|
應用領(lǐng)域：汽車(chē)測試 使用產(chǎn)品：CompactRIO、數據采集卡、LabVIEW、LabVIEW FPGA、LabVIEW 實(shí)時(shí)控制、可編程自動(dòng)化控制器（PAC） 挑戰：為高性能摩托車(chē)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(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。 
最后成品的2004 Yamaha YZF-R6 摩托車(chē) 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供應商Drivven，我們需要高可靠性、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。 我們在FPGA 用于汽車(chē)知識產(chǎn)權（IP）領(lǐng)域有專(zhuān)門(mén)研究。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)。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。由于這條道路包括早期的原型開(kāi)發(fā)，其中靈活性和計算能力至關(guān)重要，因此我們常常選擇基于PC 的硬件。在這個(gè)項目中，出于靈活性、體積小、穩定的波形因數考慮，我們選擇了一款四槽的NI CompactRIO 嵌入式系統。使用這個(gè)系統，我們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。此外，我們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。這個(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) 我們創(chuàng )建了三個(gè)定制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。我們把它稱(chēng)為A/D 組合模塊。 這個(gè)模塊實(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)階段實(shí)現同樣的I/O 行為。以上三個(gè)模塊監視所有的摩托車(chē)傳感器并控制其執行器�，F階段，我們正在為傳動(dòng)系控制應用開(kāi)發(fā)其他CompactRIO 模塊，包括驅動(dòng)電子節氣門(mén)和連接通用廢氣含氧傳感器的模塊。 階段二：映射工用ECU 在這個(gè)階段中，我們使用CompactRIO 小心地接進(jìn)關(guān)鍵的摩托車(chē)傳感器和執行器，并以200Hz 的頻率將它們的信號和事件記錄在CompactRIO 的閃存文件系統中。信號和事件包括進(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（分辨率要求0.3 度）以及捕獲噴油和點(diǎn)火事件就的角度時(shí)機。我們進(jìn)行了低成本的映射實(shí)驗，由一名駕駛者在一條交通負荷很少或基本沒(méi)有的長(cháng)直道路上進(jìn)行，因而不需要將引擎從摩托車(chē)上拆下安裝在功率計上。 為了完全映射工用ECU 的行為，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)，我們將ECU 數據記錄到大小為1Mb 的多個(gè)文件中（共20 個(gè)文件，每分鐘一個(gè)文件）。駕駛者以盡可能減少瞬態(tài)操作的方式小心駕駛摩托車(chē)。坐在一輛跟蹤車(chē)內的工程師會(huì )周期地用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )使用FTP 協(xié)議將CompactRIO 上的數據文件傳送至筆記本電腦上，并立即分析它們對工作點(diǎn)的覆蓋情況。運行于筆記本電腦上的NI LabVIEW 應用程序過(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，達到完全認識工用ECU 映射關(guān)系所需的覆蓋率。此后，工程師們在實(shí)驗室中使用LabVIEW 再次處理數據，在圖像上修改原始數據以填入缺少的工作點(diǎn)中，提供三維和二維的可視化顯示。 階段三：引擎控制 在最后的階段中，為了達到可與工用ECU 相媲美的性能，同時(shí)還提供進(jìn)行未來(lái)控制算法研究和開(kāi)發(fā)的可能，我們使用CompactRIO 為一個(gè)面向研究的ECU 開(kāi)發(fā)原型，這在面向生產(chǎn)的電子設備中是不可能實(shí)現的。使用CompactRIO，我們實(shí)現了多個(gè)引擎管理FPGA 核心模塊，在結構圖中，這些模塊都有可重復配置LabVIEW FPGA 圖標。我們可以把同樣的核心模塊直接移植到基于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)氣和排氣軌道的各種限制和調節效應，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，用戶(hù)可以根據燃料油的化學(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)引擎控制器對開(kāi)環(huán)控制使用轉速密度方法，直至噴油子系統在閉環(huán)控制中可直接投入運行。轉速密度方法的優(yōu)點(diǎn)在于當改變進(jìn)氣或排氣系統時(shí)，僅需修改Ve 表即可消除容積效率的變化。 Alpha-N 引擎控制方法比較簡(jiǎn)單，因為它根據每一個(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。為了有效使用轉速密度方法，在整個(gè)節氣門(mén)/負荷范圍中，進(jìn)氣氣壓沒(méi)有足夠的可變性，因此許多高性能和賽車(chē)引擎控制器必須依靠alpha-N 方法。當用戶(hù)對這些引擎作機械修改時(shí)，大部分或所有的工作點(diǎn)必須重新標定。 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。在觀(guān)察了Yamaha 用于成品摩托車(chē)使用的傳感器后，我們確定工用ECU 似乎實(shí)現了一種與此類(lèi)似的策略。我們使用在映射階段采集到的數據來(lái)標定這些控制策略。有經(jīng)驗的駕駛者也不能在工用ECU 控制和我們所設計的原型控制之間發(fā)現大的不同。最重要的是，我們的系統沒(méi)有功率計延時(shí)，就達到了這種等級的控制。我們在預算范圍內成功地按時(shí)完成為摩托車(chē)ECU 開(kāi)發(fā)原型的項目。 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的時(shí)間資源，而且系統堅固，能夠承受高溫和高振動(dòng)的工作環(huán)境。 作者: , Drivven, Inc.公司Carroll G. Dase NI公司供稿 |
