CN113062813B - 一种柴油机电喷系统的相位冗余容错控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柴油机电喷系统的相位冗余容错控制方法，涉及动力控制领域，包括随发动机运转的一个曲轴信号盘和一个凸轮信号盘，并分别配置2路霍尔转速传感器，4路传感器信号经霍尔转速信号处理模块处理后接入微处理器，处理器软件将4路信号分别组合为4组转速信号组，计算柴油机相位及驱动时刻，并实时监控判断当前用于相位计算的转速信号组是否异常，如果出现异常，切换到其他转速信号组重新计算柴油机相位及驱动时刻，实现迅速、平稳的冗余切换。本发明适用于船用动力控制领域，包括电控单体泵柴油机、电控共轨柴油机、气体机以及多点喷射的双燃料机，用于精确、可靠的控制燃油、燃气喷射或火花塞点火。

Description

一种柴油机电喷系统的相位冗余容错控制系统及方法
技术领域
本发明专利属于动力控制领域，具体涉及柴油机控制系统。可应用于电控单体泵柴油机、电控共轨柴油机、气体机以及多点喷射的双燃料机，实现精确、可靠的控制燃油、燃气喷射或火花塞点火。
背景技术
为降低船用柴油机的排放，改善大气污染状况，国际海事组织(IMO)已于2016年开始实施TierⅢ排放法规。从目前有关燃油经济性和排放的有关规定，机械化发展路线已经远远的不能满足发展要求，为达到法律法规对经济性与排放性能要求，电控单体泵柴油机、电控共轨柴油机、气体机以及多点喷射的双燃料机等技术已成为实现排放目标的重要手段。另外，中国船级社入级规范第3篇第9章中关于电控柴油机的要求指出：电控系统中因功能故障可能影响主推进柴油机正常运转的设备，应具有双套系统，当其中之一出现故障，另一套系统能自动替换前一套继续工作，以维持柴油机的正常运转，并同时发出相关报警。
目前柴油机电喷系统冗余采用的一般方案是配置两套独立的控制器，每个控制器接入一组独立的相位信号。发明名称为“一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法”（公布号 CN 106593671 A）的中国发明专利，公开了一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法,通过双发动机控制器协作控制发动机，由主发动机控制器和辅发动机控制器分别进行航空发动机冗余控制，由主发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制，如果主发动机控制器发生故障,立即切换到辅发动机 控制器进行四缸燃油喷射的控制。该方法分别安装两套曲轴传感器和凸轮轴传感器用于产生信号分别提供给主发动机控制器和辅发动机控制器,分别作为控制器主发动机控制器和辅发动机控制器的输入。主发动机控制器对应的曲轴传感器和辅发动机控制器对应的曲轴传感器位置相差180度，每个ECU对应凸轮轴位置传感器根据曲轴传感器位置相应安排安装位置。将发动机气缸的缸号分为物理缸号和软件缸号，物理缸号对应实际缸号，软件缸号对应软件中使用的缸号，根据具体得到的缸号和对应的ECU来安排喷油器的喷射。但该方案的缺点是造成传感器资源浪费，如果一个ECU失效，其对应的传感器也将失去作用，传感器资源没有得到充分利用，ECU的可靠性有待增强，单组柴油机转速信号可靠性不高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题，通过硬件信号的隔离技术，在保证ECU冗余结构的基础上，允许2组相位信号均可同时接入ECU，并允许2组相位信号之间进行交叉计算，实现4组相位冗余，充分利用传感器资源，增强单个ECU的可靠性。
本发明提出了一种船用柴油机电喷系统的相位冗余容错控制系统，该系统包括，2路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块、2路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块、冗余电源模块、喷射/点火驱动模块、微控制器系统模块，曲轴霍尔转速信号处理模块和凸轮霍尔转速信号处理模块分别通过传感器采集曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号，并送入微控制器系统模块，由一路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块和一路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块组成一组转速信号组，由此，可组成4组转速信号组，各个转速信号组根据其对应的传感器采集的曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号计算柴油机相位及驱动时刻，控制喷射/点火驱动模块驱动点火线圈、电控单体泵、电控喷油器、电控燃气阀实现精确、可靠的控制燃油、燃气喷射或火花塞点火。微处理器系统模块实时监控凸轮霍尔转速传感器和曲轴霍尔转速传感器的转速信号，判断当前用于相位及驱动时刻计算的转速信号组是否有异常，并确定出现故障的是凸轮转速信号或曲轴转速信号，如果出现异常，切换到另一路转速信号组计算柴油机相位及驱动时刻，实现平稳切换，保证柴油机稳定工作。
冗余电源模块包括直流DC24V模块和交流AC220V模块两路电源输入，输出DC24V分别为系统各模块供电，当1路电源输入出现故障时，自动切换到另一路电源输入。
通过MAP标定完成信号齿盘的适应性配置确定信号特征齿，曲轴信号齿盘种类包括均齿、缺1齿、缺2齿、多1齿，凸轮信号齿盘种类包括单齿、缺1齿、缺2齿、多1齿，特征齿控制单元识别信号特征齿确定发动机相位，并计算发动机转速。
本发明进一步包括，判断当前转速信号组是否异常具体包括：计算当前用于相位计算的转速信号组特征齿的位置关系，并与实际安装位置进行比较，如果不一致，则判定该转速信号组出现异常。
判断当前转速信号组是否异常具体包括：当某一路转速信号组中曲轴/凸轮转速传感器信号发生连续n次及以上中断，而另一路转速信号组中曲轴/凸轮转速传感器信号没有产生中断，则判定未产生曲轴/凸轮转速传感器信号中断的转速信号组为异常，其中，n为信号齿盘齿数。
本发明还提供一种柴油机电喷系统相位冗余容错控制方法，具体包括，容错控制系统包括2路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块和2路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块，其中，任一路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块与任一路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块组成一组转速信号组，共组成4组转速信号组，各转速信号组分别通过传感器采集曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号，计算发电机相位及驱动时刻，控制喷射/点火驱动模块驱动点火线圈、电控单体泵、电控喷油器、电控燃气阀，同时，微处理器系统模块实时监控凸轮霍尔转速信号处理模块和曲轴霍尔转速信号处理模块的转速信号，如果当前转速信号组出现异常，则切换到另一路转速信号组。
本发明采用多路凸轮霍尔转速传感器和多路曲轴霍尔转速传感器，构成4组相位计算信号，适应多种信号齿盘发动机，当其中有1组信号出现故障时，系统可快速切换到其他传感器组进行燃料喷射控制，保证发动机控制精度，提高控制系统的可靠性。具备较强的故障隔离能力，一个模块损坏后不会影响其他模块工作；故障模块可进行在线更换，不需要停机；更换后，微处理器系统模块实时监控报警消除，不影响发动机正常运行，显著提高控制系统的可维护性和保障性。
附图说明
图1为本发明柴油机电喷系统的相位冗余容错控制系统框图；
图2为冗余相位信号系统框图；
图3 为传感器信号与驱动关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明。本实施例以两路曲轴霍尔转速传感器信号和两路凸轮霍尔转速传感器信号为例进行说明，多路转速信号的情况类推。图1所示为本发明柴油机电喷系统的相位冗余容错控制系统框图，包括,2路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块、2路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块、冗余电源模块、喷射/点火驱动模块、微控制器系统模块，曲轴霍尔转速信号处理模块和凸轮霍尔转速信号处理模块通过传感器分别连接曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘，采集曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号,并送入微控制器系统模块，控制喷射/点火驱动模块驱动点火线圈、电控单体泵、电控喷油器、电控燃气阀。冗余电源模块（8）配置直流和交流（如DC24V和AC220V）两路电源输入，输出直流信号，当1路电源输入出现断路、低压等影响系统正常工作时，自动切换到另一路电源输入工作，保证系统的可靠工作。冗余电源模块为系统各模块提供供电。冗余电源模块与曲轴1霍尔转速信号处理模块（1）、曲轴2霍尔转速信号处理模块（2）、凸轮1霍尔转速信号处理模块（3）、凸轮2霍尔转速信号处理模块（4）、微控制器系统模块（5）、喷射/点火驱动模块（6）、驱动对象（7）连接，为上述模块提供电源；冗余电源模块（8）包括DC24V模块(9)和AC220V模块(10)两路电源输入，输出DC24V分别为系统各模块供电，当1路电源输入出现断路、低压等故障影响系统正常工作时，自动切换到另一路电源输入工作，保证系统的可靠工作。
曲轴霍尔转速信号处理模块包括曲轴1霍尔转速信号处理模块（1）、曲轴2霍尔转速信号处理模块（2），凸轮霍尔转速信号处理模块包括凸轮1霍尔转速信号处理模块（3）、凸轮2霍尔转速信号处理模块（4），上述转速信号处理模块分别通过相应的传感器，采集曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号并将其传送给微控制器，微控制器基于这4路信号，计算、控制喷射/点火驱动模块驱动点火线圈(火花塞)、电控单体泵(燃油喷射)、电控喷油器(燃油喷射)、电控燃气阀(燃气喷射)，实现精确、可靠的控制。
信号齿盘的适应性配置可通过脉谱数据标定完成。可适应的曲轴信号齿盘种类包括均齿、缺1齿、缺2齿或多1齿；凸轮信号齿盘种类包括单齿、缺1齿、缺2齿或多1齿。如图3所示，针对不同种类的信号，特征齿控制单元识别信号特征齿计算柴油发动机相位角度，进一步计算发动机转速，并确定喷油/点火时刻，根据喷油/点火时刻控制燃油、燃气喷射或火花塞点火，能够精确、可靠的控制燃油、燃气喷射或火花塞点火。在对电喷系统进行相位冗余容错控制同时，实现对柴油机的精确驱动。该系统实现船用柴油机电喷系统的相位冗余容错控制，曲轴霍尔转速信号处理模块和凸轮霍尔转速信号处理模块中的任意1路曲轴转速传感器信号和任意1路凸轮转速传感器信号合成一组相位判定信号，2路曲轴霍尔转速传感器信号和2路凸轮霍尔转速传感器信号共合成4组相位判定信号，微控制器系统模块选择任意一组相位判定信号计算柴油机相位及驱动时刻。
以图3所示的传感器信号与驱动关系图为例。信号包括曲轴信号1、曲轴信号2、凸轮信号1、凸轮信号2，其中，曲轴齿盘为60-2齿，凸轮齿盘为单齿，两个曲轴传感器位置相差3个曲轴齿，两个凸轮传感器位置相差2.5个曲轴齿。四冲程发动机一个发火循环曲轴转两圈，凸轮转一圈，一个工作循环内凸轮特征齿的位置是确定的,曲轴特征齿会出现两次,因此,需要根据凸轮特征齿的位置确定曲轴特征齿的角度。一般设定发动机第一缸发火上止点为0曲轴角度，则四路信号特征齿上升沿对应的角度分别为-18°（曲轴信号1）、-39°（曲轴信号2）、-54°（凸轮信号1）、-69°（凸轮信号2）。特征齿控制模块先识别特征齿，并以此为基点根据转过的齿数（每个齿为6°）进行实时角度计算，角度范围为[0~720)曲轴角度。一般点火/喷油时刻要求压缩上止点前进行，如设定提前角度为28°（图3所示），当控制模块计算到-30°时（驱动触发时间介余-30°与-24°两个整数齿之间），开始准备控制驱动输出，准备时间T通过一个定时中断进行精确控制。由于发动机转速在6°内不会瞬变，因此，可以依据上一齿周期tp,计算获得T=tp（30-28）/6。
微处理器系统模块实时监控4路转速传感器信号，诊断当前用于相位计算的信号组是否有异常，当任意一组相位判定信号组出现异常，微处理器系统模块控制切换到另一组相位判定信号组，继续计算柴油发动机机相位及驱动时刻，进行燃料喷射控制，准确控制发动机的点火/喷油时刻，本发明在保证发动机控制精度和的稳定运行前提下，提高控制系统的可靠性。同时微处理器系统模块指示故障对应的转速传感器信号通道，并切换转速信号处理模块，实现不停机更换模块。更换后，微处理器系统模块实时监控报警消除，在整个过程中，不影响发动机正常运行。
如图2所示为冗余相位信号系统框图。曲轴传感器分别采集曲轴信号盘的第一路和第二路曲轴霍尔转速信号分别送入第一路和第二路转速信号处理模块，凸轮传感器分别采集第一路和第二路凸轮霍尔转速信号分别送入第三路和第四路转速信号处理模块，四路转速信号处理模块产生的2路曲轴霍尔转速传感器信号和2路凸轮霍尔转速传感器信号送入微控制器。微控制器将上述信号分别两两组合成四组用于相位判定的信号组，包含曲轴1转速信号与凸轮1转速信号合成相位计算信号组1、曲轴1转速信号和凸轮2转速信号合成相位计算信号组2、曲轴2转速信号和凸轮1转速信号合成相位计算信号组3、曲轴2转速信号和凸轮2转速信号合成相位计算信号组4，依据4组相位计算信号组分别计算柴油机相位及驱动时刻，在转速传感器发生故障进行切换时，可以立刻采用新的信号组计算，保证切换迅速、平稳，微控制器系统模块与喷射/点火驱动模块连接，基于微控制器的相位冗余容错控制算法进行控制驱动输出。
另外，曲轴转速信号处理模块可通过MAP配置满足均齿、缺1齿、缺2齿或多1齿等类型的曲轴信号齿盘；凸轮信号处理模块也可通过MAP标定配置满足单齿、缺1齿、缺2齿或多1齿的凸轮信号齿盘。
运行过程中微处理器系统模块会对每路转速信号进行实时监测诊断。
诊断方法可采用信号组内判断方法和相同信号判断方法。信号组内判断方法具体为：通过1路转速信号组（包含1路曲轴转速传感器信号和1路凸轮转速传感器信号）的特征齿位置关系计算值与信号齿盘的实际机械安装位置进行比较，如果不一致，则判定该信号组出现异常，切换到其他可用信号组。由于2路曲轴/凸轮转速传感器信号都是基于1组曲轴和凸轮信号盘产生，曲轴/凸轮1转速传感器信号与曲轴/凸轮2转速传感器信号的频率应一致，因此，相同信号判断方法具体为：当曲轴/凸轮1转速传感器信号发生连续n（n为信号齿盘齿数）次以上中断，而曲轴/凸轮2转速传感器信号没有产生中断，则认为曲轴/凸轮2转速传感器信号错误，切换到有中断的可用信号组。其中，n个齿的曲轴角度≤720/缸数。
本发明适用于船用动力控制领域，包括电控单体泵柴油机、电控共轨柴油机、气体机以及多点喷射的双燃料机，用于精确、可靠的控制燃油、燃气喷射或火花塞点火。另外，每一发火循环都会进行相位校正，进一步保证相位计算及驱动时刻的精确。
微处理器系统模块可实时监控4路转速信号，判断当前用于相位计算的信号组是否有异常，异常后可切换到正常的信号组，继续进行相位计算和驱动时刻计算，以保证发动机的稳定运行。在诊断发现异常后，诊断出相应通道的传感器信号出现问题，可实现不停机更换模块，在整个过程中，不影响发动机正常运行。

Claims (9)

1.一种柴油机电喷系统相位冗余容错控制系统，其特征在于，包括，2路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块、2路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块、冗余电源模块、喷射/点火驱动模块、微控制器系统模块，任一路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块与任一路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块组成一组转速信号组，共组成4组转速信号组，曲轴霍尔转速信号处理模块和凸轮霍尔转速信号处理模块分别通过传感器采集曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号，并送入微控制器系统模块，根据当前转速信号组采集的脉冲信号计算发动机相位及驱动时刻，控制喷射/点火驱动模块驱动点火线圈、电控单体泵、电控喷油器、电控燃气阀实现燃油、燃气喷射或火花塞点火，同时，微处理器系统模块实时监控凸轮霍尔转速信号处理模块和曲轴霍尔转速信号处理模块的转速信号，如果当前转速信号组出现异常，则切换到另一路转速信号组。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，冗余电源模块包括直流DC24V模块和交流AC220V模块两路电源输入，输出DC24V分别为系统各模块供电，当1路电源输入出现故障时，自动切换到另一路电源输入。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过MAP标定完成信号齿盘的适应性配置确定信号特征齿，曲轴信号齿盘种类包括均齿、缺1齿、缺2齿、多1齿，凸轮信号齿盘种类包括单齿、缺1齿、缺2齿、多1齿，特征齿控制单元识别信号特征齿确定发动机相位，并计算发动机转速。
4.根据权利要求1-3其中之一所述的系统，其特征在于，判断当前转速信号组是否异常具体包括：计算当前用于相位计算的转速信号组特征齿的位置关系，并与实际安装位置进行比较，如果不一致，则判定该转速信号组出现异常。
5.根据权利要求1-3其中之一所述的系统，其特征在于，判断当前转速信号组是否异常具体包括：当某一路转速信号组中曲轴/凸轮转速传感器信号发生连续n次及以上中断，而另一路转速信号组中曲轴/凸轮转速传感器信号没有产生中断，则判定未产生曲轴/凸轮转速传感器信号中断的转速信号组为异常，其中，n为信号齿盘齿数。
6.一种柴油机电喷系统相位冗余容错控制方法，其特征在于，容错控制系统包括2路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块和2路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块，其中，任一路凸轮霍尔转速传感器信号处理模块与任一路曲轴霍尔转速传感器信号处理模块组成一组转速信号组，共组成4组转速信号组，各转速信号组分别通过传感器采集曲轴信号齿盘和凸轮信号齿盘随发动机运转产生的脉冲信号，计算发电机相位及驱动时刻，控制喷射/点火驱动模块驱动点火线圈、电控单体泵、电控喷油器、电控燃气阀，同时，微处理器系统模块实时监控凸轮霍尔转速信号处理模块和曲轴霍尔转速信号处理模块的转速信号，如果当前转速信号组出现异常，则切换到另一路转速信号组。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过MAP标定完成信号齿盘的适应性配置确定信号特征齿，曲轴信号齿盘种类包括均齿、缺1齿、缺2齿、多1齿，凸轮信号齿盘种类包括单齿、缺1齿、缺2齿、多1齿，特征齿控制单元识别信号特征齿确定发动机相位，并计算发动机转速。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，判断当前转速信号组是否异常具体包括：计算当前用于相位计算的转速信号组特征齿的位置关系，并与实际安装位置进行比较，如果不一致，则判定该转速信号组出现异常。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，判断当前转速信号组是否异常具体包括：当某一路转速信号组中曲轴/凸轮转速传感器信号发生连续n次及以上中断，而另一路转速信号组中曲轴/凸轮转速传感器信号没有产生中断，则判定未产生曲轴/凸轮转速传感器信号中断的转速信号组为异常，其中，n为信号齿盘齿数。
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