Autor:
- Shahzad Sarwar - Innosiv Engineering
Odvětví:
- Automobilový průmysl
Produkty:
- NI 9401, LabVIEW, NI 9205, cRIO-9114, cRIO-9022, FPGA Module, Real-Time Module, NI 9211, NI 9264, PID a Fuzzy Logic
Zadání:
Vyvinout komplexní řídicí systém pro přední a zadní válce dynamometru pro podvozek s pohonem všech kol tak, aby byl simulován odpor vozovky a zachováno stejné zrychlení, rychlost a vzdálenost pro všechna kola. Řídicí systém je kritický z hlediska bezpečnosti řidiče a je zodpovědný za přesnost a snadnou použitelnost dynamometru.
Obr. 1: Testování vozidla na dynamometru s pohonem všech kol
Řešení:
Použití platformy
se SW moduly
pro připojení více než 100 stávajících signálů a vytvoření pokročilého PID řídicího systému. Signály jsou snímány milionkrát za sekundu a řídicí smyčka proběhne 250 krát za sekundu, což dohromady umožňuje efektivní a vysoce výkonné řízení systému s nízkou latencí.
„Nový řídicí systém jsme navrhli, vyvinuli, nasadili, ověřili a zdokumentovali v průběhu několika měsíců. CompactRIO a LabVIEW poskytly úspěšné řešení pro náročný řídicí systém dynamometru s pohonem všech kol, který dosahuje pozoruhodného výkonu.“
Testování automobilu v laboratorním prostředí se simulací odporu vozovky umožňuje při návrhu vozidla provádět různá měření s ohledem na výkon motoru, spotřebu paliva a efektivitu emisí. Kola testovaného automobilu jsou umístěna na přední a zadní válce dynamometru. Zatímco operátor ovládá vozidlo, řídicí systém měří jeho rychlost, zrychlení, krouticí moment a zároveň řídí dva stejnosměrné elektrické systémy pro absorpci energie (motory a generátory), které ovládají válce a působí silou na vozidlo. Aktivní absorbéry jsou řízeny tak, aby přesně simulovaly odpor silnice a aerodynamický tlak, který by na automobil působil při jízdě po skutečné silnici. Díky tomu, že máme k dispozici pokročilé vybavení pro vzorkování a analýzu, můžeme mimo jiné stanovit emise vozidla a studovat efektivitu alternativních typů paliva.
Nástup vozidel s pohonem všech kol zvýšil složitost řídicích systémů dynamometrů. Kromě požadavků na fungování v reálném čase, nízkou latenci a dokonalou spolehlivost musí řídicí hardware také spravovat systém s více proměnnými při snaze o udržení shodné rychlosti i zrychlení na předních a zadních kolech. Vývoj takových systémů se ukázal jako velmi náročný - s vysokými požadavky na čas a náklady.
Obr. 2: Platforma CompactRIO s FPGA kontrolérem reálného času
Když nás oslovil náš klient, společnost Environment Canada, s požadavkem na vývoj automatizovaného dynamometru s pohonem všech kol, použili jsme v naší aplikaci CompactRIO jako platformu pro sběr dat a řízení. CompactRIO, obsahující programovatelné hradlové pole (FPGA) a výkonný kontrolér pracující v reálném čase, představuje cenově přijatelnou a technicky pokročilou platformu pro automatické řízení. Našim cílem bylo minimalizovat technologická rizika a čas potřebný pro vývoj využitím výkonných funkcí pro analýzu a řízení ve vývojovém prostředí LabVIEW.
Inovativní řešení technických úkolů
Automatizace dynamometru s pohonem všech kol představuje hned několik výzev pro systémové inženýry. Možnosti platformy CompactRIO a flexibilita vývojového prostředí LabVIEW – zahrnující vývojové nástroje pro OS Windows, reálný čas a FPGA – byly klíčovými faktory při implementaci našeho řešení.
Rychlá reakční doba
Včasná reakce na dynamiku rychle se pohybujícího vozidla vyžaduje řídicí smyčku, běžící s periodou v řádu malého zlomku sekundy. Řídicí smyčka implementovaná u našeho řešení v CompactRIO FPGA provádí všechna měření a bezpečnostní kontroly řádově milionkrát za sekundu. Řídicí smyčka na embedded procesoru reálného času probíhá 250 krát za sekundu, což zabezpečuje vynikající dynamickou odezvu.
Revoluční přístup k měření
Kvalita všech měření, především pak měření rychlosti a zrychlení, přímo odráží schopnost dynamometru přesně řídit a simulovat průběhy. Platforma CompactRIO, použitá v našem řešení, nabízí několik inovativních a unikátních funkcí pro měření, včetně následujících:
- Vlastní filtrace šumu na digitálních vstupech implementovaná jako kód v FPGA
- Nová a přesná metoda měření hodnot dynamického zrychlení, založená na měření periody jednotlivých pulzů enkodéru namísto tradiční metody počítání pulzů za čas, což bylo umožněno díky frekvenci smyčky 1 MHz
- Modulární vstupně / výstupní kanály s rychlou reakční dobou, velkým dynamickým rozsahem, vynikající linearitou a průmyslovou spolehlivostí
Distribuovaný software
Řídicí systém založený na CompactRIO a Windows OS nabízí kromě malých rozměrů a nízké ceny také výkonné řešení pro programování distribuovaných systémů na třech výpočetních platformách:
- FPGA,
- kontroléru reálného času CompactRIO a na
- Windows.
Pro bezproblémovou integraci a programování těchto platforem jsme použili NI LabVIEW. Na obrázku 3 je znázorněno fyzické rozložení úloh.
Obr. 3: Distribuovaný návrh software řídicího systému
Hostitelský počítač s Windows v řídicí místnosti je s kontrolérem reálného času CompactRIO, umístěným ve skříni se vstupy a výstupy, spojen prostřednictvím vlastního komunikačního protokolu, založeného na Ethernetu. CompactRIO jsme použili pro všechna měření a veškeré řízení a operační systém Windows jsme využili pro všechna uživatelská rozhraní a pro záznam dat.
Ověření parametrů simulace
Provozní předpisy asociace SAE (Society of Automotive Engineers) obsahují přesně definované postupy pro ověření přesnosti simulace dynamometru. Provedli jsme podle nich standardní měření doby zastavení, při kterém je vozidlo uvedeno do pohybu o rychlosti 100 km/h a potom je ponecháno, aby zastavilo v neutrálním režimu. Následně jsme nastavili koeficienty simulace tak, abychom reprodukovali rychlost a čas očekávané na skutečné silnici při postupném zastavování vozidla. Rychlá konvergence a shoda měřených hodnot s očekávanou dobou zastavení při různých rychlostech představuje měřítko pro ověření správné funkce řídicího systému.
Obr. 4: Detaily měření doby zastavení
Úspěšně jsme provedli několik testů nového řídicího systému s různými typy vozidel. Systém byl vždy stejně úspěšný v rychlé reprodukci očekávané doby zastavení s výjimečnou přesností.
Závěr:
V průběhu několika měsíců jsme navrhli, vyvinuli, nasadili, ověřili a zdokumentovali nový řídicí systém. CompactRIO a LabVIEW poskytly úspěšné řešení pro sestavení složitého řídicího systému dynamometru s pohonem všech 4 kol a s pozoruhodným výkonem. Procedury při zastavování vozidla konvergovaly během několika průběhů, plně v souladu s danými standardy v oboru. Při zastavení jsme dokázali reprodukovat časy s odchylkou 0,1 sekundy a s chybou síly menší než 10 N. Také v režimu pohonu všech kol byl rozdíl v rychlostech mezi předními koly a zadními koly zhruba 0,07 ppm. Systém dokáže pracovat s rychlostí až do 140 km/h s rozdíly v rychlostech pouhých 0,01 m/s. Při dynamické jízdě na vzdálenost několika kilometrů je rozdílná vzdálenost, uražená předními a zadními koly, v řádu několika málo centimetrů. Flexibilita systému založeného na CompactRIO a LabVIEW nás ohromila více než konečné výsledky. Na všechny potřeby měření a řízení, které jsme objevili v průběhu implementace, jsme rychle nalezli uspokojivé a inovativní řešení.
Kontakt:
National Instruments (Czech Republic), s.r.o.
Dělnická 12, Praha 7 - Holešovice, 170 00, Česká republika
Tel: +420 224 235 774
Fax: +420 224 235 749
E-mail: ni.czech@ ni.com
CZ: 800 142 669
SK: 00 800 182 362
