在過去的項目中，我們至少花了2年和500,000美元……在這個項目中，設(shè)備成本(包括摩托車和CompactRIO)為15,000美元。此外，這個項目中僅用了3個月就完成了。–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(美國國家儀器公司，簡稱NI)的CompactRIO 和LabVIEW環(huán)境將重點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 YamahaYZF-R6摩托車開發(fā)引擎控制系統(tǒng)的原型。引擎控制系統(tǒng)要求毫秒級的確定性循環(huán)時間，以及微秒級的精確噴油和點火時機。此外，被控對象引擎轉(zhuǎn)速高達每分鐘15,500轉(zhuǎn)。在這個轉(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)精確控制噴油和點火事件。

我們致力于為基于FPGA開發(fā)的傳動系控制器提供一條從原型到生產(chǎn)的無縫整合之路，由于其中包括早期的原型開發(fā)，其靈活性和計算能力至關(guān)重要。我們龐大的IP庫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的技術(shù);精確角度的噴油及發(fā)出精確點火的技術(shù)。在這個項目中，出于靈活性、體積小、穩(wěn)定堅固的形體考慮，我們選擇了一款四槽的NICompactRIO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、簡單地顯示數(shù)據(jù)。另一方面，也可以把控制器安裝在超級運動摩托車極其有限的可用空間內(nèi)。

整個項目由以下三個主要階段構(gòu)成。

階段一：定制I/O 模塊開發(fā)

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

每個通道可以在幾乎沒有CPU干預(yù)下檢測開路、閉路或禁用。第三個模塊為點火線圈提供八個低側(cè)感性驅(qū)動器。

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設(shè)計每個模塊。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200Hz的頻率將它們的信號和事件進行記錄，包括進氣氣壓和溫度、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火提前。基于FPGA的引擎管理VI 用來記錄曲軸的位置(分辨率達到0.3度)以及捕獲噴油和點火事件對角度的時機。映射實驗在一條交通負荷很少的長直道路上進行，而不需要將引擎從摩托車上拆下安裝在測功機上。

為了完全標定廠家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個工作點)駕駛摩托車，同時，ECU數(shù)據(jù)被記錄到多個文件中。跟蹤車內(nèi)的工程師周期地用無線網(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程序分析它們對工作點的覆蓋情況。應(yīng)用程序會過濾掉瞬態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)快速排列成轉(zhuǎn)速/負荷工作點表。對每一個工作點都會計算出平均值和標準差。在2 小時內(nèi)，這個團隊采集到了90% 的摩托車工作點數(shù)據(jù)，達到完全認識廠家ECU標定所需的覆蓋率。此后，工程師們在實驗室中使用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。

階段三：引擎控制

在最后的階段中，CompactRIO作為一個面向研究的ECU開發(fā)原型，提供了進行未來控制算法研究和開發(fā)的可能。使用CompactRIO，我們實現(xiàn)了多個引擎管理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實時模塊，我們實現(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)視進氣氣壓和溫度，以計算在每個氣缸循環(huán)中進入燃燒室空氣的理論質(zhì)量(密度)。但是，由于進氣和排氣通道的調(diào)節(jié)效應(yīng)，引擎的轉(zhuǎn)速會影響實際進入燃燒室的空氣質(zhì)量。用戶可以用一個容積效率(Ve)對應(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)計量(對汽油而言，約14.7份空氣配1份汽油)計算噴油質(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行。Alpha-N引擎控制方法比較簡單，它根據(jù)每一個節(jié)氣門角度(alpha)和引擎轉(zhuǎn)速(N)工作點查找空氣質(zhì)量的經(jīng)驗值，構(gòu)成一張包含幾百個點的二維查詢表。我們采用這兩種控制策略的組合方式，在進氣氣壓有最大可變性的低轉(zhuǎn)速、低負荷工作點采用轉(zhuǎn)速密度方法。在其余工作點映射采用alpha-N方法。

使用CompactRIO 和LabVIEW 節(jié)省時間和資金

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