汽油/CNG两用燃料发动机ECU在环仿真

系统硬件环境的构建

基于PXI的ECU快速原型系统硬件

本实验系统连接图如图3（a）所示。例如，PXI系统为ECU快速原型中AI MOD1/TC0 提供热电偶温度（发动机水温、油温、环境温度等）和采集AO MOD3/AO0 转速信号。

ECU快速原型由CompactRIO系统构建并且使用NI RIO技术，可以利用FPGA芯片和LabVIEW来定制测量硬件电路，可利用可重新配置的FPGA技术来自动合成高度优化的电路，从而实现输入/输出，通信和控制应用。把发动机的ECU模型编译成动态链接库文件后再下载到CompactRIO的FPGA，CompactRIO则为一台虚拟ECU。

基于PXI的真实ECU在环仿真系统硬件

基于PXI的真实ECU的仿真实验硬件连接如图3（b）所示。由PXI 6602输出高速可调脉冲作为ECU的曲轴脉冲和凸轮轴脉冲输入，ECU经过优化策略的计算输出点火脉宽信号和喷油脉宽信号，由PXI 6259来采集，通过LabVIEW界面的显示控件把波形显示出来，以便判断该目标硬件是否达到要求。


图3 基于PXI的ECU在环仿真系统硬件连接

系统软件环境的构建

基于PXI的ECU的快速原型系统软件设计

给ECU快速原型搭建仿真环境，在CompactRIO的AI口接上PXI数据采集卡的输出端，提供节气门开度值、点火提前角等仿真信号；再给AO口接上 PXI的输入端，使用LabVIEW设计的软件界面，使用控制制件调节输出电压，在显示控件上观察CompactRIO的输出波形。如图4所示为基于 PXI的ECU快速原型系统的软件界面。


图4 基于PXI的虚拟ECU仿真系统

在整个快速原型的实现和实验中，LabVIEW Real-Time模块是用于LabVIEW开发系统的附加组件。该软件为特定的实时目标编译和优化LabVIEW 图形化代码；借助NI LabVIEW FPGA和可重新配置I/O （RIO）硬件，可创建自定义的I/O和控制硬件，而无需预先了解传统的HDL语言或硬件板卡设计。

ECU快速原型流程如下：

1）用Matlab Simulink生成ECU模型的DLL文件，以便编译进CompactRIO。
2）用LabVIEW生成CompactRIO的lvbit文件，对CompactRIO的I/O口进行初始化。
3）连通LabVIEW及CompactRIO，并把ECU模型的DLL下载到CompactRIO中。
4）在SIT管理器中调用CompactRIO的lvbit文件，并设置好与模型相关的输入输出口。
5）用函数发生器对CompactRIO的AI口进行输入，并用示波器观察CompactRIO的输出口。
6）用PXI系统和示波器、电压表对CompactRIO的AI口输入及测试AO口输出，记录波形和数据。

基于PXI的真实ECU在环仿真系统软件设计

使用LabVIEW的DAQ助手和仿真信号模块创建模拟信号输入输出程序。采样设置设为连续采样，采样数为15000，采样率10kHz。仿真节气门开度的电压信号，选用直流输出。

实验与分析

基于PXI的ECU快速原型测试

按照PXI与虚拟ECU的连接方法连好硬件，点火提前角设为15°，节气门开度为7°，设定转速为4500 r/min，点击RUN开始测试。扭矩、曲轴转速变化如图5（a）（b）所示。点击保存数据即可保存CSV格式的数据。


图5 虚拟ECU的输出信号图

基于PXI的真实ECU在环测试

曲轴转速设为1000 r/min时点击RUN开始运行，如图6分别显示了硬件ECU输出的1-4缸点火信号、2-3缸点火信号、1缸喷油和2缸喷油信号。


图6 真实ECU喷油和点火信

硬件在环仿真系统的应用反映了以下特点：

1）系统用户界面友好、直观易用，可自定义界面。
2）PXI系统满足ECU开发准确度要求，可以重复配置，扩展模块方便，适合ECU的低风险、低成本、短周期开发。
3）测试数据可存取为CSV格式，方便后续数据处理。

进行了实验误差分析，系统相对误差<3.9 %，满足ECU测试的要求。最后，进行了基于PXI的ECU快速原型和基于PXI的真实ECU在环测试。

瞬态试验

基于PXI的CompactRIO 虚拟ECU标定系统在转速n为5000 r/min，节气门开度Throttle为17 ，Pm为43 kPa，点火提前角θ为9°下的输出信号波形，包括曲轴转速n、进气压力Pm、喷油量信号Mass Fuel、氧传感器O2、扭矩T、HC排放、CO排放、NOx排放、空燃比AFR和功率PO。当Simulink中的ECU模型编译到 CompactRIO虚拟ECU上运行，由PXI系统对ECU快速原型提供所需要的输入信号及测试其输出信号，输出信号波形及数据由LabVIEW的示波器模块及数据保存模块所得到。

以转速n为5000 r.min-1，Pm为43 kPa，点火提前角θ为9°下为例，Simulink系统仿真结果输出波形与虚拟ECU标定系统实际输出的波形相似，误差较小。图7为参数转速的比较图，其中图7（a）为Simulink输出，图7（b）为虚拟ECU输出。


图7 曲轴转速波形比较

稳态测试数据分析与讨论

表1为发动机转速为5000 r.min-1，进气压力Pm为39 kPa的稳态工况数据（以参数转速为例），进行10种点火提前角下的标定，然后与Simulink 软件在环仿真数据比较的误差分析。





在发动机转速为5000 r.min-1，进气压力Pm分别为39 kPa、43 kPa、48 kPa和54 kPa下的稳态工况，进行10种点火提前角下的标定，得到点火提前角的MAP图，以Simulink系统仿真结果为基准，各参数相对误差平均<0.5%。

表1是10个参数误差绝对值之和的平均A和相对误差平均B的综合分析。

表2 Simulink仿真与虚拟ECU标定系统测试误差平均分析总表