NI為摩托車引擎構(gòu)造高性能的FPGA全權(quán)引擎控制系統(tǒng)

應(yīng)用領(lǐng)域：汽車測試

使用產(chǎn)品：CompactRIO、數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW、LabVIEW FPGA、LabVIEW 實時控制、可編程自動化控制器（PAC）

挑戰(zhàn)：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)

解決方案：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。

最后成品的2004 Yamaha YZF-R6 摩托車

針對汽車控制和數(shù)據(jù)采集解決方案供應(yīng)商Drivven，我們需要高可靠性、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。

我們在FPGA 用于汽車知識產(chǎn)權(quán)（IP）領(lǐng)域有專門研究。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(biāo)的技術(shù)；精確角度的噴油及發(fā)出精確點火的技術(shù)。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。由于這條道路包括早期的原型開發(fā)，其中靈活性和計算能力至關(guān)重要，因此我們常常選擇基于PC 的硬件。在這個項目中，出于靈活性、體積小、穩(wěn)定的波形因數(shù)考慮，我們選擇了一款四槽的NI CompactRIO 嵌入式系統(tǒng)。使用這個系統(tǒng)，我們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)。此外，我們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)。這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)

我們創(chuàng)建了三個定制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。我們把它稱為A/D 組合模塊。

這個模塊實現(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(fù)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)階段實現(xiàn)同樣的I/O 行為。以上三個模塊監(jiān)視所有的摩托車傳感器并控制其執(zhí)行器?，F(xiàn)階段，我們正在為傳動系控制應(yīng)用開發(fā)其他CompactRIO 模塊，包括驅(qū)動電子節(jié)氣門和連接通用廢氣含氧傳感器的模塊。

階段二：映射工用ECU

在這個階段中，我們使用CompactRIO 小心地接進關(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記錄在CompactRIO 的閃存文件系統(tǒng)中。信號和事件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?；贔PGA 的引擎管理VI 用來記錄曲軸的位置（分辨率要求0.3 度）以及捕獲噴油和點火事件就的角度時機。我們進行了低成本的映射實驗，由一名駕駛者在一條交通負(fù)荷很少或基本沒有的長直道路上進行，因而不需要將引擎從摩托車上拆下安裝在功率計上。

為了完全映射工用ECU 的行為，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，我們將ECU 數(shù)據(jù)記錄到大小為1Mb 的多個文件中（共20 個文件，每分鐘一個文件）。駕駛者以盡可能減少瞬態(tài)操作的方式小心駕駛摩托車。坐在一輛跟蹤車內(nèi)的工程師會周期地用無線網(wǎng)絡(luò)使用FTP 協(xié)議將CompactRIO 上的數(shù)據(jù)文件傳送至筆記本電腦上，并立即分析它們對工作點的覆蓋情況。運行于筆記本電腦上的NI LabVIEW 應(yīng)用程序過濾掉瞬態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)快速排列成轉(zhuǎn)速/負(fù)荷工作點表。對每一個工作點都會計算出平均值和標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)識工用ECU 映射關(guān)系所需的覆蓋率。此后，工程師們在實驗室中使用LabVIEW 再次處理數(shù)據(jù)，在圖像上修改原始數(shù)據(jù)以填入缺少的工作點中，提供三維和二維的可視化顯示。

階段三：引擎控制

在最后的階段中，為了達到可與工用ECU 相媲美的性能，同時還提供進行未來控制算法研究和開發(fā)的可能，我們使用CompactRIO 為一個面向研究的ECU 開發(fā)原型，這在面向生產(chǎn)的電子設(shè)備中是不可能實現(xiàn)的。使用CompactRIO，我們實現(xiàn)了多個引擎管理FPGA 核心模塊，在結(jié)構(gòu)圖中，這些模塊都有可重復(fù)配置LabVIEW FPGA 圖標(biāo)。我們可以把同樣的核心模塊直接移植到基于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，由于進氣和排氣軌道的各種限制和調(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，用戶可以根據(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對開環(huán)控制使用轉(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。轉(zhuǎn)速密度方法的優(yōu)點在于當(dāng)改變進氣或排氣系統(tǒng)時，僅需修改Ve 表即可消除容積效率的變化。

Alpha-N 引擎控制方法比較簡單，因為它根據(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。為了有效使用轉(zhuǎn)速密度方法，在整個節(jié)氣門/負(fù)荷范圍中，進氣氣壓沒有足夠的可變性，因此許多高性能和賽車引擎控制器必須依靠alpha-N 方法。當(dāng)用戶對這些引擎作機械修改時，大部分或所有的工作點必須重新標(biāo)定。

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(fù)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。在觀察了Yamaha 用于成品摩托車使用的傳感器后，我們確定工用ECU 似乎實現(xiàn)了一種與此類似的策略。我們使用在映射階段采集到的數(shù)據(jù)來標(biāo)定這些控制策略。有經(jīng)驗的駕駛者也不能在工用ECU 控制和我們所設(shè)計的原型控制之間發(fā)現(xiàn)大的不同。最重要的是，我們的系統(tǒng)沒有功率計延時，就達到了這種等級的控制。我們在預(yù)算范圍內(nèi)成功地按時完成為摩托車ECU 開發(fā)原型的項目。

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的時間資源，而且系統(tǒng)堅固，能夠承受高溫和高振動的工作環(huán)境。