ラピッド​コントロール​プロ​ト​タイ​ピン​グ​プラットフォーム​を​開発​し​て​高度​な​エンジン​制御​システム​を​実装​する

E.Corti​氏、Alma Automotive

NI​データ​収集 (DAQ) ハードウェア​を​使用​した​LabVIEW​パッケージ​で、​実際​に​機能​する​システム​を​迅速​に​設計/​開発​する​の​に​必要​な​すべて​の​ツール​が​賄​え​ま​した。​記述​した​コード​の​柔軟性​と​移植​性​によって、​NI CompactRIO​など、​異なる​プラットフォーム​へ​の​実装​が​簡単​に​なり​ま​した。

- E. Corti​氏、​Alma Automotive

課題:

ラピッド​プロ​ト​タイ​ピン​グ​プラットフォーム​を​開発​し​て、​内燃​エンジン​用​リアルタイム​制御​システム​を​実装​する。​この​リアルタイム​制御​システム​では、​ポジション​測定、​噴射​量、​点火​制御​など、​通常​ECU​で​管理​さ​れる​すべて​の​タスク​に​対応​し、​センサ​と​接続​し​て、​標準​の​制御/​診断、​および​新しい​高度​な​制御​アルゴリズム​の​開発​を​実装​する​こと​が​できる。 ​

ソリューション:

FPGA (field-​programmable gate array) を​搭載​した​NI PXI-​R​シリーズ​マルチ​ファンクション​RIO​モジュール、​および​NI LabVIEW Real-​Time​モジュール​を​実行​できる​NI PXI-8186​組​込​コントローラ​を​使用​し​て​システム​を​構築​する。​この​システム​は​複数​の​I/​O​ボード​を​経由​し​て​エンジンセンサ​に​接続​し、​タイム​クリティカル​タスク​に​対応​する。​ポジション​監視​と、​噴射​時間、​噴射​位相、​および​点火​進​角 (SA) 位置​の​高​確度​な​制御​に​必要​な​角度/​タイミング​要件​に​対応​できる​こと​が​必要。 ​

作成​者:

E.Corti​氏 - Alma Automotive
​L. Solieri​氏 - ボローニャ​大学

 

当社​が​開発​した​の​は、​新しい​エンジン​制御​を​実装​する​ため​の​柔軟性​に​優​れ​た​プラットフォーム​と​なる、​内燃 (IC) エンジン​用​の​仮想​ECU (VECU) です。​ECU​の​機能​の​複製、​誤動作​の​生成、​高度​な​燃焼​診断、​試験​的​な​アルゴリズム​など​の​新しい​機能​が​必要​で​した。​さらに、​実行​中​に​リアルタイム​で​パラメータ​の​ほとんど​を​調整​する​必要​も​ありま​した。

 

システム​の​実装​に​は、​ラピッド​コントロール​プロ​ト​タイ​ピン​グ​の​技術​を​使用​した​新しい​アプローチ​が​必要​で​した。​開発​時間​を​短縮​する​ため、LabVIEWLabVIEW FPGA、​およびLabVIEW Real-​Timeモジュール​で​構成​した​NI​プラットフォーム​を​使用​しま​した。​この​プラットフォーム​では、​LabVIEW​で​FPGA​コード​を​生成​し​て、​リアルタイム​ターゲット​に​デプロイ​する​こと​が​でき​ます。

 

システム​の​要件

複数​の​要件​によって​システム​アーキテクチャ​が​決定​し​ます。​1) プラットフォーム​が​異なる​エンジン​の​タイプ (スパーク​イ​グ​ニ​ッ​ション (SI) または​圧縮​イグニッション (CI)) に対して​機能​する​必要​が​あり​ます。​2) ポジション​測定​が​0.1​度​より​優​れ​た​確度​で​検出​する​必要​が​あり​ます。​3) 噴射​タイミング​の​確度​は​1μs​より​優​れ​て​いる​必要​が​あり​ます。​4) 点火​進​角​位置​は​0.1​度​内​の​確度​が​必要​です。​5) 噴射​パターン​は​制限​でき​ない​ため、​シングル​ポイント、​マルチポイント、​マルチ​ジェット、​および​フル​グループ​の​噴射​が​可能​に​なる​よう​にし​ます。​6) 高度​な​制御​アルゴリズム​を​実装​できる​コントローラ​の​処理​能力​が​必要​です。

 

 

R​シリーズ​マルチ​ファンクション​RIO​モジュール​では、​クランク​角度​位置​を​監視​し​ます。​正確​な​位置​を​決定​する​に​は、​一般​的​に​使用​さ​れ​て​いる​可変​リラ​ク​タンス​速度 (VRS) または​ホール​効果​による​位置​センサ​を、​広​く​普及​し​て​いる​60-2​センサホイール​など​と​の​組み合わせ​で​使用​し​て、​そこ​から​送​ら​れ​て​くる​角度​の​基準​信号​を​処理​し​ます。​FPGA​が​持つ​処理​速度​によって、​「歯」​が​125 ns​以内​で​横切る​よう​な​物理​的​遷移​も​認識​する​こと​が​でき​ます。

 

システム​の​主​な​出力​は、​噴射​および​点火​の​制御​信号​です。​低​レベル​の​出力​ですが、​外部​の​パワードライバ​によって​増幅​さ​れ​ます。​すべて​の​アクチュエータ​は、​相互に依存せずに駆動させます。​テスト​では​8​シリンダ​エンジン​の​処理​を​成功​さ​せ​ま​した。​噴射​時間​や​SA​など​の​駆動​パラメータ​は、​燃焼​ベース​で​各​シリンダ​の​1​サイクル​に​1​回、​NI PXI-8186​コントローラ​の​アプリケーション​の​リアルタイム​で​評価​し​ます。​次に、​演算​が​FPGA​の​キュー​に​入り、​要求​さ​れる​角度​および​タイミング​の​確度​で​実行​さ​れ​ます。​FPGA​コード​は、​エンジン​部品、​点火​コイル、​および​燃料​噴射​装置​の​安全​装置​を​ターゲット​と​した​複数​の​保護​手順​に​も​対応​し​ます。​シングル​サイクル​タイミング​ループ​ストラクチャ​も​大規模​に​使用​し​て、​確定​的​に​納期​を​守れる​よう​に​しま​した。

 

FPGA​上の​高速​アナログ​I/​O​を使用すれば、​シリンダ​内​信号​の​高速​処理​を​最大​200 KHz​で​実装​し、​ノッキング、​熱​発生​率、​MFB​といった​情報​を​収集​する​こと​が​でき​ます。​したがって、​図示​平均​有効​圧 (IMEP) の​最大​化​に​的​を​絞​っ​た​高度​な​制御、​50%​の​MFB​制御、​ノッキング​を​超過​しない​最高​の​SA​を​開発​する​こと​が​でき​ます。

 

 

システム​の層

システム​の​レイアウト​は、​FPGA、​リアルタイム、​GUI​の​3​つ​の​層​に​分け​ま​した。​優先​度​が​最も​高い​タイム​クリティカル​タスク​は​最も​低い​レベル​で、​FPGA​レベル​です。​最も​優先​度​の​低い​機能​は​ユーザ​インタフェース​に​あり​ます。​GUI​は​リアルタイム​システム​上​では​実行​さ​れ​ま​せん。​その​代わり、​Ethernet​を経由してリモート接続され、​仮想​ECU (VECU) の​操作​に​は​必要​と​さ​れ​ま​せん。​GUI​タスク​は​主に​低​周波数​の​データ​ロギング​および​システム​管理​です。​AFR​ターゲット、​SA、​誤動作​誘導​など、​パラメータ​変更​の​リアルタイム​面​の​操作​も​含​まれ​ます。​ホスト​の​誤動作​は​エンジン​制御​システム​に対する​障害​に​は​なり​ま​せん。​低​レベル​の​アプリケーション​は、​Pharlap​社​の​リアルタイム​OS​および​FPGA​で実行され、​ホスト​GUI​は​実質​上、​Windows PC、​Linux PC、​パームトップ​PC​など​の​任意​の​デバイス​に​デプロイ​する​こと​が​でき​ます。

 

また、​システム​の​有効​性​を​評価​する​ため​に、​マセラティ​V8 3.2​リットル​ターボ​チャージ​ャ​付き​エンジン (AM585) に対して​多数​の​テスト​を​実行​しま​した。​エンジン​の​位相​および​位置​が​125 ns​の遅延で正しく決定され、​最大​65 ms​の​持続​時間​および​1μs​の​確度​で​複数​の​独立​噴射​を​実現​でき、​SOI​は​0.1​度​より​優​れ​た​確度​で​選択​できる​こと​が​わか​り​ま​した。​他​に​も、​点火​進​角​位置​が​0.1​度​より​優​れ​た​確度​を​持​って​いる​こと、​高速​リアルタイム​アナログ​信号​処理​が​実行​可能​で​ある​こと、​NI PXI-8186​の​処理​能力​で​高度​な​制御​戦略​および​新しい​アルゴリズム​を​実装​できる​こと、​開​ループ​および​マッピング​ベース​の​制御​が​あれ​ば​CPU​使用​率​は​6,000 rpm​で​20%​未満​に​なる​こと、​FPGA​は​1M​ゲート​の​ボード​上​で​90%​の​ゲート​を​使用​する​こと​が​わか​り​ま​した。​ボード​の​アナログ​機能​が​不要​な​場合、​デジタル​の​NI PXI-​R​シリーズ​が​費用​効率​の​高い​代替品​として​使用​でき​ます。

 

成功​を​収​め​た​開発​および​将来​の​システム​変更

当社​の​ラピッドコントロールプロトタイピング (RCP) システム​を​仮想​エンジン​制御​ユニット (ECU) を​実装​する​ため​の​基礎​として​使用​した​場合、​NI​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​の​機能​は​明らか​に​なり​ます。​たとえば、​ポジション​測定、​点火/​噴射​管理​など、​高​分解能​で​タイム​クリティカル​タスク​における​FPGA​の​多​用途​性​など​は​顕著​にわか​り​ます。​FPGA (field-​programmable gate array) を​使用​する​こと​によって、​主に​信号​調節​など、​複数​の​外部​電子​回路​を​取り除ける​ため、​システム​の​レイアウト​は​シンプル​に​なり​ま​した。​さらに、NI DAQハードウェア​を​使用​した​LabVIEW​パッケージ​で、​実際​に​機能​する​システム​を​迅速​に​設計/​開発​する​の​に​必要​な​すべて​の​ツール​が​賄​え​ま​した。​記述​した​コード​の​柔軟性​と​移植​性​によって、​NI CompactRIOなど、​異なる​プラットフォーム​へ​の​実装​が​簡単​に​なり​ま​した。

 

少々の変更を加えれば、​類似​システム​を​さらに​小型​で​手頃​な​価格​の​NI CompactRIO​プラットフォーム​に​実装​する​こと​が​でき​ます。​性能​の​レベル​は​異​なり​ます​が、​必要​な​処理​能力​が​同様​の​柔軟性​と​さらなる​移植​性​で​実現​し​ます。​この​システム​を​使用​し​て、​オン​ボード​プログラミング​および​VECU​アルゴリズム​チ​ュ​ー​ニ​ン​グ​を​行う​こと​が​でき​ます。

 

作成​者​情報:

E.Corti
Alma Automotive
​電話: +39 051 6447130
ecorti@alma-​automotive.it

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