基于LabVIEW的自由活塞發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計

楊賢沛，王振華，朱成瑋，肖進

(上海交通大學(xué) 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240)

引言

自由活塞發(fā)電機(Free Piston Linear Generator, FPLG)是將自由活塞發(fā)動機與直線電機串聯(lián)耦合的動力系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高、功率質(zhì)量比大等優(yōu)點，可以作為新能源汽車增程器，具有廣泛應(yīng)用前景[1-3]。自由活塞式發(fā)動機的上、下止點會隨燃燒工況變化，發(fā)動機穩(wěn)定運行對于噴油、點火控制的精確度和優(yōu)化策略有較高要求[4-5]。近年來處理器和存儲技術(shù)快速發(fā)展，美國國家儀器公司(NI)的嵌入式控制器性能已經(jīng)可以滿足自由活塞發(fā)電機的控制需求。LabVIEW作為NI公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品，允許圖形編程，編程難度較低。本文運用LabVIEW進行模塊化編程，實現(xiàn)對自由活塞發(fā)電機的控制[6]。

1　系統(tǒng)需求分析

圖1　自由活塞發(fā)電機示意圖

對置式自由活塞發(fā)電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個對置的二沖程自由活塞發(fā)動機位于直線電機兩端，連桿通過螺紋將直線電機的動子和兩個發(fā)動機的活塞串聯(lián)。啟動時電機為驅(qū)動狀態(tài)，電機動子驅(qū)動活塞向左運動，控制器采集燃燒室的缸壓、動子的位移信號、進氣溫度信號，計算燃燒所需噴油量、點火時間，在設(shè)定位置驅(qū)動左側(cè)氣缸噴油器、點火線圈。左缸燃燒后，活塞受膨脹力驅(qū)動向右運動，電機由驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)，電機動子切割磁感線產(chǎn)生電流。當活塞運動到右側(cè)氣缸設(shè)定的噴油位置和點火位置時，右缸的噴油器和點火線圈工作使右缸燃燒，驅(qū)動活塞向左運動。當噴油或點火控制不精確，噴油或點火與設(shè)定位置有較大偏差時，發(fā)動機容易失火。而如果直線電機不在設(shè)定時刻轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，發(fā)動機可能撞缸或者失火。

2　系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

2.1　硬件總體方案

圖2　系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

圖3　濾波模塊

圖4　進氣溫度傳感器外電路

圖5　點火線圈驅(qū)動電路

如圖2所示，系統(tǒng)采用NI公司的cRIO9039作為控制器，通過控制板卡讀取數(shù)據(jù)、輸出命令，并存儲數(shù)據(jù)。該控制器包含有1.91 GHz的四核CPU、2 GB運行內(nèi)存、16 GB閃存和Kintex-7 FPGA，可以使整個程序運行周期短至0.05 ms，實時保存進氣溫度、進氣壓力、活塞位置、缸內(nèi)壓力等數(shù)據(jù)?？刂破鞑宀壑杏?個C系列模塊，其中NI9205數(shù)據(jù)采集卡讀取各個傳感器數(shù)據(jù)，NI9401信號輸出卡控制點火和繼電器，NI9751驅(qū)動噴油器。

2.2　傳感器信號處理模塊

NI9205信號采集模塊可以識別±200 mV到±10 V的電壓信號，32個AI端口滿足信號處理需求，并且為控制系統(tǒng)功能擴展預(yù)留端口?；钊灰菩盘柺莾蓚€相隔1/4磁極距的霍爾信號傳感器輸出的差分信號±sin、±cos，信號范圍在2.25到2.75。位移傳感器位于直線電機中，由于電機動子運行時振動和環(huán)境影響，信號會受到較多干擾，需要將信號經(jīng)濾波器濾波后，再接入NI9205板卡。Butterworth濾波通帶特性平坦，阻帶衰減速度快，故采用7階巴特沃斯無源LC低通濾波器。如圖3所示，其中R1=50 Ω，R2=50 Ω，L1=470 nH，L2=820 nH，L3=470 nH，C1=56 pF，C2=267 pF，C3=267 pF，C4=68 pF。

進氣溫度值與傳感器中熱敏電阻值相關(guān)。如圖4所示，將進氣傳感器與3 kΩ外接電阻串聯(lián)，接入5 V電源兩端。由外接電阻兩端電壓計算出熱敏電阻阻值，查表可得進氣溫度值。

Kistler 6125C缸壓傳感器的信號經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，由設(shè)定電壓與壓力比例關(guān)系得到缸壓值。進氣壓力傳感器直接輸出電壓信號，查表得進氣壓力值。

Kistler 6125C缸壓傳感器的信號經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，由設(shè)定電壓與壓力比例關(guān)系得到缸壓值。進氣壓力傳感器直接輸出電壓信號，查表得進氣壓力值。

2.3　驅(qū)動模塊

噴油驅(qū)動采用NI 9751，該板卡是3通道直噴器驅(qū)動模塊，可以直接驅(qū)動系統(tǒng)的兩個直噴噴油器。點火驅(qū)動電路如圖5所示，采用Fairchild公司的FGBS3040 IGBT模塊，控制信號為NI9401輸出的5 V TTL信號。當控制信號為高電平時，12 V電源為點火線圈充電，高電平時間達到設(shè)定Dwell Time后，控制信號變?yōu)榈碗娖?，點火線圈通過火花塞釋放存儲的電能。

圖6　電機切換電路

電機狀態(tài)切換電路由兩個三相繼電器和一個三相整流橋構(gòu)成。通過NI9401輸出的5 V TTL信號控制繼電器開關(guān)。當繼電器1閉合、繼電器2斷路時，電機處于驅(qū)動狀態(tài)；當繼電器1斷路、繼電器2閉合時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，輸出的三相交流電經(jīng)整流橋整流后轉(zhuǎn)換為直流電，電能通過整流橋后的電阻消耗。電機切換電路執(zhí)行時間為10 ms，自由活塞發(fā)電機的運行頻率為15～30 Hz，滿足需求。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序分為FPGA程序和Real-Time程序。FPGA程序運行在控制器的FPGA中，直接通過底層邏輯執(zhí)行，時鐘為48 MHz，實時性高，但是FPGA資源有限，所以FPGA程序只是通過與C系列模塊的通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)I/O，進行簡單且重復(fù)性高的信號處理。Real-Time程序運行在cRIO的實時控制器中，可調(diào)用較多資源，實現(xiàn)信號分析、復(fù)雜控制邏輯等功能[7]。

3.1　FPGA程序

FPGA程序主要實現(xiàn)傳感器信號的讀取和噴油器、點火線圈、繼電器信號輸出端口的設(shè)置。如圖7所示，設(shè)置模塊4(NI9205)的0-7端口為各個傳感器信號的輸入端口，模塊1(NI9401)的3、4端口對應(yīng)繼電器1、繼電器2的控制端口。其中繼電器1和繼電器2的信號為相反關(guān)系，使得繼電器1閉合時繼電器2斷開。

圖7　FPGA傳感器和繼電器信號I/O

圖8中定時循環(huán)程序設(shè)置NI9751模塊參數(shù)的接口，如噴油器通道使能、噴油器類型、噴油電流參數(shù)。

圖8　噴油驅(qū)動設(shè)置

圖9　點火驅(qū)動端口設(shè)置

圖9的While循環(huán)程序設(shè)置點火驅(qū)動的控制信號端口，當點火使能為True時，NI9401輸出一個周期的PWM波形，高電平時間為設(shè)定值dwell。

3.2　Real-Time程序

如圖10所示，Real-Time程序分為信號處理模塊、噴油點火模塊和狀態(tài)切換模塊。程序在一個定時循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)，處理FPGA傳遞過來的信號，計算噴油與點火參數(shù)，判斷電機工作狀態(tài)，輸出命令到FPGA的噴油器、點火線圈和繼電器控制端口。

圖10　Real-Time程序總框圖

圖11　信號處理模塊程序

圖12　位移處理模塊

圖13　狀態(tài)切換程序框圖

如圖11所示，信號處理模塊將FPGA程序讀取的進氣壓力、進氣溫度、缸壓、位移電壓信號由對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為信號實際值，并將這些信號傳遞到狀態(tài)轉(zhuǎn)換和噴油點火模塊。

圖12為信號處理中的位移處理模塊，位移信號由歸一化后的霍爾傳感器信號sinθ和cosθ計算得到，其中θ為電氣角度。由于該自由活塞發(fā)電機的最大行程為83 mm，電機磁極距為71.2 mm，不同磁極距時位移計算方法不同。通過計數(shù)值K判斷當前磁極距，K的初始值為0，活塞每經(jīng)過一次磁極距交接點，K值就加1。當K為偶數(shù)時，當前磁極距為第一磁極距；位移L計算公式為：

當K為奇數(shù)時，當前磁極距為第二磁極距；位移L計算公式為：

圖13為狀態(tài)切換模塊，程序分噴油點火啟動判斷模塊、電機力輔助模塊、撞缸保護模塊。在自由活塞發(fā)電機啟動過程中，電機處于驅(qū)動狀態(tài)，活塞被驅(qū)動壓縮做功，當燃燒室內(nèi)壓力達到設(shè)定值后，噴油點火啟動判斷模塊啟動噴油點火功能，將使能信號傳遞到噴油點火模塊，自由活塞發(fā)動機會在下一個循環(huán)的噴油點火設(shè)定位置噴油點火。撞缸保護模塊同樣運行在啟動過程中，如果電機力過大，活塞會撞到缸蓋，為防止撞缸，撞缸保護模塊會在設(shè)定位置斷開電機力。電機力輔助模塊會在左缸噴油點火后，選取點火后缸壓的峰值，如果峰值大于設(shè)定值，則該缸燃燒，電機力斷開，電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)；如果缸壓峰值小于設(shè)定值，則左缸失火，電機力會持續(xù)到右缸的點火位置，若右缸點火后缸壓達到設(shè)定值，則點火成功，電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)，否則電機仍然處于驅(qū)動狀態(tài)，直到發(fā)動機點火成功。

圖14　噴油點火模塊框圖

圖14為噴油點火模塊，由于噴油和點火動作都是在壓縮過程中執(zhí)行的，所以將噴油點火模塊放在同一個條件結(jié)構(gòu)下。當狀態(tài)切換模塊的噴油點火使能信號傳遞過來時，噴油和點火程序同時被使能。

圖15為噴油控制模塊，該模塊負責(zé)噴油壓力、噴油脈寬、噴油位置的控制。由進氣溫度和掃氣結(jié)束壓縮開始時刻的缸壓計算出噴油量，然后通過噴油量和噴油壓力在噴油器特性曲線查表得到對應(yīng)的噴油脈寬，噴油器在壓縮起始位置噴射。當自由活塞發(fā)電機需要停機時，停機模塊會執(zhí)行，逐步減小噴油脈寬，直到停機。

圖15　噴油控制模塊

圖16為點火控制模塊，控制點火位置和點火能量。點火模塊使能后，活塞經(jīng)過點火位移時，點火控制模塊會按照設(shè)定的Dwell值，通過NI9401輸出PWM波形的點火命令。

圖16　點火控制模塊

4　控制系統(tǒng)功能驗證

a)位移-時間圖　　　　　　　　　　　　　　　b)缸壓-時間圖圖17　FPLG啟動過程

在自由活塞發(fā)電機上驗證設(shè)計的控制系統(tǒng)，樣機最大行程為84 mm，缸徑為50 mm，直線電機啟動力為100 N，噴油壓力為5 MPa，點火延遲時間為1.5 ms，燃油當量比為0.6，點火位置為33 mm，噴油位置為11.3 mm，失火判斷缸壓為1.3 MPa。圖17為自由活塞發(fā)電機啟動過程，9.1 ms時左側(cè)缸壓達到0.9 MPa，噴油點火模塊啟動，電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)?；钊蛴腋走\動過程中，發(fā)動機開始噴油點火， 右缸混合氣體點燃， 缸壓峰值為1.486 MPa，活塞受膨脹力作用，向左運動；左側(cè)氣缸噴油點火，左缸點燃，缸壓峰值1.45 MPa，活塞向右運動；右側(cè)氣缸噴油點火，缸壓峰值為0.946 MPa，右缸失火，電機轉(zhuǎn)換為驅(qū)動狀態(tài)，驅(qū)動活塞往復(fù)運動，直到10 ms后活塞再次向右運動，右缸點燃，電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)。

5　總結(jié)

1)利用cRIO9039作為控制器，NI9205、NI9751、NI9751等C系列模塊作為控制板卡，基于LabVIEW編程實現(xiàn)了對自由活塞發(fā)電機的檢測和控制，能夠準確、及時地在設(shè)定位置噴油、點火以及轉(zhuǎn)換直線電機的工作狀態(tài)。

2)設(shè)計電機力輔助控制策略。根據(jù)缸壓信號判斷氣缸失火狀態(tài)，直線電機會在氣缸失火時轉(zhuǎn)換為驅(qū)動狀態(tài)，保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。

3)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可擴展性高，有利于進一步優(yōu)化控制策略。

參考文獻：

[1]Mikalsen R, Roskilly A P. Performance simulation of a spark ignited free-piston engine generator[J].Applied Thermal Engineering, 2008, 28(14):1726-1733.

[2]Xiao J, Li Q, Huang Z. Motion characteristic of a free piston linear engine[J].Applied energy, 2010, 87(4): 1288-1294.

[3]林濱濱, 肖進, 張磊. 基于Simulink和GT-Power的自由活塞發(fā)動機仿真[J].內(nèi)燃機與動力裝置, 2017, 34(1):17-23.

[4]張磊, 肖進. 基于Matlab/Simulink的自由活塞式發(fā)電機運動仿真分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置, 2016, 33(1):59-64.

[5]李慶峰, 劉濤, 肖進,等.基于MC9S12的自由活塞式內(nèi)燃機電控系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機工程, 2011, 32(1):19-23.

[6]陳樹學(xué)，劉萱. LabVIEW 寶典[M].北京: 電子工業(yè)出版社，2011.4-5.

[7]美國國家儀器公司. CompactRIO開發(fā)者指南[EB/OL].ftp://ftp.ni.com/pub/branches/china/2012CompactRIODevGuide.pdf. 2012.