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挑戰(zhàn)：為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)電子控制設(shè)備(ECU)，顯著改善燃料電池系統(tǒng)使其較之于傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)更具競爭力，同時(shí)在商業(yè)上切實(shí)可行——是我們面臨的主要挑戰(zhàn)。 方案：使用NI LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA模塊及NI CompactRIO控制器為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)，并使用LabVIEW和一個(gè)實(shí)時(shí)PXI 機(jī)箱硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。 自1992年以來，F(xiàn)ord Motor公司就開始專注于研發(fā)燃料電池系統(tǒng)。雖然燃料電池系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)更具競爭力，但在我們?nèi)〉弥卮筮M(jìn)展的同時(shí)，依然存在一些缺陷妨礙了燃料電池系統(tǒng)成為商業(yè)可行的技術(shù)。因此，我們不斷在系統(tǒng)壽命、防凍起動(dòng)等方面進(jìn)行重大改進(jìn)，嘗試消除這些不足。 在開發(fā)突破性的燃料電池系統(tǒng)的同時(shí)，我們還使用快速原型開發(fā)了新型控制系統(tǒng)。在開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不斷通過系統(tǒng)工程V模型驗(yàn)證、改良設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上的改變往往會影響子系統(tǒng)部件之間的接口，如空氣壓縮機(jī)控制模塊和燃料電池控制模塊之間的接口。盡管在車輛生產(chǎn)方面ECU已經(jīng)取得了廣泛的成功，但仍然存在更好的快速原型控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。我們使用CompactRIO進(jìn)行燃料電池控制設(shè)備（FCU）的快速原型開發(fā)，而不是更改產(chǎn)品ECU I/O電路以適應(yīng)接口變化。使用CompactRIO，我們快速地適應(yīng)了設(shè)計(jì)上的改變，并使用用于新型設(shè)計(jì)方案的新傳感器和制動(dòng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 我們開發(fā)了硬件在環(huán)系統(tǒng)（HIL），它由一個(gè)在NI PXI-1010混合PXI/SCXI機(jī)箱中的NI PXI-8186控制器以及一些相關(guān)的PXI和SCXI I/O卡組成，其中包括一個(gè)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）板卡，用于對CompactRIO 控制器中嵌入的控制策略功能性進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)使用LabVIEW Real-Time實(shí)現(xiàn)的硬件在環(huán)系統(tǒng)具有圖形化用戶界面（GUI），可向ECU提供手動(dòng)和自動(dòng)輸入以驗(yàn)證控制策略的執(zhí)行，同時(shí)在硬件在環(huán)監(jiān)視器上顯示CompactRIO I/O反饋。硬件在環(huán)系統(tǒng)的驗(yàn)證是成功的，在CompactRIO開始控制實(shí)際的燃料電池系統(tǒng)設(shè)備后，我們只需要對策略進(jìn)行鏡像更改即可。 汽車動(dòng)力傳動(dòng)控制需要能夠?qū)崟r(shí)。為達(dá)到實(shí)時(shí)所需的確定性，LabVIEW Real-Time Module（實(shí)時(shí)模塊）為所選控制器提供了商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。當(dāng)我們?yōu)樘嵘阅軓氖褂肗I cRIO-9002轉(zhuǎn)為使用NI cRIO-9012嵌入式實(shí)時(shí)控制器時(shí)，LabVIEW Real-Time模塊會自動(dòng)從Pharlap實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）轉(zhuǎn)為VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。通過使用美國國家儀器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn) RTOS，我們的團(tuán)隊(duì)得以集中精力到燃料電池控制系統(tǒng)，而無需為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)這一細(xì)節(jié)分心。 燃料電池系統(tǒng)控制器從車輛中的傳感器、制動(dòng)器、其他控制器及系統(tǒng)中接受不同類型的輸入�，F(xiàn)在，汽車設(shè)計(jì)普遍采用CAN總線設(shè)備，用來傳送、接收燃料電池系統(tǒng)內(nèi)外大多數(shù)的I/O信號。在實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)，我們通過一個(gè)基于LabVIEW的擴(kuò)展測試平臺模擬了主車輛控制器，它通過CAN總線與燃料電池系統(tǒng)從控制器進(jìn)行通信。出于這些考慮，對于汽車燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用來說，CompactRIO CAN的支持至關(guān)重要。為了支持CAN總線，美國國家儀器迅速開發(fā)了支持快速、基于VxWorks的平臺（如cRIO-9012）上的CAN總線的新方法。除了能夠應(yīng)用CAN通道API外，新的CAN架構(gòu)通道轉(zhuǎn)換庫也比以前更快，從而縮短了我們的開發(fā)時(shí)間。 美國國家儀器的產(chǎn)品一直以來都以支持一個(gè)開放式系統(tǒng)架構(gòu)而備受贊譽(yù)。使用NI Measurement & Automation Explorer (MAX)軟件可以方便導(dǎo)入使用其他CAN生產(chǎn)商的工具開發(fā)的CAN信息數(shù)據(jù)庫。這使得我們可以交換數(shù)據(jù)庫，而無需轉(zhuǎn)化或記錄CAN信息數(shù)據(jù)庫。 技術(shù)無縫集成 對于這個(gè)項(xiàng)目來說，我們使用LabVIEW Professional Development System開發(fā)系統(tǒng)和兩個(gè)附加模塊實(shí)現(xiàn)了控制策略。首先，我們使用了LabVIEW Real-Time模塊，對實(shí)時(shí)控制器編寫了實(shí)時(shí)控制軟件。其次，我們使用 LabVIEW FPGA模塊，通過基于FPGA的軟件傳輸包括CAN在內(nèi)的所有I/O。這兩個(gè)附加LabVIEW模塊都可以無縫集成到LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，其中，圖形化差分是我們所使用的主要的LabVIEW特性之一。 另外，NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包在需要解決精密計(jì)時(shí)問題時(shí)會是一個(gè)重要的工具。使用此款工具包，我們可以發(fā)現(xiàn)那些沒有預(yù)期執(zhí)行功能的實(shí)時(shí)嵌入式代碼區(qū)域，然后對代碼進(jìn)行優(yōu)化以確保的實(shí)時(shí)性能。如果沒有像NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包這樣的產(chǎn)品，我們將必須依靠諸如在線仿真器和邏輯分析儀這樣的昂貴的外部測試設(shè)備。 開發(fā)者經(jīng)常會在版本控制方面遇到困難，而LabVIEW 和Microsoft Visual SourceSafe版本控制程序能夠完美集成，我們在軟件開發(fā)中充分利用此種特點(diǎn)，成功并無縫地集成了版本控制。只需在LabVIEW項(xiàng)目窗口中的源 VI圖標(biāo)上簡單右擊，就可顯示諸如文件check-in或check-out等功能列表。對于版本管理軟件，易于使用對于獲取開發(fā)者的支持至關(guān)重要。 LabVIEW無處不在——我們使用LabVIEW的動(dòng)力 我們使用LabVIEW來開發(fā)首個(gè)內(nèi)部設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)還有幾個(gè)其他原因。首先，我們之前的標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)過程需要的開發(fā)者數(shù)量超過了我們的現(xiàn)有資源。然而，因?yàn)橐恍┕こ處熞延惺褂肔abVIEW的經(jīng)驗(yàn)，還有一些也已經(jīng)進(jìn)行過培訓(xùn)，因此通過使用LabVIEW，我們相當(dāng)于獲得了更多的資源。其次，為快速原型控制器開發(fā)的軟件與我們之前使用LabVIEW開發(fā)的測試平臺之間本來就可以相互配合， VI可以被共享，開發(fā)環(huán)境、硬件亦是如此。 第三，由于模塊化LabVIEW VI為向后兼容，我們可以重用10年前開發(fā)的VI作為硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)的基礎(chǔ)。另外，我們基于NI硬件和LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室測試系統(tǒng)，可以很容易地使用技術(shù)數(shù)據(jù)管理流（TDMS）文件格式儲存測試數(shù)據(jù)，以備NI DIAdem數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行分析。與普通的數(shù)據(jù)可視化方案一樣，我們使用DIAdem快速并自動(dòng)地搜索多個(gè)數(shù)據(jù)文件，找出性能異常并使用注解將它們圖形化。而且，NI技術(shù)支持一直以來都是業(yè)界最好的，這也是成功的關(guān)鍵因素。 福特和美國國家儀器有很長的合作歷史，我們使用LabVIEW對我們生產(chǎn)的每一款燃料電池電動(dòng)車的方方面進(jìn)行了開發(fā)，并且成功為汽車燃料電池系統(tǒng)設(shè)導(dǎo)入了實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)。 作者信息: Kurt Osborne Ford Motor Company 1201 Village Rd Dearborn, MI 48121 Tel: 313-322-3202 kosborn1@ford.com NI公司供稿 |
