АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ЭМУЛЯЦИИ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ КАМАЗ

Аннотация: Спроектирован, разработан и изготовлен комплекс для настройки электронной системы управления, проведения предварительной настройки таблиц, формирующих мощностные характеристики двигателя, отработки реакций на возникающие неисправности и отклонения в работе системы управления, проверки алгоритмов управления. Обсуждается аппаратная часть комплекса.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, электронный блок управления, аппаратно-программный комплекс, испытательный стенд

Для тестирования корректной работы алгоритмов управления с двигателем внутреннего сгорания и его вспомогательного оборудования в режиме реального времени требуется предварительная настройка электронных блоков управления (ЭБУ) с применением реального оборудования или эмуляторов [1, с. 58].

К современным ЭБУ наряду с набором стандартных испытаний предъявляются также требования стандарта функциональной безопасности автотранспортных средств ISO 26262. В соответствии с требованиями ISO 26262 ЭБУ должен обеспечивать безопасную работу двигателя в условиях отказа критически важных датчиков и исполнительных механизмов [2, с. 487].

Существующую линейку средств разработчика ЭБУ условно можно разделить на программную и аппаратную эмуляцию работы двигателя внутреннего сгорания.

Программные модели двигателя строятся на базе библиотек входящих в программные средства GT-POWER, TESIS DYNAware, SimulationX, DIESEL-RK, STAR-CD, WAVE, либо используются совместимые библиотеки от разработчиков устройств управления или производителей двигателей.

Аппаратные модели выполняются в виде электронного устройства имитирующего режимы двигателя внутреннего сгорания либо комплексов, в состав которых входит тормозной электрический двигатель, с управляемым механическим моментом торможения.

Получившее широкое распространение решение на базе комплекса LABCAR имеет закрытое программное обеспечение, что делает невозможным изменение аппаратного обеспечения под конкретный электронный блок. Комплекс весьма сложен в освоении и рассчитан на конкретные конфигурации ЭБУ и двигателей. Эмуляция нестандартной аппаратуры предполагает обращение к специалистам фирм производителей и требует дополнительных материальных затрат.

Проведенный анализ показывает актуальность разработки аппаратно-программного комплекса для полно-этапного проектирования, адаптации и тестирования ЭБУ в соответствии с современными требованиями безопасности [3, с. 293].

Разработанный блок эмуляции двигателя внутреннего сгорания «КАМАЗ» выполнен в виде программного комплекса на базе персонального компьютера на платформе IBM-PC. Эмуляция производится в режиме реального времени микропроцессорной системой с таблично-заданными параметрами конкретного двигателя для различных режимов работы с учетом влияния окружающей среды и дефектов измерительных и исполнительных элементов. Функциональная схема аппаратно-программного комплекса представлена на рисунке 1. Современные двигатели внутреннего сгорания комплектуются множеством датчиков и исполнительных механизмов, которыми управляет электронный блок управления. Поэтому, аппаратная часть комплекса содержит блок согласования электрических сигналов и блок ввода-вывода, включающего платы аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразования (АЦП/ЦАП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС).

Элементы электронной системы управления двигателем подразделены в масштабе времени одного цикла работы двигателя на два класса - с быстротечно изменяющимися параметрами и относительно медленно меняющимися параметрами.

К числу быстродействующих элементов относятся катушки зажигания, дозатор топлива, привод и положение дроссельной заслонки, датчик положения коленчатого вала, датчик фазы, датчики давления и температуры в коллекторе. Датчики давления и температуры газа в баллоне, положение акселератора, относятся к числу элементов изменяющих свои параметры относительно медленно за цикл.

Для эмуляции датчиков и устройств управления применены девятнадцать цифровых и шестнадцать аналоговых каналов связи. Аналоговые каналы связи включают один высокоскоростной канал АЦП и пятнадцать каналов ЦАП, шесть из которых высокоскоростные. Точность измерения быстротечных процессов обеспечивает подпрограмма, работающая на программируемой логической интегральной схеме.

Разработанный аппаратно-программный комплекс эмуляции работы двигателя «КАМАЗ» реализован на базе платформы PXI компании National Instruments. Платформа PXI на базе персонального компьютера служит для автоматизации систем и измерений. Шасси PXI сочетает в себе шины PCI в модульном исполнении Compact PCI. Преимущества платформы PXI состоят в малой задержке и высокой пропускной способности до 132 Мб/с при использовании связи по шине PCI. Шасси PXI обеспечивает электропитание, охлаждение и взаимосвязь PXI контроллера с платами цифро-аналогового ввода-вывода посредством шин PCI и PCI Express.

В качестве основы аппаратно-программного комплекса используется высокопроизводительный встраиваемый контроллер NI PXIe-8135, который базируется на процессоре Intel Core i7-3610QE для систем PXI Express. Порты ввода-вывода контроллера взаимно интегрированы между собой и все активные слоты шасси доступны для модулей измерений и контроля. Такая конструкция контроллера минимизирует сложности интеграции и устраняет необходимость во множестве кабелей для связи с платами расширения.

Программное обеспечение комплекса считывает и отправляет данные в платы АЦП, ЦАП и цифровые каналы. Аналоговые сигналы, получаемые от реального блока управления через платы АЦП, преобразуются в цифровой код, который используется для дальнейшего их применения в виртуальных моделях датчиков и исполнительных механизмов. Определенные в модели двигателя параметры цикла, преобразовываются виртуальными моделями датчиков в цифровые сигналы и транслируются в платы ЦАП для дальнейшей передачи в реальный ЭБУ. Данные, не требующие преобразования в аналоговый вид, передается непосредственно через цифровые каналы ввода-вывода.

В процессе работы двигателя необходимо поступление в ЭБУ сигналов от датчиков заданных уровней, которые не всегда обеспечиваются платами ввода-вывода. Для возможности сопряжения ЭБУ и комплекса эмуляции двигателя внутреннего сгорания разработаны схемы эмуляции и согласования каждого датчика и исполнительного механизма, которые обеспечивают заданные параметры по току потребления, величине сопротивления, питающего напряжения. Выходные цепи снабжены релейными контактами для создания аварийной ситуации имитирующей разрывы и короткие замыкания электрической цепи моделируемого устройства.

Схемы согласования сигналов датчиков и исполнительных механизмов интегрированы в блок согласования и эмуляции, который монтируется в шасси PXI. Разработанный блок согласования входных и выходных сигналов обеспечивает подключение аппаратно-программного комплекса к стандартному разъему ЭБУ, а так же реализует эмуляцию дефектов в электрических цепях датчиков и управляющих механизмов.