鉴的解决方案。


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