"在過去的項(xiàng)目中，我們至少花了2年和500,000美元……在這個(gè)項(xiàng)目中，設(shè)備成本(包括摩托車和CompactRIO)為15,000美元。此外，這個(gè)項(xiàng)目中僅用了3個(gè)月就完成了。"– Carroll G. Dase, Drivven

The Challenge:

為高性能摩托車引擎構(gòu)造基于FPGA 的全權(quán)引擎控制系統(tǒng)

The Solution:

使用National Instruments(美國(guó)國(guó)家儀器公司，簡(jiǎn)稱NI)的CompactRIO 和LabVIEW 環(huán)境將重點(diǎn)直接放在引擎控制軟件和I/O 板卡開發(fā)上。

Author(s):

Carroll G. Dase - Drivven

構(gòu)造高可靠性、高性能的系統(tǒng)

針對(duì)汽車控制和數(shù)據(jù)采集解決方案的供應(yīng)商Drivven 需要高可靠性、高性能的硬件為2004 Yamaha YZF-R6摩托車開發(fā)引擎控制系統(tǒng)的原型。引擎控制系統(tǒng)要求毫秒級(jí)的確定性循環(huán)時(shí)間，以及微秒級(jí)的精確噴油和點(diǎn)火時(shí)機(jī)。此外，被控對(duì)象引擎轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘15,500 轉(zhuǎn)。在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，曲軸每轉(zhuǎn)一圈不到4ms，系統(tǒng)必須在小于1 度的角度內(nèi)精確控制噴油和點(diǎn)火事件。

我們致力于為基于FPGA開發(fā)的傳動(dòng)系控制器提供一條從原型到生產(chǎn)的無(wú)縫整合之路，由于其中包括早期的原型開發(fā)，其靈活性和計(jì)算能力至關(guān)重要。我們龐大的IP 庫(kù)容納了一系列核心技術(shù)，如從一系列定位傳感器跟蹤曲軸角坐標(biāo)的技術(shù);精確角度的噴油及發(fā)出精確點(diǎn)火的技術(shù)。在這個(gè)項(xiàng)目中，出于靈活性、體積小、穩(wěn)定堅(jiān)固的形體考慮，我們選擇了一款四槽的NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)。一方面可以方便地增加傳感器和執(zhí)行器，并且快速、簡(jiǎn)單地顯示數(shù)據(jù)。另一方面，也可以把控制器安裝在超級(jí)運(yùn)動(dòng)摩托車極其有限的可用空間內(nèi)。

整個(gè)項(xiàng)目由以下三個(gè)主要階段構(gòu)成。

階段一：定制I/O 模塊開發(fā)

我們開發(fā)了三個(gè)定制的CompactRIO I/O 模塊。第一個(gè)模塊提供22 個(gè)單端12 位模擬輸入，2 個(gè)可變磁阻(VR)傳感器輸入以及2 個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器輸入，并實(shí)現(xiàn)了低通模擬濾波器和所有輸入的過壓/ 欠壓保護(hù)。第二個(gè)模塊為驅(qū)動(dòng)低阻抗點(diǎn)式噴油嘴提供了四個(gè)通道，并為驅(qū)動(dòng)通用螺線管提供了四個(gè)低側(cè)感性負(fù)載開關(guān)。

每個(gè)通道可以在幾乎沒有CPU干預(yù)下檢測(cè)開路、閉路或禁用。第三個(gè)模塊為點(diǎn)火線圈提供八個(gè)低側(cè)感性驅(qū)動(dòng)器。

為使開發(fā)面向生產(chǎn)的控制系統(tǒng)原型，我們使用低成本的電路來(lái)設(shè)計(jì)每個(gè)模塊。因此，開發(fā)者可以在原型開發(fā)和生產(chǎn)階段采用同樣的電路。

階段二：標(biāo)定廠家ECU(電控單元)

我們使用CompactRIO接入關(guān)鍵的摩托車傳感器和執(zhí)行器，并以200 Hz的頻率將它們的信號(hào)和事件進(jìn)行記錄，包括進(jìn)氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節(jié)氣門位置、曲軸位置、凸輪軸位置、噴油初始角和脈沖寬度以及點(diǎn)火提前。基于FPGA 的引擎管理VI 用來(lái)記錄曲軸的位置(分辨率達(dá)到0.3 度)以及捕獲噴油和點(diǎn)火事件對(duì)角度的時(shí)機(jī)。映射實(shí)驗(yàn)在一條交通負(fù)荷很少的長(zhǎng)直道路上進(jìn)行，而不需要將引擎從摩托車上拆下安裝在測(cè)功機(jī)上。

為了完全標(biāo)定廠家ECU的行為，需要在許多不同的節(jié)氣門位置和引擎轉(zhuǎn)速的組合下(近700 個(gè)工作點(diǎn))駕駛摩托車，同時(shí)，ECU數(shù)據(jù)被記錄到多個(gè)文件中。跟蹤車內(nèi)的工程師周期地用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將CompactRIO上的數(shù)據(jù)文件傳送至筆記本電腦上，并立即使用LabVIEW程序分析它們對(duì)工作點(diǎn)的覆蓋情況。應(yīng)用程序會(huì)過濾掉瞬態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)快速排列成轉(zhuǎn)速/ 負(fù)荷工作點(diǎn)表。對(duì)每一個(gè)工作點(diǎn)都會(huì)計(jì)算出平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。在2 小時(shí)內(nèi)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)采集到了90% 的摩托車工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，達(dá)到完全認(rèn)識(shí)廠家ECU 標(biāo)定所需的覆蓋率。此后，工程師們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用LabVIEW再次處理數(shù)據(jù)，提供三維和二維的可視化顯示，并在圖像上修改原始數(shù)據(jù)以填入缺少的工作點(diǎn)。

階段三：引擎控制

在最后的階段中，CompactRIO作為一個(gè)面向研究的ECU開發(fā)原型，提供了進(jìn)行未來(lái)控制算法研究和開發(fā)的可能。使用CompactRIO，我們實(shí)現(xiàn)了多個(gè)引擎管理FPGA核心模塊，這些核心模塊可以被直接移植到基于FPGA 的成品控制器上。

使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，我們實(shí)現(xiàn)了在高性能賽車應(yīng)用中常見的轉(zhuǎn)速密度方法和alpha-N 引擎控制組合策略。轉(zhuǎn)速密度引擎控制方法監(jiān)視進(jìn)氣氣壓和溫度，以計(jì)算在每個(gè)氣缸循環(huán)中進(jìn)入燃燒室空氣的理論質(zhì)量(密度)。但是，由于進(jìn)氣和排氣通道的調(diào)節(jié)效應(yīng)，引擎的轉(zhuǎn)速會(huì)影響實(shí)際進(jìn)入燃燒室的空氣質(zhì)量。用戶可以用一個(gè)容積效率(Ve)對(duì)應(yīng)引擎轉(zhuǎn)速的一維查詢表描述這種行為。然后根據(jù)燃料油的化學(xué)計(jì)量(對(duì)汽油而言，約14.7份空氣配1 份汽油)計(jì)算噴油質(zhì)量。許多客車引擎控制器使用開環(huán)控制的轉(zhuǎn)速密度方法，直至噴油子系統(tǒng)在閉環(huán)控制中可直接投入運(yùn)行。Alpha-N 引擎控制方法比較簡(jiǎn)單，它根據(jù)每一個(gè)節(jié)氣門角度(alpha)和引擎轉(zhuǎn)速(N)工作點(diǎn)查找空氣質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)值，構(gòu)成一張包含幾百個(gè)點(diǎn)的二維查詢表。我們采用這兩種控制策略的組合方式，在進(jìn)氣氣壓有最大可變性的低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工作點(diǎn)采用轉(zhuǎn)速密度方法。在其余工作點(diǎn)映射采用alpha-N 方法。

使用CompactRIO 和LabVIEW 節(jié)省時(shí)間和資金

在過去的項(xiàng)目中，我們至少花了2 年和500,000 美元在定制設(shè)計(jì)硬件的基礎(chǔ)上開發(fā)相似的ECU原型系統(tǒng)。在這個(gè)項(xiàng)目中，設(shè)備成本(包括摩托車和CompactRIO)為15,000 美元。此外， 這個(gè)項(xiàng)目中僅用了3 個(gè)月就完成了。CompactRIO 和LabVIEW 實(shí)時(shí)工具提供了所需的可靠性和精確定時(shí)的資源，而且系統(tǒng)堅(jiān)固，能夠承受高溫和高振動(dòng)的工作環(huán)境。