Rovatok    Iparágak    autóipar

Az innováció élvonalában

Elektronikus vezérlőrendszer fejlesztése üzemanyagcellás hajtáshoz

A Fordnál sokéves hagyomány a National Instruments vállalattal való együttműködés: régóta a LabVIEW fejlesztőrendszert használják az üzemanyagcellás elektromos autók különféle részegységeinek fejlesztéséhez, valamint az üzemanyagcellás gépjárműhajtás valós idejű, beágyazott vezérlőrendszerének sikeres megalkotásához.

A Ford üzemanyagcellás rendszerek (fuel cell systems, FCS) területén folyó kutatási tevékenységének eredménye a világ első teljes értékű, közúti üzemanyagcellás autójában (P2000), valamint a világ első üzemanyagcellás hibridjében (Ford Edge HySeries hajtással) testesül meg. Az üzemanyagcellával hajtott járműhöz speciális elektronikus vezérlőrendszert (ECU, electronic control unit) kellett kifejleszteni, hogy a gyakorlatba is át lehessen ültetni a piacon valóban életképes, kereskedelmi forgalomba hozható üzemanyagcellás rendszerek jelentős fejlődését, valamint bizonyítani lehessen versenyképességét a hagyományos belső égésű motorokkal felépített erőátviteli rendszerekkel szemben.

Intenzív kutatás-fejlesztés

A Ford Motor Company 1992 óta intenzíven foglalkozik az üzemanyagcellás rendszerek kutatás-fejlesztésével. A jelentős fejlődés ellenére az új típusú rendszerek hiányosságai még ma is akadályozzák, hogy az FCS életképes, kereskedelmi forgalomba hozható, versenyképes technológiává váljon. E hiányosságok kiküszöbölése néhány területen, így például az élettartam és a hidegindítás terén mára jelentős sikert hozott. Az autógyártó üzemanyagcellás rendszerekre irányuló alapkutatásaihoz kapcsolódva és az NI eszközök biztosította gyors prototípus-előállítás lehetőségét kihasználva elkészítettek egy új vezérlőrendszert is.

A tervezőcsapat az ismert V modell mentén végezte a tervezés megfelelőségének igazolását (verifikáció): a vezérlőrendszer kiindulási adatainak folyamatos finomításán keresztül nyúltak vissza és avatkoztak be a fejlesztési folyamatba. A tervekben bekövetkezett változások gyakran érintették az alrendszerek – például a légkompresszor és az üzemanyagcella vezérlőmodulja – közötti interfészeket. Bár elektronikus vezérlőrendszereket széles körben, sikeresen alkalmaznak a járműgyártásban, az adott feladat esetében jobb választás a gyors prototípuskészítés. A gyártásban használt ECU-k I/O interfészeinek módosítása helyett CompactRIO rendszerrel építették fel az üzemanyagcellás rendszer vezérlőrendszerének (FCU) prototípusát.

A CompactRIO-val gyorsan tudták követni a tervezés változásait, valamint a szenzorokkal és beavatkozókkal kísérletezve könnyen juthattak el újabb fejlesztési megoldásokig. A beágyazott CompactRIO rendszer szabályozóalgoritmusának verifikálásához felépítettek egy HIL (hardvare-in-the-loop) vizsgálórendszert a következő elemekből: NI PXI-1010 kombinált PXI/SCXI keret, NI PXI-8186 kontroller, megfelelő PXI és SCXI kártyák, valamint CAN kapcsolat közöttük.

A rendszert LabVIEW Real-Time fejlesztőkörnyezetben készítették el, amelynek grafikus kezelői felülete az ECU automatikus és kézi gerjesztését is lehetővé teszi. A CompactRIO I/O válaszait a HIL képernyőjén nyomon követve tudták a szabályozóalgoritmus megfelelő valós működését nyugtázni (validálás). A HIL-alapú validáció igen sikeres volt, csak minimális módosításokat kellett végezni, amikor a CompactRIO rendszer a valódi FCS-t kezdte vezérelni.

Teljesítmény, amikor szükség van rá

A gépjárművek erőátviteli rendszereihez valós idejű vezérlők szükségesek. A valós idejű működéshez kellő determinisztikusságot és teljesítményt a LabVIEW Real-Time modul adja, a kiválasztott vezérlőn telepített valós idejű operációs rendszerrel kiegészülve. Amikor a teljesítmény növelése érdekében a korábban használt NI cRIO-9002 rendszert NI cRIO-9012 beágyazott, valós idejű rendszerre cserélték, a LabVIEW Real-Time automatikusan váltott a Pharlap valós idejű operációs rendszerről a VxWorksre, vagyis lehetővé tette a fejlesztőcsapat számára, hogy az üzemanyagcella vezérlőrendszerével foglalkozzon a valós idejű operációs rendszerek rejtelmei helyett.

Az FCS számos érzékelőtől, beavatkozótól és további, a jármű más részeiben működő vezérlőktől és alrendszerektől kap jeleket. Az I/O jelek legnagyobb része a járművekben manapság mindenütt jelen lévő CAN buszon közlekedik a vezérlők között, az FCS-en belül és kívül egyaránt. A laboratóriumi tesztek során egy LabVIEW-alapú, igen összetett tesztállomással szimulálták egy jármű központi vezérlőjét (master), amely CAN buszon kommunikált az alárendelt (slave) FCS vezérlővel. Ez az oka annak, hogy az autóipari FCS alkalmazások fejlesztésénél kritikus tényező a CompactRIO CAN támogatása. Amikor nagyobb teljesítményre volt szükség, az NI rövid időn belül rendelkezésre bocsátotta cRIO-9012 újonnan fejlesztett eszközét, CAN támogatással, a gyorsabb VxWorks platformokon.

Ezen kívül a CAN Channel API és a minden korábbinál gyorsabb CAN Frame-Channel konverziós könyvtár használata jelentősen csökkentette a fejlesztéshez szükséges időt. Az NI termékei támogatják a nyitott rendszerarchitektúrát. Az NI Measurement & Automation Explorerrel (MAX) könnyedén importálható más gyártók eszközein fejlesztett CAN üzenet-adatbázis. E szolgáltatás lehetővé tette, hogy a fejlesztés során a CAN üzenet-adatbázisok fordítása vagy újraírása nélkül váltsanak adatbázisokat.

Észrevétlen technológia integráció

A projekthez a szabályozóalgoritmust LabVIEW Professional fejlesztői rendszerben készítették el, amelyhez két kiegészítőt használtak. Az első a LabVIEW Real-Time modul, amellyel a valós idejű vezérlő valós idejű szoftverét programozták. A másik a LabVIEW FPGA modul, ezzel az összes I/O jelet – beleértve a CAN jeleit is – kezelő, FPGA-alapú szoftvert fejlesztettek. Mindkét kiegészítőt integrálva a LabVIEW fejlesztőkörnyezetbe, komplett grafikus felületet nyertek a rendszer valamennyi komponensének fejlesztéséhez. Gyorsan fontos eszközzé vált az NI Real-Time Execution Trace Toolkit, ennek segítségével oldották meg az időrendi problémákat.

Továbbá ezzel találták meg az olyan részleteket a beágyazott valós idejű szoftverben, amelyek nem az elvárások szerint működtek, majd a kód javításával elérték a korrekt valós idejű működést. Az eszközkészlet nélkül igen drága külső teszteszközökre lett volna szükség. Miközben más fejlesztőknek komoly gondot okozhat a verziókövetés megvalósítása, a LabVIEW és a Microsoft Visual SourceSafe – az utóbbit használták a szoftverfejlesztés alatt – kiváló integráltságának köszönhetően a Fordnál gond nélkül tudták megoldani a problémát. Egyszerű jobb egérkattintás a LabVIEW projektablakban a programozási alapegységet jelentő VI ikonján, és láthatóvá válik a funkciók listája.

LabVIEW mindenütt – motiváció a használatra

Három fő oka van annak, hogy a LabVIEW fejlesztőkörnyezetet választották a Fordnál az első saját tervezésű FCS szabályozóalgoritmus fejlesztéséhez. Először is a standard szoftverfejlesztési procedúra szerinti munkához szükséges fejlesztők száma meghaladta az elérhető erőforrásokat, míg a LabVIEW alkalmazása növelte a bevonható gyakorlott, illetve újonnan képzett személyek számát.  Másrészt a prototípushoz fejlesztett és a tesztállomásokon futó szoftver – amelyet már korábban LabVIEW környezetben fejlesztettek – közötti természetes szinergiáknak köszönhetően a VI-ok megoszthatók lettek, a fejlesztőkörnyezet azonos és a hardver is hasonló volt. 

Harmadszor, mivel a LabVIEW VI-ok visszafelé kompatibilisek, a 10 évvel ezelőtt a HIL rendszer alapjaihoz fejlesztett függvényeket is fel tudták használni. Ezen kívül a szintén LabVIEW-n és NI hardvereken alapuló laboratóriumi tesztrendszer hatékonyan rögzítette a mérési eredményeket TDMS (technical data management) formátumban, és könnyedén továbbította feldolgozásra az NI DIAdem adatkezelő szoftvernek. A normál adatmegjelenítés mellett a DIAdem szoftvert az adatfájlokban való gyors és automatikus keresésre is használták, hogy megtalálják a működési anomáliákat, és magyarázattal kiegészítve ki is rajzoltassák azokat.