Diulas oleh :Agus Mustiko Adi TriyantoroKonsentrasi : Teknik MesinPROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNOLOGI KEJURUANPROGRAM MAGISTER PASCASARJANAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS NEGERI JAKARTA2014

* DEVELOPMENT OF RESEARCH ENGINE CONTROL UNIT USING FPGA-BASED EMBEDDED CONTROL SYSTEM

PENGEMBANGAN PENELITIAN ENGINE CONTROL UNITMENGGUNAKAN FPGA BERBASIS EMBEDDED SISTEM

PENGENDALIANB. Prem Anand, C.G. Saravanan

Annamalai UniversityFaculty of Engineering and Technology Department of Mechanical Engineering

Annamalainagar - 608 002, Tamilnadu, Indiatel.: +919843678233, +919843064772, fax: +04144 238275 e-mail: prem.au2005@gmail.com,

rsdk66@yahoo.comJournal of KONES Powertrain and Transport

Mata Kuliah : Struktur dan Sifat MaterialDosen : 1. Dr. Riza Wirawan

2. Ir. Yunita Sari, MT.

1 . Pendahuluan

1.1 Latar BelakangUntuk memperpendek siklus dan mengurangi biayapengembangan karena persaingan pasar memerlukanpengembangan program-program baru dan menerapkanpada sistem pengujian untuk pengukuran danpengendalian. Dalam kasus ini, ada kebutuhan untukmelakukan komunikasi program melalui port jaringan danbuilt in web ( HTTP ) dan file ( FTP ) server serta untukmenambah perluasan dan masukan didistribusikan danoutput ( I / O ) ke sistem. akselerasi mesin otomotifrevolusi di kisaran kecepatan sampai 15 , 000 rpm.Padakecepatan ini , rotasi putaran crankshaft= 4 ms per rotasidan sistem harus tepat mengontrol bahan bakar danmemicu peristiwa terjadi sudut kurang dari 1o

Pendekatan yang dipilih penelitian ini sangat tergantungpada sumber pengolahan kecepatan tinggi seperti bidanggerbang programmable array/field programmable gatearrays ( FPGA ) . Sebuah FPGA adalah chip yang terdiri dariunconfigured gerbang logika. FPGA digunakan dalampengembangan aplikasi biaya dan fabrikasi specificintegrated circuit (ASIC ) atau perangkat keras yangditempatkan dalam layanan . FPGA muncul dalamperangkat seperti instrumen elektronik , elektronikkonsumen , mobil, pesawat terbang , mesin fotokopi , danaplikasi - spesifik perangkat keras komputer

1.2 Tujuan PenelitianProyek ini berfungsi pemetaan pengembangan bahanbakar injeksi dengan simulasi fungsi sensor dan untukmelacak posisi sudut crankshaft menggunakan sudutengkol berkode dan menghasilkan bahan bakar berbasissudut yang tepat.

2. Konfigurasi sistem Hardware

Modul ini dapat digunakan untuk mengimplementasikan penyesuaian kecepatan tinggi counter /timer , protokol komunikasi digital , generasi pulsa dan banyak lagi . National instrument NI 9401terhubung dengan kode sudut engkol untuk menerima sinyal dalam bentuk pulsa dan untuk diproseslebih lanjut . Modul kedua NI 9201 adalah seri C 8 - channel , 12 bit , kompatibel dengan menerima10V input analog pada tingkat agregat maksimum 500 Ks / s . Modul ini menerima sinyal dalambentuk kisaran tegangan antara 0 5 yang dapat digunakan untuk perhitungan lebih lanjut. Modulinput analog NI 9201 terhubung dengan Throttle Position Sensor ( TPS )

a) b) c) d)

Fig. 1. a) A 9074 CompactRIO Real-Time Controller with dual Ethernet ports, b) NI 9401 8 Channel, 5 V/TTL High- SpeedBidirectional C Series Digital I/O Module, c) NI 9201 8Channel, 10 V, 500 kS/s, 12-Bit C Series Analog Input Module, d) NI 9474 8Channel, 5 to 30 V, 1 s Sourcing C Series Digital Output Module

Fig. 2. NI 9074 CompactRIO Real-Time Controller with input and output modules

Gb . 2 menunjukkan dirakit pandangan NI cRIO 9074 tertanam mikro kontroler yang terkaitdengan I / O modul

3 . Arsitektur Software

Perangkat lunak berbasis virtual instrumentation (VI), Fungsi alat inidiatur dalam struktur menu penggerak/driven. Pengguna dapatmembangun panel depan menggunakan kontrol dan indikator , yangmerupakan input dan output terminal interaktif dari VI masing-masing. VI tidak hanya digunakan untuk pengembangan program , analisisdata, dokumentasi hasil dan tetapi juga berfungsi sebagai softwarependukung untuk fungsi hardware .

4. Pengembangan sistem embeddedSistem embedded terdiri dari mesin uji, perangkat keras danperangkat lunak aplikasi. MIKUNI membuat katup kupu-kupu dankomponen sensor posisi Throttle ( TPS ) dan Manifold Absolute Sensor( MAP) perakitan digunakan sebagai sistem intake manifold . SebuahNI - pengukuran dan otomatisasi explorer perangkat lunak berbasis VIdigunakan untuk mengembangkan real time control injeksi bahanbakar dan sensor program akuisisi data secara online seperti yangditunjukkan dalam Gambar . 3 . Pengukuran dan otomatisasisoftware interface program VI dan perangkat keras seperti yang telahdimuat dengan driver untuk aktivasi . Sensor , sudut engkol berkode,busi dan injektor bahan bakar yang terhubung dengan sistem,dikembangkan dalam RECU.

5 . Programming posisi throttleSensor Posisi Throttle ( TPS ) dipasang pada throttle body dan mengubahsudut katup throttle menjadi sinyal listrik . Sebagai throttle terbuka ,tegangan sinyal meningkat . Saat idle , tegangan sekitar 0,6 volt padakabel sinyal . Dari tegangan ini , reu tahu pelat throttle ditutup . Padathrottle terbuka lebar , sinyal tegangan sekitar 3,6 volt .

Throttle Angle T Idle 20 40 60 80Voltage Drop, Eo 0.6 0.8 1.6 2.4 3.2

Tab. 1. Calibrated Values of Throttle Position Sensor

E0 = kp x (1) = 90oEm = 3,6 Voltwhere:E Output voltage, Volts,Kp- Sensitivity of potentiometer, 0.04 Volt/degree,Em Maximum output voltage, Volts

6.. Programming berjenis posisi absolutTekanan intake manifold sensor MAP adalah berkaitan langsung dengan bebanmesin. ECU perlu mengetahui tekanan intake manifold untuk menghitungberapa banyak bahan bakar untuk dikabutkan, kapan harus menyalakansilinder, dan fungsi lainnya.

MAP sensor mengubah tekanan intakemanifold menjadi tegangansinyal.

Tab. 2. Calibrated Values of Manifold Absolute Pressure SensorVoltage Drop Vo 0.3-0.5 0.7-0.9 1.1-1.3 1.5-1.7 1.9-2.1 3.2-3.5 3.6-3.8

Applied Vacuum kPa 13.3 26.7 40.0 53.5 66.7 87.2 102.7

where:Vo = 0.03P + 0.6, (2)when P = 120 kPa,Vo = (0.03120) + 0.6,Vm = 4.2 volts,Vo Output voltage from MAP sensor, Volts,P Atmospheric pressure, kPa,Vm Maximum output voltage, Volts

7 . Programming sensor oksigenReu ini menggunakan sensor oksigen untuk memastikan rasio bahanbakar udara benar untuk catalytic converter . Sensor oksigenmenghasilkan sinyal tegangan berdasarkan jumlah oksigen di knalpotdibandingkan dengan oksigen atmosfer . Ketika konten knalpotoksigen tinggi , tegangan output sensor oksigen rendah . Ketikakonten knalpot oksigen rendah , tegangan output sensor oksigentinggi . Semakin besar perbedaan kadar oksigen antara aliran gasbuang dan atmosfer , semakin tinggi sinyal tegangan. VI Program akanmemberikan output yang pasti bisa menunjukkan status gas buang .

Exhaust oxygen Content Oxygen Sensor Output Air/Fuel RatioLow High, Above 0.45 Volts RichHigh Low, Below 0.45 volts Lean

8. Pemetaan injeksi bahan bakarJumlah bahan bakar yang diinjeksikan tergantung pada tekanansistem bahan bakar dan lamanya waktu injector dihidupkan. Jumlahbahan bakar yang diinjeksikan tergantung pada sejumlah parameterseperti kecepatan mesin , tekanan bahan bakar, durasi injeksi ,injektor tegangan suplai dan waktu mati dll

Fig.4. Fuel injection test bench

Injector flow rate (cc/min)=

(Engine HP x BSFC)(Number of injectors x duty cycless)where BSFC - Brake specific fuel consumption

Injector flow rate (cc/min) =

Fig. 7. Virtual instrumentation programme ( Frontpanel) for pulse width measurement

9. Kontrol EnginePada tahap akhir , program yang dikembangkan ditempatkan di NI 9074real time mikrokontroler dan reu itu dihubungkan dengan mesin uji .Menggunakan labview FPGA , strategi pengendalian real-timediimplementasikan untuk injeksi bahan bakar dan waktu percikan.

Pulse width = (Tb) x (Factor A) x (Factor B), (4)Tb = MAF , (5)

r( N / 2)( A / F )where:Tb base pulse width,MAF Mass air flow rate kg/sec,r Speed of the engine,N Number of cylinders,(A/F)R Required air fuel ratio.

Base pulsewidth

A Factor A

Tb

20 1.240 1.160 1.080 0.990 0.8

Factor A- Proportional pulse width for MAP sensorFactor B - Proportional pulse width for TPS sensor

Untuk tujuan validasi , lebar pulsa inisecara manual disesuaikan untukmembaca torsi dan output sensor oksigenpada nilai yang diinginkan . Di semuabeban operasi , kehilangan 10 -12 % daritenaga mesin tercatat yang dapatberkorelasi dengan koefisien koreksiberbagai parameter .

10. KesimpulanDengan fasilitas simulasi, RECU meningkatkanpengembang untuk membatasi sebagian besarparameter operasi mesin lebih jauh dari keadaansesungguhnya. Reu itu mencapai kinerja yangsebanding dengan ECU pabrik sambil memberikankemampuan untuk melaksanakan algoritma kontrolpenelitian dan pengembangan, yang tidak mungkinberorientasi dengan produksi - elektronik. CompactRIOreconfigurable memungkinkan reu yang akan terlibatuntuk berbagai pengujian otomotif dan aplikasipengukuran terutama tertanam prototypeembedded.

[1] Dase, C., Sullivan Falcon, J., Maccleery, B., Motorcycle Control Prototyping Using anFPGA-Based Embedded Control System, IEEE Control System Magazine, Vol. pp. 17-21, 2006.[2] Drivven, Inc. Homeapage, Driven-Powertrain Rapid ControlPrototypinghttp://www.driven.com.[3] National Instruments Labview Real-Time Web portal, Labview Real -Time for Measurementand Control, Available: http://www.ni.com/realtime.[4] Xilinx product page, System Generator for DSP - the Leading - Edge ModelingandImplementation tool for High Performance DSP system, Available:http//www.xilinx.comise/options_prod/system_generator.htm.[5] Celoxica homepage, Welcome to Celoxica - the Technology Leader in C Based DesignandSynthesis, http://www.celoxica.com.[6] National Instruments Labview Toolkit Web portal, LabviewToolkitshttp//www.ni.com/tookits.[7] National Instruments Labview FPGA Web portal, Labview FPGA - Hardware Without Having toBuild it, Available: http://www.ni.com /fpga.

Referensi :

Terima kasih