Drivven 使用 NI CompactRIO 開發 FPGA 架構的引擎控制系統原型

Author(s):
Carroll G. Dase - Drivven, Inc.

Industry:
Automotive

Products:
CompactRIO, Real-Time Module, LabVIEW, Data Acquisition, PXI/CompactPCI, FPGA Module

The Challenge:
針對高效能的機車引擎，建立完整的 FPGA 架構引擎控制系統。

The Solution:
使用 NI CompactRIO 與 LabVIEW 環境，直接進行引擎控制軟體與 I/O 機板的開發。

建立可靠的高效能系統

rivven 為自動化控制與資料擷取解決方案的廠商，需要可靠、高效能的硬體，以針對 2004 山葉 (Yamaha) YZF-R6 型機車進行引擎控制系統的原型製作。引擎控制需要毫秒 (Millisecond) 計算的迴路時脈，與微秒 (Microsecond) 計算的精確燃料與點火正時 (Spark Timing)。此外，系統引擎旋轉必須達到 15,500 RPM。在此速度之下，每曲軸 (Crankshaft) 旋轉將低於 4 ms，而系統必須精確地控制燃料與點火事件的角度範圍 (Angle domain) 以低於 1 度。我們針對 FPGA 特別限定汽車工業的智慧財產權。我們 IP 的大型程式庫，包含來自於多種位置感測格式的曲軸角度位置追蹤核心，並可產生角度基礎的精確燃料與點火指令。我們針對 FPGA 架構的直流傳動 (Power Train) 控制器，開發從原型製作到生產的絕佳程序。由於此程序包含原型製作的早期階段，需要極高的彈性與計算能力，所以我們往往先選擇 PC 架構的硬體。針對此專案，根據系統彈性、小體積，與堅固的特性，我們選擇了 4 槽的 NI CompactRIO 嵌入式系統。透過此系統，我們可輕鬆新增感測器與致動器，並可快速呈現資料。此外，我們可於機車極為有限的空間，固定安裝所需的控制器。

此專案包含 3 個主要階段。

階段 1：客制 I/O 模組開發

我們建立 3 組客制的NI CompactRIO I/O 模組。第一個模組具有 22 個單端點、12 位元解析度的類比輸入；2 個可變磁阻 (VR) 感測器輸入；與 2 個霍爾效應 (Hall-effect) 的感測器輸入。我們稱之為 A/D Combo 模組。此模組建置低通類比濾波器，所有輸入通道亦具有過/欠電壓保護。第二個模組具有驅動低阻抗點燃油市噴射引擎的 4 個通道；與驅動一般螺線管的 4 個低邊電感負載 (Inductive-load) 開關。每通道可針對開電路與短電路進行診斷，並且不需透過 CPU 即可予以停用。第三個模組具有 8 個低邊電感類型 (Inductive-style) 的驅動，適用於點火線圈。我們針對生產導向與原型製作的控制系統，仔細地設計每個模組。最後開發工程師可同時了解原型製作與生產階段中的相同 I/O 行為。此 3 個模組可監控所有的機車感測器，並控制該致動器。我們目前已針對直流傳動控制應用，開發額外的  NI CompactRIO 模組，包含驅動電子節氣門 (ETB)，並介接寬域氧量傳感器 (UEGO) 的模組。

階段 2：對映 ECU 因素

在此階段中，我們仔細地將 NI CompactRIO 接至必要的機車感測器與致動器，並以 200 Hz 的速率，將訊號與事件記錄至 NI CompactRIO 快閃檔案 (Flash file) 系統。訊號與事件包含內部的氣壓與溫度、大氣壓、冷卻溫度、節流閥位置、曲軸位置、凸軸位置、燃油噴射開始角度、脈寬，與點火提前。FPGA 架構的引擎管理 VI，可追蹤曲軸位置 (0.3 度的解析度)，並擷取燃油噴射與點火事件的角度基礎時脈。我們讓一位騎士於無車的筆直道路上，進行低預算的對映作業。因此不需移除機車引擎，並可將之安裝於動力計上。當以多種不同的節流閥位置與引擎速度 (將近 700 種操作點) 行進時，我們記錄 ECU 資料為 1 Mb 的檔案 (每分鐘 產生 1 支檔案，最高 20 支檔案)，以完整映射工廠級 ECU (Factory ECU) 的行為。該騎士以一定的方式謹慎地駕駛機車，以儘量減少瞬變電流 (Transient) 的操作。在追蹤車輛中的工程師可定時以無線 FTP 的方式，將資料從 CompactRIO 傳送至筆記型電腦中，並立刻針對工作點 (Operating point) 的範圍進行分析。當篩選靜態資料時，筆記型電腦架構的 LabVIEW 應用可快速以速度/負載操作表格，將資料進行排序。根據每工作點 (Operating point) 的資料，將計算平均的標準誤差。在兩個小時中，作業小組擷取到機車工作點達 90% 的資料，已足夠通盤了解工廠級 ECU 的映射情況。工程師稍後於實驗室中以 LabVIEW 處理資料，以其 3D 與 2D 的呈現功能，圖形化地修正資料，並填滿缺少的工作點。

階段 3：引擎控制

在最後的階段中，我們使用  NI CompactRIO 對研究導向的 ECU 進行原型製作，並達到工廠級 ECU 的效能，並可執行運算式未來的研究與開發；而此功能是生產導向的電子工業所無法達成的。透過 NI CompactRIO ，我們建置多個引擎管理的 FPGA 核心，且均於區塊圖上建立可設定的 LabVIEW FPGA 圖形。亦可直接將這些核心傳至生產的 FPGA 架構控制器。使用 LabVIEW Real-Time，我們更進一步整合了噴射供油 (Speed-density)，與可普遍於高效能競賽應用中找到的 Alpha-N 引擎控制方式。噴射供油引擎控制方法，將監控進氣壓力與溫度，以計算進入燃燒室的理想空氣量。然而，由於進氣與排器路徑的多種限制與轉化效果，引擎的速度亦將影響進入燃燒室的實際空氣量。

使用者可針對容積效率 (VE) 值與引擎速度，進行相關特性表格繪製。

接著使用者可根據燃油的化學計量學 (針對汽油，空氣與燃油比例約為 14.7：1)，計算燃油的噴射量。許多汽車引擎控制器，均使用開迴路控制的噴射供油，直到閉迴路控制可操作噴射子系統。噴射供油的優點，是於修正進氣或排氣系統時，僅需要修改容積效率 (VE) 表格，即可變更容積效率。因為 Alpha-N 引擎控制方法，將根據每節氣門開度 (alpha) 與引擎速度 (N) 工作點的進氣量，所以該方法較為簡單；亦將造成數百個工作點所構成的二維對照表。由於進氣壓力會因為節氣門範圍而缺少變化，所以許多高效能與競賽引擎的控制器，必須依賴此方法，以有效地使用噴射供油方法。當使用者針對引擎進行機械修正時，則必須重新校正所有的工作點。我們將噴射供油套用至低速與低負載的工作點 (進氣壓力具有最大的變化)，以整合這些控制方法。並將 Alpha-N 方法套用至其餘的工作映射。在我們注意到山葉公司於機車生產中使用的感測器之後，即決定工廠級 ECU 應可建置相同的方法。我們使用映射階段中所擷取的資料，以校準這些控制方法。即便是老經驗的騎士，亦無法分辨出工廠級 ECU 控制與原型控制之間的明顯差異。最重要的，我們未使用動力計時脈，即達成了此控制層級。我們以限定時間與預算，成功地達成原型製作機車 ECU 的目標。

以 CompactRIO 與 LabVIEW 節省時間與金錢

在過去的專案中，我們耗費了至少 2 年與美金 $500,000，以客制硬體開發近似的 ECU 原型製作系統。此方案的設備成本，包含機車與 NI CompactRIO ，僅花費美金 $15,000。此外，我們僅耗費了 3 個月的時間完成此專案。 NI CompactRIO 與 LabVIEW Real-Time 提供所需的可靠度與精確的時脈資源，堅固的系統亦可承受作業環境中的高溫與強烈振動。

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Carroll Dase
Drivven, Inc.

Browse All Case Studies »