CN114962015A - 一种柴油机分布式电控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机分布式电控系统。包括：发动机控制模块、信号采集模块和喷油控制模块；每一所述柴油机上分布至少一组所述信号采集模块；所述发动机控制模块与所述信号采集模块连接；所述发动机控制模块还用于根据所述状态信号中的位置标识确定所述状态信号对应的所述柴油机，并根据获取的所述柴油机的工作信号和所述工作信号输出对应的所述柴油机的控制信号；所述喷油控制模块与所述发动机控制模块连接；其中，所述喷油控制模块的与所述信号采集模块对应。本发明提供技术方案实现将分散的控制对象分布式管理，大大提高的电控系统的可靠性，在使用维护上可以对每一模块单独维护，提高了维护便捷性。

Description

一种柴油机分布式电控系统

技术领域

本发明实施例涉及电控技术领域，尤其涉及一种柴油机分布式电控系统。

背景技术

随着全球对电能的需求以及对船舶、油田应用、铁路和建筑业驱动系统的需求在不断增加,柴油和燃气发动机发展不断被推动。目前随着柴油机技术的发展，发动机气缸数量以及使用的柴油机数量也在不断增加，控制系统的复杂性提高，控制对象相对分散以及对排放控制及燃油经济性要求越来越高，现有的柴油机电控系统在经济性和适用性上还存在不足。

发明内容

本发明提供一种柴油机分布式电控系统，实现将分散的控制对象分布式管理，大大提高的电控系统的可靠性，在使用维护上可以对每一模块单独维护，提高了维护便捷性。

本发明实施例提供了一种柴油机分布式电控系统，包括：发动机控制模块、信号采集模块和喷油控制模块；

每一所述柴油机上分布至少一组所述信号采集模块；所述信号采集模块用于实时检测所述柴油机的状态信号；

所述发动机控制模块用于获取所述柴油机的工作信号；所述发动机控制模块与所述信号采集模块连接；所述发动机控制模块还用于根据所述状态信号中的位置标识确定所述状态信号对应的所述柴油机，并根据所述状态信号和所述工作信号输出对应的所述柴油机的控制信号；

所述喷油控制模块与所述发动机控制模块连接；其中，所述喷油控制模块的与所述信号采集模块对应设置，所述喷油控制模块用于根据所述控制信号控制对应的所述柴油机的喷油执行器工作状态。

可选的，所述信号采集模块包括传感单元和处理单元；

所述传感单元设置在所述柴油机的检测区域，所述传感单元用于采集所述柴油机的传感信号；所述处理单元与所述传感单元连接；所述处理单元用于将所述传感信号转换为所述工作信号，并将所述工作信号发送至所述发动机控制模块；其中，所述传感信号包括压力信号、温度信号、阀门开合度的反馈信号和位置标识信号中的至少一种。

可选的，所述处理单元采用Arm Cortex M4F芯片。

可选的，所述发动机控制模块包括处理器数字信号处理单元和信号单元；

所述信号单元用于获取所述柴油机的工作信号；

所述数字信号处理单元分别与所述信号单元和所述信号采集模块连接；所述数字信号处理单元用于将所述状态信号和所述工作信号进行信号处理，得到处理信号；

所述处理器与所述数字信号处理单元连接；所述处理器用于根据所述处理信号生成对应的所述柴油机的控制信号。

可选的，所述工作信号包括曲轴凸轮轴转速信号、轨压信号、增压器阀反馈信号和增压器转速信号中的至少一种。

可选的，所述喷油控制模块包括可编程电磁阀驱动芯片；所述可编程电磁阀驱动芯片与所述喷油执行器连接；所述可编程电磁阀驱动芯片用于根据所述控制信号调节所述喷油执行器的喷油开度与喷油时间。

可选的，所述发动机控制模块与所述信号采集模块之间采用CAN通讯连接；所述发动机控制模块与所述喷油控制模块连接之间采用CAN通讯连接。

可选的，所述的柴油机分布式电控系统还包括上位机；所述上位机与所述发动机控制模块连接；所述上位机用于从所述发动机控制模块中获取所述柴油机的工作数据。

可选的，所述上位机与所述发动机控制模块之间采用CAN通讯连接。

可选的，所述的柴油机分布式电控系统，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述发动机控制模块、所述信号采集模块和所述喷油控制模块连接；所述电源模块用于向所述发动机控制模块、所述信号采集模块和所述喷油控制模块供电。

本发明实施例通过在柴油机上设置至少一组信号采集模块，对各信号采集模块分配位置标识，从而可以分布采集每一柴油机状态信号，发动机控制模块直接获取柴油机的工作信号，提高信号获取速度与准确性，发动机控制模块根据状态信号和工作信号进行分布式管理，其中，喷油控制模块和信号采集模块相对应的设置在柴油机上，因此根据信号采集模块的位置标识，同样可以确认需要接收控制信号的喷油控制模块。从而实现将分散的控制对象分布式管理，大大提高的电控系统的可靠性，在使用维护上可以对每一模块单独维护，提高了维护便捷性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种柴油机分布式电控系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的又一种柴油机分布式电控系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的又一种柴油机分布式电控系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着全球对电能的需求以及对船舶、油田应用、铁路和建筑业驱动系统的需求在不断增加,柴油和燃气发动机发展不断被推动。对于功率超过500kW的发动机,约95％的发电机组发动机和约75％的船用发动机采用了速大于1200r/min的高速发动机。并且随着柴油机技术的发展，发动机气缸数量在增加，工程应用的发动机个数也在增加，若对每一控制对象设置相应的电控系统显然增加了控制成本。

有鉴于此，图1为本发明实施例提供的一种柴油机分布式电控系统的结构示意图，参见图1，包括：发动机控制模块110、信号采集模块120和喷油控制模块130；

每一柴油机上分布至少一组信号采集模块120；信号采集模块120用于实时检测柴油机的状态信号；

发动机控制模块110用于获取柴油机的工作信号；发动机控制模块110与信号采集模块120连接；发动机控制模块110还用于根据状态信号中的位置标识确定状态信号对应的柴油机，并根据状态信号和工作信号输出对应的柴油机的控制信号；

喷油控制模块130与发动机控制模块110连接；其中，喷油控制模块130的与信号采集模块120对应设置，喷油控制模块130用于根据控制信号控制对应的柴油机的喷油执行器工作状态。

具体的，在工程应用中当有多个柴油机时，可以在每一个柴油机上设置一组信号采集模块120，信号采集模块120可以采集柴油机上各主要装置状态信号的变化。当需对柴油机多缸检测时，可以相应的在柴油机上设置多个信号采集模块120。其中，状态信号包括冷却液温度信号和燃油温度信号等温度信号和柴油机各控制阀的反馈信号等。通过对各信号采集模块120分配位置标识，从而包括位置标识的状态信号发送至发动机控制模块110后，发动机控制模块110根据位置标识可以解析出对应的柴油机，从而可以对该柴油机发送后续控制信号。示例性的，为满足电控系统的实时性要求，还可以设计各位置标识的优先级，从而保证所发送的控制信号时序合理。

喷油控制模块130和信号采集模块120相对应的设置在柴油机上，因此根据信号采集模块120的位置标识，同样可以确认需要接收信号的喷油控制模块130。发动机控制模块110作为电控系统的核心，发动机控制模块110还用于获取柴油机的工作信号，示例性的，柴油机的工作信号包括曲轴凸轮轴转速信号、轨压信号、增压器阀反馈信号和增压器转速信号等信号，发动机控制模块110根据接收的工作信号和状态信号，利用预先设和存储的控制程序和参数或图谱，经过运算和逻辑判断，确定适合柴油机当时工况的喷油提前角和喷油时间等参数，并将这些参数转变为控制信号，根据位置标识可以输送给对应的喷油控制模块130，喷油控制模块130根据控制信号，控制喷油执行器的电磁阀开闭时刻，即控制柴油机的喷油时刻和喷油量，使气缸的燃烧过程适应柴油机工况变化的需要，从而达到最大限度提高柴油机输出功率，降低油耗和减少排污的目的，通过划分所需的功能，对信号采集模块120和喷油控制模块130进行分布式设计及布置，将分散的控制对象进行分布式管理，大大提高的电控系统的可靠性，在使用维护上可以对每一模块单独维护，提高了维护便捷性。

本发明实施例通过在柴油机上设置至少一组信号采集模块，对各信号采集模块分配位置标识，从而可以分布采集每一柴油机状态信号，发动机控制模块直接获取柴油机的工作信号，提高信号获取速度与准确性，发动机控制模块根据状态信号和工作信号进行分布式管理，其中，喷油控制模块和信号采集模块相对应的设置在柴油机上，因此根据信号采集模块的位置标识，同样可以确认需要接收控制信号的喷油控制模块。从而实现将分散的控制对象分布式管理，大大提高的电控系统的可靠性，在使用维护上可以对每一模块单独维护，提高了维护便捷性。

可选的，信号采集模块包括传感单元和处理单元；

传感单元设置在柴油机的检测区域，传感单元用于采集柴油机的传感信号；处理单元与传感单元连接；处理单元用于将传感信号转换为工作信号，并将工作信号发送至发动机控制模块；其中，传感信号包括压力信号、温度信号、阀门开合度的反馈信号和位置标识信号中的至少一种。

具体的，信号采集模块需要采集多种状态信号，因此设置多个传感器单元，每路传感单元独立采集。处理单元还包括整形/放大电路、采样保持电路、多路开关、模数转换器A/D和输入输出接口电路I/O中的至少一种，从而可以实现相应辅助数据处理功能。其中，传感单元主要包括模拟传感器和数字传感器。模拟传感器负责将柴油机的各种物理信号转换为模拟电压信号即传感信号，再经过处理单元进行滤波降噪转换为数字信号，存储在处理单元的内部存储中，最后输入到发动机控制模块。数字传感器将外部物理信号转换为脉冲信号即传感信号，在由处理单元转换为数字信号，输入到发动机控制模块。通过各种传感单元可以采集柴油机的多种传感信号。传感单元是电控系统的重要组成部分，其中，传感信号包括压力信号、温度信号、阀门开合度的反馈信号和位置标识信号等。示例性的，温度信号是反映柴油机热负荷状态的重要参数，温度信号包括冷却液温度、进气温度、排气温度和燃油温度等信号，以便后续计算吸入气缸空气的流量、修正喷油控制参数以及排气净化处理等，示例性的，采集温度的传感单元可以采用PT1000温度传感器和K type热电偶。压力信号包括机油压力信号等，放置柴油机机油压力过高，保护柴油机。通过阀门开合度的反馈信号确定各阀门的开度，从而后续可以修正控制参数。

可选的，处理单元采用Arm Cortex M4F芯片。具体的，处理单元采用Arm CortexM4F核心，内置2个12位ADC转换模块，每个模块支持16通道输入，可满足机上部分传感器信号的直接采集，减少外设芯片的成本，Arm Cortex M4F芯片还支持3路SPI与3路CAN总线，可满足多个SPI的从设备与主芯片的通信，以及与发动机控制模块的通信。

图2为本发明实施例提供的又一种柴油机分布式电控系统的结构示意图，参见图2，发动机控制模块包括处理器210、数字信号处理单元220和信号单元230；

信号单元230用于获取柴油机的工作信号；

数字信号处理单元220分别与信号单元230和信号采集模块120连接；数字信号处理单元220用于将状态信号和工作信号进行信号处理，得到处理信号；

处理器210与数字信号处理单元220连接；处理器210用于根据处理信号生成对应的柴油机的控制信号。

具体的，信号单元230可以设置信号接口接收柴油机的工作信号，示例性的，工作信号包括曲轴凸轮轴转速信号、轨压信号、增压器阀反馈信号和增压器转速信号中的至少一种。其中，曲轴凸轮轴转速信号可以通过凸轮轴传感器和曲轴传感器采集，数字信号处理单元220接收信号采集模块120的状态信号和信号单元230的工作信号，经过分析处理输出处理信号，处理器210根据处理信号通过内存程序和数据进行运算处理生成控制信号，最终由喷油控制模块130控制各喷油执行器动作，实施最佳控制。例如给出柴油机机在各工况下的喷油时间、喷油阀门开度，从而使发动机工作在最佳状态。其中，处理器210可以将RISC处理器210内核、微控制器和数字信号处理单元220集成，面向多种汽车应用，其中包括控制内燃机，其具有高达六核的高性能架构和先进的连接性、安全性和功能安全特性，非常适合广泛的汽车和工业应用领域。示例性的，当状态信号和工作信号反映的参数或状态超出了设定的范围，处理器210会存储故障信息，并发出报警提示，必要时可以通过切断柴油机的油路或关闭进气门，减少柴油机的输出功率，甚至停止柴油机运转，避免柴油机损坏。

可选的，喷油控制模块包括可编程电磁阀驱动芯片；可编程电磁阀驱动芯片与喷油执行器连接；可编程电磁阀驱动芯片用于根据控制信号调节喷油执行器的喷油开度与喷油时间。

具体的，喷油控制模块包括面向电磁阀控制的可编程电磁阀驱动芯片，传统电磁阀驱动电路中的升压芯片通过调节负载电路电阻改变升压电压，灵活性较低，升压电压会存在误差。本实施例中选用可编程电磁阀驱动芯片，由编程实现升压电压可调、电磁阀的升压和维持阶段的电流可调，使电压电流调试更加精确。从而可以调节喷油执行器的电磁阀开或闭状态的驱动电流各阶段的控制时间和开度，进而提高油路供油和喷油的灵活性。

可选的，发动机控制模块与信号采集模块之间采用CAN通讯连接；发动机控制模块与喷油控制模块连接之间采用CAN通讯连接。

具体的，CAN通讯传输速度比较高，可以提高信号传输速度，从而提高电控系统响应速度。并且CAN通讯可以在线路上任意一节向其他节点发送信息。在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。

图3为本发明实施例提供的又一种柴油机分布式电控系统的结构示意图，参见图3，柴油机分布式电控系统，还包括上位机310；上位机310与发动机控制模块110连接；上位机310用于从发动机控制模块110中获取柴油机的工作数据。

具体的，上位机310的标定和监测软件是用作电控系统的调试、变量监测、数据图形显示处理以及通过标定实现对各电控系统参数的监控和优化设计。示例性的，上位机310与发动机控制模块110采用CAN通讯连接，通过对发动机控制模块110、信号采集模块120和喷油控制模块130的节点分配ID，规定数据帧中数据的内容和帧格式定义，实现分布式控制功能。为满足控制系统实时性的要求，还可以设计各节点的优先级，从而提高数据帧发送的时序合理性。

继续参见图3，柴油机分布式电控系统还包括电源模块320，电源模块320分别与发动机控制模块110、信号采集模块120和喷油控制模块130连接；电源模块320用于向发动机控制模块110、信号采集模块120和喷油控制模块130供电。

具体的，发动机控制模块110、信号采集模块120和喷油控制模块130供电采用同一电源供电，可以降低电源接线的复杂度，并且有利于对电控系统功能进行划分，进一步简化电控系统的布局。

进一步的，在船舶正常航行的过程中，发动机机舱内部整体处在较为恶劣的环境中，温度较高，电磁干扰严重且存在较为严重的低频振动。为从根本上解决电控系统可靠性的问题，以及日常维护检修的便捷性，发动机控制模块、信号采集模块和喷油控制模块内设置的电路分别布置于各模块的外壳内，以保证日常检修的便利性。发动机控制模块以导轨部署于机箱内，机箱以橡胶脚垫柔性固定于主机上器机箱内，并在一侧设有一风扇，提高空气在机箱内流动，并设置冷却水路，进一步将机箱内热量带走，同时保证模块的防水，防尘，防震及防电磁干扰性能。

示例性的，电控系统应用层代码根据实际需求可以使用Simulink搭建模型，在静态、动态测试通过后进行自动代码生成，之后与各功能模块进行整合。基于自动代码生成的电控系统开发，是利用仿真软件建立控制器模型，并可以在模型设计过程中对控制功能进行连续的测试与验证。

首先，根据电控系统功能确定控制功能需求，通过图形化编程的方式在仿真软件上进行控制器模型搭建，并在仿真环境下对所设计的控制功能进行初步验证。然后，将所建立的控制系统模型，通过自动代码生成技术转化成C代码，并在实时系统上对控制算法进行验证。此开发方式可在初期解决设计过程中出现的逻辑漏洞，减少后期的代码功能缺陷，并且采用自动代码生成技术完成控制软件的开发，实现从系统需求、模型设计到嵌入式软件代码实现过程，所生成的代码生成风格一致，便于修改和升级。

本系统采用MAAB建模规范及MISRA-C标准规范进行自动检查。通过规范性审查后的自动生成代码可在嵌入式平台上进行移植，与各功能模块进行整合，以实现控制策略的实现。

柴油机上的电控策略根据控制需求进行模型搭建，模型的输入为信号采集模块采集的状态信号和信号单元的工作信号等，通过模型内的控制算法处理，输出为控制指令，如喷油脉宽、阀、泵的开度和开度时间等。在喷油控制模块中，为监测发动机正时以控制喷油器动作，电控系统将设置霍尔传感器，对霍尔传感器所采集的信号进行计数，以精确读取齿盘信号，计算转速及正时，控制喷油器电磁阀开启时间及驱动脉宽。

为了验证硬件驱动电路设计的正确性和稳定性，设计相应的驱动软件，实现电路升压电压和各阶段电流的调节且驱动电路可靠运行。驱动软件设计包含控制芯片驱动程序和控制单元驱动程序两个部分，控制芯片驱动程序包括升压驱动程序和电磁阀驱动程序，控制单元驱动程序包括控制驱动程序和SPI驱动程序程序。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种柴油机分布式电控系统，其特征在于，包括：发动机控制模块、信号采集模块和喷油控制模块；

每一所述柴油机上分布至少一组所述信号采集模块；所述信号采集模块用于实时检测所述柴油机的状态信号；

所述发动机控制模块用于获取所述柴油机的工作信号；所述发动机控制模块与所述信号采集模块连接；所述发动机控制模块还用于根据所述状态信号中的位置标识确定所述状态信号对应的所述柴油机，并根据所述状态信号和所述工作信号输出对应的所述柴油机的控制信号；

所述喷油控制模块与所述发动机控制模块连接；其中，所述喷油控制模块的与所述信号采集模块对应设置，所述喷油控制模块用于根据所述控制信号控制对应的所述柴油机的喷油执行器工作状态。

2.根据权利要求1所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述信号采集模块包括传感单元和处理单元；

所述传感单元设置在所述柴油机的检测区域，所述传感单元用于采集所述柴油机的传感信号；所述处理单元与所述传感单元连接；所述处理单元用于将所述传感信号转换为所述工作信号，并将所述工作信号发送至所述发动机控制模块；其中，所述传感信号包括压力信号、温度信号、阀门开合度的反馈信号和位置标识信号中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述处理单元采用ArmCortex M4F芯片。

4.根据权利要求1所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述发动机控制模块包括处理器、数字信号处理单元和信号单元；

所述信号单元用于获取所述柴油机的工作信号；

所述数字信号处理单元分别与所述信号单元和所述信号采集模块连接；所述数字信号处理单元用于将所述状态信号和所述工作信号进行信号处理，得到处理信号；

所述处理器与所述数字信号处理单元连接；所述处理器用于根据所述处理信号生成对应的所述柴油机的控制信号。

5.根据权利要求4所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述工作信号包括曲轴凸轮轴转速信号、轨压信号、增压器阀反馈信号和增压器转速信号中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述喷油控制模块包括可编程电磁阀驱动芯片；所述可编程电磁阀驱动芯片与所述喷油执行器连接；所述可编程电磁阀驱动芯片用于根据所述控制信号调节所述喷油执行器的喷油开度与喷油时间。

7.根据权利要求1所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述发动机控制模块与所述信号采集模块之间采用CAN通讯连接；所述发动机控制模块与所述喷油控制模块连接之间采用CAN通讯连接。

8.根据权利要求1所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，还包括上位机；所述上位机与所述发动机控制模块连接；所述上位机用于从所述发动机控制模块中获取所述柴油机的工作数据。

9.根据权利要求8所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，所述上位机与所述发动机控制模块之间采用CAN通讯连接。

10.根据权利要求1所述的柴油机分布式电控系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述发动机控制模块、所述信号采集模块和所述喷油控制模块连接；所述电源模块用于向所述发动机控制模块、所述信号采集模块和所述喷油控制模块供电。

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