用NI CompactRIO开发基于FPGA的引擎控制系统原型

1、用ni compactrio开发基于fpga的引擎控制系统原型针对汽车控制和数据采集解决计划供给商drivven，我们需要高牢靠性、高性能的硬件为2004 yamaha yzf-r6 摩托车开发引擎控制系统的原型。引擎控制系统要求毫秒级确实定性循环时光，以及微秒级的精确喷油和点火时机。此外，被控对象引擎转速高达每分钟15,500 转。在这个转速下，曲轴每转一圈不到4ms，系统必需在小于1 度的角度内精确控制喷油和点火大事。我们在fpga 用于汽车学问产权（ip）领域有特地讨论。我们浩大的ip 库容纳了一系列核心技术，如从一系列定位跟踪曲轴角坐标的技术；精确角度的喷油及发出精确点火的技术。我们致

2、力于为基于fpga 开发的传动系控制器提供一条从原型到生产的无缝整合之路。因为这条道路包括早期的原型开发，其中灵便性和计算能力至关重要，因此我们经常挑选基于pc 的硬件。在这个项目中，出于灵便性、体积小、稳定的波形因数考虑，我们挑选了一款四槽的ni compactrio 系统。用法这个系统，我们可以便利地增强传感器和执行器，并且迅速、容易地显示数据。此外，我们可以把控制器安装在超级运动摩托车极其有限的可用空间内。这个项目由以下三个主要阶段构成。阶段一：定制i/o 模块开发我们创建了三个定制compactrio i/o 模块。第一个模块提供22 个单端12 位模拟输入，2个可变磁阻（vr）传感器

3、输入以及2 个传感器输入。我们把它称为a/d 组合模块。这个模块实现了低通模拟和全部输入的过压/欠压庇护。其次个模块为驱动低阻抗点式喷油嘴提供了四个通道，并为驱动通用螺线管提供了四个低侧感性负载开关。每个通道可以在几乎没有cpu 干预下检测开路、闭路或禁用。第三个模块为点火线圈提供八个低侧感性驱动器。为使开发面对生产的控制系统原型，我们用法低成本的来设计每个模块。因此，开发者可以在原型开发和生产阶段实现同样的i/o 行为。以上三个模块监视全部的摩托车传感器并控制其执行器。现阶段，我们正在为传动系控制应用开发其他compactrio 模块，包括驱动节气门和衔接通用废气含氧传感器的模块。阶段二：映

4、射工用ecu在这个阶段中，我们用法compactrio 当心地接进关键的摩托车传感器和执行器，并以200hz 的频率将它们的信号和大事记录在compactrio 的闪存文件系统中。信号和大事包括进气气压和温度、大气气压、冷却水温度、节气门位置、曲轴位置、凸轮轴位置、喷油初始角和脉冲宽度以及点火提前。基于fpga 的引擎管理vi 用来记录曲轴的位置（辨别率要求0.3 度）以及捕捉喷油和点火大事就的角度时机。我们举行了低成本的映射试验，由一名驾驶者在一条交通负荷很少或基本没有的长直道路上举行，因而不需要将引擎从摩托车上拆下安装在功率计上。为了彻低映射工用ecu 的行为，在许多不同的节气门位置和引擎

5、转速的组合下（近700 个工作点）驾驶摩托车，我们将ecu 数据记录到大小为1mb 的多个文件中（共20 个文件，每分钟一个文件）。驾驶者以尽可能削减瞬态操作的方式当心驾驶摩托车。坐在一辆跟踪车内的工程师会周期地用无线网络用法ftp 协议将compactrio 上的数据文件传送至笔记本电脑上，并立刻分析它们对工作点的笼罩状况。运行于笔记本电脑上的ni labview 应用程序过滤掉瞬态数据，并将数据迅速罗列成转速/负荷工作点表。对每一个工作点都会计算出平均值和标准差。在2 小时内，这个团队采集到了90%的摩托车工作点数据，达到彻低熟悉工用ecu 映射关系所需的笼罩率。此后，工程师们在试验室中用

6、法labview 再次处理数据，在图像上修改原始数据以填入缺少的工作点中，提供三维和二维的可视化显示。阶段三：引擎控制在最后的阶段中，为了达到可与工用ecu 相媲美的性能，同时还提供举行将来控制算法讨论和开发的可能，我们用法compactrio 为一个面对讨论的ecu 开发原型，这在面对生产的电子设备中是不行能实现的。用法compactrio，我们实现了多个引擎管理fpga 核心模块，在结构图中，这些模块都有可重复配置labview fpga 图标。我们可以把同样的核心模块挺直移植到基于fpga 的成品控制器上。用法labview 实时模块，我们实现了在高性能赛车应用中频繁的转速密度办法和al

7、pha-n 引擎控制组合策略。转速密度引擎控制办法监视进气气压和温度，以计算在每个气缸循环中进入燃烧室空气的理论质量（密度）。但是，因为进气和排气轨道的各种限制和调整效应，引擎的转速会影响实际进入燃烧室的空气质量。用户可以用一个容积效率（ve）对应引擎转速的一维查询表描述这种行为。然后，用户可以按照燃料油的化学计量（对汽油而言，约14.7 份空气配1 份汽油）计算喷油质量。许多客车引擎控制器对开环控制用法转速密度办法，直至喷油子系统在闭环控制中可挺直投入运行。转速密度办法的优点在于当转变进气或排气系统时，仅需修改ve 表即可消退容积效率的变幻。alpha-n 引擎控制办法比较容易，由于它按照每

8、一个节气门角度（alpha）和引擎转速（n）工作点查找空气质量的阅历值，构成一张包含几百个点的二维查询表。为了有效用法转速密度办法，在囫囵节气门/负荷范围中，进气气压没有足够的可变性，因此许多高性能和赛车引擎控制器必需依赖alpha-n 办法。当用户对这些引擎作机械修改时，大部分或全部的工作点必需重新标定。我们采纳这两种控制策略的组合方式，在进气气压有最大可变性的低转速、低负荷工作点采纳转速密度办法。在其余工作点映射采纳alpha-n 办法。在观看了yamaha 用于成品摩托车用法的传感器后，我们确定工用ecu 似乎实现了一种与此类似的策略。我们用法在映射阶段采集到的数据来标定这些控制策略。有阅历的驾驶者也不能在工用ecu 控制和我们所设计的原型控制之间发觉大的不同。最重要的是，我们的系统没有功率计延时，就达到了这种等级的控制。我们在预算范围内胜利地按时完成为摩托车ecu 开发原型的项目。用法compactrio 和labview 节约时光和资金在过去的项目中，我们起码花了2 年和500,000 美元在定制设计硬件的基础上开发相像的ecu 原型系统。在