NI技術開發(fā)一個快速控制原 型平臺來實現(xiàn)先進的 發(fā)動機控制系統(tǒng)

1、 /3W7NATIONALINSTRUMENTSNl技術開發(fā)一個快速控制原型平臺來實現(xiàn)先進的發(fā)動機控制系統(tǒng)結合NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）硬件的LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)為快速設計和開發(fā)可工作系統(tǒng)提供所有需要的工具。編寫的代碼所具有的靈活性和可移植性使其便于部署在不同平臺上，如NlCompactRIO。-E.Corti,TheChallenge:開發(fā)一個快速原型平臺來實現(xiàn)內(nèi)燃機實時控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以處理通常由電子控制單元負責的所有任務，比如發(fā)動機位置感應、噴射、點火驅動以及與傳感器的連接，以實現(xiàn)標準控制和診斷策略和新的先進控制算法的開發(fā)。TheSolution:使用具有現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）

2、的NIPXI-R系列多功能RIO模塊和運行NILabVIEW實時模塊的NIPXI-8186嵌入式控制器來開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過幾個I/O板卡與發(fā)動機傳感器相連，可處理與角需求和定時需求有關的時間關鍵型任務，以實現(xiàn)發(fā)動機位置監(jiān)測以及根據(jù)噴射持續(xù)時間、相位和提前點火（SA）位置生成精確驅動。時間和信號的關系圖Author：E.Corti-L.Solieri-我們?yōu)閮?nèi)燃發(fā)動機開發(fā)了一個虛擬電控單元（VECU），作為執(zhí)行新發(fā)動機控制策略的靈活平臺。我們需要復制現(xiàn)有ECU的所有功能，而且要添加故障生成、先進的燃燒診斷和實驗算法等新功能。此外，在執(zhí)行過程中我們必須實時調整大部分參數(shù)。實現(xiàn)該系統(tǒng)需要采用一種基

3、于快速原型技術的新方法。為了縮短開發(fā)時間，我們使用了由和模塊組成的NI平臺，使得LabVIEW可以生成FPGA代碼并將代碼部署至實時終端。系統(tǒng)驅動需求決定系統(tǒng)架構的驅動需求有以下幾個：平臺必須在不同類型的發(fā)動機上運行，如火花點火（SI）發(fā)動機或壓縮點火（CI）發(fā)動機；發(fā)動機位置感應的精度必須高于0.1度；噴油定時的精度必須高于1|JS;點火提前角必須精確到0.1度內(nèi)；噴射模式?jīng)]有限制，即單點噴射、多點噴射、多嘴噴射、集中噴射均可實現(xiàn)；控制器的計算性能應可允許開發(fā)先進的控制算法。R系列多功能RIO模塊可用于監(jiān)測曲軸轉角位置。通過對來自常見位置傳感器的角參考信號進行處理來確定曲軸轉角的精確位置，常

4、見位置傳感器包括可變磁阻速度（VRS）傳感器、霍爾效應傳感器或廣泛應用的60-2齒輪傳感器等組合傳感器。FPGA的高速度使得系統(tǒng)能夠識別125ns物理轉換中的齒輪嚙合。該系統(tǒng)主要輸出噴射和點火驅動信號一一該信號功率較低，需要通過外部電源驅動進行放大。所有的執(zhí)行器之間彼此獨立驅動；我們測試并成功驅動了八缸發(fā)動機。每次燃燒，NIPXI-8186控制器的實時系統(tǒng)都會對每個汽缸每個循環(huán)的噴射持續(xù)時間和SA等驅動參數(shù)進行估算。計算結果進入FPGA的隊列中，F(xiàn)PGA根據(jù)所需的角和定時精度執(zhí)行這些計算結果。FPGA代碼也可處理部分保護程序，以保護發(fā)動機部件、點火線圈和噴油器。我們通常采用單周期定時循環(huán)結構來

5、確保絕對滿足時限要求。借助FPGA上的高速模擬I/O，我們可以實現(xiàn)最高達200KHz的缸內(nèi)壓力信號高速處理，采集爆震評價指標、熱釋放速率和MFB趨勢等信息。因此，我們能夠開發(fā)高級控制策略，在不超過爆震極限的前提下最大限度地提高指示平均有效壓力（IMEP）、實現(xiàn)50%位置控制和主動SA策略。系統(tǒng)層級我們將系統(tǒng)結構劃分為三層：FPGA、實時和圖形化用戶界面（GUI）。優(yōu)先級最高以及時間關鍵型任務在最底層一一FPGA層，最低優(yōu)先級的功能位于用戶界面層。GUI不在實時系統(tǒng)上運行，而是通過以太網(wǎng)來遠程連接，對于VECU運行來說并不是必要的。圖形化用戶界面的主要任務是低頻數(shù)據(jù)記錄和系統(tǒng)管理，包括與實時端進

6、行交互來更改AFR目標、SA和故障感應等參數(shù)。主機的故障并不會影響到發(fā)動機控制系統(tǒng)。底層應用程序在pharlap實時操作系統(tǒng)和FPGA上運行，主機GUI幾乎可以在任何設備上部署：Windows電腦、Linux電腦或掌上電腦。為了評估系統(tǒng)的有效性，我們對瑪莎拉蒂V83.2升渦輪增壓發(fā)動機（AM585）進行了廣泛的測試。我們發(fā)現(xiàn)時延為125ns時，我們可以準確地定位發(fā)動機的相位和位置，實現(xiàn)最長可持續(xù)65ms、精度達1ps的多點獨立噴射，而且在精度超過0.1度的條件下SOI是可以選擇的。我們還發(fā)現(xiàn)點火提前角位置的精度優(yōu)于0.1度；高速、實時的模擬信號處理是可行的；NIPXI-8186的計算能力可實現(xiàn)

7、先進的控制策略和新的算法；采用開環(huán)和基于映射的控制策略，CPU在6,000rpm轉速下的負載低于20%；FPGA可使用百萬門級芯片中90%的門。如果板卡的模擬功能并不是必要的，那么數(shù)字NIPXI-R系列是一個更具有成本效益的替代品。成功的開發(fā)及后期的系統(tǒng)修正作為開發(fā)虛擬發(fā)動機控制單元（ECU）的基礎，NI硬件和軟件的功能已經(jīng)通過我們的快速控制原型（RCP）系統(tǒng)得到驗證，包括FPGA在處理高精度和時間關鍵型任務（如發(fā)動機位置傳感、點火及噴油管理）時的多功能性。采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）后，我們便無需使用一些外部電子電路，主要是信號調理電路，這樣也簡化了系統(tǒng)布局。此外，結合NI數(shù)據(jù)采集）硬件

8、的LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)為快速設計和開發(fā)可工作系統(tǒng)提供所有需要的工具。已編寫代碼的靈活性和可移植性使其便于部署在不同平臺上，如。我們可以做一些小的改動，在更小巧、更經(jīng)濟的NICompactRIO系統(tǒng)上實現(xiàn)類似的系統(tǒng)。雖然NICompactRIO和R系列RIO模塊的性能級別不同，但是CompactRIO也可提供所需的計算能力以及相同的靈活性和更高的可移植性，可實現(xiàn)板載編程和V-ECU算法調整。AuthorInformation:E.Corti-icpAF2006.vfFrontPanelonRT3QXrev.646Tel:+390516447130一：,14ptApplicationFontE口15S&001111015105ReseterrorH!eEdit-View曰歸匚tOperateToolsWindowHelpDeitaSA(fi7TjWooooooresetmask；PcoiLTE,708020TH2O80I20120豺DO10時間和信號的關系圖0.5、0.81y50.94LambdaEx.as1說1.住5、1L.-0.91LambdaDx)曙匚60)1.92.42.5Time(us)x104VI前面板LegalThiscasestudy(thiscasestudy)wasdevelopedbyaNationalInstrument