Sviluppo in ambiente LabVIEW di sistema di controllo per motori a combustione interna

Author(s):
F. Ceresana - DIPARTIMENTO DI ENERGETICA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
G. Tombari - DIPARTIMENTO DI ENERGETICA - UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
M. Bilancia - DIPARTIMENTO DI ENERGETICA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
O. Di Giovine - DIPARTIMENTO DI ENERGETICA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE

Industry:
Automotive

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PXI/CompactPCI, FPGA Module

The Challenge:
Realizzare un banco prova per l’implementazione e la verifica, a scopo didattico e di ricerca, di algoritmi di gestione e controllo di un motore a combustione interna.

The Solution:
L’obiettivo è stato raggiunto utilizzando una scheda FPGA di National Instruments per svolgere le caratteristiche operazioni del modulo TPU (Time Processing Unit) di una ECU (Electronic Control Unit) di un motore automobilistico. Il sistema, gestito interamente con l’ambiente di programmazione grafico LabVIEW, è stato implementato su un motogeneratore adattato con la necessaria sensoristica e con opportuni attuatori.

Breve riassunto
L’applicazione presentata in questo articolo riguarda la realizzazione di una piattaforma per la regolazione ed il controllo dei principali parametri di funzionamento di un motore a combustione interna. Caratteristica fondamentale della soluzione è la flessibilità di impiego sia in ambito didattico che di ricerca. La piattaforma è stata infatti progettata e realizzata per consentire una agevole implementazione di logiche di controllo basate su diverse configurazioni sensori-attuatori (in particolare sensori e componentistica di carattere non commerciale o attuazione di sistemi pluri-iniettore per ogni cilindro). L’applicazione è stata sviluppata ricalcando, per quanto possibile, lo schema di funzionamento classico di una ECU automobilistica e di tutta la sua sensoristica.
Dopo aver opportunamente strumentato un motogeneratore si è proceduto al cablaggio, al condizionamento e all’acquisizione dei segnali di interesse e al processamento dei dati necessari per il controllo dei parametri di gestione del motore. Sono stati implementati, a titolo di esempio, due controllori S.I.S.O. per la gestione della massa di combustibile iniettato e dell’apertura farfalla, per effettuare una retroazione rispettivamente sul rapporto aria-benzina allo scarico e sulla velocità di rotazione.

Articolo
L’applicazione presentata in questo articolo riguarda la realizzazione di una piattaforma per la regolazione e controllo dei principali parametri di funzionamento di un motore a combustione interna. La caratteristica fondamentale ricercata nella soluzione implementata è la flessibilità di impiego sia in ambito didattico che di ricerca. La piattaforma è stata pensata infatti per permettere l’implementazione di logiche di controllo con diverse configurazioni sensori-attuatori (in particolare sensori e componentistica di carattere commerciale e non, di qualsiasi tipologia, o attuazione di sistemi pluri-iniettore per ogni cilindro). L’applicazione è stata sviluppata ricalcando, per quanto possibile, lo schema di funzionamento classico di una ECU automobilistica e di tutta la sua sensoristica.
Si è scelto di utilizzare una configurazione hardware basata su di un sistema PXI dotato di scheda FPGA per ricreare le funzionalità del microcontrollore e della TPU all’interno di una centralina. In questa maniera si è realizzato un sistema adatto agli scopi preposti, in grado di sfruttare tutte le potenzialità offerte da LabVIEW, con la possibilità di implementare e testare logiche di controllo tradizionali e non. Per il monitoraggio del funzionamento dell’apparato è stata adottata una scheda DAQ multifunzione montata su un PC esterno.
Entrambi i sistemi utilizzano processori Pentium e sistema operativo Windows.
Un’applicazione simile a quella qui presentata, era stata realizzata in passato presso i laboratori di questa Università utilizzando delle schede DAQ e counter, ma per via delle elevate necessità di prestazioni real-time hardware richieste dalle funzionalità della TPU si è preferito utilizzare una scheda FPGA.
L’unità motrice utilizzata è un monocilindro 4T ad accensione comandata collegato all’albero di un generatore di corrente, il carico è imposto mediante una serie di reostati.
La figura mostra la configurazione hardware attualmente implementata ed i relativi cablaggi. Il motore è strumentato con: sensore di giri, sensore di fase, sensore di posizione farfalla, sensore integrato di pressione e temperatura sul collettore aspirazione, sonda lambda “switch-type”. Sono inoltre presenti sensori aggiuntivi per il monitoraggio del motore, in particolare: sensore di temperatura allo scarico, sensore di corrente ad effetto Hall su cavo candela, voltmetro ed amperometro sulla linea della corrente generata, trasduttore piezometrico di pressione affacciato alla camera di combustione ed encoder per il rilievo del ciclo indicato.
Per quanto riguarda gli attuatori, iniettore e bobina di accensione sono componenti commerciali di serie, mentre la farfalla motorizzata è stata realizzata ad hoc. Appositamente realizzati per l’applicazione sono anche gli stadi potenza che, avendo come ingresso i segnali generati dall’approntata piattaforma, pilotano l’iniettore, l’impianto di accensione e il motorino passo-passo di attuazione della farfalla.
Per quanto riguarda la parte software, le funzionalità di calcolo e controllo svolte tipicamente dal processore della CPU sono demandate al controllore PXI-8187 (programma Host), mentre le funzioni di polling della TPU sono svolte dall’FPGA (programma Target). La comunicazione tra i due programmi è gestita utilizzando un FIFO DMA e alcune strutture read & write.
L’FPGA acquisisce i segnali provenienti da:
• Sensore di giri, che utilizza in particolare per calcolare e trasmettere all’Host il periodo tra i fori presenti sulla ruota fonica calettata all’albero motore;
• Sensore di fase, che utilizza per la sincronizzazione degli eventi in combinazione col segnale proveniente dal sensore di giri;
• Sensore posizione farfalla.
All’Host giungono anche i segnali di pressione e temperatura collettore aspirazione e rapporto di miscela allo scarico acquisiti dalla scheda PXI-6251. In base ai dati ottenuti, l’Host calcola il livello dei segnali di attuazione per l’iniezione, l’accensione e la movimentazione della farfalla e li comunica all’FPGA che, attraverso delle sequenze, genera i segnali fisici per gli stadi di potenza.
Utilizzando la scheda PCI-6036E, è stato realizzato uno strumento di monitoraggio per verificare la corretta generazione dei segnali di attuazione ed in particolare la loro sincronizzazione con i segnali provenienti dai sensori di giri e fase.
Allo stato attuale, la generazione dei segnali di comando dell’iniettore può essere ottenuta utilizzando due diverse modalità. La prima prevede l’utilizzo di una mappatura dei tempi di iniezione, e quindi della massa di combustibile iniettato, in funzione della velocità di rotazione del motore e dell’angolo di apertura della farfalla (sistema speed-throttle). La seconda modalità è invece di tipo automatico in feedback e prevede l’utilizzo di un controllore PI che interviene sul tempo di iniezione per mantenere il valore di setpoint imposto al rapporto aria-combustibile. Per la valutazione dei parametri del controllore si è utilizzato l’algoritmo di autotuning offerto da LabVIEW. La fase dell’iniezione è gestibile dall’utente.
L’anticipo di accensione viene controllato utilizzatando una mappa di tipo speed-throttle.
L’attuazione della farfalla motorizzata può essere realizzata secondo due modalità. La prima prevede l’impostazione manuale della farfalla specificando l’angolo di apertura desiderato. La seconda comprende un sistema automatico in feedback che regola, con un controllore PID, l’apertura della farfalla per ottenere il valore di set-point del numero di giri richiesto. La posizione della farfalla è restituita al sistema per mezzo del sensore di posizione angolare. Per la valutazione dei parametri del controllore è stata utilizzata anche in questo caso la funzionalità “PID autotuning” di LabVIEW.
Sfruttando le peculiarità tipiche del software National Instruments, si è realizzata un’applicazione nella quale è agevole l’integrazione di logiche di controllo di ogni tipo.
Gli sviluppi in corso sul sistema si rivolgono verso i seguenti obiettivi:
• Migrazione dell’intera applicazione in un sistema operativo real-time;
• Implementazione di un sensore di portata d’aria di tipo a filo caldo;
• Sviluppo di un sistema di controllo dell’anticipo di accensione basato su segnale di pressione in camera di combustione.

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F. Ceresana
DIPARTIMENTO DI ENERGETICA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
f.caresana@univpm.it

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