汽油/CNG兩用燃料發(fā)動機ECU在環(huán)仿真
Hardware-in-loop of alternative fuel engine ECU
   
作者：吳偉斌，李禮夫，洪添勝
職稱：助理研究員，教授，教授
單位：華南理工大學(xué)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)

 
應(yīng)用領(lǐng)域：嵌入式設(shè)計（汽車）
挑戰(zhàn)：ECU快速模型構(gòu)建及硬件在環(huán)仿真的研究對國內(nèi)自主品牌車及新能源汽車研究具有重大意義。
應(yīng)用方案：將Simulink與LabVIEW結(jié)合，發(fā)揮前者算法易實現(xiàn)的優(yōu)勢和后者強大編程功能，大大縮短ECU開發(fā)周期；基于CRIO和PXI的ECU快速原型和在環(huán)仿真降低設(shè)計和試驗成本。
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)字定時模塊                       
PXI-6541 數(shù)字波形發(fā)生器                       
CompactRIO-9103 CRIO機箱
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電控系統(tǒng)為研究對象，用Simulink構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的發(fā)動機電控系統(tǒng)模型。
構(gòu)建了基于PXI的發(fā)動機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、采集電壓等模擬信號，輸出或測量開關(guān)等數(shù)字信號，噴油脈寬、點火脈沖等PWM信號采集，以及曲軸、凸輪軸位置等定時脈沖信號的輸出。設(shè)計了標(biāo)定實驗，聯(lián)合萬能表、示波器對系統(tǒng)進(jìn)行誤差對比分析, 進(jìn)行了基于CompactRIO（簡稱CRIO）的ECU快速原型和真實ECU在環(huán)測試。
快速構(gòu)建發(fā)動機ECU原型。實現(xiàn)基于Simulink的算法模型在CRIO上的運行，實現(xiàn)接收包括曲軸轉(zhuǎn)速和以及節(jié)氣門位置等信號，輸出控制發(fā)動機的信號和傳動系參數(shù)。測試結(jié)果包括發(fā)動機點火提前角和噴油MAP圖，為真實ECU構(gòu)建提供了參考。

研究目的和意義
針對能源和環(huán)境壓力問題以及越來越嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展主要有兩條主線：一是改善發(fā)動機結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動機控制技術(shù)；二是尋找可替代清潔燃料。兩用燃料發(fā)動機適合國情的環(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)先逐步檢驗控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可靠性，從而大大提高控制系統(tǒng)的研制質(zhì)量，減小研制風(fēng)險和提高設(shè)計成功率，是開發(fā)研制發(fā)動機電控系統(tǒng)理想工具。因此，近年來硬件在環(huán)仿真技術(shù)在系統(tǒng)開發(fā)和測試實驗中得到了廣泛的應(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時測試，另外，對汽車ABS或ESP的硬件在環(huán)ECU研究較多，對多輸入多輸出的發(fā)動機ECU硬件在環(huán)仿真的案例較少。
綜合考慮性能、價格、開發(fā)時間、通用性、可擴展性的特點等，本文最終選定了NI公司

的PXI和CompactRIO方案完成平臺構(gòu)建，研制開發(fā)了一套基于PXI的CNG/汽油兩用燃料發(fā)動機ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了發(fā)動機ECU在環(huán)仿真試驗。

技術(shù)路線
技術(shù)路線如圖1所示，先根據(jù)各個子模型的控制策略，建立發(fā)動機ECU模型，獲得初始的點火提前角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，并將其寫入燃?xì)釫CU，進(jìn)行驗證。

利用兩用燃料汽車在瞬態(tài)工況下進(jìn)行的底盤測功排放實驗數(shù)據(jù)，建立發(fā)動機扭矩、三種有害排放物與點火提前角（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，并將其寫入發(fā)動機ECU，進(jìn)行驗證。

發(fā)動機模型和軟件仿真 
 發(fā)動機平均值建模的概念最早由Rasmussen提出，經(jīng)過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)個發(fā)動機循環(huán)中變量的平均值來描述發(fā)動機的動態(tài)過程，均值模型也由此得名?，F(xiàn)在最為常見和通用的均值模型由三個子系統(tǒng)模型構(gòu)成，即進(jìn)氣歧管空氣流量子模型、燃油蒸發(fā)與流動子模型和動力輸出子模型。
以某品牌兩用燃料四缸汽油機電控系統(tǒng)為研究對象，用Simulink構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的發(fā)動機電控系統(tǒng)模型，主要是發(fā)動機ECU綜合仿真模型和發(fā)動機標(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、點火提前角控制模塊、測功器模塊（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)廣東某檢測站在用汽車瞬態(tài)工況法底盤測功檢測實驗基礎(chǔ)上，構(gòu)建的空燃比、點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快速原型為被測模型，PXI則是測試系統(tǒng)。將ECU控制器模型[11]下載到實時硬件平臺——CompactRIO以后，CompactRIO就相當(dāng)于一臺虛擬ECU，通過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)氣門開度等信號，并測量虛擬ECU輸出的數(shù)據(jù)。
基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，真實ECU模型在通過快速原型環(huán)節(jié)驗證之后，將該模型生成的代碼下載到ECU，并對所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼進(jìn)行測試。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)過優(yōu)化策略的計算輸出點火脈寬信號和噴油脈寬信號給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
本實驗系統(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)動機水溫、油溫、環(huán)境溫度等）和采集AO MOD3/AO0 轉(zhuǎn)速信號。
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來定制測量硬件電路，可利用可重新配置的FPGA技術(shù)來自動合成高度優(yōu)化的電路，從而實現(xiàn)輸入/輸出，通信和控制應(yīng)用。把發(fā)動機的ECU模型編譯成動態(tài)鏈接庫文件后再下載到CompactRIO的FPGA，CompactRIO則為一臺虛擬ECU。
基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)硬件
 基于PXI的真實ECU的仿真實驗硬件連接如圖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)過優(yōu)化策略的計算輸出點火脈寬信號和噴油脈寬信號，由PXI 6259來采集，通過LabVIEW界面的顯示控件把波形顯示出來，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
 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)氣門開度值、點火提前角等仿真信號；再給AO口接上PXI的輸入端，使用LabVIEW設(shè)計的軟件界面，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。

 在整個快速原型的實現(xiàn)和實驗中，LabVIEW Real-Time模塊是用于LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)的附加組件。該軟件為特定的實時目標(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，而無需預(yù)先了解傳統(tǒng)的HDL語言或硬件板卡設(shè)計。
 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CompactRIO的AI口進(jìn)行輸入，并用示波器觀察CompactRIO的輸出口。
6）用PXI系統(tǒng)和示波器、電壓表對CompactRIO的AI口輸入及測試AO口輸出，記錄波形和數(shù)據(jù)。

基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計
使用LabVIEW的DAQ助手和仿真信號模塊創(chuàng)建模擬信號輸入輸出程序。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)氣門開度的電壓信號，選用直流輸出。
實驗與分析
基于PXI的ECU快速原型測試
 按照PXI與虛擬ECU的連接方法連好硬件，點火提前角設(shè)為15°，節(jié)氣門開度為7°，設(shè)定轉(zhuǎn)速為4500 r/min，點擊RUN開始測試。扭矩、曲軸轉(zhuǎn)速變化如圖5（a）（b）所示。點擊保存數(shù)據(jù)即可保存CSV格式的數(shù)據(jù)。

基于PXI的真實ECU在環(huán)測試
曲軸轉(zhuǎn)速設(shè)為1000 r/min時點擊RUN開始運行，如圖6分別顯示了硬件ECU輸出的1-4缸點火信號、2-3缸點火信號、1缸噴油和2缸噴油信號。
硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用反映了以下特點：
1）系統(tǒng)用戶界面友好、直觀易用，可自定義界面。
2）PXI系統(tǒng)滿足ECU開發(fā)準(zhǔn)確度要求，可以重復(fù)配置，擴展模塊方便，適合ECU的低風(fēng)險、低成本、短周期開發(fā)。
3）測試數(shù)據(jù)可存取為CSV格式，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
進(jìn)行了實驗誤差分析，系統(tǒng)相對誤差<3.9 %，滿足ECU測試的要求。最后，進(jìn)行了基于PXI的ECU快速原型和基于PXI的真實ECU在環(huán)測試。
瞬態(tài)試驗
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)氣門開度Throttle為17 ，Pm為43 kPa，點火提前角θ為9°下的輸出信號波形，包括曲軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)氣壓力Pm、噴油量信號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上運行，由PXI系統(tǒng)對ECU快速原型提供所需要的輸入信號及測試其輸出信號，輸出信號波形及數(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)測試數(shù)據(jù)分析與討論
表1為發(fā)動機轉(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)動機轉(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種點火提前角下的標(biāo)定，得到點火提前角的MAP圖，以Simulink系統(tǒng)仿真結(jié)果為基準(zhǔn)，各參數(shù)相對誤差平均<0.5%。
表2是10個參數(shù)誤差絕對值之和的平均A和相對誤差平均B的綜合分析。
結(jié) 論
ECU快速模型開發(fā)的研究對國內(nèi)自主品牌車發(fā)動機及新能源汽車研究具有重大意義，以某品牌兩用燃料四缸汽油機電控系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的Simulink發(fā)動機電控系統(tǒng)模型，包括發(fā)動機ECU綜合仿真模型和發(fā)動機標(biāo)定系統(tǒng)模型。
針對兩用燃料發(fā)動機，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了基于PXI的發(fā)動機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)相對誤差小于3.9 %；快速構(gòu)建虛擬發(fā)動機ECU，實現(xiàn)基于Simulink模型在CRIO上的運行，并進(jìn)行了系統(tǒng)誤差分析。