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        Drivven 公司使用NI CompactRIO 開發基于FPGA 的引擎控制系統原型

        發布日期:2017-11-30 13:32  來源:上海恩艾儀器有限公司
        在過去的項目中,我們至少花了2年和500,000美元……在這個項目中,設備成本(包括摩托車和CompactRIO)為15,000美元。此外,這個項目中僅用了3個月就完成了。"- Carroll G. Dase, Drivven

        挑戰:

        為高性能摩托車引擎構造基于FPGA 的全權引擎控制系統

        解決方案:

        使用National Instruments(美國國家儀器公司,簡稱NI)的CompactRIO 和LabVIEW 環 境將重點直接放在引擎控制軟件和I/O 板卡開發上。

        作者:

        Carroll G. Dase - Drivven

        構造高可靠性、高性能的系統

        針對汽車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摩托車開發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時間,以及微秒級的精確噴油和點火時機。此外,被控對象引擎轉速高達每分鐘15,500 轉。在這個轉速下,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火事件。

        我們致力于為基于FPGA開發的傳動系控制器提供一條從原型到生產的無縫整合之路,由于其中包括早期的原型開發,其靈活性和計算能力至關重要 。我們龐大的IP 庫容納了一系列核心技術,如從一系列定位傳感器跟蹤曲軸角坐標的技術;精確角度的噴油及發出精確點火的技術。在這個項目中,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、簡單地顯示數據。另一方面,也可以把控制器安裝在超級運動摩托車極其有限的可用空間內。

        整個項目由以下三個主要階段構成。

        階段一:定制I/O 模塊開發

        我們開發了三個定制的CompactRIO I/O 模塊。第一個模塊提供22 個單端12 位模擬輸入,2 個可變磁阻(VR)傳感器輸入以及2 個霍爾效應傳感器輸入,并實現了低通模擬濾波器和所有輸入的過壓/ 欠壓保護。第二個模塊為驅動低阻抗點式噴油嘴提供了四個通道,并為驅動通用螺線管提供了四個低側感性負載開關。

        每個通道可以在幾乎沒有CPU干預下檢測開路、閉路或禁用。第三個模塊為點火線圈提供八個低側感性驅動器。

        為使開發面向生產的控制系統原型,我們使用低成本的電路來設計每個模塊。因此,開發者可以在原型開發和生產階段采用同樣的電路。

        階段二:標定廠家ECU(電控單元)

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

        為了完全標定廠家ECU的行為,需要在許多不同的節氣門位置和引擎轉速的組合下(近700 個工作點)駕駛摩托車,同時,ECU數據被記錄到多個文件中。跟蹤車內的工程師周期地用無線網絡將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的覆蓋情況。應用程序會過濾掉瞬態數據,并將數據快速排列成轉速/ 負荷工作點表。對每一個工作點都會計算出平均值和標準差。在2 小時內,這個團隊采集到了90% 的摩托車工作點數據,達到完全認識廠家ECU 標定所需的覆蓋率。此后,工程師們在實驗室中使用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。

        階段三:引擎控制

        在最后的階段中,CompactRIO作為一個面向研究的ECU開發原型,提供了進行未來控制算法研究和開發的可能。使用CompactRIO,我們實現了多個引擎管理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實時模塊,我們實現了在高性能賽車應用中常見的轉速密度方法和alpha-N 引擎控制組合策略。轉速密度引擎控制方法監視進氣氣壓和溫度,以計算在每個氣缸循環中進入燃燒室空氣的理論質量(密度)。但是,由于進氣和排氣通道的調節效應,引擎的轉速會影響實際進入燃燒室的空氣質量。用戶可以用一個容積效率(Ve)對應引擎轉速的一維查詢表描述這種行為。然后根據燃料油的化學計量(對汽油而言,約14.7份空氣配1 份汽油)計算噴油質量。許多客車引擎控制器使用開環控制的轉速密度方法,直至噴油子系統在閉環控制中可直接投入運行。Alpha-N 引擎控制方法比較簡單,它根據每一個節氣門角度(alpha)和引擎轉速(N)工作點查找空氣質量的經驗值,構成一張包含幾百個點的二維查詢表。我們采用這兩種控制策略的組合方式,在進氣氣壓有最大可變性的低轉速、低負荷工作點采用轉速密度方法。在其余工作點映射采用alpha-N 方法。

        使用CompactRIO 和LabVIEW 節省時間和資金

        在過去的項目中,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發相似的ECU原型系統。在這個項目中,設備成本(包括摩托車和CompactRIO)為15,000 美元。此外, 這個項目中僅用了3 個月就完成了。CompactRIO 和LabVIEW 實時工具提供了所需的可靠性和精確定時的資源,而且系統堅固,能夠承受高溫和高振動的工作環境。

        作者信息:

        Carroll G. Dase
        Drivven
         
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