电喷柴油机控制单元硬件在环测试系统设计

栾泳立，　韩　冰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)



电喷柴油机控制单元硬件在环测试系统设计

栾泳立，韩冰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

摘要:针对电喷柴油机控制单元的测试要求，设计一套硬件在环(Hardware In the Loop，HIL)测试系统。采用PXI总线控制器、各类板卡、普通PC及电压-电流转换模块等建立HIL测试硬件；使用Veristand，Labview等软件环境开发HIL测试软件。针对不同的板卡，分别介绍其设置方式。对气缸控制单元(Cylinder Control Unit，CCU)进行实际测试，结果表明，该测试系统工作可靠，能满足气缸控制模块测试的各项需求。

关键词:电喷柴油机； 气缸控制单元； HIL测试系统； 板卡设置

0引言

典型的船用低速电喷柴油机包含柴油机控制单元(Diesel Control Unit, DCU)、机旁控制单元(Local Control Unit, LCU)及气缸控制单元(Cylinder Control Unit, CCU)等多个控制单元，其中：DCU主要起调速器的作用；LCU主要用于采集按钮的开关状态，实现系统内部通信；CCU主要用于控制排气阀、燃油喷射阀及气缸滑油阀等阀门的开闭。硬件在环(Hardware In the Loop，HIL)是一种半实物仿真技术，采用实际的控制器来控制虚拟对象[1]，实现控制器的功能测试。HIL测试是目前世界上主流的测试手段，可有效发现被测单元的各种问题。

上海船舶运输科学研究所基于沪东重机研发的HHM-34船用低速柴油机，研制了其电喷控制单元。为测试该电喷控制单元的合理性和可靠性，开发设计了HIL测试系统。在研制的这些单元中，CCU的输入、输出信号最为复杂，且对信号质量的要求最高。对此，以CCU的HIL测试为例，详细介绍电喷控制单元HIL测试系统的设计开发过程。

1HIL测试系统功能分析

CCU有模拟量信号、开关量信号及脉冲信号等多种输入信号，输出信号多为高频率的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)信号。此外，CCU还可收发控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)报文。在实际使用过程中，CCU对信号质量的要求极高。针对CCU的这些特点，HIL测试系统应具备以下功能。

1) 能提供与实机测试系统等效的柴油机动态模型，具备标准I/O接口、CAN接口及以太网接口等。

2) HIL测试系统要有足够快的运行速度；各类输出信号的质量和实时性等应满足CCU的要求。

3) 上位机程序能在线调整发动柴油机的开关量信号、模拟量信号及脉冲信号等，并能实时监控记录CCU发出的各种信号和报文。

2HIL测试系统设计

2.1 硬件系统设计

图1　HIL测试系统硬件系统原理

HIL测试系统的硬件系统原理见图1，主要包含上位机、下位机及电压-电流转换模块等3个部分。

1) 上位机为普通计算机，运行Windows系统。

2) 下位机为PXI-8135总线控制器，运行Pharlap实时系统。控制器上安装有DAQ板卡PXI-6723和PXI-6363，FPGA板卡PXI-7852R及CAN通信卡PXI-8513。

3) 安装的电压-电流转换模块可将0～10 V的电压信号转换为4～20 mA的电流信号。

除了以上硬件之外，还有一些电压转换模块为CCU等被测部分供电。整个硬件系统中，上位机与下位机之间通过以太网连接，CCU等被测部分与各个板卡及电压-电流转换模块之间通过线束连接。

2.2软件系统设计

2.2.1HHM-34柴油机模型设计

HIL测试系统中，在给定柴油机转速之后，柴油机模型应能提供转速齿轮脉冲信号、上/下止点信号、转速信号、曲轴转角信号及气缸爆发压力信号等。为满足测试系统的要求，分别建立柴油机转速传感器信号模型、热力学模型和动力学模型。

2.2.1.1转速传感器信号模型

若柴油机测速齿轮有N个齿、柴油机转速为n，则可得到转速齿轮的频率ω为

(1)

式(1)中：f为转速传感器测得的正弦波信号；K为幅值系数。

根据测速齿轮的特点，设曲轴0°和180°分别为上止点及下止点，这样便得到对应转速下的脉冲信号和上/下止点信号。

2.2.1.2热力学模型

柴油机热力学循环模型根据零维假设建立，遵循能量守恒定律(热力学第一定律)、质量守恒定律和理想气体状态方程,其燃烧循环可用P-V图(见图2)来表示。图2中：a点为排气阀关闭时刻；c点为开始显著燃烧时刻；z点为燃烧结束时刻；b点为排气阀开启时刻。

2.2.1.3动力学模型

柴油机的活塞-连杆-曲柄结构见图3。

用在曲轴上的扭矩可表示为

(2)

图2　柴油机热力学循环的P-V图

图3　活塞-连杆-曲柄结构

式(2)中：M为作用在曲轴上的扭矩，N·m;FP为工质作用在活塞上的力，N，FP=PS;P为工质压力，Pa;S为活塞面积，m2；R为曲柄长度，m;α为曲柄角度，rad；λ为曲柄长度与连杆长度的比值。

根据达朗贝尔运动方程，可建立柴油机曲轴转动模型。由该模型可得到柴油机的转速变化率。该方程为

(3)

式(3)中：f为曲轴转动惯量，N·m·s2;n为柴油机转速，r/min;Mi为各缸作用在曲轴上的扭矩，N·m;ML为负载扭矩，N·m;Mf为摩擦扭矩，N·m。

图4　NI Veristand工作原理图

2.2.2基于Veristand的应用开发

NI Veristand[3]是一款用于配置实时应用程序的软件，其工作原理见图4。

(1) 在上位机中，Veristand主面板可用来创建系统定义和编辑监控界面。Veristand工作区中含有大量输入、显示及数据记录控件，在编辑监控界面时可直接使用。此外，Veristand还可通过激励编辑器创建各种激励，以满足测试的各种需求。

(2) 在下位机中，Veristand引擎负责执行硬件I/O、仿真模型、计算通道及上位机主界面创建的其他任务。Veristand引擎不仅控制整个系统的定时，而且负责上位机与下位机之间的通信。

在使用HIL测试系统前需对上位机和下位机程序进行配置，具体配置步骤为：

(1) 在上位机中确定柴油机模型的输入和输出，并通过Veristand专用的模块进行配置，然后将柴油机模型编译为dll动态链接库文件；

(2) 通过上位机中的NI MAX软件部署IP地址，实现上位机与下位机的互连；

(3) 使用Veristand资源管理器将柴油机dll模型下载到下位机控制器中，设置为实时运行，并将柴油机的信号与硬件通道映射；

(4) 根据测试需要在工作区中设置监控界面，并将监控界面中的输入、显示及记录控件等与硬件通道或柴油机参数映射[4]；

(5) 将定制好的程序通过以太网下载到下位机中实时运行。

编辑好的上位机监控界面见图5。

2.3板卡设置

2.3.1I/O板卡设置

对于普通的DAQ板卡(如PXI-6723,PXI-6363等)，Veristand可直接进行设置，具体的设置方法为：在资源管理器中找到硬件管理器，右击DAQ菜单，点击添加新设备；在弹出的对话框中选择所使用的板卡型号，然后选择想要使用的通道的类型并配置该通道的属性。

2.3.2FPGA板卡设置

由于Veristand在使用FPGA板卡时只能用编译好的fpgacongfig文件，因此在使用FPGA板卡前需利用Labview对FPGA程序进行编译。Labview中FPGA的具体VI程序见图6。在HIL测试过程中，实时系统一般运行在毫秒级别，而FPGA板卡可能会运行在微秒或纳秒级别。为顺利读取全部数据，在选择传递数据的方式时，一般选择DMA FIFO的方式[5]。Labview程序编写完成后便可将其编译为fpgacongfig文件和lvbit文件。由于在Labview程序中每个“packets”都可能包含多个信号的数据，因此需对fpgacongfig文件进行再次编辑，这样能简化Veristand的调用过程。在编辑fpgacongfig文件的过程中，应确保“packets”的数量与生成的lvbit文件中“packets”的数量一致，否则调用时将会报错。

图6　Labview中FPGA的具体程序

在Veristand中设置fpgacongfig文件时，只需选中该文件即可实现之前在Labview中编辑的功能。

2.3.3CAN卡设置

Veristand可通过系统管理器中的NI-XNET工具设置报文的名称、范围、数据类型及ID等。报文设置完成并添加到CAN口后，还可对该CAN口的波特率等进行设置。由于Veristand中没有提供集中报文显示功能，因此对于想要观察的报文只能在工作区中逐条配置输入或显示控件。

3测试实例

以测试CCU的启动工况控制功能为例。在柴油机停车状态下向CCU发送正车启动指令报文;CCU收到该报文后发送正车启动的返回报文,然后发出打开主启动阀的控制信号，各缸的CCU也会根据当前的曲轴角度发出控制气缸启动阀、排气阀及气缸滑油阀开闭的信号；待发动机转速达到最低发火转速后，CCU会发出控制燃油增压阀和燃油喷射阀的信号；待柴油机转速达到成功转速后，CCU将发送正车启动结束的报文。测试过程中上位机监控界面见图7。

图7　CCU测试过程中上位机监控界面

在测试过程中，测试系统能很好地接收CCU发出的各类信号并能正确显示，发给CCU的信号在质量和实时性方面也均能满足CCU的要求。此外，在测试CCU的慢转工况、运行工况及停车工况等工况的控制功能时，该系统也能很好地满足测试要求。

4结语

为测试电喷柴油机控制单元开发了HIL测试系统，并以开发CCU测试系统为例介绍了其开发过程。该系统不仅能动态地模拟柴油机的运行过程，还能在线调整柴油机的参数，实时监控记录CCU发出的各种信号。通过对CCU控制的启动、慢转及运行等工况进行实际测试，结果表明，该系统能很好地满足测试要求，为电喷柴油机控制模块的测试提供了便利。

参考文献：

[1]黄胜龙.汽车发动机ECU的自动化HIL仿真测试平台的研究与实现[D].长春:吉林大学,2013.

[2]陈杰.MATLAB宝典[M].3版.北京:电子工业出版社,2010:620-621.

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

[4]张妍懿,金振华,熊溪,等.基于Veristand的混合动力快速原型控制系统[J].电子测量技术,2014,37(8):132-134.

[5]陈数学,刘萱.Labview宝典[M].北京:电子工业出版社,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

基金项目：上海市青年科技启明星计划(15QB1400800)

作者简介：栾泳立(1990—)，男，河北保定人，实习研究员，主要从事船舶主动力装置仿真设计。

文章编号：1674-5949(2016)02-0014-05

中图分类号：TK423

文献标志码：A