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挑戰：為汽車(chē)燃料電池系統開(kāi)發(fā)一個(gè)電子控制設備(ECU)，顯著(zhù)改善燃料電池系統使其較之于傳統的基于內燃機的傳動(dòng)系統更具競爭力，同時(shí)在商業(yè)上切實(shí)可行——是我們面臨的主要挑戰。 方案：使用NI LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA模塊及NI CompactRIO控制器為汽車(chē)燃料電池系統開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式控制系統，并使用LabVIEW和一個(gè)實(shí)時(shí)PXI 機箱硬件在環(huán)（HIL）系統進(jìn)行系統驗證。 自1992年以來(lái)，Ford Motor公司就開(kāi)始專(zhuān)注于研發(fā)燃料電池系統。雖然燃料電池系統較之傳統的基于內燃機的傳動(dòng)系統更具競爭力，但在我們取得重大進(jìn)展的同時(shí)，依然存在一些缺陷妨礙了燃料電池系統成為商業(yè)可行的技術(shù)。因此，我們不斷在系統壽命、防凍起動(dòng)等方面進(jìn)行重大改進(jìn)，嘗試消除這些不足。 在開(kāi)發(fā)突破性的燃料電池系統的同時(shí)，我們還使用快速原型開(kāi)發(fā)了新型控制系統。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設計團隊不斷通過(guò)系統工程V模型驗證、改良設計。設計上的改變往往會(huì )影響子系統部件之間的接口，如空氣壓縮機控制模塊和燃料電池控制模塊之間的接口。盡管在車(chē)輛生產(chǎn)方面ECU已經(jīng)取得了廣泛的成功，但仍然存在更好的快速原型控制系統實(shí)現方法。我們使用CompactRIO進(jìn)行燃料電池控制設備（FCU）的快速原型開(kāi)發(fā)，而不是更改產(chǎn)品ECU I/O電路以適應接口變化。使用CompactRIO，我們快速地適應了設計上的改變，并使用用于新型設計方案的新傳感器和制動(dòng)器進(jìn)行了實(shí)驗。 我們開(kāi)發(fā)了硬件在環(huán)系統（HIL），它由一個(gè)在NI PXI-1010混合PXI/SCXI機箱中的NI PXI-8186控制器以及一些相關(guān)的PXI和SCXI I/O卡組成，其中包括一個(gè)控制器區域網(wǎng)絡(luò )（CAN）板卡，用于對CompactRIO 控制器中嵌入的控制策略功能性進(jìn)行驗證。這個(gè)使用LabVIEW Real-Time實(shí)現的硬件在環(huán)系統具有圖形化用戶(hù)界面（GUI），可向ECU提供手動(dòng)和自動(dòng)輸入以驗證控制策略的執行，同時(shí)在硬件在環(huán)監視器上顯示CompactRIO I/O反饋。硬件在環(huán)系統的驗證是成功的，在CompactRIO開(kāi)始控制實(shí)際的燃料電池系統設備后，我們只需要對策略進(jìn)行鏡像更改即可。 汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)控制需要能夠實(shí)時(shí)。為達到實(shí)時(shí)所需的確定性，LabVIEW Real-Time Module（實(shí)時(shí)模塊）為所選控制器提供了商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）。當我們?yōu)樘嵘阅軓氖褂肗I cRIO-9002轉為使用NI cRIO-9012嵌入式實(shí)時(shí)控制器時(shí)，LabVIEW Real-Time模塊會(huì )自動(dòng)從Pharlap實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）轉為VxWorks實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）。通過(guò)使用美國國家儀器產(chǎn)品實(shí)現 RTOS，我們的團隊得以集中精力到燃料電池控制系統，而無(wú)需為實(shí)時(shí)操作系統這一細節分心。 燃料電池系統控制器從車(chē)輛中的傳感器、制動(dòng)器、其他控制器及系統中接受不同類(lèi)型的輸入�，F在，汽車(chē)設計普遍采用CAN總線(xiàn)設備，用來(lái)傳送、接收燃料電池系統內外大多數的I/O信號。在實(shí)驗室測試時(shí)，我們通過(guò)一個(gè)基于LabVIEW的擴展測試平臺模擬了主車(chē)輛控制器，它通過(guò)CAN總線(xiàn)與燃料電池系統從控制器進(jìn)行通信。出于這些考慮，對于汽車(chē)燃料電池系統應用來(lái)說(shuō)，CompactRIO CAN的支持至關(guān)重要。為了支持CAN總線(xiàn)，美國國家儀器迅速開(kāi)發(fā)了支持快速、基于VxWorks的平臺（如cRIO-9012）上的CAN總線(xiàn)的新方法。除了能夠應用CAN通道API外，新的CAN架構通道轉換庫也比以前更快，從而縮短了我們的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 美國國家儀器的產(chǎn)品一直以來(lái)都以支持一個(gè)開(kāi)放式系統架構而備受贊譽(yù)。使用NI Measurement & Automation Explorer (MAX)軟件可以方便導入使用其他CAN生產(chǎn)商的工具開(kāi)發(fā)的CAN信息數據庫。這使得我們可以交換數據庫，而無(wú)需轉化或記錄CAN信息數據庫。 技術(shù)無(wú)縫集成 對于這個(gè)項目來(lái)說(shuō)，我們使用LabVIEW Professional Development System開(kāi)發(fā)系統和兩個(gè)附加模塊實(shí)現了控制策略。首先，我們使用了LabVIEW Real-Time模塊，對實(shí)時(shí)控制器編寫(xiě)了實(shí)時(shí)控制軟件。其次，我們使用 LabVIEW FPGA模塊，通過(guò)基于FPGA的軟件傳輸包括CAN在內的所有I/O。這兩個(gè)附加LabVIEW模塊都可以無(wú)縫集成到LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中，其中，圖形化差分是我們所使用的主要的LabVIEW特性之一。 另外，NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包在需要解決精密計時(shí)問(wèn)題時(shí)會(huì )是一個(gè)重要的工具。使用此款工具包，我們可以發(fā)現那些沒(méi)有預期執行功能的實(shí)時(shí)嵌入式代碼區域，然后對代碼進(jìn)行優(yōu)化以確保的實(shí)時(shí)性能。如果沒(méi)有像NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包這樣的產(chǎn)品，我們將必須依靠諸如在線(xiàn)仿真器和邏輯分析儀這樣的昂貴的外部測試設備。 開(kāi)發(fā)者經(jīng)常會(huì )在版本控制方面遇到困難，而LabVIEW 和Microsoft Visual SourceSafe版本控制程序能夠完美集成，我們在軟件開(kāi)發(fā)中充分利用此種特點(diǎn)，成功并無(wú)縫地集成了版本控制。只需在LabVIEW項目窗口中的源 VI圖標上簡(jiǎn)單右擊，就可顯示諸如文件check-in或check-out等功能列表。對于版本管理軟件，易于使用對于獲取開(kāi)發(fā)者的支持至關(guān)重要。 LabVIEW無(wú)處不在——我們使用LabVIEW的動(dòng)力 我們使用LabVIEW來(lái)開(kāi)發(fā)首個(gè)內部設計燃料電池系統還有幾個(gè)其他原因。首先，我們之前的標準軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程需要的開(kāi)發(fā)者數量超過(guò)了我們的現有資源。然而，因為一些工程師已有使用LabVIEW的經(jīng)驗，還有一些也已經(jīng)進(jìn)行過(guò)培訓，因此通過(guò)使用LabVIEW，我們相當于獲得了更多的資源。其次，為快速原型控制器開(kāi)發(fā)的軟件與我們之前使用LabVIEW開(kāi)發(fā)的測試平臺之間本來(lái)就可以相互配合， VI可以被共享，開(kāi)發(fā)環(huán)境、硬件亦是如此。 第三，由于模塊化LabVIEW VI為向后兼容，我們可以重用10年前開(kāi)發(fā)的VI作為硬件在環(huán)（HIL）系統的基礎。另外，我們基于NI硬件和LabVIEW的實(shí)驗室測試系統，可以很容易地使用技術(shù)數據管理流（TDMS）文件格式儲存測試數據，以備N(xiāo)I DIAdem數據管理軟件進(jìn)行分析。與普通的數據可視化方案一樣，我們使用DIAdem快速并自動(dòng)地搜索多個(gè)數據文件，找出性能異常并使用注解將它們圖形化。而且，NI技術(shù)支持一直以來(lái)都是業(yè)界最好的，這也是成功的關(guān)鍵因素。 福特和美國國家儀器有很長(cháng)的合作歷史，我們使用LabVIEW對我們生產(chǎn)的每一款燃料電池電動(dòng)車(chē)的方方面進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并且成功為汽車(chē)燃料電池系統設導入了實(shí)時(shí)嵌入式控制系統。 作者信息: Kurt Osborne Ford Motor Company 1201 Village Rd Dearborn, MI 48121 Tel: 313-322-3202 kosborn1@ford.com NI公司供稿 |
