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挑戰：為汽車燃料電池系統開發一個電子控制設備(ECU)，顯著改善燃料電池系統使其較之于傳統的基于內燃機的傳動系統更具競爭力，同時在商業上切實可行——是我們面臨的主要挑戰。 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開發一個實時嵌入式控制系統，并使用LabVIEW和一個實時PXI 機箱硬件在環（HIL）系統進行系統驗證。 自1992年以來，Ford Motor公司就開始專注于研發燃料電池系統。雖然燃料電池系統較之傳統的基于內燃機的傳動系統更具競爭力，但在我們取得重大進展的同時，依然存在一些缺陷妨礙了燃料電池系統成為商業可行的技術。因此，我們不斷在系統壽命、防凍起動等方面進行重大改進，嘗試消除這些不足。 在開發突破性的燃料電池系統的同時，我們還使用快速原型開發了新型控制系統。在開發過程中，設計團隊不斷通過系統工程V模型驗證、改良設計。設計上的改變往往會影響子系統部件之間的接口，如空氣壓縮機控制模塊和燃料電池控制模塊之間的接口。盡管在車輛生產方面ECU已經取得了廣泛的成功，但仍然存在更好的快速原型控制系統實現方法。我們使用CompactRIO進行燃料電池控制設備（FCU）的快速原型開發，而不是更改產品ECU I/O電路以適應接口變化。使用CompactRIO，我們快速地適應了設計上的改變，并使用用于新型設計方案的新傳感器和制動器進行了實驗。 我們開發了硬件在環系統（HIL），它由一個在NI PXI-1010混合PXI/SCXI機箱中的NI PXI-8186控制器以及一些相關的PXI和SCXI I/O卡組成，其中包括一個控制器區域網絡（CAN）板卡，用于對CompactRIO 控制器中嵌入的控制策略功能性進行驗證。這個使用LabVIEW Real-Time實現的硬件在環系統具有圖形化用戶界面（GUI），可向ECU提供手動和自動輸入以驗證控制策略的執行，同時在硬件在環監視器上顯示CompactRIO I/O反饋。硬件在環系統的驗證是成功的，在CompactRIO開始控制實際的燃料電池系統設備后，我們只需要對策略進行鏡像更改即可。 汽車動力傳動控制需要能夠實時。為達到實時所需的確定性，LabVIEW Real-Time Module（實時模塊）為所選控制器提供了商業化的實時操作系統（RTOS）。當我們為提升性能從使用NI cRIO-9002轉為使用NI cRIO-9012嵌入式實時控制器時，LabVIEW Real-Time模塊會自動從Pharlap實時操作系統（RTOS）轉為VxWorks實時操作系統（RTOS）。通過使用美國國家儀器產品實現 RTOS，我們的團隊得以集中精力到燃料電池控制系統，而無需為實時操作系統這一細節分心。 燃料電池系統控制器從車輛中的傳感器、制動器、其他控制器及系統中接受不同類型的輸入。現在，汽車設計普遍采用CAN總線設備，用來傳送、接收燃料電池系統內外大多數的I/O信號。在實驗室測試時，我們通過一個基于LabVIEW的擴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從控制器進行通信。出于這些考慮，對于汽車燃料電池系統應用來說，CompactRIO CAN的支持至關重要。為了支持CAN總線，美國國家儀器迅速開發了支持快速、基于VxWorks的平臺（如cRIO-9012）上的CAN總線的新方法。除了能夠應用CAN通道API外，新的CAN架構通道轉換庫也比以前更快，從而縮短了我們的開發時間。 美國國家儀器的產品一直以來都以支持一個開放式系統架構而備受贊譽。使用NI Measurement & Automation Explorer (MAX)軟件可以方便導入使用其他CAN生產商的工具開發的CAN信息數據庫。這使得我們可以交換數據庫，而無需轉化或記錄CAN信息數據庫。 技術無縫集成 對于這個項目來說，我們使用LabVIEW Professional Development System開發系統和兩個附加模塊實現了控制策略。首先，我們使用了LabVIEW Real-Time模塊，對實時控制器編寫了實時控制軟件。其次，我們使用 LabVIEW FPGA模塊，通過基于FPGA的軟件傳輸包括CAN在內的所有I/O。這兩個附加LabVIEW模塊都可以無縫集成到LabVIEW開發環境中，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時問題時會是一個重要的工具。使用此款工具包，我們可以發現那些沒有預期執行功能的實時嵌入式代碼區域，然后對代碼進行優化以確保的實時性能。如果沒有像NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包這樣的產品，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備。 開發者經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，我們在軟件開發中充分利用此種特點，成功并無縫地集成了版本控制。只需在LabVIEW項目窗口中的源 VI圖標上簡單右擊，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者的支持至關重要。 LabVIEW無處不在——我們使用LabVIEW的動力 我們使用LabVIEW來開發首個內部設計燃料電池系統還有幾個其他原因。首先，我們之前的標準軟件開發過程需要的開發者數量超過了我們的現有資源。然而，因為一些工程師已有使用LabVIEW的經驗，還有一些也已經進行過培訓，因此通過使用LabVIEW，我們相當于獲得了更多的資源。其次，為快速原型控制器開發的軟件與我們之前使用LabVIEW開發的測試平臺之間本來就可以相互配合， VI可以被共享，開發環境、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年前開發的VI作為硬件在環（HIL）系統的基礎。另外，我們基于NI硬件和LabVIEW的實驗室測試系統，可以很容易地使用技術數據管理流（TDMS）文件格式儲存測試數據，以備NI DIAdem數據管理軟件進行分析。與普通的數據可視化方案一樣，我們使用DIAdem快速并自動地搜索多個數據文件，找出性能異常并使用注解將它們圖形化。而且，NI技術支持一直以來都是業界最好的，這也是成功的關鍵因素。 福特和美國國家儀器有很長的合作歷史，我們使用LabVIEW對我們生產的每一款燃料電池電動車的方方面進行了開發，并且成功為汽車燃料電池系統設導入了實時嵌入式控制系統。 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 |
