一种可扩展内燃机快速控制原型架构制造技术

本发明专利技术公开了一种可扩展内燃机快速控制原型架构，架构包括可实现基于模型控制的主计算单元、通信单元、数据采集单元、执行器驱动单元、上位机监控软件。通信单元按照功能分为内部通信和外部通信。主计算单元主要实现发动机喷油正时、脉宽与喷油量的计算，将通信单元和数据采集单元接收到的数据进行处理，再通过内部通信模块统一发送到目的模块。本发明专利技术所有流程均能通过上位机进行实时监控，整套框架的结构划分明确，结构可扩展性强，控制灵活性好，实时性高，对于各种类型的内燃机发动机有很高的适用性。适用性。适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种可扩展内燃机快速控制原型架构


[0001]本专利技术属于发动机控制系统的
，特别是一种可扩展内燃机快速控制原型架构。

技术介绍

[0002]NI CompactRIO是美国NI公司开发的一款供用户自定义开发的嵌入式控制器设备，它是一款坚固、可靠的高性能工业级嵌入式控制器，具有行业标准认证，适用于需要波形采集、高速控制或信号处理、快速硬件算法开发、硬件可靠性任务或独特定时和触发的应用。
[0003]MC9S12XEP100单片机内置USB转BDM接口，用于在线调试，带有一个带收发器的CAN连接器、带有MCU信号的接头连接器，可选的的4MHZ晶振和振荡器模块，适合与主计算单元系统相连，应用于快速原型架构。
[0004]快速原型技术，它应用于控制系统产品研发的算法设计阶段与具体实现阶段之间，快速控制原型是利用某种手段将开发的算法下载到某个计算机硬件平台中，该计算机硬件平台在实时条件下运行，模拟控制器，通过实际I/O设备与被控对象实物连接，验证控制策略算法的可靠性和准确度。要实现快速控制原型，必须有集成良好、便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。用户选择的实时系统允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，减少设计错误，降低设计费用。
[0005]柴油机电控系统开发过程中要通过分析设计、建模仿真、代码生成、实时测试多个步骤，现代对控制系统的开发要求在保证产品可靠稳定性的同时，尽可能缩短开发时间。传统的电控系统开发调试技术无法满足综合的开发要求。基于主计算单元系统开发的快速原型架构可以将上位机中开发的控制系统模型编译到架构中，并将仿真结果驱动执行器，在仿真过程中发现模型错误，将设计错误消除在测试阶段。随着发动机行业发展的速度不断加快，产品的更新换代频繁，一种可扩展的快速控制原型架构能够极大的缩短控制器的开发周期。
[0006]现有快速原型系统一般在配置完成后无法在后续应用过程中，灵活配置驱动电路硬件数量，基于此问题，本专利技术主要解决在基础计算硬件配置完成后，驱动板数量可灵活扩展的问题。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：控制器升级换代快，开发周期长，人力物力需求大；控制器模块化不足，扩展性较差，新的技术需要开发新的控制器，程序重复利用率低；控制器更改燃料和喷射策略后，软硬件复用性差。
[0008]解决以上问题及缺陷的难度为：考虑多种喷射驱动电路的控制需求，满足PWM驱动、H桥驱动同时需要考虑满足不同硬件的驱动波形不同等因素，系统开发难度大，难以顾全通用要求；多模块驱动电路的精准定时控制，定时误差需要小于1ms；多模块集成后通信总线数据量大，需要保证每一驱动的喷射正时与驱动命令精准配合，防止错喷，漏喷等事件的发生。
[0009]解决以上问题及缺陷的意义为：可有效实现多种燃料供给系统的内燃机燃料供应驱动；降低发动机控制系统开发和扩展成本，实现多燃料供应系统的控制系统的快速开发；降低燃料喷射系统损坏后的维护成本。

技术实现思路

[0010]根据上述提出的问题，本专利技术提出了一种可扩展内燃机快速控制原型架构。
[0011]本专利技术通过上位机与快速原型控制系统的协同驱动运行控制，实现控制器设计到具体实现阶段的调试过程，消除控制系统错误的同时，降低增加或减少功能时的设计费用。
[0012]本专利技术的技术方案是：
[0013]一种可扩展内燃机快速控制原型架构，包括上位机和下位机，所述上位机通过以太网与快速控制原型系统进行数据交互，所述上位机按照快速控制原型架构进行模块化处理，可增加监控接口扩展下位机需要监控的数据；
[0014]所述快速控制原型系统包括主计算单元、FPGA单元、通信单元、数据采集单元和执行器驱动单元；
[0015]所述主计算单元、FPGA单元、所述通信单元和所述数据采集单元使用PCI总线相互连接；
[0016]所述执行器驱动单元模块设置在驱动电路板上，通过CAN总线和串行总线与所述主计算单元和通信单元相互连接；
[0017]所述数据采集单元通过通信总线和正时总线与所述执行器驱动单元相互连接；
[0018]所述主计算单元用于处理输入数据，通过导入相应控制策略与算法，快速计算喷油正时、脉宽与喷油量；
[0019]所述FPGA单元用于进行发动机转速信号的采集和正时同步处理；
[0020]所述通信单元包括内部通信模块和外部通信模块，所述内部通信模块处理快速控制原型系统内部之间的数据通信，所述外部通信模块处理快速控制原型系统与外部设备之间的数据通信；
[0021]所述数据采集单元用于采集发动机的温度、压力，采集转速传感器的模拟信号，以及采集控制开关发出的数字信号；
[0022]所述执行器驱动单元对执行器进行精确定时、精确定脉宽的驱动控制，根据驱动执行目标的数量扩展执行驱动的数量。
[0023]优选的，所述主计算单元包括发动机正时同步模块和控制策略算法模块；
[0024]所述发动机正时同步模块用于处理发动机的位置信息；
[0025]所述控制策略算法模块导入编译策略算法，快速计算发动机喷油正时、脉宽与喷油量，通过通信单元发送至执行器驱动单元。
[0026]进一步优选的，所述FPGA单元的特征判断是通过计算发动机的曲轴、凸轮轴转速信号上升沿距离，确定当前齿号、加齿和缺齿的位置，计数得出当前曲轴转角，判断发动机当前位置，实现发动机的状态参数实时更新。
[0027]进一步优选的，所述主计算单元与所述执行器驱动单元通过通信单元所使用的通信方式包括CAN通信和TTL触发信号双重通信；
[0028]CAN通信方式用于内部通信模块的数据传输，通过在CAN总线上搭载不同的节点，
提高快速控制原型系统的扩展能力；
[0029]TTL触发信号双重通信用于实时性高，信号传输量大的数据传输，以从主计算单元发出TTL高速数字信号的方式进行信号触发。
[0030]进一步优选的，CAN通信的报文传输特征数据包含当前的喷射逻辑缸号、喷射正时信号和喷射脉宽信号。
[0031]进一步优选的，所述执行器驱动单元接收所述主计算单元发出的 TTL触发信号，对TTL触发信号进行上升沿检测，触发喷射序列函数，喷射序列函数根据CAN通信传递的喷射逻辑缸号确定当前喷射缸号，执行喷射函数程序。
[0032]进一步优选的，CAN通信的帧数据发送时间根据实际扩展后的快速控制原型系统进行标定，发送的数据越多，CAN通信报文数据的发送起始时刻提前TTL触发信号的时间越长。
[0033]进一步优选的，所述主计算单元采用数字I/O通道传输滤波整形后的转速传感器信号，通过设置主计算单元中的通信延迟补偿值来弥补正时同步误差。
[0034]进一步优选的，通信延迟补偿值可通过FPGA单元进行动态补偿，当前喷油缸号、起始角、持续期参数通过CAN通信传递给执行器驱动单元。
[0035]优选的，所述主计算单元与所述执行器驱动单元采用分布式电源本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可扩展内燃机快速控制原型架构，包括上位机和下位机，其特征在于：所述上位机通过以太网与快速控制原型系统进行数据交互，所述上位机按照快速控制原型架构进行模块化处理，可增加监控接口扩展下位机需要监控的数据；所述快速控制原型系统包括主计算单元、FPGA单元、通信单元、数据采集单元和执行器驱动单元；所述主计算单元、FPGA单元、所述通信单元和所述数据采集单元使用PCI总线相互连接；所述执行器驱动单元模块设置在驱动电路板上，通过CAN总线和串行总线与所述主计算单元和通信单元相互连接；所述数据采集单元通过通信总线和正时总线与所述执行器驱动单元相互连接；所述主计算单元用于处理输入数据，通过导入相应控制策略与算法，快速计算喷油正时、脉宽与喷油量；所述FPGA单元用于进行发动机转速信号的采集和正时同步处理；所述通信单元包括内部通信模块和外部通信模块，所述内部通信模块处理快速控制原型系统内部之间的数据通信，所述外部通信模块处理快速控制原型系统与外部设备之间的数据通信；所述数据采集单元用于采集发动机的温度、压力，采集转速传感器的模拟信号，以及采集控制开关发出的数字信号；所述执行器驱动单元对执行器进行精确定时、精确定脉宽的驱动控制，根据驱动执行目标的数量扩展执行驱动的数量。2.根据权利要求1所述的一种可扩展内燃机快速控制原型架构，其特征在于：所述主计算单元包括发动机正时同步模块和控制策略算法模块；所述发动机正时同步模块用于处理发动机的位置信息；所述控制策略算法模块导入编译策略算法，快速计算发动机喷油正时、脉宽与喷油量，通过通信单元发送至执行器驱动单元。3.根据权利要求2所述的一种可扩展内燃机快速控制原型架构，其特征在于：所述FPGA单元的特征判断是通过计算发动机的曲轴、凸轮轴转速信号上升沿距离，确定当前齿号、加齿和缺齿的位置，计数得出当前曲轴转角，判断发动机当前位置，实现发动机的状态参数实时更新。4.根据权利要求2所述的一种可扩展内燃机...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚崇，徐鹏程，宋恩哲，
申请(专利权)人：烟台哈尔滨工程大学研究院，
类型：发明
国别省市：