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，華南農業(yè)大學

 
應用領域：嵌入式設計（汽車）
挑戰(zhàn)：ECU快速模型構建及硬件在環(huán)仿真的研究對國內自主品牌車及新能源汽車研究具有重大意義。
應用方案：將Simulink與LabVIEW結合，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)仿真降低設計和試驗成本。
使用的產品：
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構建了以平均值模型為基礎的發(fā)動機電控系統(tǒng)模型。
構建了基于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。設計了標定實驗，聯(lián)合萬能表、示波器對系統(tǒng)進行誤差對比分析, 進行了基于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)。測試結果包括發(fā)動機點火提前角和噴油MAP圖，為真實ECU構建提供了參考。

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格的汽車排放標準，發(fā)動機技術的發(fā)展主要有兩條主線：一是改善發(fā)動機結構，提高發(fā)動機控制技術；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）仿真可以預先逐步檢驗控制系統(tǒng)設計的合理性和可靠性，從而大大提高控制系統(tǒng)的研制質量，減小研制風險和提高設計成功率，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)仿真技術在系統(tǒng)開發(fā)和測試實驗中得到了廣泛的應用，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)，進行了發(fā)動機ECU在環(huán)仿真試驗。

技術路線
技術路線如圖1所示，先根據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，然后進行多目標優(yōu)化模型和蟻群算法策略，得出新MAP圖，并將其寫入燃氣ECU，進行驗證。

利用兩用燃料汽車在瞬態(tài)工況下進行的底盤測功排放實驗數(shù)據，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）的單目標函數(shù)；建立多目標優(yōu)化的綜合目標函數(shù)；在Matlab環(huán)境下進行基于智能算法（多目標蟻群遺傳算法）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，經過Powell等人的發(fā)展，最后由Hendricks進行系統(tǒng)化的歸納和提煉給出了模型結構和通用表達形式。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。現(xiàn)在最為常見和通用的均值模型由三個子系統(tǒng)模型構成，即進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構建了以平均值模型為基礎的發(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)動機標定系統(tǒng)模型，包括了進氣模塊、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（負載調節(jié)器模塊）和排放模塊等。其中，排放模塊是根據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上，構建的空燃比、點火提前角與排放回歸關系的模型。
系統(tǒng)原理
基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)結構如圖2（a）所示， CompactRIO構成的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。
基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真結構如圖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，并對所產生的目標代碼進行測試。由PXI系統(tǒng)數(shù)字采集卡輸出高速可調脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經過優(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 轉速信號。
ECU快速原型由CompactRIO系統(tǒng)構建并且使用NI RIO技術，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輸出高速可調脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經過優(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，以便判斷該目標硬件是否達到要求。

系統(tǒng)軟件環(huán)境的構建
基于PXI的ECU的快速原型系統(tǒng)軟件設計
 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設計的軟件界面，使用控制制件調節(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，而無需預先了解傳統(tǒng)的HDL語言或硬件板卡設計。
 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CompactRIO。
2）用LabVIEW生成CompactRIO的lvbit文件，對CompactRIO的I/O口進行初始化。
3）連通LabVIEW及CompactRIO，并把ECU模型的DLL下載到CompactRIO中。
4）在SIT管理器中調用CompactRIO的lvbit文件，并設置好與模型相關的輸入輸出口。
5）用函數(shù)發(fā)生器對CompactRIO的AI口進行輸入，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。

基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設計
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。采樣設置設為連續(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，點火提前角設為15°，節(jié)氣門開度為7°，設定轉速為4500 r/min，點擊RUN開始測試。扭矩、曲軸轉速變化如圖5（a）（b）所示。點擊保存數(shù)據即可保存CSV格式的數(shù)據。

基于PXI的真實ECU在環(huán)測試
曲軸轉速設為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)準確度要求，可以重復配置，擴展模塊方便，適合ECU的低風險、低成本、短周期開發(fā)。
3）測試數(shù)據可存取為CSV格式，方便后續(xù)數(shù)據處理。
進行了實驗誤差分析，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標定系統(tǒng)在轉速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，包括曲軸轉速n、進氣壓力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)據由LabVIEW的示波器模塊及數(shù)據保存模塊所得到。
以轉速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)仿真結果輸出波形與虛擬ECU標定系統(tǒng)實際輸出的波形相似，誤差較小。圖7為參數(shù)轉速的比較圖，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)據分析與討論
表1為發(fā)動機轉速為5000 r.min-1，進氣壓力Pm為39 kPa的穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據（以參數(shù)轉速為例），進行10種點火提前角下的標定，然后與Simulink 軟件在環(huán)仿真數(shù)據比較的誤差分析。
在發(fā)動機轉速為5000 r.min-1，進氣壓力Pm分別為39 kPa、43 kPa、48 kPa和54 kPa下的穩(wěn)態(tài)工況，進行10種點火提前角下的標定，得到點火提前角的MAP圖，以Simulink系統(tǒng)仿真結果為基準，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 論
ECU快速模型開發(fā)的研究對國內自主品牌車發(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，構建了以平均值模型為基礎的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)動機標定系統(tǒng)模型。
針對兩用燃料發(fā)動機，利用虛擬儀器技術構建了基于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 %；快速構建虛擬發(fā)動機ECU，實現(xiàn)基于Simulink模型在CRIO上的運行，并進行了系統(tǒng)誤差分析。