开发快速控制原型验证平台，实现先进的引擎控制系统

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LabVIEW、LabVIEW FPGA和LabVIEW 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
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