不同類型動力系統(tǒng)的關鍵考慮因素

在動力總成控制模塊（PCM）上執(zhí)行HIL測試對系統(tǒng)提出了新的要求。由于其高度專業(yè)化特性，PCM除了依賴通用微控制器外，還依賴于專用協(xié)處理器。例如，內(nèi)燃發(fā)動機PCM必須處理特定的高速發(fā)動機信號，例如轉(zhuǎn)動位置、爆震、氣缸壓力和精確執(zhí)行器控制[2]。 PCM測試需處理這些獨特的I/O和協(xié)處理器。因此，PCM測試系統(tǒng)，如待測組件，使用相應復雜的測試系統(tǒng)來測專用協(xié)處理器來提供足夠的I/O復雜性。此外，盡管公司會不斷發(fā)布新的PCM硬件和軟件，但測試系統(tǒng)通常需要具有多年使用壽命。高度靈活性便成為測試系統(tǒng)的一個最基本要求

如今，F(xiàn)PGA是滿足這些需求的理想器件，其高性能和靈活性非常適合滿足當今先進PCM快速變化的測試需求[3]。 FPGA具有顯著優(yōu)勢，例如并行處理、設計可擴展性、超快的引腳到引腳的響應時間、設計可移植性和終身可升級性。所有這些優(yōu)勢都有助于構建強大的自適應測試系統(tǒng)。但是，F(xiàn)PGA編程通常只有非常專業(yè)的工程師才懂，但這類工程師非常稀缺。高級別抽象的FPGA編程軟件的出現(xiàn)以及易于訪問的現(xiàn)成FPGA庫極大地提高了部署基于FPGA的測試系統(tǒng)的可行性。

內(nèi)燃動力系統(tǒng)

從本質(zhì)上說，內(nèi)燃機ECU的作用是讓發(fā)動機轉(zhuǎn)動。為此，ECU通過精心設計的編碼器輪提供的傳感器反饋來監(jiān)測發(fā)動機的位置，如圖4所示的曲軸輪，并激活噴油器和火花塞來產(chǎn)生電能。

圖4. 現(xiàn)在的曲軸輪采用復雜的pattern，如圖中所示的pattern非常獨特且不斷變化。

內(nèi)燃機ECU HIL測試儀的用途除了測量踏板等用戶輸入之外，還用于測量和生成這些燃燒信號。 表1顯示了典型的發(fā)動機ECU信號。

表1. 在開發(fā)測試儀時應考慮這些常見的發(fā)動機ECU信號。

圖5顯示了一個典型發(fā)動機ECU測試儀的框圖（不包含負載和開關）。 測試儀包含了在CPU上運行的實時OS，用于執(zhí)行低中速（1 kHz-10 kHz）建模。 CPU與模擬、數(shù)字和總線通信等獨立I/O結合，可讓低中速信號隨著模型的執(zhí)行進行同步更新。不管對于哪類ECU測試系統(tǒng)，這些都是核心組件，但為了滿足內(nèi)燃機ECU測試的特定要求，還需要增加一個用于實例化角度處理單元（angle processing unit，APU）的FPGA協(xié)處理器。


圖5. 典型的發(fā)動機ECU測試儀框圖包含了在FPGA上進行實例化的APU協(xié)處理器。

APU用于執(zhí)行高速、高保真的發(fā)動機轉(zhuǎn)動仿真。轉(zhuǎn)動仿真是一個接受速度輸入值的過程，隨著時間的推移，0到360度連續(xù)發(fā)布轉(zhuǎn)動位置的仿真值。由于ECU編程為相對于其轉(zhuǎn)動位置控制發(fā)動機，因此驗證ECU時，需要在測試儀中模擬轉(zhuǎn)動位置并進行與轉(zhuǎn)動位置相關的測量。

圖6. 模擬可變磁阻傳感器輸出的旋轉(zhuǎn)信號。


圖7. 發(fā)動機ECU HIL閉環(huán)數(shù)據(jù)流

對于內(nèi)燃動力系統(tǒng)，設計ECU HIL系統(tǒng)時，另一個重要考慮因素是燃油噴射器驅(qū)動的測量。實現(xiàn)這一目標的最佳方法之一是將真實執(zhí)行器納入測試系統(tǒng)，就像將它們置于真實車輛中一樣。 ECU經(jīng)過電流測量信號調(diào)理卡連接到噴油器，并為測試系統(tǒng)的FPGA提供電流測量值。這可允許FPGA測量流經(jīng)噴油器的電流，以確定何時開啟和關閉電磁閥（圖8）。


圖8. 柴油燃料噴射器的電流和電壓曲線表明必須測量電流才能精確地捕獲正確的時機

對于汽油噴射器，一個更簡單的替代方案是直接測量ECU的數(shù)字輸出，以檢測噴射器何時 被命令打開和關閉。但是，測量通過實際噴射器的電流可得到更準確的結果，因為 打開電磁閥需要一定量的激活電流。此外，如果實際負載沒有連接到噴射器輸出，大多數(shù)ECU會出現(xiàn)診斷故障。