Woodward Governor Company - LabVIEW 7 FPGA 모듈을 사용하여 엔진 시뮬레이터 개발

Author(s):
Matt Viele - Woodward Governor Company

Industry:
Automotive

Products:
FPGA Module, LabVIEW, Distributed I/O, Real-Time Module

The Challenge:
엔진 컨트롤러 모듈의 HIL(hardware-in-the-loop) 테스트를 위한 엔진 시뮬레이터를 개발한다.

The Solution:
내쇼날인스트루먼트의 LabVIEW 7 Express, LabVIEW 7 Real-Time 모듈, LabVIEW 7 FPGA 모듈 및 재구성 가능한 PXI-7831R I/O 보드를 사용하여 유연하고 정확한 타이밍과 동기화가 가능한 실시간 시뮬레이터를 개발

HIL 시뮬레이션 요구
산업 에너지 제어 기술의 세계적 선도 업체인 Woodward Industrial Controls는 효율적인 제어 솔루션을 개발하기 위해 엔진 및 터빈 OEM 업체들과 긴밀하게 협력하고 있습니다. Woodward technologies에서는 속도 및 로드 제어뿐 아니라 배기 방출, 발전기, 컴프레서, 터보차저(turbocharger), 전력 발생 시스템 및 마이크로 터빈과 연료 전지도 제공합니다. 새로운 엔진 컨트롤러 라인을 테스트하기 위해 작동 엔진의 모든 입력과 출력을 시뮬레이션할 수 있는 시스템을 구성해야 했습니다.

테스트한 엔진 컨트롤러는 점화, 연료 분사 및 기타 엔진 성능에 영향을 미치는 출력을 연속적으로 조절합니다. 이 테스트 시스템은 메니폴드 압력, 공기 흐름, 엔진 속도 및 엔진 온도와 같은 엔진 매개변수에 반응하기 위해 실시간으로 폐쇄 루프 방식을 통해 이러한 조절을 수행해야 합니다. 이 테스트 시스템은 또한 엔진 노킹을 감지하고 터보차저의 웨이스트 게이트(waste gate)를 제어하며 오퍼레이터가 스로틀을 통해 설정하는 엔진 속도와 토크를 원하는 수준으로 제공해야 합니다.

실제 엔진에서 컨트롤러를 테스트하는 것은 위험하고 비용도 많이 듭니다. 코드에 결함이 있는 컨트롤러는 노킹, 과속 및 과열과 같은 결함을 가져와 테스트 엔진을 못쓰게 만들거나 테스트 셀에 위험한 사고를 일으킬 수 있습니다. 엔진은 일반적으로 최종 교정을 위해서만 사용됩니다.

컨트롤러에서 입력에 따른 엔진의 출력을 시뮬레이션 하여 엔진 없이도 컨트롤러의 HIL 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 방법은 또한 예상되는 한계 상황에서 작동시키는 등 테스트 셀에서 실제 엔진으로는 얻기 어려운 조건을 시뮬레이션 할 때도 도움이 됩니다. 정상적 작동 조건을 시뮬레이션 하거나 신호 경로를 쇼트 및 개방 시켜 장애 조건을 시뮬레이션 합니다. 컨트롤러 테스트에 HIL 시뮬레이터를 사용하여 새 엔진에 대한 컨트롤러 코드의 변경으로 이전 코드로 앞서 테스트된 엔진에 문제가 생기지 않는다는 것을 검증할 수 있습니다. 실제 엔진 기반으로 새 제어 방식을 테스트하는 대신 이전에 테스트한 엔진의 시뮬레이션 데이터를 사용하여 회귀 테스트를 수행합니다.

엔진을 실시간으로 시뮬레이션
수년에 걸쳐 전기 모터 구동 방식, 복합 프로그램형 논리 장치 및 제어 모듈 테스트를 위해 특별히 설계된 턴키 시스템을 포함하여 수 많은 엔진 컨트롤러 테스트 시스템을 사용해왔습니다. 이러한 시스템이 많은 요구 조건을 만족시키기는 했지만 향후의 테스트 필요성을 만족시키도록 수정할 수 있는 완전 자동화된 솔루션의 유연성과 효율성은 제공하지 못합니다.

새로운 엔진 컨트롤러 라인을 위해 자체 시스템을 구축해야 했습니다. Real-Time 시스템만이 제공할 수 있는 결정성(정확성)이 필요했기 때문에 시뮬레이션에 LabVIEW 7 Real-Time 모듈을 선택하게 되었습니다. I/O 신호를 위해서는 FPGA 보드를 사용하여 타이밍과 동기화 요구 조건을 만족시키려고 했습니다. 출력 파형과 펄스 열을 생성하기 위해 FPGA를 메인 시뮬레이션 루프보다 훨씬 높은 속도에서 실행시켜야 했습니다.

NI LabVIEW 7 FPGA 모듈과 재구성 가능 I/O 하드웨어에 대해 알기 전에는 고유 FPGA 기반 하드웨어를 구성하는 수밖에 없었습니다. FPGA와 통합 I/O가 있는 보드를 찾기도 했습니다. LabVIEW 7 FPGA 모듈을 사용하여 재구성 가능한 NI PXI-7831R I/O 보드의 FPGA를 프로그래밍함으로써 높은 결정성을 얻었으며 자체 하드웨어를 구축하는 비용의 90%를 절감했습니다. 이러한 비용 절감의 일부는 생산성 향상에도 기인합니다. LabVIEW 7 FPGA 모듈을 사용하면 비용이 많이 드는 VHDL 설계자에게 프로젝트를 맡기지 않고 LabVIEW 7 Express에서 쉽게 프로그래밍하여 FPGA를 구성할 수 있습니다. LabVIEW 7 Express를 사용하여 FPGA를 구성한 결과 하드웨어 엔지니어의 도움 없이 프로젝트를 완료했습니다.

신호 동기화 및 생성
엔진을 정확하게 표현하기 위해서는 많은 신호를 엔진 위치를 나타내는 크랭크 각도에 동기화시켜야 합니다. 컨트롤러를 적합하게 테스트하기 위해서는 또한 컨트롤러 출력의 샘플링을 시스템이 생성하는 크랭크 신호와 동기화시켜야 합니다. 재구성 가능한 PXI-7831R I/O 보드에서 아날로그 출력을 사용하여 VR(variable reluctance) 크랭크 센서를 시뮬레이션했습니다. 크랭크 각 1도의 분해능으로 엔진 위치를 추적합니다. 예를 들어, 엔진이 4,000 rpm에서 작동하는 경우 엔진 위치 추적자의 속도는 24 kHz입니다. LabVIEW 7 FPGA 모듈을 사용하여 PXI-7831R에서 FPGA를 구성함으로써 크랭크 각도, 노킹 및 메니폴드 압력과 같은 시뮬레이션 신호를 25 ns의 분해능으로 동기화합니다.

시뮬레이션된 출력을 생성하려면 메인 엔진 시뮬레이션 루프보다 훨씬 빠른 속도로 I/O 보드의 출력 채널을 제어할 수 있어야 합니다. 당사의 시뮬레이션은 LabVIEW Real-Time 하에서 1kHz의 결정적 속도로 실행됩니다. 결정이 이루어지면 시스템이 I/O를 신속하게 생성하여 제어 명령을 실행해야 합니다. 예를 들어, 테스트 대상 엔진 컨트롤러는 엔진에 노킹 이벤트를 일으키는 조건으로 실행되도록 명령을 내릴 수 있습니다. LabVIEW Real-Time 하에서 실행되는 모델은 특정 실린더에 특정 크기의 노킹 이벤트를 생성해야 하는지를 결정합니다. 그러면 PXI-7813R 보드의 FPGA가 이 출력 신호를 생성합니다. 크랭크 각도에 기초한 “노킹 창”의 시작과 끝 사이에서 시스템이 테스트 대상 컨트롤러로 나가는 출력 신호의 올바른 주파수와 크기를 생성해야 합니다. LabVIEW 7 FPGA 모듈과 재구성 가능한 PXI-7831R I/O 보드가 함께하여 이전에 HIL 시뮬레이션에서 완벽한 NI 시스템을 사용하지 못하게 했던 결여된 부분을 채워주었습니다.

스위치, 온도, 페달 위치, 스로틀 위치 및 차량 속도를 포함하여 크랭크 각도와 동기화시킬 필요가 없는 신호도 시뮬레이션에서 생성합니다. 이러한 것들은 재구성 가능한 PXI-7831R I/O 보드의 별도 출력 채널에서 생성합니다. 각 아날로그 입력과 출력은 각각 전용 ADC 또는 DAC를 갖습니다. FPGA의 아키텍처를 통해 병렬 프로세스를 동시에 실행할 수 있습니다. FPGA에 운영 체제는 없지만 특정 작업을 위해 사용자 정의 설계된 칩에 여러 개의 독립된 프로세스가 있는 것처럼 작동합니다.

NI 자동차 테스트 플랫폼의 확장
LabVIEW 7 FPGA 모듈과 재구성 가능 I/O 하드웨어는 내쇼날인스트루먼트의 자동차 테스트 플랫폼을 엔진 컨트롤러 테스트를 위한 HIL 시뮬레이션으로 확장해주었습니다. I/O 타이밍과 동기화의 제어 향상과 출력 생성을 위한 빠른 온보드 의사 결정 회로의 결합은 엔진을 실시간으로 시뮬레이션하는데 필수적입니다. 이제 모든 ECU 테스트 필요성을 최상으로 만족시키는 테스트 시스템을 구성하고 수정할 수 있게 되었습니다.

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Matt Viele
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