用NI CompactRIO开发基于FPGA的引擎控制系统原型

应用领域：汽车测试
使用产品：CompactRIO、数据采集卡、LabVIEW、LabVIEW FPGA、LabVIEW 实时控制、可编程自动化控制器（PAC）
挑战：为高性能摩托车引擎构造基于FPGA 的全权引擎控制系统
解决方案：使用National Instruments（美国国家仪器公司，简称NI）的CompactRIO 和LabVIEW 环境将重点直接放在引擎控制软件和I/O 板卡开发上。

  
最后成品的2004 Yamaha YZF-R6 摩托车

构造高可靠性、高性能的系统

针对汽车控制和数据采集解决方案供应商Drivven，我们需要高可靠性、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的确定性循环时间，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，系统必须在小于1 度的角度内精确控制喷油和点火事件。

我们在FPGA 用于汽车知识产权（IP）领域有专门研究。我们庞大的IP 库容纳了一系列核心技术，如从一系列定位传感器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。由于这条道路包括早期的原型开发，其中灵活性和计算能力至关重要，因此我们常常选择基于PC 的硬件。在这个项目中，出于灵活性、体积小、稳定的波形因数考虑，我们选择了一款四槽的NI CompactRIO 嵌入式系统。使用这个系统，我们可以方便地增加传感器和执行器，并且快速、简单地显示数据。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）传感器输入以及2 个霍尔效应传感器输入。我们把它称为A/D 组合模块。

这个模块实现了低通模拟滤波器和所有输入的过压/欠压保护。第二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。为使开发面向生产的控制系统原型，我们使用低成本的电路来设计每个模块。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。以上三个模块监视所有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，包括驱动电子节气门和连接通用废气含氧传感器的模块。

阶段二：映射工用ECU

在这个阶段中，我们使用CompactRIO 小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事件记录在CompactRIO 的闪存文件系统中。信号和事件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（分辨率要求0.3 度）以及捕获喷油和点火事件就的角度时机。我们进行了低成本的映射实验，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进行，因而不需要将引擎从摩托车上拆下安装在功率计上。

为了完全映射工用ECU 的行为，在许多不同的节气门位置和引擎转速的组合下（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）。驾驶者以尽可能减少瞬态操作的方式小心驾驶摩托车。坐在一辆跟踪车内的工程师会周期地用无线网络使用FTP 协议将CompactRIO 上的数据文件传送至笔记本电脑上，并立即分析它们对工作点的覆盖情况。运行于笔记本电脑上的NI LabVIEW 应用程序过滤掉瞬态数据，并将数据快速排列成转速/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，达到完全认识工用ECU 映射关系所需的覆盖率。此后，工程师们在实验室中使用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，同时还提供进行未来控制算法研究和开发的可能，我们使用CompactRIO 为一个面向研究的ECU 开发原型，这在面向生产的电子设备中是不可能实现的。使用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直接移植到基于FPGA 的成品控制器上。使用LabVIEW 实时模块，我们实现了在高性能赛车应用中常见的转速密度方法和alpha-N 引擎控制组合策略。

转速密度引擎控制方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，由于进气和排气轨道的各种限制和调节效应，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，用户可以根据燃料油的化学计量（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使用转速密度方法，直至喷油子系统在闭环控制中可直接投入运行。转速密度方法的优点在于当改变进气或排气系统时，仅需修改Ve 表即可消除容积效率的变化。

Alpha-N 引擎控制方法比较简单，因为它根据每一个节气门角度（alpha）和引擎转速（N）工作点查找空气质量的经验值，构成一张包含几百个点的二维查询表。为了有效使用转速密度方法，在整个节气门/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须依靠alpha-N 方法。当用户对这些引擎作机械修改时，大部分或所有的工作点必须重新标定。

我们采用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、低负荷工作点采用转速密度方法。在其余工作点映射采用alpha-N 方法。在观察了Yamaha 用于成品摩托车使用的传感器后，我们确定工用ECU 似乎实现了一种与此类似的策略。我们使用在映射阶段采集到的数据来标定这些控制策略。有经验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现大的不同。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。我们在预算范围内成功地按时完成为摩托车ECU 开发原型的项目。

使用CompactRIO 和LabVIEW 节省时间和资金

在过去的项目中，我们至少花了2 年和500,000 美元在定制设计硬件的基础上开发相似的ECU 原型系统。在这个项目中，设备成本（包括摩托车和CompactRIO）为15,000 美元。

此外，这个项目中仅用了3 个月就完成了。CompactRIO 和LabVIEW 实时工具提供了所需的可靠性和精确的时间资源，而且系统坚固，能够承受高温和高振动的工作环境。