CN102692920B - 一种ecu爆震闭环控制的测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ECU爆震闭环控制的测试系统，包括：与ECU相连的FPGA板卡、与FPGA板卡相连的下位机以及与下位机相连的上位机，所述的下位机内配置有发动机模型；同时本发明还公开了该测试系统的测试方法。本发明利用计算机建立高精度的发动机模型和爆震预测模块；利用FPGA板卡产生爆震模拟信号并将信号传递给ECU；ECU输出控制信号给发动机模型，模型进行计算反馈ECU的爆震控制效果；相对台架上进行爆震试验可避免对发动机带来损伤，通用性好且控制精度高；采用闭环控制检测，能有效降低开发和测试成本，缩短开发周期。

Description

一种ECU爆震闭环控制的测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于汽车控制测试开发技术领域，具体涉及一种ECU爆震闭环控制的测试系统及其测试方法。

背景技术

爆震是点燃式发动机运行过程中的一种不正常燃烧现象。强烈爆震会导致发动机输出功率和热效率降低，还会使发动机过热，对发动机造成损伤，使气缸盖、活塞发生局部金属变软或烧损。因此，在发动机管理系统中需要对爆震做针对性处理，在发动机ECU（电子控制单元）中有专门的模块对发动机爆震进行有效控制。

而目前一般的ECU爆震控制模块开发测试方法主要有：

1）台架测试，通过大量的发动机台架试验，测量汽油机的爆震信号，确定汽油机的爆震区域，找出汽油机可能发生爆震和不发生爆震的工况区域，由此制定爆震控制策略。再通过大量重复的台架爆震试验，控制器采集真实的发动机爆震信号测试验证爆震控制策略，并根据发动机的运行情况对其进行修改；

2）汽油机爆震信号模拟，使用硬件板卡产生频率、幅值可调的汽油机爆震模拟信号，将此信号传递给控制器，测试控制器在不同爆震强度下的控制算法是否有效。

第一种基于真实发动机的开发测试方法结果较为精确，控制策略更加可靠，但是其需要大量的台架实验，爆震试验会造成发动机损伤，增加了开发成本，而且开发周期比较长。第二种方法通过板卡模拟替代真实的爆震信号，能够重复产生爆震信号对控制算法进行反复验证，成本较低，但由于其模拟爆震信号和发动机本身没有并没有直接的关联，相当于一个开环的测试，在控制算法精度和有效性上不能完全保证。

在现代车用发动机管理系统研究中，为了提高ECU开发效率和精确性，汽车电子系统开发提出了基于模型的现代开发流程-V模式开发流程，V模式中采用硬件在环仿真（Hardware In-the-Loop Simulation，HILS）的开发方法：即为了测试ECU性能，在进行整体系统的仿真测试时，控制器采用真实的ECU，被控对象和系统运行环境可以全部或部分采用实时数学模型来模拟。用于HILS系统的发动机模型一般采用均值模型，均值模型是一种需要大量台架实验数据进行标定的模型。因此，模型的爆震模块的标定同样需要发动机爆震试验，容易对发动机造成较大损伤。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种ECU爆震闭环控制的测试系统及其测试方法，能够有效降低测试成本，测试准确，通用性好。

一种ECU爆震闭环控制的测试系统，包括：与ECU相连的FPGA（现场可编程门阵列）板卡、与FPGA板卡相连的下位机以及与下位机相连的上位机，所述的下位机内配置有发动机模型。

所述的下位机用于根据当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；所述的爆震数据包括爆震强度、爆震频率、爆震起始的曲轴转角、爆震持续时间等；

所述的FPGA板卡用于根据所述的爆震数据生成爆震模拟信号，并将该信号发送至ECU，进而向下位机转发ECU响应输出的控制信号；

所述的发动机模型接收所述的控制信号并运行响应，进而产生新一时刻的发动机运行数据；发动机运行数据包括发动机转速、扭矩、进气歧管压力、平均有效压力等数据；

所述的上位机用于显示所述的发动机运行数据以及爆震数据。

所述的下位机包含有与发动机模型相连的爆震预测模块；所述的爆震预测模块用于根据当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，对应计算出爆震数据。

所述的FPGA板卡包含有数据交互模块和信号产生模块；所述的信号产生模块用于通过数据交互模块接收所述的爆震数据，并根据爆震数据生成爆震模拟信号，进而将该信号发送至ECU；所述的数据交互模块用于接收ECU响应输出的控制信号，并将控制信号转发给下位机。

优选地，所述的FPGA板卡通过PCI（外设部件互连标准）总线与下位机连接。通过PCI总线，FPGA板卡能够与下位机进行高速数据交换，满足系统的实时性需求。

优选地，所述的下位机通过TCP/IP协议（传输控制协议/因特网互联协议）与上位机进行数据传输。使得上位机与下位机仅需通过一根网线就可以完成连接，且下位机与上位机不受空间位置约束。

所述的测试系统的测试方法，包括如下步骤：

（1）在下位机下，获取当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，并根据当前时刻的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

（2）在FPGA板卡下，接收所述的爆震数据，并根据爆震数据生成爆震模拟信号，进而将该信号发送至ECU；接收ECU响应输出的控制信号，并将控制信号转发给下位机；

（3）在下位机下，使发动机模型接收所述的控制信号并运行响应，进而产生新一时刻的发动机运行数据；然后根据新一时刻的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

（4）利用上位机显示所述的发动机运行数据以及爆震数据以供用户诊断。

本发明通过高精度的发动机模型替代真实发动机进行离线仿真计算得到爆震数表，标定爆震预测模块；利用爆震预测模块计算发动机发生爆震时的强度、爆震起始的曲轴转角位置等爆震数据，避免了台架上进行爆震试验对发动机可能带来的损伤；FPGA板卡能够根据预测模块计算得到的爆震数据灵活产生爆震模拟信号发送至ECU，通用性好且精度高；进而将ECU响应输出的控制信号施加于发动机模型，从而实现闭环控制检测；这种测试方法能有效降低开发和测试成本，缩短开发周期。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图。

图2为本发明测试方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种ECU爆震闭环控制的测试系统，包括：FPGA板卡、上位机和下位机；FPGA板卡与ECU相连，FPGA板卡通过PCI总线与下位机相连，下位机通过TCP/IP协议与上位机进行数据传输。

下位机包含有爆震预测模块和发动机模型；爆震预测模块和发动机模型均与上位机以及FPGA板卡相连，爆震预测模块与发动机模型相连；其中，爆震预测模块用于根据当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，对应计算出爆震数据。

FPGA板卡包含有数据交互模块和信号产生模块；信号产生模块和数据交互模块均与ECU相连，数据交互模块与信号产生模块和下位机相连；其中：信号产生模块用于通过数据交互模块接收下位机算得的爆震数据，并根据爆震数据生成爆震模拟信号，进而将该信号发送至ECU；数据交互模块用于接收ECU响应输出的控制信号，并将控制信号转发给下位机。

下位机内的发动机模型接收控制信号并运行响应，进而产生新一时刻的发动机运行数据。

上位机用于显示发动机运行数据以及爆震数据；在构建下位机程序模块时，则上位机用于根据真实发动机的示功图和万有特性等参数对发动机模型进行参数化标定；进而通过离线仿真计算生成爆震数表（不同发动机工况下对应的爆震信息），编写爆震预测模块；最后，将爆震预测模块和发动机模型通过转换成目标代码的形式下载至下位机上。

以MR479的四缸发动机为建模对象，在上位机中搭建发动机模型，通过台架试验测得发动机示功图和万有特性等参数，将参数导入模型中，对模型进行参数化标定。通过离线仿真，包括发动机模型的瞬态试验和稳态试验，将其结果与真实的实验数据进行对比，修改模型的部分参数使其与真实发动机一致，保证模型具有较高的精确度。

进行发动机台架爆震试验：通过燃烧分析仪采集发动机缸内压力曲线，检测缸内压力曲线最高点附近的压力波动情况，确定发动机各工况下汽油机的爆震情况，找出汽油机发生爆震的工况区域，并确定爆震的强度和爆震的起始时刻，将这些工况点和爆震情况记录下来，生成爆震数表。在上位机中根据这一爆震数表标定编写出爆震预测模块，该模块能计算发动机各工况下对应的爆震时刻曲轴转角、爆震强度和爆震持续时间等爆震数据。至此，爆震控制算法测试可以脱离真实发动机而用发动机模型来替代。

在上位机中配置RTW环境，将爆震预测模块和发动机模型通过MATLAB/RTW工具箱转换成目标代码的形式下载至下位机上，使这两个模型在下位机Xpc Target环境下实时运行。Xpc Target是一种高性能的上位-下位机构原型环境，它能把Simulink模型和物理系统连接起来并在低成本的PC硬件上实时运行。利用xPC Target可以在上位机上设计模型，并用RTW自动生成代码，最后下载到运行xPC Target实时内核的下位机上。

如图2所示，本实施方式的测试过程如下：

在下位机下，获取当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，并利用爆震预测模块根据当前时刻的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

在FPGA板卡下，通过数据交互模块接收爆震数据，并利用信号产生模块根据爆震数据生成爆震模拟信号，进而将该信号发送至ECU；通过数据交互模块接收ECU响应输出的控制信号，并将控制信号转发给下位机；

在下位机下，使发动机模型接收控制信号并运行响应，进而产生新一时刻的发动机运行数据；然后利用爆震预测模块根据新一时刻的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

利用上位机显示发动机运行数据以及爆震数据以供用户诊断。

本实施方式在开发和测试发动机ECU爆震控制策略时，可以根据发动机模型产生相应的不同振幅强度和频率的多种爆震模拟信号，并且通过模型根据ECU的控制信号进行实时运算反馈控制效果，达到闭环测试的目的，并具备较好的实时性，而且可以通过多次重复测试对控制算法进行多次验证。

Claims (2)

1.一种ECU爆震闭环控制的测试系统，其特征在于，包括：与ECU相连的FPGA板卡、与FPGA板卡相连的下位机以及与下位机相连的上位机，所述的下位机内配置有发动机模型；

所述的下位机用于根据当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

所述的FPGA板卡用于根据所述的爆震数据生成爆震模拟信号，并将该信号发送至ECU，进而向下位机转发ECU响应输出的控制信号；

所述的发动机模型接收所述的控制信号并运行响应，进而产生新一时刻的发动机运行数据；

所述的上位机用于显示所述的发动机运行数据以及爆震数据；

所述的下位机内包含有发动机模型和爆震预测模块，所述的爆震预测模块与发动机模型相连；所述的爆震预测模块用于根据当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

所述的FPGA板卡内包含有数据交互模块和信号产生模块；所述的信号产生模块用于通过数据交互模块接收所述的爆震数据，并根据爆震数据生成爆震模拟信号，进而将该信号发送至ECU；所述的数据交互模块用于接收ECU响应输出的控制信号，并将控制信号转发给下位机；

所述的FPGA板卡通过PCI总线与下位机连接，所述的下位机通过TCP/IP协议与上位机进行数据传输；

所述的发动机模型是通过台架试验测得发动机示功图和万有特性，并将这些参数导入模型中，对模型进行参数化标定；然后通过离线仿真，包括发动机模型的瞬态试验和稳态试验，将试验结果与真实的实验数据进行对比，修改模型的部分参数使其与真实发动机一致后得到；

所述的爆震预测模块是通过燃烧分析仪采集发动机缸内压力曲线，检测缸内压力曲线最高点附近的压力波动情况，确定发动机各工况下汽油机的爆震情况，找出汽油机发生爆震的工况区域，并确定爆震的强度和爆震的起始时刻，将这些工况点和爆震情况记录下来，生成爆震数表，进而根据该爆震数表标定编写得到。

2.一种如权利要求1所述的测试系统的测试方法，包括如下步骤：

（1）在下位机下，获取当前时刻发动机模型运行产生的发动机运行数据，并根据当前时刻的发动机运行数据，利用爆震预测模块对应计算出爆震数据；

（2）在FPGA板卡下，接收所述的爆震数据，并根据爆震数据生成爆震模拟信号，进而将该信号发送至ECU；接收ECU响应输出的控制信号，并将控制信号转发给下位机；

（3）在下位机下，使发动机模型接收所述的控制信号并运行响应，进而产生新一时刻的发动机运行数据；然后根据新一时刻的发动机运行数据，对应计算出爆震数据；

（4）利用上位机显示所述的发动机运行数据以及爆震数据以供用户诊断；

所述的发动机模型通过以下方法构建：首先，通过台架试验测得发动机示功图和万有特性，并将这些参数导入模型中，对模型进行参数化标定；然后通过离线仿真，包括发动机模型的瞬态试验和稳态试验，将试验结果与真实的实验数据进行对比，修改模型的部分参数使其与真实发动机一致后得到；

所述的爆震预测模块通过以下方法构建：首先，通过燃烧分析仪采集发动机缸内压力曲线，检测缸内压力曲线最高点附近的压力波动情况，确定发动机各工况下汽油机的爆震情况，找出汽油机发生爆震的工况区域，并确定爆震的强度和爆震的起始时刻；然后，将这些工况点和爆震情况记录下来，生成爆震数表，进而根据该爆震数表标定编写出爆震预测模块。