开发​快速​控制​原型​验证​平台,​实现​先进​的​引擎​控制​系统

E.Corti,Alma Automotive

“带有​NI​数据​采集​(DAQ)​硬件​的​LabVIEW​开发​系统​提供​了​快速​设计​和​开发​有效​系统​所需​的​各种​工具。​编写​的​代码​灵活​且​可​移植,​推动​了​在​NI CompactRIO​等​不同​平台​上​的​实现。”

- E. Corti,​Alma Automotive

挑战:

开发​一个​快速​原型​验证​平台​来​实现​内燃​机​的​实​时​控制​系统,​该​系统​可以​处理​通常​由​ECU​管理​的​各种​任务,​如​引擎​位置​传​感、​喷​油​和​点火​驱动,​以及​与​传感器​连接,​以​实现​标准​的​控制​和​诊断​策略,​开发​新的​先进​控制​算法。 ​

解决​方案:

使用​带有​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​的​NI PXI-​R​系列​多功能​RIO​模​块​和​运行​NI LabVIEW Real-​Time​模​块​的​NI PXI-8186​嵌入式​控制器​来​开发​一​款​系统,​该​系统​通过​几个​I/​O​板​卡​与​引擎​传感器​连接,​可​处理​与​角度​和​定​时​要求​有关​的​紧急​性​任务,​实现​引擎​位置​监测​并​精确​执行​喷​油​持续​时间​与​相位,​以及​点火​提前​(SA)​位置。 ​

作者:

E.Corti - Alma Automotive
​L. Solieri - 博​洛​尼亚​大学

 

我们​为​内燃​(IC)​机​开发​了一​款​虚拟​ECU (VECU),​作为​实现​全新​引擎​控制​策略​的​灵活​平台。​不仅​要​复制​原有​ECU​的​所有​功能,​还​必须​引入​新​功能,​如​故障​生成、​先进​燃烧​诊断​和​实验​算法。​此外,​大部分​的​参数​也​必须​在​执行​过程​中​进行​实​时​调整。

 

实现​该​系统​需要​使用​快速​控制​原型​验证​技术​的​现代​化​方法。​为了​缩短​开发​时间,​我们​使用​了由LabVIEWLabVIEW FPGALabVIEW Real-​Time​模块组成​的​NI​平台,​它​使​LabVIEW​能够​生成​FPGA​代码​并​部署​到​实​时​终端​上。

 

系统​驱动​要求

系统​架构​受​几个​驱动​要求​影响:​平台​须​能​在​火花​点火​(SI)​或​压缩​点火​(CI)​等​不同​类型​的​引擎​上​工作;​引擎​位置​传​感应​保证​精度​大于​0.1​度;​喷​油​定​时​精度​必须​大于​1 µs;​点火​提前​位置​须​精确​到​0.1​度​以内;​喷​油​模式​不能​受到​限制,​因此​要​支持​单​点、​多​点、​多​喷​和​全​组​喷​油;​控制器​的​运算​处理​能力​应​支持​开发​先进​控制​算法。

 

 

R​系列​多功能​RIO​模​块​可​监测​曲轴​转​角​位置。​准确​的​位置​是​通过​处理​常用​位置​传感器​(无论​是​可变​磁​阻​速度​(VRS)​传感器​还是​霍​尔​效应​传感器)​的​任意​角度​参考​信号​组合​来​确定​的,​包括​广泛​使用​的​60-2​传感器​轮。​FPGA​速度​很快,​可在​125 ns​的​物理​转换​时间​内​识别​齿​形​交叉。

 

喷​油​和​点火​动作​信号​是​系统​的​主要​输出,​功率​低,​可​由​外部​功率​驱动​进行​放大。​所有​执行​器​都是​相互​独立​驱动​的;​我们​测试​并​成功​处理​过​一个​八​缸​引擎​的​驱动。​如​喷​油​持续​时间​和​SA​等​执行​参数​由​NI PXI-8186​控制器​上​应用​程序​的​实​时​端​进行​评估,​燃烧​时​各​气缸​每​个​周期​一次。​然后,​FPGA​按​队列​以​要求​的​角度​和​定​时​精度​执行​计算。​FPGA​代码​还​会​处理​几个​保护​程序,​以​保护​引擎​组​件、​点火​线圈​和​喷​油​器。​为了​确保​能​按时​交付,​我们​广泛​采用​了​单​周期​定​时​循环​结构。

 

借助​FPGA​上​的​高速​模拟​I/​O,​我们​可以​实现​对​缸内​压力​信号​的​高速​处理,​最大​频率​为​200 KHz,​以​获得​诸如​爆​震​评估​指标、​热​释放​率​和​MFB​趋势​等​信息,​从而​可以​进一步​开发​尽可能​提高​平均​指示​有效​压力​(IMEP)​的​先进​控制​策略、​50%​的​MFB​位置​控制,​以及​积极​的​SA​策略,​而不​超过​爆​震​限制。

 

 

系统​分层

我们​将​系统​布局​分为​三层:​FPGA、​实​时​和​GUI。​优先​级​和​紧急​程度​最高​的​任务​位于​最​底层:​FPGA​层,​而​优先​级​最低​的​功能​位于​用户​界面​上。​GUI​不在​实​时​系统​上​运行。​相反,​它​通过​以太​网​远程​连接,​对于​VECU​的​操作​来说​并不​是​必需​的。​GUI​的​任务​主要是​低​频​数据​记录​和​系统​管理,​包括​与​实​时​侧​的​参数​变化​交互,​如​AFR​终端、​SA​和​故障​感应。​主机​的​故障​不会​干扰​引擎​控制​系统。​底层​应用​程序​在​Pharlap​实​时​操作​系统​和​FPGA​上​运行,​而​主机​GUI​几乎​可以​部署​在​任何​设备​上,​如​Windows PC、​Linux PC​或​掌上​电脑。

 

为了​评估​该​系统​的​有效性,​我们​在​玛​莎拉​蒂​(Maserati) V8 3.2​升​涡轮​增​压​引擎​(AM585)​上​进行​了​一系列​测试。​我们​实现​了​以​125 ns​的​延迟​正确​确定​引擎​的​相位​和​位置,​可以​实现​多次​独立​喷​油,​持续​时间​最长​为​65 ms,​精度​为​1 µs,​而且​SOI​可以​选择,​精度​超过​0.1​度。​我们​还​实现​了:​点火​提前​角​位置​的​精度​优于​0.1​度;​可​执行​高速、​实​时​模拟​信号​处理;​NI PXI-8186​的​运算​处理​能力​支持​实现​先进​的​控制​策略​和​新​算法;​使用​开​环​和​基于​地图​的​控制​策略,​在​6,000 rpm​时​CPU​负载​低于​20%;​FPGA​可​使用​1M​门​板​卡​上​90%​的​门。​如果​不需要​板​卡​的​模拟​功能,​数字​NI PXI-​R​系列​则​是​一​款​经济​高效​的​备​选​方案。

 

成功​的​开发​和​未来​的​系统​修改

我们​的​快速​控制​原型​验证​(RCP)​系统​作为​实现​虚拟​引擎​控制​单元​(ECU)​的​基础,​展示​出了​NI​硬件​和​软件​的​能力,​包括​FPGA​在​处理​高​分辨​率​和​紧急​性​任务​方面​的​多功能​性,​如​引擎​位置​传​感​和​点火​及​喷​油​管理​任务。​使用​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​便可​省去​几个​外部​电路​(主要是​信号​调理),​简化​系统​布局。​此外,​带有NI DAQ硬件​的​LabVIEW​开发​系统​还​提供​了​快速​设计​和​开发​有效​系统​所需​的​各种​工具。​编写​的​代码​灵活​且​可​移植,​推动​了​在​NI CompactRIO等​不同​平台​上​的​实现。

 

我们​只需​进行​细​微​修改,​即可​在​更​紧凑、​更​实惠​的​NI CompactRIO​平台​上​实现​类似​的​系统。​虽然​性能​水平​可能​有所不同,​但​具备​必要​的​运算​处理​能力,​灵活​性​相同,​可​移植​性​更高,​可以​用于​执行​板​载​编​程​和​V-​ECU​算法​调整。

 

作者​信息:

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

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