使用​CompactRIO​开发​通用​ECU​系统

"我们​使用​CompactRIO​可​编​程​自动​化​控制器​设计​了​一个​非常​灵活​的、​可​编​程​的​发动​机​管理​系统,​该​平台​是​模​块​化​的,​可​扩展​额外​的​传感器,​并​包含​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)。"

- Kristof Ceustermans, Karel de Grote University College, Department of Applied Engineering

挑战:

开发​一个​高效、​低​排放​的​自​适应​发动​机​控制​单元​(ECU)​来​控制​使用​标准​汽油、​氢气、​合成​气​或​燃料​混合物​来​运转​的​发动​机。

解决​方案:

使用​NI LabVIEW FPGA​模​块​和​NI CompactRIO​模拟、​测试​和​控制​发动​机,​并​实现​动态​自​适应​控制。

作者:

Kristof Ceustermans - Karel de Grote University College, Department of Applied Engineering
​Pieter Huyskens - Karel de Grote University College, Department of Applied Engineering

 

发动​机​控制​单元

新​燃料​的​出现​和​更​高效​的​燃料​使用​方式,​会​降低​燃料​消耗​及​排放,​并​最大限度​地​提高​燃料​利用​率,​从而​以​一个​更​可加​持续​的​方法​给​发动​机​提供​动力。​几个​ECU​从​每​分钟​转数​(rpm)​中​提取​数据,​发出​扭矩/​节​气门​位置​或​涡轮​增​压​发动​机​的​推动​压力​请求,​并​确定​最佳​点火​时间​或​时间​段​和​最佳​燃料​喷射​量​和​喷射​时间。​我们​还​使用​额外​的​参数​(如​发动​机​温度)​来​修正​以上​这些​参数。​例如,​一台​冷​的​发动​机​比​在​正常​工作​温度​下​运行​的​发动​机​需要​更多​的​燃料​混合物。

 

目前​现成​的​可​编​程​ECU​不​适合​研究,​因为​它们​的​编​程​能力​有限,​它们​采用​的是​一系列​预​定义​的​输入​变量​(传感器),​通常​用于​赛车​运动​的​优​化。​我们​使用CompactRIO可​编​程​自动​化​控制器​设计​了​一个​非常​灵活​的、​可​编​程​的​发动​机​管理​系统,​该​平台​是​模​块​化​的,​可​扩展​额外​的​传感器,​并​包含​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)。​有了FPGA,​系统​可以​迅速​响应​并​支持​使用LabVIEW进行​图形​化​编​程。​通过​我们​以前​的​研究​项目,​我们​的​工程​师​在​使用​该​图形​化​编​程​软件​方面​已经​很有​经验​了。

 

发动​机​传感器​模拟

在​我们​将​基于​CompactRIO​的​ECU​系统​真正​连接​到​试验​台上​的​发动​机​之前,​我们​必须​确认​一切都​正常​工作。​因此,​我们​将​模拟​传感器​用于​CompactRIO​发动​机​控制器,​这些​模拟​传感器​由​另​一个​基于​LabVIEW​和​NI CompactDAQ的​独立​应用​程序​控制,​从而​模拟​传感器​正常​使用​所​产生​的​电压​和​电流​信号。​我们​发现​与​凸轮轴​和​曲轴​连接​的​传感器​产生​的​感应​信号​通常​是​不可​预测​的​80Vpp​信号,​而​NI C​系列​输出​模​块​的​极限​电压​为​60V。​为了​更好​地​描绘​这个​信号​和​节省​时间,​我们​将​一个​真正​的​传感器​连接​到​齿轮​和​电动机​上,​基于​LabVIEW​和​CompactDAQ​的​应用​控制​电机​的​每​分钟​转数,​然后​我们​将​真实​信号​传​到​CompactRIO ECU。

 

使用​CompactRIO​设计​ECU

我们​使用LabVIEW FPGA模​块​来​开发​我们​的​ECU,​并​使用​LabVIEW​的​CompactRIO​来​实施​该​系统。​我们​创建​一个​表格,​使用​发动​机​每​分钟​转数​和​扭矩​请求​作为​输入​值,​使用​LabVIEW VI​插入​数​组​函数​来​找到​合适​的​执行​器​参数,​如​点火​定​时​和​燃料​喷射​定​时。​我们​同时​也​采集​如​歧​管​空气​压力​(MAP)​和​发动​机​温度​等​传感器​信号,​用于​修正​参数。​使用​CompactRIO​系统,​我们​可以​很​容易​地​添加​更多​的​非​标准​传感器​来​研究,​也可以​适应​不同​的​发动​机​和​燃料​类型。​CompactRIO​使用​FPGA​获得​曲轴​和​凸轮轴​的​角度​位置​并​在​正确​的​时间​产生​执行​器​信号。

 

除了​标准​的​发动​机​参数​之外,​我们​还​计划​测量​汽缸​的​压力,​并​使用​该​数据​作为​发动​机​控制器​中的​闭​环​控制​参数,​以​达到​发动​机​效率​最大​化。​混合物​最好​在​最高​压力​水平​时​点火,​以​产生​最大​的​功率。​首先,​我们​想要​优​化​一台​正常​的​4​缸​汽油​发动​机​的​控制。​通过​实施​快速​的​和​可靠​的​FPGA​响应​时间,​我们​的​研究​可以​专注​于​通过​更好​地​控制​燃烧​来​提高​发动​机​的​效率。​此外,​我们​将​在​变​负载​条件下​对​我们​的​试验​发动​机​进行​测试,​以​进一步​改进​我们​的​控制​算法。

 

ECU​的​未来​发展

氢​是​一种​环保​燃料,​因为​它​不​产生​二氧化碳。​我们​正在​努力​使​ECU​适应​于​控制​氢​燃料​汽车​发动​机。​当​使用​氢​作为​燃料​时,​氢气/​空气​当量​比​应该​与​低​扭矩​相​匹配,​以​获得​完全​燃烧,​没有​任何​氢​或​空气​剩余。​但是,​在​较​高​的​扭矩​时,​通过​向​发动​机​压​入​过剩​的​空气,​使​发动​机​最好​在​稀薄​的​燃料​混合物​比例​下​运转,​这​也​被​称为​稀薄​燃烧​原则。

 

为了​减少​氮​氧化物​的​排放,​发动​机​不​应该​在​中等​比例​的​燃料/​空气​混合物​下​运转。​在​该​控制​策略​中,​我们​将​一直​打开​节​气门,​并​使用​高​的​空气/​燃料​当量​比,​所​要求​的​扭矩​通过​改变​燃料​量​来​控制。​然而,​当所​需要​的​扭矩​比​稀薄​燃烧​所能​提供​的​扭矩​更大​时,​我们​必须​改​为​控制​节​气门,​并​在​两​种​控制​策略​之间​进行​切换。​目前,​除了​BMW Hydrogen 7​发动​机​控制​系统​之外,​还​没有​其他​商业​可用​的​发动​机​控制​系统​可以​切换​这​两​种​控制​策略。​我们​打算​采用CompactRIO实现​一个​ECU​来​切换​我们​的​控制​方案,​并​给​感兴趣​的​第三​方​提供​商业​可用​的​系统。

 

推荐​配置:

NI cRIO-9111 cRIO​机箱
​NI cRIO-9082 RT 双​核​控制器,​基于​实​时​操作​系统​的​LX75 FPGA
​NI LabVIEW
​LabVIEW FPGA​模块

 

作者​信息:

Kristof Ceustermans
Karel de Grote University College, Department of Applied Engineering
​Salesianenlaan 30
​Hoboken B-2660
​Belgium
​Tel: +32 3 820 82 02
kristof.ceustermans@kdg.be

​ ​CompactRIO provides the hardware platform for the engine controller; LabVIEW is used to analyze the signals and control our actuators. ​
​ ​Our test engine is embedded in a test bench, which can generate a constant load (constant torque) and measure the rpm, or generate a variable load and keep the rpm constant. ​