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利用LabVIEW FPGA模塊構(gòu)建靈活的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器

2018-02-27 15:28:30·  
　
利用LabVIEW FPGA模塊在NI PXI-7831R可重配置I/O板卡的FPGA上編程，不但使我們的系統(tǒng)性能超過(guò)了規(guī)格要求，還節(jié)省了90%的硬件搭建成本。- Matthew Viele,National Instruments挑戰(zhàn):開(kāi)發(fā)一款發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器，用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop, HIL）測(cè)試。解決方案:使用NI LabVIEW，LabVIEW Real-Time模塊和
"利用LabVIEW FPGA模塊在NI PXI-7831R可重配置I/O板卡的FPGA上編程，不但使我們的系統(tǒng)性能超過(guò)了規(guī)格要求，還節(jié)省了90%的硬件搭建成本。"
- Matthew Viele, National Instruments 
挑戰(zhàn):
開(kāi)發(fā)一款發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器，用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop, HIL）測(cè)試。
 
解決方案:
使用NI LabVIEW，LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊以及PXI-7931R可重配置I/O板卡完成實(shí)時(shí)仿真，并對(duì)I/O信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確、靈活的定時(shí)與同步。
 
 
作者:
Matthew Viele - National Instruments
HIL仿真要求
作為工業(yè)能源控制科技的世界巨頭，Woodward Industrial Controls公司與發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪OEM制造商緊密合作，致力于生產(chǎn)高效的控制系統(tǒng)。Woodward的技術(shù)不僅提供了道路速度載荷控制，還提供了多種控制系統(tǒng)，被廣泛用于排放系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、渦輪增壓器的控制，以及柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)?蒸汽渦輪、發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的點(diǎn)火控制。為了測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的新生產(chǎn)線，我們需要建立一個(gè)系統(tǒng)，能夠仿真發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的所有輸入和輸出信號(hào)。
 
因?yàn)槲覀儨y(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器能夠持續(xù)地調(diào)整點(diǎn)火、燃料噴射以及其它發(fā)動(dòng)機(jī)性能有關(guān)的輸出，所以其測(cè)試系統(tǒng)必須能夠以實(shí)時(shí)閉環(huán)的方式根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化不斷作出調(diào)整。這些參數(shù)包括歧管壓力、空氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。測(cè)試系統(tǒng)還必須能夠檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震，控制渦輪增壓器的廢氣排放，并達(dá)到技術(shù)人員通過(guò)節(jié)流閥設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和扭矩。
 
利用一臺(tái)真正的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是一種非常危險(xiǎn)和高成本的方法。如果控制器存在程序錯(cuò)誤，將會(huì)導(dǎo)致諸如爆震、超速、高溫的情況發(fā)生，并損壞測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至引發(fā)測(cè)試車間中的危險(xiǎn)事故。所以，真正的發(fā)動(dòng)機(jī)一般只用于最后的校準(zhǔn)工作。
 
根據(jù)控制器輸入來(lái)仿真發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出，我們可以在沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下得到控制器的HIL測(cè)試結(jié)果。它還能幫助我們仿真一些在測(cè)試試驗(yàn)室內(nèi)使用真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)難以達(dá)到的情形，比如以極限條件運(yùn)行。除了仿真正常運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)還通過(guò)信號(hào)的短路和斷路來(lái)仿真故障情形。使用一個(gè)HIL仿真器來(lái)測(cè)試控制器，我們可以確保針對(duì)一臺(tái)新發(fā)動(dòng)機(jī)的控制程序的改進(jìn)不會(huì)引起以前利用舊程序測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。我們并不需要一批真正的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)測(cè)試新的控制方式，使用之前已測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸測(cè)試即可。
 
實(shí)時(shí)仿真發(fā)動(dòng)機(jī)
多年來(lái)，我們已經(jīng)使用了多種發(fā)動(dòng)機(jī)控制器測(cè)試系統(tǒng)，包括電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、復(fù)雜可編程邏輯器件，以及專門為控制單元設(shè)計(jì)的整套交鑰匙系統(tǒng)。盡管這些系統(tǒng)的確能滿足了我們的一些要求，但它們很難提供靈活、高效的全自動(dòng)解決方案，我們也很難進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)以滿足未來(lái)測(cè)試需要。
 
對(duì)于我們最新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，我們需要建立自己的系統(tǒng)。因?yàn)樾枰挥袑?shí)時(shí)操作系統(tǒng)才能提供的確定性操作，我們選擇了LabVIEW Real-Time模塊進(jìn)行仿真。在I/O信號(hào)方面，我們還使用了FPGA板卡，以滿足我們對(duì)定時(shí)同步的需求。另外，為了產(chǎn)生輸出波形和脈沖串，我們需要FPGA的運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于仿真主循環(huán)。
 
在我們知道NI LabVIEW FPGA模塊和可重配置的I/O硬件以前，我們?cè)屑?xì)研究過(guò)如何建立自己的基于FPGA的硬件系統(tǒng)。我們還尋找到了一塊整合了FPGA和集成I/ O口的電路板。但利用LabVIEW FPGA模塊在NI PXI-7831R可重配置I/ O板上進(jìn)行FPGA編程，不但其性能參數(shù)優(yōu)于我們的預(yù)定規(guī)格，而且還節(jié)省了自己開(kāi)發(fā)硬件90％的成本。當(dāng)然，部分成本節(jié)省來(lái)源于生產(chǎn)力的提高。但通過(guò)LabVIEW FPGA模塊，我們可以輕松地在LabVIEW中編程，不再需要雇傭高薪且稀缺的VHDL設(shè)計(jì)人員了。使用LabVIEW7 Express配置FPGA，即使沒(méi)有硬件工程師的幫助，我們的軟件開(kāi)發(fā)人員也可以自主完成。
 
信號(hào)的同步與產(chǎn)生
為了準(zhǔn)確地表示一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，我們必須將多種信號(hào)與曲軸的轉(zhuǎn)角同步，曲軸的轉(zhuǎn)角代表發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行位置。要正確測(cè)試一臺(tái)控制器??，我們還必須將對(duì)控制器輸出進(jìn)行采集，采樣信號(hào)和我們系統(tǒng)生成的曲軸信號(hào)同步。在此，我們使用了PXI-7831R可重配置I/O板卡上的模擬輸出端口，模擬可變磁阻曲軸傳感器。我們以一個(gè)曲軸角度的分辨率來(lái)追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行位置。例如，如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作在4000 rpm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)位置跟蹤掃描頻率是24kHz。通過(guò)使用LabVIEW FPGA模塊配置PXI-7831R的FPGA，我們將生成的曲軸轉(zhuǎn)角、爆震以及歧管壓力等仿真信號(hào)與控制器的測(cè)量信號(hào)同步，而測(cè)量的分辨率可達(dá)25納秒。
 
產(chǎn)生仿真輸出信號(hào)時(shí)，需要保證I/O板卡的輸出通道控制要比發(fā)動(dòng)機(jī)仿真主循環(huán)更快。我們的LabVIEW Real-Time仿真循環(huán)以1KHz運(yùn)行，也就是決策頻率。一旦做出決策，系統(tǒng)必須迅速產(chǎn)生輸入輸出信號(hào)以執(zhí)行控制指令。例如，在測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器也許會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)生爆震的狀態(tài)。LabVIEW Real-Time模塊中運(yùn)行的模型便可針對(duì)某個(gè)特定氣缸控制產(chǎn)生一定幅度的爆震。PXI-7831R板卡上的FPGA然后就會(huì)產(chǎn)生這個(gè)輸出信號(hào)。另外，在曲軸始末角度之間的“爆震窗口”里，系統(tǒng)還必須向被測(cè)控制器輸出正確頻率和幅度的輸出信號(hào)。總之，通過(guò)LabVIEW FPGA模塊和PXI-7831R可重配置I/O板卡，我們解決了之前無(wú)法完全進(jìn)行HIL仿真的問(wèn)題。 
我們還從仿真系統(tǒng)產(chǎn)生了無(wú)需與曲軸角度同步的其它信號(hào)，包括：開(kāi)關(guān)、溫度、踏板位置、油門位置以及車輛速度。我們?cè)赑XI-7831R可重配置I/ O板卡的其它獨(dú)立輸出通道上產(chǎn)生了這些信號(hào)。每個(gè)模擬輸入和輸出都有一個(gè)專用的模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器。利用FPGA架構(gòu)，我們可以同時(shí)并行多個(gè)進(jìn)程。盡管FPGA上沒(méi)有操作系統(tǒng)，它卻像一個(gè)擁有多個(gè)、獨(dú)立的處理器的芯片，可以為特定任務(wù)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。
 
擴(kuò)展NI汽車測(cè)試平臺(tái)
LabVIEW FPGA模塊和可重配置I/O硬件已經(jīng)將NI汽車測(cè)試平臺(tái)擴(kuò)展至發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試控制器??HIL仿真應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真中，越來(lái)越多的I/O定時(shí)同步控制，以及板上輸出信號(hào)生成的快速?zèng)Q策將變得非常重要?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)可以建立、改進(jìn)一個(gè)可以滿足基本所有ECU測(cè)試需求的測(cè)試系統(tǒng)。
   
 
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