L. Pantani, AUCONEL
Se fino ad ora, i collaudi delle centraline auto a fine linea di produzione, si sono basati su modalità specifiche di Test ricorrendo ad applicativi Sw ad hoc sia sul lato ATE che sul lato ECU, in questo caso l’obbiettivo è stato quello di promuovere una tipologia innovativa di collaudo che permettesse, a integrazione e completamento dei test tradizionali sempre necessari, di verificare la risposta delle centraline alle condizioni reali di vettura, ottenute mediante simulazione.
La Magneti Marelli Powertrain, società leader nel settore della progettazione e produzione di componentistica automotive, ha commissionato ad Auconel S.r.l. di Leinì (TO) società operante nel mercato dell’automotive sia nella progettazione sia nell’integrazione di sistemi elettronici, la realizzazione di un sistema di Test automatico, ad alte prestazioni, basato sulla “simulazione motore”, per centraline di controllo motore con a bordo un sw applicativo prossimo a quello reale di funzionamento. Tale sistema è stato denominato CST: Car Simulation Test.
Il progetto è di derivazione da un precedente lavoro che Auconel ha sviluppato nell’ambito del settore Automotive e cioè un simulatore motore Open Loop basato su un file, denominato PlayFile, che contiene un profilo motore (precedentemente “campionato” mediante uno strumento di diagnosi connesso alla centralina durante il funzionamento dell’autoveicolo in fasi significative crancking regime ecc.). Questo simulatore in pratica applica alla centralina i segnali elettrici opportuni (emulazione sensori) sulla base delle grandezze ingegneristiche del motore contenute nel playfile che vengono aggiornate a frequenza costante dal simulatore stesso.
A tutti gli effetti, questo innovativo sistema rappresenta per certi versi una evoluzione del precedente simulatore, ma, soprattutto, ne definisce una specifica finalità: il test automatico di produzione basato sulla simulazione del motore.
Il progetto si è posto i seguenti obbiettivi:
1. Migliorare in termini di prestazioni il motore di stimolazione arrivando alla frequenza di 1KHz nella generazione/aggiornamento dei “segnali motori”.(Il precedente sistema raggiungeva i 100 Hz). Questa frequenza è riferita all’aggiornamento della successione delle grandezze ingegneristiche sincronizzate che rappresentano i singoli punti motore relativi al profilo motore completo simulato. Per quanto riguarda il quadro segnali automotive il simulatore arriva a 20 KHz / canale.
2. Aggiungere la parte di acquisizione dei segnali di attuazione, “prelevandoli” dai carichi simulati mediante condizionamento Hw e mediante tecnologia FPGA a bordo della piattaforma PXI.
3. Implementare il protocollo di diagnosi KWP2000 su bus di comunicazione CAN High Speed sia per la lettura di variabili di processo sia per la lettura degli stati diagnostici.
4. Introdurre la programmabilità dei test in termini di profilo motore , tipologie e istanti di acquisizione e misura durante la simulazione del profilo motore prescelto.
5. Strutturare il sistema per un impiego in ambiente industriale e per funzionamento continuo.
Si è trattato in pratica di affrontare un adeguamento anzitutto HW rispetto ai sistemi precedenti in cui era stata impiegata già con successo la piattaforma CompactRIO di National Instruments. Tale piattaforma aveva permesso di ottenere un ottimo compromesso, tra prestazioni e compattezza, rendendolo portatile e particolarmente adatto all’uso in laboratorio. Per affrontare invece questo nuovo importante step, che si colloca ad un livello funzionale e prestazionale decisamente superiore, è stato necessario far evolvere il sistema al “top” della piattaforma Hw National Instruments rappresentata oggi dall’ambiente PXI. Dal punto di vista SW si è operato modificando totalmente l’architettura di origine ed aggiungendo le parti nuove ma tutti gli oggetti Sw e le funzioni precedentemente sviluppate e collaudate sono state riutilizzate mediante l’impiego della piattaforma LabVIEW che è rimasta tale sin dal progetto del primo simulatore, nonostante il passaggio dalla versione 7.0 alla attuale 8.5.
Dal punto di vista software, ancora, si è operato creando una architettura distribuita che si è rivelata decisamente efficace e che ha visto la cooperazione della piattaforma LabVIEW di National Instruments con la piattaforma Visual Studio di Microsoft.
A livello PC Host sono state sviluppate due applicazioni SW separate che comunicano tra loro via socket TCP – IP ovviamente su localhost, il tutto appoggiato al sistema operativo Microsoft windows XP PRO. Il cuore del test è stato invece lasciato all’applicazione Server RealTime che è stata sviluppata interamente in LabVIEW e risiede nel controller della piattaforma PXI.
Il sistema, dal punto di vista concettuale, è stato disegnato come in figura 1. Sulla parte superiore, da sinistra verso destra è rappresentato il flusso dei segnali di stimolazione, che costituiscono il patrimonio informativo dei sensori simulati e che dunque vengono applicati alla ECU, mentre sulla parte inferiore da destra verso sinistra è presente il flusso dei segnali, provenienti dalla scheda carichi automotive, che sono opportunamente condizionati e successivamente acquisiti dallo stadio relativo che si occupa poi della misura..
Il sistema PXI è costituito da uno Chassis PXI-1042 8-Slot alimentato in AC, un controller PXI-8184RT con CPU Celeron 850 MHz e s.o. Real-Time, N. 1 scheda FPGA PXI-7833R da 3M Gate equipaggiata con 8 AI, 8 AO, 96 DIO utilizzata per la generazione, e una scheda FPGA PXI-7813R 3M Gate equipaggiata con 160 DIO per l’acquisizione.
Per quanto riguarda i segnali analogici di emulazione sensori, questi sono generati mediante n. 1 scheda NI PXI-6723 32-Channel Analog Output.
Per la comunicazione CAN con la centralina è stata impiegata la scheda PXI-8464 Series 2 CAN Interface.
Il PC host, cui sono demandate tutte le funzionalità H.M.I., gestione del test e dei file di parametrizzazione e programmazione, è stato equipaggiato con un processore Pentium IV 2,6GHz, memoria RAM 2Gb, doppio HardDisk SerialAta in configurazione RAID-1 (Mirroring), n. 2 schede LAN 10/100, doppio alimentatore (400W min. cad.), Sistema operativo Windows XP Pro, Monitor 17” LCD.
Le schede ITA indicate in figure rappresentano l’elettronica “custom” sviluppata da Auconel per assicurare il corretto condizionamento elettrico dei segnali tra il lato “Automotive” della centralina e il lato “normalizzato” del sistema PXI National Instruments.
Il sistema di test è dunque in grado di generare tutti i segnali di emulazione sensori in accordo al profilo motore contenuto nel PlayFile e acquisire, dove preventivamente programmato, tutti, o in parte, i segnali di attuazione della centralina al fine di misurarne i parametri caratteristici e conseguentemente definire le condizioni di PASS o FAIL in accordo al risultato atteso anch’esso programmato nel files di configurazione.
L’esito finale del test dipende, in conclusione, dalla valutazione delle misure effettuate direttamente sui segnali elettrici acquisiti e dalla valutazione di grandezze e stati diagnostici occorsi durante il test ed acquisiti dal bus di comunicazione CAN.
In stimolazione vengono generati e applicati alla centralina le seguenti tipologie di segnali:
| Tipo di Segnali | Frequenza Max indicativa | Numero Canali |
| Output Analogici per la simulazione di sensori “single-point” (no Waveform) –General Purpose I/O- es. temperature, pressioni, ecc. | 100Hz – 1KHZ | 25 |
| Output Analogici e Digitali per la simulazione di sensori a riluttanza variabile, a effetto Hall, e detonazione (Knock) |
| 8 |
| Output Digitali per la simulazione di sensori tipo Switch |
| 20 |
In risposta la centralina agisce con i segnali di attuazione, di cui la classificazione più comune è riportata di seguito :
• Output On/Off: semplici uscite digitali il cui funzionamento non è “agganciato” ad angoli motore o ad altri output.
• Output PWM: uscite il cui funzionamento non è “agganciato” ad angoli motore o ad altri output, ma vengono utilizzate per controllare in maniera precisa un motore una posizione o un riscaldamento di uno specifico attuatore a precise temperature che devono essere mantenute nel tempo. La frequenza di questi output può variare da pochi Hz ad alcuni KHz.
• Output Angolari: sono delle uscite legate agli RPM e quindi legate ad angoli motore. Come ad esempio il comando degli iniettori e delle bobine di accensione.
Per ciascuna di queste tipologie di segnali il sistema è in grado di eseguire specifiche misure e in particolare:
Sugli stadi accensione:
Tempo di accensione [mS]
Anticipo [mS]
Numero di Attuazioni [n]
Sugli stadi iniezione:
Tempo di iniezione [microS]
Fase [mS]
Numero di Attuazioni [n]
Su PWM
Frequenza PWM [Hz]
Duty Cycle PWM [n]
Sui segnali On/Off il sistema memorizza lo stato del pilotaggio del carico dove richiesto.
Tipico quadro segnali di stimolo (in azzurro ) e attuazioni principali della centralina (inj e Ign).
La tipologia di test presentata è certamente innovativa perché si basa sulla simulazione dell’ambiente vettura e dunque risulta oggi possibile, per Magneti Marelli Powertrain, poter simulare un vero e proprio “giro in auto” prima dell’imballo e della spedizione finale.
Il sistema, peraltro sempre potenzialmente “in crescita”, è ovviamente uno strumento da dare in mano ai tecnici ed ingegneri della ricerca e sviluppo, cui spetterà il compito, non facile, di rendere sempre più efficace e coprente il test.
E’ atteso infatti un lavoro di alto contenuto ingegneristico per determinare proprio quali siano i profili motori più “significativi”, quali gli istanti di interesse in cui eseguire le misure ritenute più significative tenendo ovviamente in particolar conto i comportamenti della centralina dove essa dimostrerà maggiore stabilità e ripetibilità. Insomma, il cammino è praticamente appena avviato, ma siamo convinti che questa tipologia di test, nel tempo, sia destinata a diventare particolarmente efficace e rappresentare un vero “must” nel settore della produzione delle centraline di controllo motore.
L. Pantani
AUCONEL
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