LabVIEW開發(fā)發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬儀器

LabVIEW開發(fā)發(fā)動機控制系統(tǒng)虛擬儀器

北京瀚文網(wǎng)星科技有限責(zé)任公司

我們(北京瀚文網(wǎng)星www.bjcyck。。ｃｏｍ)為內(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(fù)制現(xiàn)有ECU的所有功能，而且要添加故障生成、*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(diào)整大部分參數(shù)。

實現(xiàn)該系統(tǒng)需要采用一種基于快速原型技術(shù)的新方法。為了縮短開發(fā)時間，我們使用了由LabVIEW、LabVIEW FPGA和LabVIEW 實時模塊組成的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(qū)動需求

決定系統(tǒng)架構(gòu)的驅(qū)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(yīng)的精度必須高于0.1度；噴油定時的精度必須高于1µs；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(yīng)可允許開發(fā)*的控制算法。

R系列多功能RIO模塊可用于監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角的精確位置，常見位置傳感器包括可變磁阻速度 (VRS) 傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器或廣泛應(yīng)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125 ns物理轉(zhuǎn)換中的齒輪嚙合。

該系統(tǒng)主要輸出噴射和點火驅(qū)動信號——該信號功率較低，需要通過外部電源驅(qū)動進行放大。所有的執(zhí)行器之間彼此獨立驅(qū)動；我們測試并成功驅(qū)動了八缸發(fā)動機。每次燃燒，NI PXI-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(qū)動參數(shù)進行估算。計算結(jié)果進入FPGA的隊列中，FPGA根據(jù)所需的角和定時精度執(zhí)行這些計算結(jié)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(jié)構(gòu)來確保滿足時限要求。

借助FPGA上的高速模擬I / O，我們可以實現(xiàn)zui高達(dá)200 KHz的缸內(nèi)壓力信號高速處理，采集爆震評價指標(biāo)、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zui大限度地提高指示平均有效壓力（IMEP）、實現(xiàn)50% MFB位置控制和主動SA策略。

系統(tǒng)層級

我們將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為三層：FPGA、實時和圖形化用戶界面（GUI）。優(yōu)先級zui高以及時間關(guān)鍵型任務(wù)在zui底層——FPGA層，zui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(yuǎn)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(wù)是低頻數(shù)據(jù)記錄和系統(tǒng)管理，包括與實時端進行交互來更改AFR目標(biāo)、SA和故障感應(yīng)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(yīng)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(shè)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V8 3.2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125 ns時，我們可以準(zhǔn)確地定位發(fā)動機的相位和位置，實現(xiàn)zui長可持續(xù)65ms、精度達(dá)1µs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； NI PXI-8186的計算能力可實現(xiàn)*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6,000 rpm轉(zhuǎn)速下的負(fù)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NI PXI-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(chǔ)，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(guān)鍵型任務(wù)（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(diào)理電路，這樣也簡化了系統(tǒng)布局。此外，結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）硬件的LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)為快速設(shè)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NI CompactRIO。

們可以做一些小的改動，在更小巧、更經(jīng)濟的NI CompactRIO系統(tǒng)上實現(xiàn)類似的系統(tǒng)。雖然NI CompactRIO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(diào)整。

 北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司，是一家以LabVIEW（虛擬儀器）為主要技術(shù)手段的開發(fā)公司，為您提供全套的系統(tǒng)集成服務(wù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件開發(fā)、軟件與硬件的產(chǎn)品升級與改造。其服務(wù)領(lǐng)域包括：汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域。涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。

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