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[NI技术]开发一个快速控制原 型平台来实现先进的 发动机控制系统 结合NI数据采集 （DAQ）硬件的 LabVIEW开发 系统为快速设计和开 发可工作系统提供所 有需要的工具。编写 的代码所具有的灵活 性和可移植性使其便 于部署在不同平台 上，如NI CompactRIO。 - E. Corti, The Challenge: 开发一个快速原型平 台来实现内燃机实时 控制系统，该控制系 统可以处理通常由电 子控制单元负责的所 有任务，比如发动机 位置感应、喷射、点 火驱动以及与传感器 的连接，以实现标准 控制和诊断策略和新 的先进控制算法的开 发。 The Solution: 使用具有现场可编程 门阵列(FPGA) 的NI PXI-R 系列多功能RIO模 块和运行NI LabVIEW实时 模块的NI PXI-8186嵌 入式控制器来开发系 统。该系统通过几个 I / O板卡与发 动机传感器相连，可 处理与角需求和定时 需求有关的时间关键 型任务，以实现发动 机位置监测以及根据 喷射持续时间、相位 和提前点火（SA） 位置生成精确驱 动。 时间和信号的关系图 Author (s): E. Corti - L. Solieri - 我们为内燃发动机开 发了一个虚拟电控单 元（VECU），作 为执行新发动机控制 策略的灵活平台。我 们需要复制现有 ECU的所有功能， 而且要添加故障生 成、先进的燃烧诊断 和实验算法等新功 能。此外，在执行过 程中我们必须实时调 整大部分参数。 实现该系统需要采用 一种基于快速原型技 术的新方法。为了缩 短开发时间，我们使 用了由和模块组成的NI平 台，使得 LabVIEW可以 生成FPGA代码并 将代码部署至实时终 端。 系统驱动需求 决定系统架构的驱动 需求有以下几个：平 台必须在不同类型的 发动机上运行，如火 花点火(SI)发动 机或压缩点火 (CI)发动机；发 动机位置感应的精度 必须高于0.1度； 喷油定时的精度必须 高于1μs；点火提 前角必须精确到 0.1度内；喷射模 式没有限制，即单点 喷射、多点喷射、多 嘴喷射、集中喷射均 可实现；控制器的计 算性能应可允许开发 先进的控制算法。 R系列多功能RIO 模块可用于监测曲轴 转角位置。通过对来 自常见位置传感器的 角参考信号进行处理 来确定曲轴转角的精 确位置，常见位置传 感器包括可变磁阻速 度 (VRS) 传 感器、霍尔效应传感 器或广泛应用的 60-2齿轮传感器 等组合传感器。 FPGA的高速度使 得系统能够识别 125 ns物理转 换中的齿轮啮合。 该系统主要输出喷射 和点火驱动信号—— 该信号功率较低，需 要通过外部电源驱动 进行放大。所有的执 行器之间彼此独立驱 动；我们测试并成功 驱动了八缸发动机。 每次燃烧，NI PXI-8186控 制器的实时系统都会 对每个汽缸每个循环 的喷射持续时间和 SA等驱动参数进行 估算。计算结果进入 FPGA的队列中， FPGA根据所需的 角和定时精度执行这 些计算结果。 FPGA代码也可处 理部分保护程序，以 保护发动机部件、点 火线圈和喷油器。我 们通常采用单周期定 时循环结构来确保绝 对满足时限要求。 借助FPGA上的高 速模拟I / O， 我们可以实现最高达 200 KHz的缸 内压力信号高速处 理，采集爆震评价指 标、热释放速率和 MFB趋势等信息。 因此，我们能够开发 高级控制策略，在不 超过爆震极限的前提 下最大限度地提高指 示平均有效压力 （IMEP）、实现 50% 位置控制和主动SA 策略。 系统层级 我们将系统结构划分 为三层：FPGA、 实时和图形化用户界 面（GUI）。优先 级最高以及时间关键 型任务在最底层—— FPGA层，最低优 先级的功能位于用户 界面层。GUI不在 实时系统上运行，而 是通过以太网来远程 连接，对于VECU 运行来说并不是必要 的。图形化用户界面 的主要任务是低频数 据记录和系统管理， 包括与实时端进行交 互来更改AFR目 标、SA和故障感应 等参数。主机的故障 并不会影响到发动机 控制系统。底层应用 程序在 pharlap实时 操作系统和FPGA 上运行，主机GUI 几乎可以在任何设备 上部署： Windows电 脑、Linux电脑 或掌上电脑。 为了评估系统的有效 性，我们对玛莎拉蒂 V8 3.2升涡轮 增压发动机 （AM585）进行 了广泛的测试。我们 发现时延为125 ns时，我们可以准 确地定位发动机的相 位和位置，实现最长 可持续65ms、精 度达1μs的多点独 立喷射，而且在精度 超过0.1度的条件 下SOI是可以选择 的。我们还发现点火 提前角位置的精度优 于0.1度；高速、 实时的模拟信号处理 是可行的； NI PXI-8