Progettazione di un sistema versatile di gestione dell’iniezione e dell’accensione di un motore in ambiente NI LabVIEW

Author(s):
L. Solieri - ALMA AUTOMOTIVE

Industry:
Research, Automotive

Products:
R Series, LabVIEW, Embedded, Chassis

The Challenge:
Sviluppare un sistema di controllo in tempo reale per un motore a combustione interna, capace di gestire in modo flessibile le attuazioni di accensione e iniezione. Inoltre, il sistema deve implementare la diagnosi in tempo reale della detonazione in ciascun cilindro. Il controllore deve potersi adattare a motori diversi e deve richiedere il minimo numero di componenti elettronici esterni.

The Solution:
Per soddisfare i requisiti temporali imposti dalla necessità di fasare correttamente il motore e di generare attuazioni molto complesse, si è scelto di adottare un sistema di I/O basato sulla PXI-7831R, dotata di un chip FPGA ad alte prestazioni. L'onere di effettuare i calcoli dei parametri di funzionamento è invece affidato al controller PXI-8186, pilotato da un VI in ambiente LabVIEW Real Time.

Il sistema, sviluppato nei laboratori dell'Università di Bologna, permette la gestione delle attuazioni di un motore a combustione interna con elevata precisione e la diagnosi della detonazione. L'utilizzo della scheda NI PXI-7831R, dotata di chip FPGA, ha reso superflua la presenza di circuiti elettronici dedicati alla fasatura, finora indispensabili. L'ambiente di sviluppo LabVIEW, unito all'hardware National Instruments, ha fornito gli strumenti ideali per progettare e realizzare rapidamente un prototipo funzionante: dalla definizione degli obiettivi alla realizzazione del primo prototipo funzionante sono passati meno di 4 mesi.
Articolo:

Il progetto è stato sviluppato nel contesto di una tesi di Laurea presso la II Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, con sede a Forlì. Esso mira a progettare una VECU per un motore a combustione interna che permetta di sviluppare nuove strategie di controllo, oppure simulare malfunzionamenti, o semplicemente portare il motore in condizioni di funzionamento anomale e osservarne la reazione (full pass delle strategie della centralina originale). Per fare ciò, occorre sostituire completamente l'apparato di gestione dell'accensione e dell'iniezione. Inoltre, è indispensabile poter agire sui parametri di funzionamento del motore in tempo reale.
Per progettare un sistema di controllo che soddisfi questi requisiti si è scelto di adottare un approccio moderno, che prevede l'utilizzo di tecniche di Rapid Control Prototyping. Per poter creare un prototipo funzionale nel minor tempo possibile, ci si è affidati all'ambiente di sviluppo LabVIEW for Windows e a due moduli aggiuntivi: LabVIEW FPGA Module, per programmare la scheda PXI-7831R, e LabVIEW Real Time ETS, che ha permesso di realizzare un robusto sistema real time.
I requisiti che hanno determinato l'architettura del sistema di controllo sono i seguenti:
• Deve poter gestire qualsiasi tipo di motore a combustione interna, benzina o diesel, aspirato o turbo;
• Il sistema di fasatura deve mantenere traccia della posizione angolare dell'albero motore, con errore inferiore a 0.1°;
• Il sistema di gestione delle attuazioni deve eseguire i comandi stabiliti con una precisione di 1μs sul tempo di iniezione e di 0.1° sull'anticipo;
• Non devono essere presenti vincoli sulla complessità dell'attuazione. In particolare, deve essere possibile gestire iniettate multiple, misfire e misfuel;
• Deve essere implementato un sistema di diagnosi della detonazione in tempo reale, capace di rilevare il fenomeno in ciascuno dei cilindri indipendentemente;
• La potenza del controller deve essere sufficiente per eseguire l'algoritmo di calcolo dei parametri ogni ciclo, per ogni cilindro.
La determinazione della posizione angolare è affidata completamente alla scheda PXI-7831R. Questo dato è ottenuto usando il segnale della ruota fonica, prelevato mediante un pick-up elettromagnetico, e il segnale di fase, prelevato con un sensore ad effetto Hall posto sull'albero a camme. L'algoritmo di fasatura assolve anche al delicato compito di compensare alle imperfezioni geometriche della ruota fonica. La velocità del chip FPGA, garantisce l'acquisizione della posizione angolare corretta entro 125ns dal passaggio di un dente della ruota fonica sotto al sensore.
Le uscite del sistema sono i segnali di comando, a bassa potenza, delle bobine di accensione e degli iniettori; tutti questi elementi sono pilotati singolarmente in modo indipendente l'uno dall'altro. I parametri delle attuazioni, ovvero durata e posizione angolare, sono calcolati dal controller PXI-8186 in tempo reale una volta per ciclo, per ogni cilindro. Questi vengono successivamente passati alla PXI-7831R per essere implementati con la richiesta precisione temporale e angolare. Nel progettare il VI che viene eseguito sul processore FPGA è stato fatto intenso uso del Single Cycle While Loop; ciò garantisce che le operazioni prioritarie siano eseguite entro un ciclo macchina, che dura 25ns.
La funzionalità più significativa implementata nel sistema è, senza dubbio, la possibilità di effettuare la diagnosi della detonazione in tempo reale. L'algoritmo elabora le informazioni contenute all'interno di un segnale, di pressione nel cilindro, accelerometrico o di corrente di ionizzazione, in un arco angolare ristretto, vicino al p.m.s. attivo del cilindro in esame. Un approccio di questo tipo è reso possibile dal raffinato sistema di fasatura descritto precedentemente, che permette di selezionare una finestra di calcolo con precisione superiore a 0.1°. Il segnale viene campionato a frequenza di 100kHz, tramite gli ingressi analogici a 16bit della PXI-7831R, e successivamente elaborato. Questa operazione prevede una prima fase di filtraggio mediante un passa-banda FIR oppure IIR di ordine elevato per eliminare le componenti spurie del segnale. Successivamente viene valutato un indice di tipo derivativo in grado di evidenziare il fenomeno e, se confrontato con un opportuno valore di soglia, di discriminare le combustioni detonanti da quelle regolari.
Il sistema è strutturato in due blocchi indipendenti: l'elaboratore real time (chassis, controller e scheda di I/O) e una HMI (Human Machine Interface). Il funzionamento del primo prescinde dalla presenza del secondo, pertanto un eventuale malfunzionamento del dispositivo di interfaccia non ha conseguenze sul controllore. La comunicazione tra i due sistemi avviene attraverso una connessione ethernet a 100mbps. L'utente ha a disposizione una GUI (Graphical User Interface) che fornisce l'accesso ai controlli necessari alla gestione del motore e permette di memorizzare su HD tutti i dati di funzionamento, per effettuare eventualmente un'elaborazione off-line. L'interfaccia è sviluppata con LabVIEW è può essere eseguita su una varietà di sistemi: da un semplice PC dotato di sistema operativo Windows o Linux, fino a dispositivi handheld, programmabili grazie al modulo LabView for PDA.
Per valutare l'efficacia del sistema, sono state effettuate prove presso i laboratori dell’Università di Bologna (sede di Forlì). Il motore installato al banco è un 8 cilindri a V di 90° di produzione Maserati; l'alimentazione è benzina e l'aspirazione è forzata mediante due gruppi turbocompressori-intercooler. Nei numerosi test il sistema ha dimostrato di poter operare abbondantemente entro i requisiti richiesti, in particolare:
• la fasatura è corretta su tutto l'arco di funzionamento del motore ed è acquisita con un ritardo di 125ns;
• è possibile effettuare iniezioni multiple di durata fino a 65ms con risoluzione di 1μs;
• la precisione raggiunta sulla posizione di scarica bobina (anticipo) è superiore a 0.1°;
• è possibile effettuare la diagnosi della detonazione su tutti i cilindri indipendentemente e generare allarmi multipli, hardware e software;
• la potenza di calcolo inutilizzata sul controller PXI-8186 è tale da garantire lo sviluppo di strategie di controllo ulteriormente raffinate.

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L. Solieri
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Tel: 333 6237000 / 393 4525523
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