T o utveckla en forskningsmotor styrenhet (ECU) som skulle vara lämplig för prototyper motorstyralgoritmer samt sensor och ställdon design, vi behövde tillförlitlig, högpresterande hårdvara och anpassad programvara. Motorcyklar, bilar och lastbilar fartyg med fabrik ECU som är utformade för att maximera prestandan och samtidigt minimera kostnaderna. Fabrikens ecu har dock stängt programvara och hårdvara. De styrvinster, uppslagstabeller och konstanter som används i styralgoritmerna kalibreras också för en viss motorkonstruktion. Utvecklingen och användningen av en ecu för forskning gör det möjligt för motorforskare att inrätta ett kontrollsystem med baslinjeprestanda som motsvarar fabrikens ecu och sedan undersöka metoder för att förbättra kontrollprestandan. Vårt projekt omfattade utveckling av en forskning ECU för motorcykeln Yamaha YZF-R6. Motorstyrning kräver deterministiska slingor i storleksordningen millisekunder samt exakt bränsle- och gnisttidpunkt i storleksordningen mikrosekunder. Dessutom reverseras målmotorn till 15 500 r/min. Vid denna hastighet är det mindre än 4 ms per vevaxelrotation, och systemet måste exakt styra bränsle- och gnisthändelser i vinkeldomänen till mindre än 1 •. Den valda metoden för detta problem var starkt beroende av fältprogrammerbara grindar (FPGAs). Ett FPGA är ett chip som består av okonfigurerade logiska grindar. Till skillnad från den fasta, leverantörsdefinierade funktionaliteten hos en applikationsspecifik integrerad krets (ASIC) chip, kan en FPGA konfigureras och konfigureras om för olika applikationer. FPGA används i tillämpningar där kostnaden för att utveckla och tillverka en ASIC är oöverkomlig eller hårdvaran måste konfigureras om efter att ha tagits i bruk. FPGA finns i apparater som elektroniska instrument, konsumentelektronik, bilar, flygplan, kopieringsmaskiner och tillämpningsspecifik datorutrustning. Eftersom FPGAs kan användas för att implementera anpassade algoritmer i hårdvara, erbjuder de fördelar över processorer, såsom exakt timing och synkronisering, snabbt beslutsfattande och samtidigt utförande av parallella uppgifter. Flytande punkt processorer har dock en beräkningsfördel eftersom FPGAs är begränsade till heltal matematik. Denna begränsning kan delvis övervinnas genom att använda hög nivå utvecklingsverktyg, kod, eller IP-kärnor som konvertera flyttal-punkt beräkningar till heltal matematik. En kombinerad FPGA/processorarkitektur kan dock användas i styrapplikationer för att dra nytta av styrkan hos varje enhet. Drivven, Inc.'s library [1] innehåller kärnor för att spåra vevaxelns vinkelposition från en mängd olika positioneringsformat och generera exakta vinkelbaserade bränsle- och gnistkommandon. Dessa verktyg ger en sömlös väg från prototyp till produktion för FPGA-baserade styrenheter. Eftersom denna väg inkluderar tidiga stadier av prototypering, där flexibilitet och datorkraft är av största vikt, väljer vi ofta PC-baserad hårdvara. För detta projekt, som omfattade utveckling av algoritmer för motorstyrning samt vägprovning, valde vi ett nationellt instrument (NI) CompactRIO (Figur 1 ) inbyggda styrsystem på grund av dess flexibilitet, liten storlek och robusta formfaktor. Med detta system kan vi lägga till sensorer och ställdon samtidigt som visualisera datan. Dessutom kan vi montera regulatorn i det begränsade utrymme som finns i en supersport motorcykel. Den unika beräkningsfunktionen i CompactRIO-systemet är att det innehåller både en realtidsprocessor och en FPGA. Båda enheterna är programmerbara med LabVIEWs grafiska utvecklingsmiljö. Med denna kombinerade arkitektur kan flera styrmetoder och algoritmer snabbt utformas och testas på motorcykeln. Med CompactRIO inbyggda styrsystem prototyperade vi ett nytt motorstyrsystem för Yamaha FIGURE 1. CompactRIO inbäddat styrsystem (4-slot konfiguration) från nationella instrument. processorn i realtid i enhetsregulatorn är ansluten till en FPGA på chassits backplan genom en intern PCI-buss. Ett fullt lastat 4-slot CompactRIO-system väger cirka 1,68 kg (3,71 lb) exklusive batteri eller strömförsörjning. CompactRIO-systemet, utan externa anslutningar, är 17,8 cm × 8,9 cm × 8,9 cm (7,0 i × 3,5 i × 3,5 i). Processor i realtid
Eftersom FPGAs kan användas för att genomföra anpassade beräkningar i hårdvara, erbjuder de fördelar jämfört med processorer, till exempel exakt timing och synkronisering, snabbt beslutsfattande och samtidig genomförande av parallella operationer REF.
Motorcycle control prototyping using an FPGA-based embedded control system
{'venue': None, 'journal': 'IEEE Control Systems Magazine', 'mag_field_of_study': ['Engineering']}