Drivven使用NI CompactRIO 开发引擎控制系统原型

2011-12-04 18:41:49来源: 电子产品世界 关键字:使用  原型

   "在过去的项目中,我们至少花了2年和500,000美元……在这个项目中,设备成本(包括摩托车和CompactRIO)为15,000美元。此外,这个项目中仅用了3个月就完成了。"– Carroll G. Dase, Drivven

  The Challenge:

  为高性能摩托车引擎构造基于FPGA 的全权引擎控制系统

  The Solution:

  使用National Instruments(美国国家仪器公司,简称NI)的CompactRIO 和LabVIEW 环境将重点直接放在引擎控制软件和I/O 板卡开发上。

  Author(s):

  Carroll G. Dase - Drivven

  构造高可靠性、高性能的系统

  针对汽车控制和数据采集解决方案的供应商Drivven 需要高可靠性、高性能的硬件为2004 Yamaha YZF-R6摩托车开发引擎控制系统的原型。引擎控制系统要求毫秒级的确定性循环时间,以及微秒级的精确喷油和点火时机。此外,被控对象引擎转速高达每分钟15,500 转。在这个转速下,曲轴每转一圈不到4ms,系统必须在小于1 度的角度内精确控制喷油和点火事件。

  我们致力于为基于FPGA开发的传动系控制器提供一条从原型到生产的无缝整合之路,由于其中包括早期的原型开发,其灵活性和计算能力至关重要。我们庞大的IP 库容纳了一系列核心技术,如从一系列定位传感器跟踪曲轴角坐标的技术;精确角度的喷油及发出精确点火的技术。在这个项目中,出于灵活性、体积小、稳定坚固的形体考虑,我们选择了一款四槽的NI CompactRIO嵌入式系统。一方面可以方便地增加传感器和执行器,并且快速、简单地显示数据。另一方面,也可以把控制器安装在超级运动摩托车极其有限的可用空间内。

  整个项目由以下三个主要阶段构成。

  阶段一:定制I/O 模块开发

  我们开发了三个定制的CompactRIO I/O 模块。第一个模块提供22 个单端12 位模拟输入,2 个可变磁阻(VR)传感器输入以及2 个霍尔效应传感器输入,并实现了低通模拟滤波器和所有输入的过压/ 欠压保护。第二个模块为驱动低阻抗点式喷油嘴提供了四个通道,并为驱动通用螺线管提供了四个低侧感性负载开关。

  每个通道可以在几乎没有CPU干预下检测开路、闭路或禁用。第三个模块为点火线圈提供八个低侧感性驱动器。

  为使开发面向生产的控制系统原型,我们使用低成本电路来设计每个模块。因此,开发者可以在原型开发和生产阶段采用同样的电路。

  阶段二:标定厂家ECU(电控单元)

  我们使用CompactRIO接入关键的摩托车传感器和执行器,并以200 Hz的频率将它们的信号和事件进行记录,包括进气气压和温度、大气气压、冷却水温度、节气门位置、曲轴位置、凸轮轴位置、喷油初始角和脉冲宽度以及点火提前。基于FPGA 的引擎管理VI 用来记录曲轴的位置(分辨率达到0.3 度)以及捕获喷油和点火事件对角度的时机。映射实验在一条交通负荷很少的长直道路上进行,而不需要将引擎从摩托车上拆下安装在测功机上。

  为了完全标定厂家ECU的行为,需要在许多不同的节气门位置和引擎转速的组合下(近700 个工作点)驾驶摩托车,同时,ECU数据被记录到多个文件中。跟踪车内的工程师周期地用无线网络将CompactRIO上的数据文件传送至笔记本电脑上,并立即使用LabVIEW程序分析它们对工作点的覆盖情况。应用程序会过滤掉瞬态数据,并将数据快速排列成转速/ 负荷工作点表。对每一个工作点都会计算出平均值和标准差。在2 小时内,这个团队采集到了90% 的摩托车工作点数据,达到完全认识厂家ECU 标定所需覆盖率。此后,工程师们在实验室中使用LabVIEW再次处理数据,提供三维和二维的可视化显示,并在图像上修改原始数据以填入缺少的工作点。

  阶段三:引擎控制

  在最后的阶段中,CompactRIO作为一个面向研究的ECU开发原型,提供了进行未来控制算法研究和开发的可能。使用CompactRIO,我们实现了多个引擎管理FPGA核心模块,这些核心模块可以被直接移植到基于FPGA 的成品控制器上。


  使用LabVIEW实时模块,我们实现了在高性能赛车应用中常见的转速密度方法和alpha-N 引擎控制组合策略。转速密度引擎控制方法监视进气气压和温度,以计算在每个气缸循环中进入燃烧室空气的理论质量(密度)。但是,由于进气和排气通道的调节效应,引擎的转速会影响实际进入燃烧室的空气质量。用户可以用一个容积效率(Ve)对应引擎转速的一维查询表描述这种行为。然后根据燃料油的化学计量(对汽油而言,约14.7份空气配1 份汽油)计算喷油质量。许多客车引擎控制器使用开环控制的转速密度方法,直至喷油子系统在闭环控制中可直接投入运行。Alpha-N 引擎控制方法比较简单,它根据每一个节气门角度(alpha)和引擎转速(N)工作点查找空气质量的经验值,构成一张包含几百个点的二维查询表。我们采用这两种控制策略的组合方式,在进气气压有最大可变性的低转速、低负荷工作点采用转速密度方法。在其余工作点映射采用alpha-N 方法。

  使用CompactRIO 和LabVIEW 节省时间和资金

  在过去的项目中,我们至少花了2 年和500,000 美元在定制设计硬件的基础上开发相似的ECU原型系统。在这个项目中,设备成本(包括摩托车和CompactRIO)为15,000 美元。此外, 这个项目中仅用了3 个月就完成了。CompactRIO 和LabVIEW 实时工具提供了所需的可靠性和精确定时的资源,而且系统坚固,能够承受高温和高振动的工作环境

关键字:使用  原型

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/1204/article_4809.html
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