應(yīng)用領(lǐng)域：嵌入式設(shè)計(jì)（汽車(chē)）

挑戰(zhàn)：

 

      ECU快速模型構(gòu)建及硬件在環(huán)仿真的研究對(duì)國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)及新能源汽車(chē)研究具有重大意義。

應(yīng)用方案：

 

      將Simulink與LabVIEW結(jié)合，發(fā)揮前者算法易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)和后者強(qiáng)大編程功能，大大縮短ECU開(kāi)發(fā)周期；基于CRIO和PXI的ECU快速原型和在環(huán)仿真降低設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 8.6
LabVIEW RT，F(xiàn)PGA，仿真模塊
NI RIO模塊
SIT仿真接口工具包
PXI-1042 PXI機(jī)箱                      
PXI-8196 嵌入式控制器                       
PXI-6713 高速模擬輸出模塊                    
PXI-6259 M系列數(shù)據(jù)采集卡                        
PXI-6602 數(shù)字定時(shí)模塊                       
PXI-6541 數(shù)字波形發(fā)生器                       
CompactRIO-9103 CRIO機(jī)箱
CompactRIO-9014 嵌入式控制器         
CompactRIO-9215 模擬輸入模塊
CompactRIO-9263 模擬輸出模塊

介紹

      以某品牌兩用燃料四缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)為研究對(duì)象，用Simulink構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)模型。
      構(gòu)建了基于PXI的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU快速原型和在環(huán)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)能輸出溫度等模擬信號(hào)、采集電壓等模擬信號(hào)，輸出或測(cè)量開(kāi)關(guān)等數(shù)字信號(hào)，噴油脈寬、點(diǎn)火脈沖等PWM信號(hào)采集，以及曲軸、凸輪軸位置等定時(shí)脈沖信號(hào)的輸出。設(shè)計(jì)了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，聯(lián)合萬(wàn)能表、示波器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差對(duì)比分析, 進(jìn)行了基于CompactRIO（簡(jiǎn)稱(chēng)CRIO）的ECU快速原型和真實(shí)ECU在環(huán)測(cè)試。
快速構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)ECU原型。實(shí)現(xiàn)基于Simulink的算法模型在CRIO上的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)接收包括曲軸轉(zhuǎn)速和以及節(jié)氣門(mén)位置等信號(hào)，輸出控制發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)和傳動(dòng)系參數(shù)。測(cè)試結(jié)果包括發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角和噴油MAP圖，為真實(shí)ECU構(gòu)建提供了參考。

研究目的和意義

      針對(duì)能源和環(huán)境壓力問(wèn)題以及越來(lái)越嚴(yán)格的汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要有兩條主線(xiàn)：一是改善發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)；二是尋找可替代清潔燃料。兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)適合國(guó)情的環(huán)保節(jié)能方案之一。利用硬件在環(huán)（Hardware in Loop, HIL）仿真可以預(yù)先逐步檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，從而大大提高控制系統(tǒng)的研制質(zhì)量，減小研制風(fēng)險(xiǎn)和提高設(shè)計(jì)成功率，是開(kāi)發(fā)研制發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)理想工具。因此，近年來(lái)硬件在環(huán)仿真技術(shù)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是，目前的解決方案普遍面臨成本高的不足，難以在極限條件下實(shí)時(shí)測(cè)試，另外，對(duì)汽車(chē)ABS或ESP的硬件在環(huán)ECU研究較多，對(duì)多輸入多輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真的案例較少。
      綜合考慮性能、價(jià)格、開(kāi)發(fā)時(shí)間、通用性、可擴(kuò)展性的特點(diǎn)等，本文最終選定了NI公司的PXI和CompactRIO方案完成平臺(tái)構(gòu)建，研制開(kāi)發(fā)了一套基于PXI的CNG/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)ECU在環(huán)仿真試驗(yàn)。

技術(shù)路線(xiàn)

      技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示，先根據(jù)各個(gè)子模型的控制策略，建立發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模型，獲得初始的點(diǎn)火提前角MAP圖，然后進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化模型和蟻群算法策略，得出新MAP圖，并將其寫(xiě)入燃?xì)釫CU，進(jìn)行驗(yàn)證。
      利用兩用燃料汽車(chē)在瞬態(tài)工況下進(jìn)行的底盤(pán)測(cè)功排放實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、三種有害排放物與點(diǎn)火提前角（或空燃比）的單目標(biāo)函數(shù)；建立多目標(biāo)優(yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù)；在Matlab環(huán)境下進(jìn)行基于智能算法（多目標(biāo)蟻群遺傳算法）的優(yōu)化；獲得新的MAP圖，并將其寫(xiě)入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，進(jìn)行驗(yàn)證。

 

 

發(fā)動(dòng)機(jī)模型和軟件仿真 

      發(fā)動(dòng)機(jī)平均值建模的概念最早由Rasmussen提出，經(jīng)過(guò)Powell等人的發(fā)展，最后由Hendricks進(jìn)行系統(tǒng)化的歸納和提煉給出了模型結(jié)構(gòu)和通用表達(dá)形式。它采用數(shù)個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中變量的平均值來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，均值模型也由此得名?，F(xiàn)在最為常見(jiàn)和通用的均值模型由三個(gè)子系統(tǒng)模型構(gòu)成，即進(jìn)氣歧管空氣流量子模型、燃油蒸發(fā)與流動(dòng)子模型和動(dòng)力輸出子模型。
      以某品牌兩用燃料四缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)為研究對(duì)象，用Simulink構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)模型，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU綜合仿真模型和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)模型，包括了進(jìn)氣模塊、燃油模塊、曲軸模塊，傳感器模塊以及空燃比控制、點(diǎn)火提前角控制模塊、測(cè)功器模塊（負(fù)載調(diào)節(jié)器模塊）和排放模塊等。其中，排放模塊是根據(jù)廣東某檢測(cè)站在用汽車(chē)瞬態(tài)工況法底盤(pán)測(cè)功檢測(cè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建的空燃比、點(diǎn)火提前角與排放回歸關(guān)系的模型。

系統(tǒng)原理

      基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示， CompactRIO構(gòu)成的ECU快速原型為被測(cè)模型，PXI則是測(cè)試系統(tǒng)。將ECU控制器模型[11]下載到實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)——CompactRIO以后，CompactRIO就相當(dāng)于一臺(tái)虛擬ECU，通過(guò)I/O口連接至PXI系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)可以仿真溫度傳感器、曲軸傳感器、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等信號(hào)，并測(cè)量虛擬ECU輸出的數(shù)據(jù)。
      基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，真實(shí)ECU模型在通過(guò)快速原型環(huán)節(jié)驗(yàn)證之后，將該模型生成的代碼下載到ECU，并對(duì)所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼進(jìn)行測(cè)試。由PXI系統(tǒng)數(shù)字采集卡輸出高速可調(diào)脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經(jīng)過(guò)優(yōu)化策略的計(jì)算輸出點(diǎn)火脈寬信號(hào)和噴油脈寬信號(hào)給PXI系統(tǒng)。

 

系統(tǒng)硬件環(huán)境的構(gòu)建

基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)硬件

      本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖如圖3（a）所示。例如，PXI系統(tǒng)為ECU快速原型中AI MOD1/TC0 提供熱電偶溫度（發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫、環(huán)境溫度等）和采集AO MOD3/AO0 轉(zhuǎn)速信號(hào)。

      ECU快速原型由CompactRIO系統(tǒng)構(gòu)建并且使用NI RIO技術(shù)，可以利用FPGA芯片和LabVIEW來(lái)定制測(cè)量硬件電路，可利用可重新配置的FPGA技術(shù)來(lái)自動(dòng)合成高度優(yōu)化的電路，從而實(shí)現(xiàn)輸入/輸出，通信和控制應(yīng)用。把發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU模型編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件后再下載到CompactRIO的FPGA，CompactRIO則為一臺(tái)虛擬ECU。

基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)硬件

      基于PXI的真實(shí)ECU的仿真實(shí)驗(yàn)硬件連接如圖3（b）所示。由PXI 6602輸出高速可調(diào)脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經(jīng)過(guò)優(yōu)化策略的計(jì)算輸出點(diǎn)火脈寬信號(hào)和噴油脈寬信號(hào)，由PXI 6259來(lái)采集，通過(guò)LabVIEW界面的顯示控件把波形顯示出來(lái)，以便判斷該目標(biāo)硬件是否達(dá)到要求。

系統(tǒng)軟件環(huán)境的構(gòu)建

基于PXI的ECU的快速原型系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

 

      給ECU快速原型搭建仿真環(huán)境，在CompactRIO的AI口接上PXI數(shù)據(jù)采集卡的輸出端，提供節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值、點(diǎn)火提前角等仿真信號(hào)；再給AO口接上PXI的輸入端，使用LabVIEW設(shè)計(jì)的軟件界面，使用控制制件調(diào)節(jié)輸出電壓，在顯示控件上觀(guān)察CompactRIO的輸出波形。如圖4所示為基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)的軟件界面。

      在整個(gè)快速原型的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)中，LabVIEW Real-Time模塊是用于LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的附加組件。該軟件為特定的實(shí)時(shí)目標(biāo)編譯和優(yōu)化LabVIEW 圖形化代碼；借助NI LabVIEW FPGA和可重新配置I/O （RIO）硬件，可創(chuàng)建自定義的I/O和控制硬件，而無(wú)需預(yù)先了解傳統(tǒng)的HDL語(yǔ)言或硬件板卡設(shè)計(jì)。

ECU快速原型流程如下：

1）用Matlab Simulink生成ECU模型的DLL文件，以便編譯進(jìn)CompactRIO。
2）用LabVIEW生成CompactRIO的lvbit文件，對(duì)CompactRIO的I/O口進(jìn)行初始化。
3）連通LabVIEW及CompactRIO，并把ECU模型的DLL下載到CompactRIO中。
4）在SIT管理器中調(diào)用CompactRIO的lvbit文件，并設(shè)置好與模型相關(guān)的輸入輸出口。
5）用函數(shù)發(fā)生器對(duì)CompactRIO的AI口進(jìn)行輸入，并用示波器觀(guān)察CompactRIO的輸出口。
6）用PXI系統(tǒng)和示波器、電壓表對(duì)CompactRIO的AI口輸入及測(cè)試AO口輸出，記錄波形和數(shù)據(jù)。

基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      使用LabVIEW的DAQ助手和仿真信號(hào)模塊創(chuàng)建模擬信號(hào)輸入輸出程序。采樣設(shè)置設(shè)為連續(xù)采樣，采樣數(shù)為15000，采樣率10kHz。仿真節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的電壓信號(hào)，選用直流輸出。

實(shí)驗(yàn)與分析

基于PXI的ECU快速原型測(cè)試

 

      按照PXI與虛擬ECU的連接方法連好硬件，點(diǎn)火提前角設(shè)為15°，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為7°，設(shè)定轉(zhuǎn)速為4500 r/min，點(diǎn)擊RUN開(kāi)始測(cè)試。扭矩、曲軸轉(zhuǎn)速變化如圖5（a）（b）所示。點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)即可保存CSV格式的數(shù)據(jù)。

 

 

基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)測(cè)試

      曲軸轉(zhuǎn)速設(shè)為1000 r/min時(shí)點(diǎn)擊RUN開(kāi)始運(yùn)行，如圖6分別顯示了硬件ECU輸出的1-4缸點(diǎn)火信號(hào)、2-3缸點(diǎn)火信號(hào)、1缸噴油和2缸噴油信號(hào)。

 

 

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用反映了以下特點(diǎn)：
1）系統(tǒng)用戶(hù)界面友好、直觀(guān)易用，可自定義界面。
2）PXI系統(tǒng)滿(mǎn)足ECU開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確度要求，可以重復(fù)配置，擴(kuò)展模塊方便，適合ECU的低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、短周期開(kāi)發(fā)。
3）測(cè)試數(shù)據(jù)可存取為CSV格式，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)誤差分析，系統(tǒng)相對(duì)誤差<3.9 %，滿(mǎn)足ECU測(cè)試的要求。最后，進(jìn)行了基于PXI的ECU快速原型和基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)測(cè)試。

瞬態(tài)試驗(yàn)

      基于PXI的CompactRIO 虛擬ECU標(biāo)定系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速n為5000 r.min-1，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度Throttle為17 ，Pm為43 kPa，點(diǎn)火提前角θ為9°下的輸出信號(hào)波形，包括曲軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)氣壓力Pm、噴油量信號(hào)Mass Fuel、氧傳感器O2、扭矩T、HC排放、CO排放、NOx排放、空燃比AFR和功率PO。當(dāng)Simulink中的ECU模型編譯到CompactRIO虛擬ECU上運(yùn)行，由PXI系統(tǒng)對(duì)ECU快速原型提供所需要的輸入信號(hào)及測(cè)試其輸出信號(hào)，輸出信號(hào)波形及數(shù)據(jù)由LabVIEW的示波器模塊及數(shù)據(jù)保存模塊所得到。
      以轉(zhuǎn)速n為5000 r.min-1，Pm為43 kPa，點(diǎn)火提前角θ為9°下為例，Simulink系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出波形與虛擬ECU標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)際輸出的波形相似，誤差較小。圖7為參數(shù)轉(zhuǎn)速的比較圖，其中圖7（a）為Simulink輸出，圖7（b）為虛擬ECU輸出。

 

 

穩(wěn)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)分析與討論

      表1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 r.min-1，進(jìn)氣壓力Pm為39 kPa的穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)（以參數(shù)轉(zhuǎn)速為例），進(jìn)行10種點(diǎn)火提前角下的標(biāo)定，然后與Simulink 軟件在環(huán)仿真數(shù)據(jù)比較的誤差分析。

 

 

      在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 r.min-1，進(jìn)氣壓力Pm分別為39 kPa、43 kPa、48 kPa和54 kPa下的穩(wěn)態(tài)工況，進(jìn)行10種點(diǎn)火提前角下的標(biāo)定，得到點(diǎn)火提前角的MAP圖，以Simulink系統(tǒng)仿真結(jié)果為基準(zhǔn)，各參數(shù)相對(duì)誤差平均<0.5%。
      表2是10個(gè)參數(shù)誤差絕對(duì)值之和的平均A和相對(duì)誤差平均B的綜合分析。

 

 
結(jié) 論

     ECU快速模型開(kāi)發(fā)的研究對(duì)國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及新能源汽車(chē)研究具有重大意義，以某品牌兩用燃料四缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的Simulink發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)ECU綜合仿真模型和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)模型。
      針對(duì)兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了基于PXI的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)相對(duì)誤差小于3.9 %；快速構(gòu)建虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，實(shí)現(xiàn)基于Simulink模型在CRIO上的運(yùn)行，并進(jìn)行了系統(tǒng)誤差分析。