La Branche « Automotive » de Continental teste ses capteurs de

La Branche « Automotive » de Continental teste ses capteurs de pression de combustion
avec un outil d’acquisition angulaire temps réel basé sur le CompactRIO
"La modularité du CompactRIO permet d’envisager
des évolutions ultérieures."
- Dominique Loze, Aboard Engineering (http://www.aboard-engineering.com/)
L'objectif :
Développer un système embarquable dans une voiture ou sur une moto, pour l’acquisition, le calcul et la visualisation en temps réel de paramètres
issus du moteur, dont les signaux doivent être phasés avec la position angulaire du vilebrequin.
La solution :
S’appuyer sur le CompactRIO de National Instruments pour disposer d’un système industriel, fiable, facile à maintenir, et affichant un poids, un
volume et une consommation faibles.
Auteur(s) :
Dominique Loze - Aboard Engineering (http://www.aboard-engineering.com/)
Afin de relever le défi posé par la réduction des émissions de CO 2, l’industrie automobile prévoit d’introduire sur des véhicules de série des capteurs de
pression de combustion, destinés à contrôler l’efficacité de la combustion et à fournir en temps réel les signaux de pression au calculateur de contrôle
moteur, en vue d’optimiser les paramètres de combustion.
Ainsi les constructeurs automobiles envisagent d’introduire de tels capteurs sur les futurs moteurs diesel et essence à faible émission de CO 2, tels que les
moteurs Homogeneous Charge Combustion Ignition (HCCI) ou à autoallumage (CAI comme Controlled Auto Ignition).
Des outils existants inadaptés
En vue de développer ces capteurs de pression chambre, d’optimiser leur intégration sur le moteur et de concevoir les lois de contrôle prenant en compte
les signaux de pression, les ingénieurs ont besoin d’ outils d’acquisition (http://www.ni.com/data-acquisition/f) ergonomiques, qui soient dotés de moyens
de traitement des données faciles d’emploi. Une liste des caractéristiques requises par un tel outil a été établie, et comparée aux performances des
équipements disponibles sur le marché. Cette étude a mis en évidence que très peu d’outils étaient capables d’acquérir en temps réel les signaux
moteurs angulairement, la plupart des équipements travaillant en acquisition temporelle. De plus, les quelques appareils dotés du mode angulaire
d’acquisition sont très volumineux et lourds, alimentés en 220 Volts, empêchant ainsi toute utilisation embarquée sur véhicule.
Partant de ce constat, un cahier des charges a été défini par l’équipementier Siemens VDO Automotive, devenu depuis Continental, dont la réalisation a
été confiée à la start-up ABOARD Engineering, jeune entreprise d’ingénierie spécialisée dans l’électronique automobile, dont le cœur de métier est le
contrôle électronique des moteurs. La société a ainsi conçu un nouvel outil baptisé ACOVI®, en s’appuyant sur ses compétences en traitement du signal
temps réel utilisé sur les moteurs automobiles.
De nombreuses contraintes dont l’embarquement sur véhicule
La contrainte principale était de reconstituer une base angulaire au pas de 0,5° d’angle vilebrequin, tout en conservant la cible et le capteur de position du
vilebrequin montés en série sur le véhicule, afin de minimiser le côté intrusif des mesures.
Il est possible d’utiliser les impulsions fournies par un encodeur incrémental, monté sur le vilebrequin à cet effet, mais si un tel montage est courant sur un
banc moteur, en revanche cela limite considérablement les conditions d’utilisation de l’outil sur un véhicule.
Ainsi pour reconstituer une base angulaire de pas 0,5° d’angle vilebrequin, sachant que les cibles montées en série sur les moteurs automobiles ont
typiquement des dents espacées de 6° (cible de 60 dents moins deux dents manquantes), un calcul d’interpolation entre dents consécutives a été réalisé
à partir du signal dent fourni par le capteur de position vilebrequin. De plus, ce type de cible permet de connaître la position du moteur modulo 360°, ce
qui n’est pas suffisant puisque la combustion survient un tour sur deux dans le cas d’un moteur 4 temps. C’est cette fois la cible située sur l’arbre à cames
qui a permis l’identification du cycle moteur sur les 2 révolutions du vilebrequin.
LabVIEW se charge de tout
Les ingénieurs d’ABOARD Engineering étaient familiers avec l’instrumentation National Instruments depuis longtemps. De par sa modularité, sa
puissance de calcul, sa compacité et sa programmation sous NI LabVIEW (http://www.ni.com/labview/f/), la plate-forme CompactRIO (
http://www.ni.com/compactrio/f/) est apparue comme une réponse bien adaptée à ce besoin.
Conçu autour d’un FPGA (http://www.ni.com/fpga/f/) d’1 million de portes et d’un module temps réel (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/fr/nid/14155) à microprocesseur 200 MHz, cet équipement modulaire se construit avec des modules
d’entrées/sorties analogiques et numériques (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/fr/nid/14147), dans un boîtier compact et robuste. En l’occurrence,
la plate-forme est équipée de 8 voies d’acquisition analogiques et 6 voies d’acquisition numériques. De plus, le CompactRIO (
http://www.ni.com/compactrio/f/) présente l’avantage de pouvoir communiquer par bus CAN (http://www.ni.com/can/f/) avec le monde extérieur, par
exemple un outil de calibration standard, un superviseur de banc moteur ou un calculateur.
Le logiciel, développé sous LabVIEW (http://www.ni.com/labview/f/), assure les fonctionnalités suivantes :
Synchronisation des événements, référencés à l’angle vilebrequin, échantillonnés et calculés avec une résolution de 0,5 degré à partir d’un capteur de
position vilebrequin standard ou bien d’un encodeur incrémental
Acquisition de signaux analogiques (http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8305), tels que la pression de combustion, le signal cliquetis et/ou la
fenêtre cliquetis pour des moteurs à essence, ou tout signal traité angulairement
Acquisition de signaux numériques (http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8502) tels que les commandes injecteurs et allumage, la position
vilebrequin et arbre à cames, etc.
Calcul et enregistrement des paramètres clés de combustion par cycle moteur, tels que :
1.
L’enthalpie produite par cylindre
2.
L’angle pour lequel une partie quantifiée de la masse de carburant a été brûlée (MFB50 pour 50 % de la masse brûlée par exemple)
3.
Les pressions de combustion mini et maxi pour chaque cycle moteur.
Une interface utilisateur ergonomique affiche en temps réel, comme sur un oscilloscope, les signaux et paramètres acquis ou calculés en fonction de
l’angle vilebrequin.
Cet outil est utilisé pour optimiser l’emplacement et l’utilisation de capteurs de pression chambre, pour analyser les séquences d’injection pendant les
phases de démarrage, par exemple en démarrage à froid, ou pendant les transitoires. Il peut également être utilisé sur des moteurs à essence pour
caractériser finement les ratés de combustion, le cliquetis, l’allumage, etc.
Les points délicats du développement
Si nous avions une grande expérience des développements de systèmes temps réel en assembleur et en code C, la familiarisation avec LabVIEW (
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Si nous avions une grande expérience des développements de systèmes temps réel en assembleur et en code C, la familiarisation avec LabVIEW (
http://www.ni.com/labview/f/) a nécessité un peu de temps. Pour le FPGA (http://www.ni.com/fpga/f/) et le module temps réel (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/fr/nid/14155), le support de NI a été décisif. Pour la partie Interface Homme-Machine (IHM), la compréhension des
nœuds de propriétés et la gestion des variables ont été les principales difficultés.
De fortes contraintes temps réel ont été rencontrées pour les composants assurant la « synchronisation moteur » et l’acquisition, car l’objectif était de
garantir l’échantillonnage angulaire sur la plage de régime spécifiée. Une optimisation des composants intégrés dans le FPGA (http://www.ni.com/fpga/f/)
a été nécessaire afin de pouvoir faire fonctionner les algorithmes sélectionnés à la bonne récurrence dans une cible FPGA (http://www.ni.com/fpga/f/) 1
million de portes.
La communication entre le CompactRIO (http://www.ni.com/compactrio/f/) et l’IHM a également été délicate à gérer. La gestion du temps réel et la
quantité des informations à transmettre à l’IHM ont nécessité un travail approfondi de la liaison entre le module d’acquisition et l’IHM de visualisation et
d’enregistrement.
Avantages et perspectives d’évolution
Le système, embarquable sur véhicule, a permis de réaliser les fonctionnalités du cahier des charges, permettant à ABOARD Engineering de se
différencier de la concurrence.
Autre avantage, et non des moindres : la modularité du CompactRIO (http://www.ni.com/compactrio/f/) permet d’envisager des évolutions ultérieures,
élargissant ainsi le domaine d’utilisation possible de l’ACOVI.
Des évolutions sont d’ailleurs en gestation avec d’autres utilisateurs potentiels, en vue d’analyser ou de caractériser :
Les séquences d’injection et d’allumage pendant les phases de démarrage, par exemple en démarrage à froid, ou pendant les transitoires
Les phénomènes de cliquetis
Les ratés de combustion (misfiring)
L’allumage
Les positions angulaires des décroiseurs d’arbre à cames, dans le cas de distribution variable…
Décembre 2008
Informations sur l'auteur :
Dominique Loze
Aboard Engineering (http://www.aboard-engineering.com/)
7, impasse Léonce Couture
Toulouse 31200
France
Tél : +33 (0)5 61 61 26 40
[email protected] (mailto:[email protected])
Développé par la start-up ABOARD Engineering, le système ACOVI peut être embarqué dans une automobile, voire sur une moto.
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En plus de modules d’E/S, le CompactRIO offre au système ACOVI la possibilité de communiquer sur bus CAN.
Législation
Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES
RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM (
http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/ (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/)).
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