DEVELOPMENT OF RESEARCH ENGINE CONTROL UNIT USING FPGA -BASED EMBEDDED CONTROL SYSTEM PENGEMBANGAN PENELITIAN ENGINE CONTROL UNIT MENGGUNAKAN FPGA BERBASIS EMBEDDED SISTEM PENGENDALIAN

Diulas oleh :Agus Mustiko Adi TriyantoroKonsentrasi : Teknik MesinPROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNOLOGI KEJURUANPROGRAM MAGISTER PASCASARJANAFAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA2014DEVELOPMENT OF RESEARCH ENGINE CONTROL UNIT USING FPGA -BASED EMBEDDED CONTROL SYSTEMPENGEMBANGAN PENELITIAN ENGINE CONTROL UNIT MENGGUNAKAN FPGA BERBASIS EMBEDDED SISTEM PENGENDALIANB. Prem Anand, C.G. SaravananAnnamalai 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 TransportMata Kuliah : Struktur dan Sifat MaterialDosen : 1. Dr. Riza Wirawan 2. Ir. Yunita Sari, MT.1 . Pendahuluan1.1 Latar BelakangUntuk memperpendek siklus dan mengurangi biaya pengembangan karena persaingan pasar memerlukan pengembangan program-program baru dan menerapkan pada sistem pengujian untuk pengukuran dan pengendalian. Dalam kasus ini, ada kebutuhan untuk melakukan komunikasi program melalui port jaringan dan built in web ( HTTP ) dan file ( FTP ) server serta untuk menambah perluasan dan masukan didistribusikan dan output ( I / O ) ke sistem. akselerasi mesin otomotif revolusi di kisaran kecepatan sampai 15 , 000 rpm.Pada kecepatan ini , rotasi putaran crankshaft= 4 ms per rotasi dan sistem harus tepat mengontrol bahan bakar dan memicu peristiwa terjadi sudut kurang dari 1o Pendekatan yang dipilih penelitian ini sangat tergantung pada sumber pengolahan kecepatan tinggi seperti bidang gerbang programmable array/field programmable gate arrays ( FPGA ) . Sebuah FPGA adalah chip yang terdiri dari unconfigured gerbang logika. FPGA digunakan dalam pengembangan aplikasi biaya dan fabrikasi specific integrated circuit (ASIC ) atau perangkat keras yang ditempatkan dalam layanan . FPGA muncul dalam perangkat seperti instrumen elektronik , elektronik konsumen , mobil, pesawat terbang , mesin fotokopi , dan aplikasi - spesifik perangkat keras komputer 1.2 Tujuan PenelitianProyek ini berfungsi pemetaan pengembangan bahan bakar injeksi dengan simulasi fungsi sensor dan untuk melacak posisi sudut crankshaft menggunakan sudut engkol berkode dan menghasilkan bahan bakar berbasis sudut 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 9401 terhubung dengan kode sudut engkol untuk menerima sinyal dalam bentuk pulsa dan untuk diproses lebih lanjut . Modul kedua NI 9201 adalah seri C 8 - channel , 12 bit , kompatibel dengan menerima 10V input analog pada tingkat agregat maksimum 500 Ks / s . Modul ini menerima sinyal dalam bentuk kisaran tegangan antara 0 5 yang dapat digunakan untuk perhitungan lebih lanjut. Modul input 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- Speed Bidirectional 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 8 Channel, 5 to 30 V, 1 s Sourcing C Series Digital Output Module

Fig. 2. NI 9074 CompactRIO Real-Time Controller with input and output modulesGb . 2 menunjukkan dirakit pandangan NI cRIO 9074 tertanam mikro kontroler yang terkait dengan I / O modul 3 . Arsitektur SoftwarePerangkat lunak berbasis virtual instrumentation (VI), Fungsi alat ini diatur dalam struktur menu penggerak/driven. Pengguna dapat membangun panel depan menggunakan kontrol dan indikator , yang merupakan input dan output terminal interaktif dari VI masing-masing . VI tidak hanya digunakan untuk pengembangan program , analisis data, dokumentasi hasil dan tetapi juga berfungsi sebagai software pendukung untuk fungsi hardware .

4. Pengembangan sistem embedded Sistem embedded terdiri dari mesin uji, perangkat keras dan perangkat lunak aplikasi. MIKUNI membuat katup kupu-kupu dan komponen sensor posisi Throttle ( TPS ) dan Manifold Absolute Sensor ( MAP) perakitan digunakan sebagai sistem intake manifold . Sebuah NI - pengukuran dan otomatisasi explorer perangkat lunak berbasis VI digunakan untuk mengembangkan real time control injeksi bahan bakar dan sensor program akuisisi data secara online seperti yang ditunjukkan dalam Gambar . 3 . Pengukuran dan otomatisasi software interface program VI dan perangkat keras seperti yang telah dimuat 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 mengubah sudut katup throttle menjadi sinyal listrik . Sebagai throttle terbuka , tegangan sinyal meningkat . Saat idle , tegangan sekitar 0,6 volt pada kabel sinyal . Dari tegangan ini , reu tahu pelat throttle ditutup . Pada throttle terbuka lebar , sinyal tegangan sekitar 3,6 volt . Throttle Angle TIdle20406080Voltage Drop, Eo0.60.81.62.43.2Tab. 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, Volts6.. Programming berjenis posisi absolut Tekanan intake manifold sensor MAP adalah berkaitan langsung dengan beban mesin. ECU perlu mengetahui tekanan intake manifold untuk menghitung berapa banyak bahan bakar untuk dikabutkan, kapan harus menyalakan silinder, dan fungsi lainnya.

MAP sensor mengubah tekanan intake manifold menjadi tegangan sinyal.Tab. 2. Calibrated Values of Manifold Absolute Pressure SensorVoltage Drop Vo0.3-0.50.7-0.91.1-1.31.5-1.71.9-2.13.2-3.53.6-3.8Applied Vacuum kPa13.326.740.053.566.787.2102.7where: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, Volts7 . Programming sensor oksigenReu ini menggunakan sensor oksigen untuk memastikan rasio bahan bakar udara benar untuk catalytic converter . Sensor oksigen menghasilkan sinyal tegangan berdasarkan jumlah oksigen di knalpot dibandingkan dengan oksigen atmosfer . Ketika konten knalpot oksigen tinggi , tegangan output sensor oksigen rendah . Ketika konten knalpot oksigen rendah , tegangan output sensor oksigen tinggi . Semakin besar perbedaan kadar oksigen antara aliran gas buang dan atmosfer , semakin tinggi sinyal tegangan. VI Program akan memberikan output yang pasti bisa menunjukkan status gas buang .

Exhaust oxygen ContentOxygen Sensor OutputAir/Fuel RatioLowHigh, Above 0.45 VoltsRichHighLow, Below 0.45 voltsLean8. Pemetaan injeksi bahan bakar Jumlah bahan bakar yang diinjeksikan tergantung pada tekanan sistem bahan bakar dan lamanya waktu injector dihidupkan. Jumlah bahan bakar yang diinjeksikan tergantung pada sejumlah parameter seperti 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 consumptionInjector flow rate (cc/min) =

Fig. 7. Virtual instrumentation programme ( Front panel) for pulse width measurement9. Kontrol Engine Pada tahap akhir , program yang dikembangkan ditempatkan di NI 9074 real time mikrokontroler dan reu itu dihubungkan dengan mesin uji . Menggunakan labview FPGA , strategi pengendalian real-time diimplementasikan 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 pulsewidthAFactor ATb201.2401.1601.0800.9900.8

Factor A- Proportional pulse width for MAP sensorFactor B - Proportional pulse width for TPS sensorUntuk tujuan validasi , lebar pulsa ini secara manual disesuaikan untuk membaca torsi dan output sensor oksigen pada nilai yang diinginkan . Di semua beban operasi , kehilangan 10 -12 % dari tenaga mesin tercatat yang dapat berkorelasi dengan koefisien koreksi berbagai parameter .10. Kesimpulan Dengan fasilitas simulasi, RECU meningkatkan pengembang untuk membatasi sebagian besar parameter operasi mesin lebih jauh dari keadaan sesungguhnya. Reu itu mencapai kinerja yang sebanding dengan ECU pabrik sambil memberikan kemampuan untuk melaksanakan algoritma kontrol penelitian dan pengembangan, yang tidak mungkin berorientasi dengan produksi - elektronik. CompactRIO reconfigurable memungkinkan reu yang akan terlibat untuk berbagai pengujian otomotif dan aplikasi pengukuran terutama tertanam prototype embedded.[1] Dase, C., Sullivan Falcon, J., Maccleery, B., Motorcycle Control Prototyping Using an FPGA-Based Embedded Control System, IEEE Control System Magazine, Vol. pp. 17-21, 2006. [2] Drivven, Inc. Homeapage, Driven-Powertrain Rapid Control Prototypinghttp://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 Modeling andImplementation 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 Design andSynthesis, http://www.celoxica.com. [6] National Instruments Labview Toolkit Web portal, Labview Toolkitshttp//www.ni.com/tookits. [7] National Instruments Labview FPGA Web portal, Labview FPGA - Hardware Without Having to Build it, Available: http://www.ni.com /fpga. Referensi :Terima kasih