MicroNova:LabVIEW FPGA​を​使用​し​て​正確​で​包括​的​な​エンジン​シミュレーション​用​アプリケーション​を​開発

Orazio Ragonesi, MicroNova AG

"この​よう​な​シミュレーション​が​実現​した​の​は​これ​が​初めて​の​こと​です。​小型​設計​で​ある​ため、​モバイル​型​の​自動車​テスト​に​最適​です。​さらに、​LabVIEW​を​使用​する​こと​で、​将来​必要​と​なる​こと​が​予想​さ​れる​様々​な​ユーザー​インターフェース​や​機能​の​追加​に​も​柔軟​に​対応​でき、​精度​の​更​なる​向上​も​可能​となり​ます。"

- Orazio Ragonesi, MicroNova AG

課題:

エンジン​HIL (Hard-​in-​the-​Loop)​テスト​で​使用​する、​小型​で​高​確度​の​ボード​を​開発​する

ソリューション:

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​LabVIEW FPGA​モジュール​を​使用​し​て​最大​12​気筒​エンジン​の​「エンジン​HIL​シミュレータ」​を​構築​する

MicroNova​社​では、​自動車​業界​で​使​われる​テスト​ベンチ​自動化​用​HIL​シミュレーション​システム​を​開発​しま​した。​システム​例​として​は、​車体​制御​(ボディ/​シャー​シ)、​インフォテイメント、​パワー​トレーン​ECU​テスト​など​が​あり​ます。

 

 

世界​初​の​12​気筒/​燃料​噴射​装置​シミュレータ

MicroNova​社​は、​プログラミング​で​様々​な​設定​を​可能​に​する​エンジン/​HIL​シミュレーション​ボード​を​開発​しま​した。​NI LabVIEW FPGA​モジュール​と​NI PXI-7831R RIO(再​構成​可能​I/​O)​モジュール​を​使用​し​て、​弊社​では​最大​12​気筒​の​燃料​噴射​装置​の​シミュレーション​を​行う​ボード​を​開発​する​に​至り​ま​した。​この​よう​な​シミュレーション​が​実現​した​の​は​これ​が​初めて​の​こと​です。​小型​設計​で​ある​ため、​モバイル​型​の​自動車​テスト​に​最適​です。​さらに、​LabVIEW​を​使用​する​こと​で、​将来​必要​と​なる​こと​が​予想​さ​れる​様々​な​ユーザー​インターフェース​や​機能​の​追加​に​も​柔軟​に​対応​でき、​精度​の​更​なる​向上​も​可能​となり​ます。

 

柔軟性に優れた、​多​用途​の​エンジン​シミュレータ​を​開発

エンジン​HIL​シミュレータ​ボード​は、​エンジン/​HIL​シミュレータ​システム​の​中心​的​な​役割​を​担​い​ます。​高速​の​エンジン​信号​を​センサ​で​捕捉​する​の​は、​非常​に​難しい​こと​で、​弊社​では​その​作業​に​適​っ​た​ボード​を​開発​する​必要​に​迫​ら​れ​てい​ま​した。​センサ​で​信号​を​捕捉​した​後​は、​ここ​で​生成​した​エンジン​データ​を​物理​値​として​調整​し、​次​の​処理​工程​に​つ​な​げ​ます。​その後、​ボード​上​で​直接​信号​の​サンプリング​を​行い​ます。​これ​に​は、​エンジン​の​種類​に​応​じ​て​特別​に​開発​さ​れ​た​ソフトウェア​モデル​を​使用​し​ます。​そう​する​こと​により、​特定​の​エンジン​の​シミュレーション​を​行う​の​に​必要​な​制御/​調節​パラメータ​が​確実​に​利用​できる​よう​に​なり​ます。

 

クランク​シャフト​が​傾く​と同時に、​システム​内​に​ある​I/​O​ボード​と​CPU​に​トリガ​を​かけ、​システム​全体​で​それらの​同期​を​図​り​ます。​それに​は、​バス​バック​プレー​ン​上の​信号​を​使用​し​ます。​また、​これらの​信号​を​使用​する​こと​により、​外部​の​計測​器​(例:​オシロスコープ​など)​を​制御​する​こと​も​でき​ます。

 

ボード​は​小型​で​ある​にもかかわらず​(ヨーロッパ​で​使用​さ​れ​て​いる​標準​的​な​ボード​と​同じ​大​き​さ)、​12​気筒​エンジン​シミュレータ​で​必要​と​さ​れる​全て​の​要件​を​満たす​こと​が​でき​ます。​弊社​では、​必要​と​さ​れ​て​いる​エンジン​信号​を​全て​集録/​再​計測​する​こと​が​でき、​プログラム​で​再​構成​する​だけ​で​気筒​数​に​合わせ​て​ボード​を​調整​する​こと​が​でき​ます。​その​結果、​同じ​ボード​上​で、​別々​の​タイミング​で​別々​の​構成​を​使用​する​こと​も​可能​となり​ます。

 

弊社​の​ボード​は、​クランク​シャフト​の​入力​信号​と​最高​4​つ​まで​の​カム​シャフト​の​信号​を​可変​カム​シャフト​制御​や​回転​数、​カム​シャフト​調整​による​位置​信号​に​合わせ​て​生成​する​こと​が​でき​ます。

 

エンジン/​HIL​ボード​は​全て​の​燃料​噴射​時間​と​点火​角​を​クランク​シャフト​角​と同時に​記録​し、​それら​を​HIL CPU​の​シミュレーション​入力​値​と​し​ます。​エンジン/​HIL​ボード​は​アナログ/​デジタル/​パルス​幅​変調​(PWM)​を​ベース​と​した​インタフェース​を​使​って​入力​信号​を​集録​し、​同じ​種類​の​インタフェース​を​使​って​出力​し​ます。​ノック​信号​の​シミュレーション​は、​最大​6​つ​ある​別々​の​センサ​から​の、​回転​数​に​基​づ​い​た​信号​出力​をもって、​ユーザ​が​定義​した​ノック​間隔​により、​行​われ​ます。

 

エンジン/​HIL​ボード​は、​その​小​さ​さ​という​点​において​優​れ​て​いる​だけ​では​なく、​その​優​れ​た​確度​において​も​抜き​んで​てい​ます。

アナログ​I/​O​用​の​デジタル/​アナログ​変換​器​(DAC)​は​16​ビット​の​分解能​で、​マルチプレクサ​を​使用​せ​ず​に​個別に​動作​し​ます。​そのため、​すべて​の​チャンネル​を​使用​した​場合​でも、​チャンネル​間​の​ずれ​無し​で​信号​を​出力​する​こと​が​でき​ます。

 

応用​できる​アプリケーション​分野​として​は、​以下​の​よう​な​大小​様々​な​規模​の​エンジン​が​考え​ら​れ​ます。

  • V12​エンジン:​可変​バルブ​アク​チ​ュ​エ​ー​ション、​カム​シャフト​調整​機能​付​(非​カーブ​操作​用)。​2​個​の​スロットル​バルブ​付​(カーブ​操作​用)。​6​個​の​ノックセンサ、​直​噴​機能​付。

  • 直​6​エンジン:​可変​バルブ​アク​チ​ュ​エ​ー​ション、​可変​カム​シャフト​調整​機能​付​(非​カーブ​操作​用)。​1​個​の​スロットル​付​(カーブ​操作​用)。​3​個​の​ノックセンサ、​直​噴​機能​付。

  • 4​気筒/​コモ​ン​レール/​直列​ディーゼルエンジン:​ターボチャージャ、​インター​クーラー​付き​スーパーチャージャ、​スロットル​バルブ​1​個付

  • V2​エンジン:​イン​テーク​パイプ​イン​ジ​ェ​ク​ション、​ノックセンサ​2​個、​スロットル​バルブ​2​個​(二輪車)付

     

LabVIEW​を​使用​し​て​開発​した​エンジン/​HIL​ボード​は、​システム​に​も​組込み​や​すく、​エンジン/​HIL​シミュレータ​エンジン​インタフェース​として​は​驚く​べ​き​性能​を​備え​てい​ます。​構成​を​行う​こと​で、​殆ど​全て​の​種類​の​エンジン​において、​最高​レベル​の​確度​でも​って​高速​の​エンジン​信号​を​捕捉​する​こと​が​でき​ま​した。​その​結果、​同一​の​システム​を​使​って​効率​よく​これらの​テスト​を​実施​する​につれ、​エンジン​コントローラ​テスト​の​質​も​向上​してき​てい​ます。

 

著者​情報:

Orazio Ragonesi
MicroNova AG
​Unterfelding 17
​Vierkirchen
​Germany
​Tel: 49 8139 9300 0
​Fax: 49 8139 9300 80
info@micronova.de

Figure 1. ​The Engine-​HIL Simulator Can Accommodate Several Integrated HIL-​Boards