Drivven使用NI CompactRIO 開(kāi)發(fā)引擎控制系統原型

　　The Challenge:

　　為高性能摩托車(chē)引擎構造基于FPGA 的全權引擎控制系統

　　The Solution:

　　使用National Instruments(美國國家儀器公司，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)的CompactRIO 和LabVIEW 環(huán)境將重點(diǎn)直接放在引擎控制軟件和I/O 板卡開(kāi)發(fā)上。

　　Author(s):

　　Carroll G. Dase - Drivven

　　構造高可靠性、高性能的系統

　　針對汽車(chē)控制和數據采集解決方案的供應商Drivven 需要高可靠性、高性能的硬件為2004 Yamaha YZF-R6摩托車(chē)開(kāi)發(fā)引擎控制系統的原型。引擎控制系統要求毫秒級的確定性循環(huán)時(shí)間，以及微秒級的精確噴油和點(diǎn)火時(shí)機。此外，被控對象引擎轉速高達每分鐘15,500 轉。在這個(gè)轉速下，曲軸每轉一圈不到4ms，系統必須在小于1 度的角度內精確控制噴油和點(diǎn)火事件。

　　我們致力于為基于FPGA開(kāi)發(fā)的傳動(dòng)系控制器提供一條從原型到生產(chǎn)的無(wú)縫整合之路，由于其中包括早期的原型開(kāi)發(fā)，其靈活性和計算能力至關(guān)重要 。我們龐大的IP 庫容納了一系列核心技術(shù)，如從一系列定位傳感器跟蹤曲軸角坐標的技術(shù);精確角度的噴油及發(fā)出精確點(diǎn)火的技術(shù)。在這個(gè)項目中，出于靈活性、體積小、穩定堅固的形體考慮，我們選擇了一款四槽的NI CompactRIO嵌入式系統。一方面可以方便地增加傳感器和執行器，并且快速、簡(jiǎn)單地顯示數據。另一方面，也可以把控制器安裝在超級運動(dòng)摩托車(chē)極其有限的可用空間內。

　　整個(gè)項目由以下三個(gè)主要階段構成。

　　階段一：定制I/O 模塊開(kāi)發(fā)

　　我們開(kāi)發(fā)了三個(gè)定制的CompactRIO I/O 模塊。第一個(gè)模塊提供22 個(gè)單端12 位模擬輸入，2 個(gè)可變磁阻(VR)傳感器輸入以及2 個(gè)霍爾效應傳感器輸入，并實(shí)現了低通模擬濾波器和所有輸入的過(guò)壓/ 欠壓保護。第二個(gè)模塊為驅動(dòng)低阻抗點(diǎn)式噴油嘴提供了四個(gè)通道，并為驅動(dòng)通用螺線(xiàn)管提供了四個(gè)低側感性負載開(kāi)關(guān)。

　　每個(gè)通道可以在幾乎沒(méi)有CPU干預下檢測開(kāi)路、閉路或禁用。第三個(gè)模塊為點(diǎn)火線(xiàn)圈提供八個(gè)低側感性驅動(dòng)器。

　　為使開(kāi)發(fā)面向生產(chǎn)的控制系統原型，我們使用低成本的電路來(lái)設計每個(gè)模塊。因此，開(kāi)發(fā)者可以在原型開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)階段采用同樣的電路。

　　階段二：標定廠(chǎng)家ECU(電控單元)

　　我們使用CompactRIO接入關(guān)鍵的摩托車(chē)傳感器和執行器，并以200 Hz的頻率將它們的信號和事件進(jìn)行記錄，包括進(jìn)氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節氣門(mén)位置、曲軸位置、凸輪軸位置、噴油初始角和脈沖寬度以及點(diǎn)火提前?；贔PGA 的引擎管理VI 用來(lái)記錄曲軸的位置(分辨率達到0.3 度)以及捕獲噴油和點(diǎn)火事件對角度的時(shí)機。映射實(shí)驗在一條交通負荷很少的長(cháng)直道路上進(jìn)行，而不需要將引擎從摩托車(chē)上拆下安裝在測功機上。

　　為了完全標定廠(chǎng)家ECU的行為，需要在許多不同的節氣門(mén)位置和引擎轉速的組合下(近700 個(gè)工作點(diǎn))駕駛摩托車(chē)，同時(shí)，ECU數據被記錄到多個(gè)文件中。跟蹤車(chē)內的工程師周期地用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將CompactRIO上的數據文件傳送至筆記本電腦上，并立即使用LabVIEW程序分析它們對工作點(diǎn)的覆蓋情況。應用程序會(huì )過(guò)濾掉瞬態(tài)數據，并將數據快速排列成轉速/ 負荷工作點(diǎn)表。對每一個(gè)工作點(diǎn)都會(huì )計算出平均值和標準差。在2 小時(shí)內，這個(gè)團隊采集到了90% 的摩托車(chē)工作點(diǎn)數據，達到完全認識廠(chǎng)家ECU 標定所需的覆蓋率。此后，工程師們在實(shí)驗室中使用LabVIEW再次處理數據，提供三維和二維的可視化顯示，并在圖像上修改原始數據以填入缺少的工作點(diǎn)。

　　階段三：引擎控制

　　在最后的階段中，CompactRIO作為一個(gè)面向研究的ECU開(kāi)發(fā)原型，提供了進(jìn)行未來(lái)控制算法研究和開(kāi)發(fā)的可能。使用CompactRIO，我們實(shí)現了多個(gè)引擎管理FPGA核心模塊，這些核心模塊可以被直接移植到基于FPGA 的成品控制器上。

 

　　使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，我們實(shí)現了在高性能賽車(chē)應用中常見(jiàn)的轉速密度方法和alpha-N 引擎控制組合策略。轉速密度引擎控制方法監視進(jìn)氣氣壓和溫度，以計算在每個(gè)氣缸循環(huán)中進(jìn)入燃燒室空氣的理論質(zhì)量(密度)。但是，由于進(jìn)氣和排氣通道的調節效應，引擎的轉速會(huì )影響實(shí)際進(jìn)入燃燒室的空氣質(zhì)量。用戶(hù)可以用一個(gè)容積效率(Ve)對應引擎轉速的一維查詢(xún)表描述這種行為。然后根據燃料油的化學(xué)計量(對汽油而言，約14.7份空氣配1 份汽油)計算噴油質(zhì)量。許多客車(chē)引擎控制器使用開(kāi)環(huán)控制的轉速密度方法，直至噴油子系統在閉環(huán)控制中可直接投入運行。Alpha-N 引擎控制方法比較簡(jiǎn)單，它根據每一個(gè)節氣門(mén)角度(alpha)和引擎轉速(N)工作點(diǎn)查找空氣質(zhì)量的經(jīng)驗值，構成一張包含幾百個(gè)點(diǎn)的二維查詢(xún)表。我們采用這兩種控制策略的組合方式，在進(jìn)氣氣壓有最大可變性的低轉速、低負荷工作點(diǎn)采用轉速密度方法。在其余工作點(diǎn)映射采用alpha-N 方法。

　　使用CompactRIO 和LabVIEW 節省時(shí)間和資金

　　在過(guò)去的項目中，我們至少花了2 年和500,000 美元在定制設計硬件的基礎上開(kāi)發(fā)相似的ECU原型系統。在這個(gè)項目中，設備成本(包括摩托車(chē)和CompactRIO)為15,000 美元。此外， 這個(gè)項目中僅用了3 個(gè)月就完成了。CompactRIO 和LabVIEW 實(shí)時(shí)工具提供了所需的可靠性和精確定時(shí)的資源，而且系統堅固，能夠承受高溫和高振動(dòng)的工作環(huán)境。