Utilizando o NI VeriStand para realizar o teste HIL em ECUs automotivas

Enrico Corti, Alma Automotive

"A combinação do NI VeriStand e da plataforma NI PXI atende a todos os requisitos do cliente em relação a poder de processamento, simulação de sinais, análise de dados e E/S. Além de ser um sistema completamente aberto e modular"

- Enrico Corti, Alma Automotive

O desafio:

Desenvolver um sistema de teste Hardware-In-the-Loop (HIL) baseado em um hardware já disponível comercialmente (COTS) para simulação do motor e do próprio veículo em tempo real, a fim de reduzir a quantidade de testes físicos necessários durante a validação do software embarcado.

A solução:

Utilizar o sistema de teste baseado no software de teste em tempo real NI VeriStand e no hardware NI PXI, a qual fornece poder de processamento, acesso ao conjunto de portas lógicas reconfiguráveis em campo (FPGA) para controle em alta velocidade e uma vasta gama de E/S necessárias para garantir que o sistema de HIL atenda aos requisitos atuais e possa ser expandido para atender às futuras necessidades da aplicação.

A Alma Automotive é uma empresa instalada no norte da Itália que fornece soluções customizadas para calibração, controle e teste na área automotiva. Dependendo das necessidades do cliente, a Alma Automotive oferece soluções baseadas apenas em software (modelos ou análises com base em modelos), assim como oferecem soluções integradas de hardware e software. Nosso cliente, a empresa Eldor Corporation, fornece componentes eletrônicos automotivos, como bobinas, sistemas de detecção de íons e unidades de controle eletrônico (ECUs).

 

No mercado, a maioria dos sistemas de HIL disponíveis oferecem recursos comuns que não podem ser expandidos ou customizados. Por isso, a Eldor Corporation escolheu a solução proposta pela Alma Automotive, a qual oferece uma plataforma de hardware e o software aberta e completamente customizável, com base em suas necessidades.

 

O sistema HIL deve simular a planta controlada pela ECU. Todos os sinais do mundo real que são enviados para a ECU devem ser substituídos por sinais simulados gerados pelo sistema de teste de HIL. Pelo fato de o objetivo ser o teste das funcionalidades da ECU, a simulação deve ser executada em tempo real. O modelo deve simular com exatidão a resposta da planta aos comandos da ECU para testar todo o sistema de controle embarcado. Para alguns tipos de sinais, uma reprodução correta com base no tempo se torna difícil por causa da necessidade de sincronizar a alta frequência do sinal com a posição instantânea do virabrequim. Exemplos típicos disso incluem a pressão interna do cilindro, acelerômetro, corrente de íons e sinais de pressão de admissão.

Há muitas opções de sistemas de HIL existentes no mercado atualmente. A principal desvantagem da maioria dos sistemas é a falta de ferramentas para customizar o banco de bibliotecas oferecido pelos fornecedores de HIL. É muito difícil acessar as funções de baixo nível (como FPGA) e esses sistemas não podem ser adaptados para as necessidades dos clientes.

 

 

A combinação do NI VeriStand e da plataforma NI PXI atende a todos os requisitos do cliente para E/S, poder de processamento, simulação de sinais e análise de dados, e ainda é um sistema completamente aberto e modular. Dois fatores cruciais que determinaram o sucesso da aplicação são a habilidade de criar um código complexo de FPGA utilizando o módulo NI LabVIEW FPGA, bem como a habilidade de criar um dispositivo customizado (custom device) que pode gerar os sinais de saída do virabrequim, da admissão, da corrente de íons e da pressão interna do cilindro.

 

O sistema de HIL proposto pela Alma Automotive (Figura 1) integra os componentes do conjunto de hardware e software, incluindo os seguintes:

  • Um modelo completo do motor/veículo desenvolvido com a controladora real-time PXI 8110, com um tempo de passo de 500 µs e uma CPU com um único core com carga de 20%;

 

  • Um gerador de sinais com alta largura de banda, implementado com um dispositivo customizado que gera os sinais com base nos modelos de virabrequim, admissão, pressão interna dos cilindros e corrente de íons – o mesmo dispositivo customizado é utilizado para adquirir todos os comandos de saída da ECU, incluindo ignição, injeção, ponte H e lâmpadas de relé. O dispositivo customizado é implementado com recursos da placa 7852R;

 

  • Uma placa customizada para condicionamento de sinais de E/S, desenvolvida e produzida pela Alma Automotive, que converte os sinais de saída analógica da ECU para sinais digitais TTL, e eleva os sinais de saída analógica da placa PXI 6723 quando necessário (sinais de relutância variável, VRS);

 

  • Uma unidade de inserção de falhas (FIU) para atuadores e sensores e uma caixa de conexões que fornece acesso a 96 sinais, também foi desenvolvida e produzida pela Alma Automotive.

 

 

O modo de simulação do veículo pode ser utilizado para malha aberta (o usuário controla o veículo) ou simulações em malha fechada (um motorista simulado segue um traçado de velocidade). Um modo de dinamômetro também está disponível para simular uma condição de execução em bancada de testes. O motor foi modelado com o uso de mapas de torque multivariávels. Esse submodelo gera os sinais de saída correspondente ao torque, proporção de ar-combustível e outros parâmetros. Essas saídas são enviadas para o dispositivo customizado para gerar sinais de alta frequência, como a pressão de admissão. O torque do motor é utilizado para alimentar o submodelo do veículo e da transmissão, que simula os componentes do sistema de transmissão. As velocidades do motor e do veículo são calculadas com base no torque do motor, na posição das válvulas, na marcha, no comportamento dos pneus e nas cargas atuais aplicadas nas rodas dianteiras e traseiras.

 

O submodelo do motorista manipula o freio, a embreagem e a marcha selecionada através da implementação da lógica de controle com base no torque, enquanto que o submodelo do dinamômetro avalia o torque fornecido para manter o motor nas condições de operação desejadas de velocidade e carga. Um submodelo de troca de calor também é implementado para analisar a temperatura de resfriamento do motor, enquanto um submodelo do sistema elétrico permite que o usuário simule o nível de tensão do arranque e da bateria durante a troca de marcha.

 

A peça chave do sistema é o plug-in, custom device do NI VeriStand, que foi desenvolvido pela Alma Automotive. Esse plug-in é um simulador do subsistema de E/S que gera os sinais de dois canais de sensores VRS/Hall com tensões de até 120 V pico a pico após condicionamento, formas de onda configuráveis com base em ângulo e sinais das rodas com 4 canais. Ele também adquire informações de 12 canais de atuação de alta tensão da ECU, 16 canais de uso geral, saídas de alta tensão, frequência, PWM e 8 canais de entradas analógicas que são condicionadas para a faixa de 120 V pico a pico. A Figura 2 mostra a interface de configuração do dispositivo customizado. O número de dentes do sensor das rodas e o tipo de sensor são completamente configuráveis.

 

 

O FIU desenvolvido pela Alma Automotive é também baseado em FPGA. Ele utiliza o FPGA para gerenciar mais de 400 sinais necessários para operar as chaves. O determinismo do FPGA permite a implementação de recursos de segurança, incluindo uma falha por limite de tempo definida pelo usuário, desabilitação global da FIU e monitoramento de sobrecorrente nos barramentos de falhas. 

 

O FIU desenvolvido pela Alma Automotive pode gerenciar 64 canais de até 2A para fontes de alimentação, proporcionando acesso a quatro barramentos de falhas de uso geral. Os terminais em circuito aberto GND, Vcc e VBATT ficam disponíveis como fontes de alimentação. O feedback do estado de chaveamento pode ser obtido com os 320 LEDs.

 

O usuário pode conectar cargas do mundo real ou simuladas. Quando as cargas reais, como o corpo de borboleta, são utilizadas, os sensores de feedback, como o potenciômetro do acelerador prontos através do simulador alimentam o modelo. Quando se está utilizando cargas simuladas, como a do corpo de borboleta, os sinais de feedback são gerados por um simulador, como os canais de saída analógica, e enviados para a ECU. A comutação entre as cargas reais e simuladas é obtida movimentando-se um jumper na caixa de conexões.

 

O sistema se comunicou com grande sucesso com a ECU considerado como target. A Figura 3 exibe uma interface típica para testes de HIL com o NI VeriStand.

 

O usuário pode estressar e validar todas as funcionalidades da ECU tanto para software quanto para hardware utilizando os modos disponíveis para estrada e bancada. A facilidade de utilização e configuração permite uma reconfiguração direta do sistema sem a necessidade de solicitação de suporte por parte do cliente. A plataforma NI PXI foi adequada para a integração de placas de terceiros e de produção customizada.

 

È crucial que o sistema de teste HIL habilite tanto as atualizações de hardware quanto de software para desacelerar a obsolescência. Pelo fato de o hardware NI PXI ser modular e baseado em componentes COTS, ele pode ser facilmente atualizado, o que garante que o sistema será operacional no futuro. A arquitetura aberta do NI VeriStand e sua fácil integração com o LabVIEW e outros programas para desenvolvimento fornece a flexibilidade necessária para atender a quaisquer desafios que possam surgir, à medida que os requisitos forem alterados.

 

Informações sobre o autor:

Enrico Corti
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Figura 1: Integração do sistema de HIL
Figura 2: Dispositivo customizado (custom device) do gerador de sinal de referência do virabrequim
Figura 3: Painel de controle do teste de HIL