電噴柴油機控制單元硬件在環測試系統設計

欒泳立，　韓　冰

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

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電噴柴油機控制單元硬件在環測試系統設計

欒泳立，韓冰

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

摘要:針對電噴柴油機控制單元的測試要求，設計一套硬件在環(Hardware In the Loop，HIL)測試系統。采用PXI總線控制器、各類板卡、普通PC及電壓-電流轉換模塊等建立HIL測試硬件；使用Veristand，Labview等軟件環境開發HIL測試軟件。針對不同的板卡，分別介紹其設置方式。對氣缸控制單元(Cylinder Control Unit，CCU)進行實際測試，結果表明，該測試系統工作可靠，能滿足氣缸控制模塊測試的各項需求。

關鍵詞:電噴柴油機； 氣缸控制單元； HIL測試系統； 板卡設置

0引言

典型的船用低速電噴柴油機包含柴油機控制單元(Diesel Control Unit, DCU)、機旁控制單元(Local Control Unit, LCU)及氣缸控制單元(Cylinder Control Unit, CCU)等多個控制單元，其中：DCU主要起調速器的作用；LCU主要用于采集按鈕的開關狀態，實現系統內部通信；CCU主要用于控制排氣閥、燃油噴射閥及氣缸滑油閥等閥門的開閉。硬件在環(Hardware In the Loop，HIL)是一種半實物仿真技術，采用實際的控制器來控制虛擬對象[1]，實現控制器的功能測試。HIL測試是目前世界上主流的測試手段，可有效發現被測單元的各種問題。

上海船舶運輸科學研究所基于滬東重機研發的HHM-34船用低速柴油機，研制了其電噴控制單元。為測試該電噴控制單元的合理性和可靠性，開發設計了HIL測試系統。在研制的這些單元中，CCU的輸入、輸出信號最為復雜，且對信號質量的要求最高。對此，以CCU的HIL測試為例，詳細介紹電噴控制單元HIL測試系統的設計開發過程。

1HIL測試系統功能分析

CCU有模擬量信號、開關量信號及脈沖信號等多種輸入信號，輸出信號多為高頻率的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)信號。此外，CCU還可收發控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)報文。在實際使用過程中，CCU對信號質量的要求極高。針對CCU的這些特點，HIL測試系統應具備以下功能。

1) 能提供與實機測試系統等效的柴油機動態模型，具備標準I/O接口、CAN接口及以太網接口等。

2) HIL測試系統要有足夠快的運行速度；各類輸出信號的質量和實時性等應滿足CCU的要求。

3) 上位機程序能在線調整發動柴油機的開關量信號、模擬量信號及脈沖信號等，并能實時監控記錄CCU發出的各種信號和報文。

2HIL測試系統設計

2.1 硬件系統設計

圖1　HIL測試系統硬件系統原理

HIL測試系統的硬件系統原理見圖1，主要包含上位機、下位機及電壓-電流轉換模塊等3個部分。

1) 上位機為普通計算機，運行Windows系統。

2) 下位機為PXI-8135總線控制器，運行Pharlap實時系統。控制器上安裝有DAQ板卡PXI-6723和PXI-6363，FPGA板卡PXI-7852R及CAN通信卡PXI-8513。

3) 安裝的電壓-電流轉換模塊可將0～10 V的電壓信號轉換為4～20 mA的電流信號。

除了以上硬件之外，還有一些電壓轉換模塊為CCU等被測部分供電。整個硬件系統中，上位機與下位機之間通過以太網連接，CCU等被測部分與各個板卡及電壓-電流轉換模塊之間通過線束連接。

2.2軟件系統設計

2.2.1HHM-34柴油機模型設計

HIL測試系統中，在給定柴油機轉速之后，柴油機模型應能提供轉速齒輪脈沖信號、上/下止點信號、轉速信號、曲軸轉角信號及氣缸爆發壓力信號等。為滿足測試系統的要求，分別建立柴油機轉速傳感器信號模型、熱力學模型和動力學模型。

2.2.1.1轉速傳感器信號模型

若柴油機測速齒輪有N個齒、柴油機轉速為n，則可得到轉速齒輪的頻率ω為

(1)

式(1)中：f為轉速傳感器測得的正弦波信號；K為幅值系數。

根據測速齒輪的特點，設曲軸0°和180°分別為上止點及下止點，這樣便得到對應轉速下的脈沖信號和上/下止點信號。

2.2.1.2熱力學模型

柴油機熱力學循環模型根據零維假設建立，遵循能量守恒定律(熱力學第一定律)、質量守恒定律和理想氣體狀態方程,其燃燒循環可用P-V圖(見圖2)來表示。圖2中：a點為排氣閥關閉時刻；c點為開始顯著燃燒時刻；z點為燃燒結束時刻；b點為排氣閥開啟時刻。

2.2.1.3動力學模型

柴油機的活塞-連桿-曲柄結構見圖3。

用在曲軸上的扭矩可表示為

(2)

圖2　柴油機熱力學循環的P-V圖

圖3　活塞-連桿-曲柄結構

式(2)中：M為作用在曲軸上的扭矩，N·m;FP為工質作用在活塞上的力，N，FP=PS;P為工質壓力，Pa;S為活塞面積，m2；R為曲柄長度，m;α為曲柄角度，rad；λ為曲柄長度與連桿長度的比值。

根據達朗貝爾運動方程，可建立柴油機曲軸轉動模型。由該模型可得到柴油機的轉速變化率。該方程為

(3)

式(3)中：f為曲軸轉動慣量，N·m·s2;n為柴油機轉速，r/min;Mi為各缸作用在曲軸上的扭矩，N·m;ML為負載扭矩，N·m;Mf為摩擦扭矩，N·m。

圖4　NI Veristand工作原理圖

2.2.2基于Veristand的應用開發

NI Veristand[3]是一款用于配置實時應用程序的軟件，其工作原理見圖4。

(1) 在上位機中，Veristand主面板可用來創建系統定義和編輯監控界面。Veristand工作區中含有大量輸入、顯示及數據記錄控件，在編輯監控界面時可直接使用。此外，Veristand還可通過激勵編輯器創建各種激勵，以滿足測試的各種需求。

(2) 在下位機中，Veristand引擎負責執行硬件I/O、仿真模型、計算通道及上位機主界面創建的其他任務。Veristand引擎不僅控制整個系統的定時，而且負責上位機與下位機之間的通信。

在使用HIL測試系統前需對上位機和下位機程序進行配置，具體配置步驟為：

(1) 在上位機中確定柴油機模型的輸入和輸出，并通過Veristand專用的模塊進行配置，然后將柴油機模型編譯為dll動態鏈接庫文件；

(2) 通過上位機中的NI MAX軟件部署IP地址，實現上位機與下位機的互連；

(3) 使用Veristand資源管理器將柴油機dll模型下載到下位機控制器中，設置為實時運行，并將柴油機的信號與硬件通道映射；

(4) 根據測試需要在工作區中設置監控界面，并將監控界面中的輸入、顯示及記錄控件等與硬件通道或柴油機參數映射[4]；

(5) 將定制好的程序通過以太網下載到下位機中實時運行。

編輯好的上位機監控界面見圖5。

2.3板卡設置

2.3.1I/O板卡設置

對于普通的DAQ板卡(如PXI-6723,PXI-6363等)，Veristand可直接進行設置，具體的設置方法為：在資源管理器中找到硬件管理器，右擊DAQ菜單，點擊添加新設備；在彈出的對話框中選擇所使用的板卡型號，然后選擇想要使用的通道的類型并配置該通道的屬性。

2.3.2FPGA板卡設置

由于Veristand在使用FPGA板卡時只能用編譯好的fpgacongfig文件，因此在使用FPGA板卡前需利用Labview對FPGA程序進行編譯。Labview中FPGA的具體VI程序見圖6。在HIL測試過程中，實時系統一般運行在毫秒級別，而FPGA板卡可能會運行在微秒或納秒級別。為順利讀取全部數據，在選擇傳遞數據的方式時，一般選擇DMA FIFO的方式[5]。Labview程序編寫完成后便可將其編譯為fpgacongfig文件和lvbit文件。由于在Labview程序中每個“packets”都可能包含多個信號的數據，因此需對fpgacongfig文件進行再次編輯，這樣能簡化Veristand的調用過程。在編輯fpgacongfig文件的過程中，應確保“packets”的數量與生成的lvbit文件中“packets”的數量一致，否則調用時將會報錯。

圖6　Labview中FPGA的具體程序

在Veristand中設置fpgacongfig文件時，只需選中該文件即可實現之前在Labview中編輯的功能。

2.3.3CAN卡設置

Veristand可通過系統管理器中的NI-XNET工具設置報文的名稱、范圍、數據類型及ID等。報文設置完成并添加到CAN口后，還可對該CAN口的波特率等進行設置。由于Veristand中沒有提供集中報文顯示功能，因此對于想要觀察的報文只能在工作區中逐條配置輸入或顯示控件。

3測試實例

以測試CCU的啟動工況控制功能為例。在柴油機停車狀態下向CCU發送正車啟動指令報文;CCU收到該報文后發送正車啟動的返回報文,然后發出打開主啟動閥的控制信號，各缸的CCU也會根據當前的曲軸角度發出控制氣缸啟動閥、排氣閥及氣缸滑油閥開閉的信號；待發動機轉速達到最低發火轉速后，CCU會發出控制燃油增壓閥和燃油噴射閥的信號；待柴油機轉速達到成功轉速后，CCU將發送正車啟動結束的報文。測試過程中上位機監控界面見圖7。

圖7　CCU測試過程中上位機監控界面

在測試過程中，測試系統能很好地接收CCU發出的各類信號并能正確顯示，發給CCU的信號在質量和實時性方面也均能滿足CCU的要求。此外，在測試CCU的慢轉工況、運行工況及停車工況等工況的控制功能時，該系統也能很好地滿足測試要求。

4結語

為測試電噴柴油機控制單元開發了HIL測試系統，并以開發CCU測試系統為例介紹了其開發過程。該系統不僅能動態地模擬柴油機的運行過程，還能在線調整柴油機的參數，實時監控記錄CCU發出的各種信號。通過對CCU控制的啟動、慢轉及運行等工況進行實際測試，結果表明，該系統能很好地滿足測試要求，為電噴柴油機控制模塊的測試提供了便利。

參考文獻：

[1]黃勝龍.汽車發動機ECU的自動化HIL仿真測試平臺的研究與實現[D].長春:吉林大學,2013.

[2]陳杰.MATLAB寶典[M].3版.北京:電子工業出版社,2010:620-621.

[3]What is NI Veristand [DB/OL]. [2011-07-29]. http://www.ni.com/white-paper/9347/en/.

[4]張妍懿,金振華,熊溪,等.基于Veristand的混合動力快速原型控制系統[J].電子測量技術,2014,37(8):132-134.

[5]陳數學,劉萱.Labview寶典[M].北京:電子工業出版社,2011:588-589.

A HIL System for EFI Engine Control Module Testing

LUANYongli,HANBing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Abstract:A Hardware In the Loop(HIL) test system is designed according to the test requirements of the EFI engine control module. The hardware system is built with PC, PXI controller, various boards and voltage-current conversion modules, and the software system is developed by Veristand and Labview. The settings for different circuit boards are explained in detail individually. The HIL system is verified by testing the Cylinder Control Unit(CCU) module of the EFI engine controller, and the results show that the HIL system is reliable and can satisfy the needs of the CCU module testing.

Key words:EFI engine; CCU module; HIL test system; module setting

收稿日期：2016-02-29

基金項目：上海市青年科技啟明星計劃(15QB1400800)

作者簡介：欒泳立(1990—)，男，河北保定人，實習研究員，主要從事船舶主動力裝置仿真設計。

文章編號：1674-5949(2016)02-0014-05

中圖分類號：TK423

文獻標志碼：A