Drivven公司使用NICompactRIO開發(fā)基于FPGA的引擎控制系統(tǒng)原型

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(shí)時(shí)控制、可編程自動(dòng)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(diǎn)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
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(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?cè)贔PGA用于汽車知識(shí)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(diǎn)火的技術(shù)。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(jì)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(gè)項(xiàng)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(gè)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(jí)運(yùn)動(dòng)摩托車極其有限的可用空間內(nèi)。這個(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)
我們創(chuàng)建了三個(gè)定制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。我們把它稱為A/D組合模塊。這個(gè)模塊實(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)階段實(shí)現(xiàn)同樣的I/O行為。以上三個(gè)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(dòng)系控制應(yīng)用開發(fā)其他CompactRIO模塊，包括驅(qū)動(dòng)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(gè)階段中，我們使用CompactRIO小心地接進(jìn)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(hào)和事件記錄在CompactRIO的閃存文件系統(tǒng)中。信號(hào)和事件包括進(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用來記錄曲軸的位置（分辨率要求0.3度）以及捕獲噴油和點(diǎn)火事件就的角度時(shí)機(jī)。我們進(jìn)行了低成本的映射實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行，因而不需要將引擎從摩托車上拆下安裝在功率計(jì)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(gè)工作點(diǎn)）駕駛摩托車，我們將ECU數(shù)據(jù)記錄到大小為1Mb的多個(gè)文件中（共20個(gè)文件，每分鐘一個(gè)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(huì)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(duì)工作點(diǎn)的覆蓋情況。運(yùn)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(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)工用ECU映射關(guān)系所需的覆蓋率。此后，工程師們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用LabVIEW再次處理數(shù)據(jù)，在圖像上修改原始數(shù)據(jù)以填入缺少的工作點(diǎn)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(dá)到可與工用ECU相媲美的性能，同時(shí)還提供進(jìn)行未來控制算法研究和開發(fā)的可能，我們使用CompactRIO為一個(gè)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(shí)現(xiàn)的。使用CompactRIO，我們實(shí)現(xiàn)了多個(gè)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(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)氣和排氣軌道的各種限制和調(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，用戶可以根據(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對(duì)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(yùn)行。轉(zhuǎn)速密度方法的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)改變進(jìn)氣或排氣系統(tǒng)時(shí)，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?yàn)樗鶕?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。為了有效使用轉(zhuǎn)速密度方法，在整個(gè)節(jié)氣門/負(fù)荷范圍中，進(jìn)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(duì)這些引擎作機(jī)械修改時(shí)，大部分或所有的工作點(diǎn)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(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。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(shí)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(yàn)的駕駛者也不能在工用ECU控制和我們所設(shè)計(jì)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(jì)延時(shí)，就達(dá)到了這種等級(jí)的控制。我們?cè)陬A(yù)算范圍內(nèi)成功地按時(shí)完成為摩托車ECU開發(fā)原型的項(xiàng)目。

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的時(shí)間資源，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。