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使用CompactRIO开发通用ECU系统

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“我们使用CompactRIO可编程自动化控制器设计了一个非常灵活的、可编程的发动机管理系统，该平台是模块化的，可扩展额外的传感器，并包含现场可编程门阵列(FPGA)。”

挑战：

开发一个高效、低排放的自适应发动机控制单元(ECU)来控制使用标准汽油、氢气、合成气或燃料混合物来运转的发动机。

解决方案：

使用NI LabVIEW FPGA模块和NI CompactRIO模拟、测试和控制发动机，并实现动态自适应控制。

发动机控制单元

新燃料的出现和更高效的燃料使用方式，会降低燃料消耗及排放，并最大限度地提高燃料利用率，从而能够以一个更可持续的方法给发动机提供动力。几个ECU从每分钟转数(rpm)中提取数据，发出扭矩/节气门位置或涡轮增压发动机的推动压力请求，并确定最佳点火时间或时间段和最佳燃料喷射量和喷射时间。我们还使用额外的参数（如发动机温度）来修正这些参数。例如，一台冷的发动机比在正常工作温度下运行的发动机需要更多的燃料混合物。

目前现成的可编程ECU不适合研究，因为它们的编程能力有限，它们采用的是一系列预定义的输入变量(传感器)。我们使用CompactRIO可编程自动化控制器设计了一个非常灵活的、可编程的发动机管理系统，该平台是模块化的，可扩展额外的传感器，并包含现场可编程门阵列(FPGA)。有了FPGA，系统可以迅速响应并支持使用LabVIEW图形化编程。另外，由于我们以前的研究项目，使得工程师在使用图形化编程方面也比较有经验。

发动机传感器模拟

在我们将基于CompactRIO的ECU系统真正连接到试验台上的发动机之前，我们必须确认一切都正常工作。因此，我们将模拟传感器用于CompactRIO发动机控制器，这些模拟传感器由另一个基于LabVIEW和NI CompactDAQ的独立应用程序控制，从而模拟传感器正常使用所产生的电压和电流信号。我们发现与凸轮轴和曲轴连接的传感器产生的感应信号通常是不可预测的80Vpp信号，而NI C系列输出模块的极限电压为60V。为了更好地描绘这个信号和节省时间，我们将一个真正的传感器连接到齿轮和电动机上，基于LabVIEW和CompactDAQ的应用控制电机的每分钟转数，然后我们将真实信号传到CompactRIO ECU上。

使用CompactRIO设计ECU

我们使用LabVIEW FPGA模块来开发我们的ECU，并使用LabVIEW的CompactRIO来实施该系统。我们创建一个表格，使用发动机每分钟转数和扭矩请求作为输入值，使用LabVIEW VI插入数组函数来找到合适的执行器参数，如点火定时和燃料喷射定时。我们同时也采集如歧管空气压力(MAP)和发动机温度等传感器信号，用于修正参数。使用CompactRIO系统，我们可以很容易地添加更多的非标准传感器来研究，也可以适应不同的发动机和燃料类型。CompactRIO使用FPGA获得曲轴和凸轮轴的角度位置并在正确的时间产生执行器信号。

除了标准的发动机参数之外，我们还计划测量汽缸的压力，并使用该数据作为发动机控制器中的闭环控制参数，以达到发动机效率最大化。混合物最好在最高压力水平时点火，以产生最大的功率。首先，我们想要优化一台正常的4缸汽油发动机的控制。通过实施快速的和可靠的FPGA响应时间，我们可以更好地控制燃烧来提高发动机的效率。此外，我们将在变负载条件下对我们的试验发动机进行测试，以进一步改进我们的控制算法。

ECU的未来发展

氢是一种环保燃料，因为它不产生二氧化碳。我们正在努力使ECU适应于控制氢燃料汽车发动机。当使用氢作为燃料时，氢气/空气当量比应该与低扭矩相匹配，以获得完全燃烧，没有任何氢或空气剩余。但是，在较高的扭矩时，通过向发动机压入过剩的空气，使发动机最好在稀薄的燃料混合物比例下运转，这也被称为稀薄燃烧原则。

为了减少氮氧化物的排放，发动机不应该在中等比例的燃料/空气混合物下运转。在该控制策略中，我们一直打开节气门，并使用高的空气/燃料当量比，所要求的扭矩通过改变燃料量来控制。然而，当所需要的扭矩比稀薄燃烧所能提供的扭矩更大时，我们必须改为控制节气门，并在两种控制策略之间进行切换。目前，除了BMW Hydrogen 7发动机控制系统之外，还没有其他商业可用的发动机控制系统可以切换这两种控制策略。我们打算采用CompactRIO实现一个ECU来切换我们的控制方案，并给感兴趣的第三方提供商业可用的系统。