Электронные схемы блок управления двигателя автомобиля

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Электронное управление и регулирование

Управление и регулирование посредством ЭБУ

При получении сигналов от датчиков нередко одна или несколько входных величин влияют на один или несколько выходных параметров. Все эти нюансы предусматриваются программой электронного блока, и он может выбрать наиболее оптимальную команду из предлагаемого программой перечня. Таким образом, ЭБУ автомобильных систем осуществляют функции управления и регулирования для выбора наиболее рационального выходного сигнала к исполнительным устройствам.

Управление

В ЭБУ выходные параметры для исполнительных устройств рассчитываются с использованием входных величин, заданных величин, полей характеристик и алгоритмов. Само воздействие не проверяется (открытый процесс управления). Такой метод используется, например, при программном управлении работой свечей накаливания.

Регулирование

В ЭБУ фактическое значение параметра постоянно сравнивается с его заданной (оптимальной) величиной, и обеспечивается замкнутая последовательность действий (по контуру регулирования). Как только обнаруживается различие, ЭБУ корректирует работу исполнительного механизма.
Преимуществом регулирования является возможность выявления и учета вредных воздействий (помех), например, при регулировании частоты вращения коленчатого вала на режиме минимальных оборотов холостого хода.

Обработка данных

При работе системы электронный блок управления (ЭБУ) принимает сигналы датчиков (входные сигналы), оценивает их и ограничивает допустимыми уровнями напряжения. Некоторые входные сигналы в качестве диагностики проходят проверку на достоверность.
Так, например, микропроцессор ЭБУ дизельного двигателя системы Common Rail рассчитывает момент начала, и продолжительность впрыска топлива с учетом сигналов датчиков и параметров, загруженных в него полей характеристик. Рассчитанные значения преобразуются в выходные сигналы для исполнительных устройств.

Выходными сигналами управляют оконечные каскады, имеющие достаточную мощность для привода исполнительных механизмов (например, форсунок, электромагнитных клапанов высокого давления, клапана рециркуляции отработавших газов и др.).
Дополнительно через сетевой интерфейс происходит обмен сигналами с другими системами автомобиля.
Рассмотрим подробнее, как это происходит.

Входные сигналы

Датчики и исполнительные механизмы образуют периферию ЭСАУ, а ЭБУ является центром обработки данных. От датчиков на ЭБУ по кабельной разводке и разъемам передаются электрические сигналы, которые могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными (см. рисунок 1).

Аналоговые входные сигналы могут иметь любое (в определенных пределах) значение напряжения. Такие электрические сигналы передают большинство датчиков, где измеряемая физическая величина изменяется и фиксируется непрерывно, например, расход воздуха, давление на впуске двигателя, напряжение аккумуляторной батареи, температура охлаждающей жидкости и воздуха и др.

Микропроцессор ЭБУ может обрабатывать только цифровые сигналы, поэтому аналоговые сигналы с датчиков преобразуются аналого-цифровым преобразователем ЭБУ в цифровые значения. Максимальное разрешение таких сигналов осуществляется ступенями по 5 мВ на бит (около 1000 ступеней).
Поскольку любой компьютер умеет «читать» лишь два слова – «да» и «нет», цифровые входные сигналы имеют только два значения: «High» – логическая единица (1) и «Low» – логический ноль (0).
Входными цифровыми сигналами могут быть: сигналы выключателей (вкл/выкл), цифровые сигналы магниторезистивных датчиков, датчиков Холла. Их сигналы могут непосредственно обрабатываться микроконтроллером.

Импульсные входные сигналы обычно поступают от индуктивных датчиков частоты вращения и положения (например, коленчатого вала, газораспределительного вала). Такие сигналы обрабатываются в соответствующей части схемы ЭБУ, при этом мешающие импульсы (помехи) подавляются, и сами импульсные сигналы преобразуются в цифровые.

Подготовка и обработка входного сигнала

Подготовка сигнала в зависимости от устройства датчика может происходить частично или полностью в нем самом.
Входные сигналы ограничиваются схемой защиты до необходимого уровня напряжения. Необходимые сигналы датчиков фильтруются от наложенных помех и в случае необходимости усиливаются до уровня напряжений 0. 5 В.
После преобразования входных сигналов в цифровые коды (если это необходимо), они сравниваются с эталонными значениями и идентифицируются. Далее блок управления по программе рассчитывает выходные сигналы.

Микроконтроллер является центральным конструктивным элементом ЭБУ (рис. 1), управляет последовательностью функций. Микроконтроллер включает управляющий модуль CPU (Central Processing Unit) или микропроцессор, микрочип со встроенными входными и выходными каналами, таймер, модули ROM и RAM, серийные согласующие устройства и другие периферийные блоки.
Кварцевый тактовый генератор вырабатывает тактовые импульсы для микроконтроллера.

Память для программ и данных нужна микроконтроллеру для реализации расчетов. Программное обеспечение хранится в «памяти» – постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) в форме двоичных числовых значений, разделенных на наборы данных. Модуль CPU считывает эти величины, интерпретирует их как команды и выполняет эти команды по очереди.

ПЗУ включает модули памяти ROM, EPROM или Flash-EPROM. Кроме того, в ПЗУ хранятся специфические данные и параметры (отдельные значения, характеристики и поля характеристик), которые не могут изменяться в процессе эксплуатации автомобиля, но влияют на процесс управления и регулирования программы.

ПЗУ может быть интегрировано в микроконтроллер и при необходимости дополнительно расширено внешними модулями памяти EPROM или Flash-EPROM.

Модуль памяти ROM (Read Only Memory)

Основное ПЗУ выполняется в виде модуля памяти ROM и содержит информацию, предназначенную только для чтения, которая загружается при изготовлении модуля и после этого уже не может быть изменена.
Объем памяти модуля ROM, интегрированного в микроконтроллер, ограничен. Для сложных систем управления (ЭСАУ) требуются дополнительные модули памяти.

Рис. 1. Обработка сигналов в ЭБУ

Модуль памяти EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

Модуль памяти EPROM это стираемое и перепрограммируемое ПЗУ, хранящее информацию, которая может стираться облучением ультрафиолетовыми лучами и с помощью устройства программирования снова записывается.
Модуль памяти EPROM обычно выполняется как отдельный конструктивный элемент. Управляющий модуль CPU обращается к модулю памяти EPROM через адресную шину и шину данных.

Модуль памяти Flash-EPROM (FEPROM)

Модуль памяти Flash-EPROM обычно сокращенно называют Flash-память. Информация в этот модуль может заноситься и стираться электрически.
ЭБУ с модулями памяти Flash-EPROM может быть перепрограммирован программатором через последовательный интерфейс на станции техобслуживания без вскрытия. Если микроконтроллер дополнительно снабжен модулями ПЗУ, то в них имеются программы для программирования Flash-памяти.
Модули памяти Flash-EPROM вместе с микроконтроллером могут быть интегрированы в микрочип.
Из-за своих преимуществ Flash-EPROM вытесняет использование упрощенных модулей EPROM.

Модуль памяти RAM (Random Access Memory)

Модуль RAM является оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), с помощью которого производится чтение/запись всех текущих величин изменяющихся параметров (переменных), например, значений сигналов. Для многозадачного использования емкости одного модуля памяти RAM, интегрированного в микроконтроллер, недостаточно, поэтому требуется дополнительный модуль памяти RAM, который подключается к микроконтроллеру через адресную шину и шину данных.
Если питание ЭБУ отключается, то модуль памяти RAM теряет весь массив данных (это энергозависимая память).

Модуль памяти EEPROM (E2PROM)

Модуль памяти RAM теряет всю информацию, если отключается от источника питания. Данные, которые необходимо сохранить для последующего управления и диагностики системы (например, коды и параметры неисправностей), должны долговременно храниться в модулях, не зависимых от электропитания.

Модуль памяти EEPROM загружается информацией электрически, но в нем, в противоположность модулю памяти Flash-EPROM, информация может стираться и заполняться по отдельности в каждой ячейке памяти.
Модуль памяти EEPROM предназначен для многократного повторения циклов записи/стирания информации и применяется как энергонезависимое устройство чтения/записи.

Модуль ASIC (Application Specific Integrated Circuit)

Модули ASIC это адаптивные интегральные схемы, предназначенные для расширения технических возможностей ЭБУ по расчету данных, когда стандартных микроконтроллеров недостаточно.
Эти интегральные схемы проектируются и изготавливаются по заданию разработчиков ЭБУ. Они могут содержать дополнительный модуль памяти RAM, входные и выходные каналы, самостоятельно генерировать и передавать сигналы ШИМ.

Модуль контроля

Микроконтроллер и модуль контроля взаимно отслеживают действия друг друга путем постоянного обмена информацией в режиме «вопрос — ответ». Если распознана ошибка, то оба устройства независимо друг от друга могут перейти на работу в аварийном режиме.

Выходные сигналы исполнительным устройствам

Микроконтроллер с помощью выходных сигналов управляет выходными каскадами ЭБУ, которые генерируют сигналы достаточной мощности для непосредственного управления исполнительными устройствами, а в некоторых случаях и реле.
Каждый выходной каскад защищен от короткого замыкания и скачков напряжения, а также от разрушения вследствие электрической или тепловой перегрузки. Любой нештатный режим интегральные схемы оконечных каскадов распознают как ошибку, и передают об этом сигнал в микроконтроллер.
Коммутационные сигналы служат для включения и выключения исполнительных устройств (например, электрического вентилятора системы охлаждения двигателя).

Сигналы ШИМ

Цифровые выходные сигналы могут генерироваться как сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эти сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов с постоянной частотой f = 1/T и переменной длительностью t (рис. 2).
С помощью ШИМ-сигнала ЭБУ управляет исполнительными устройствами, приводя их в любое рабочее положение, изменяя параметр сигнала, называемый коэффициент заполнения D = t/T .

Рис. 2. Сигнал ШИМ:
T – период сигнала; t – переменная длительность сигнала

Передача данных внутри блока управления

Периферийные системы, поддерживающие работу микроконтроллера, могут обмениваться с ним сигналами через адресную шину и шину данных. Например, микроконтроллер выдает через адресную шину адрес модуля памяти RAM, по которому должно читаться содержание памяти.

В начале развития автомобильной электроники использовались 8-битные шины из восьми проводников, по которым передавались целые значения величиной до 256.
16-битные адресные шины уже могут обращаться к 65 536 адресам.

Современные электронные системы управления нуждаются в 16— или 32-битной шине данных. Для уменьшения количества электрических выводов, шину данных и адресную шину мультиплексируют, т. е. адреса и данные передают в разное время, при этом используют одни и те же проводники.
Данные, не требующие высоких скоростей передачи (например, данные памяти неисправностей), используют последовательные интерфейсы только с одной линией передачи данных.

Обмен данными между различными ЭСУ автомобиля

В процессе работы электронные системы автомобиля, управляющие различными устройствами и механизмами, взаимодействуют между собой, обмениваясь актуальными данными. Рассмотрим, как осуществляется обмен данными между электронными блоками ЭСУ автомобиля на примере взаимодействия с ЭСУД (электронной системы управления двигателем).

Микропроцессор ЭБУ дизельного двигателя системы Common Rail определяет момент начала и продолжительность впрыска топлива с учетом сигналов датчиков, и рассчитывает текущий расход топлива.
Сигнал расхода топлива передается ЭБУ двигателя 3 (рис. 3) в виде цифрового послания в шину CAN. Особенность шины CAN в том, что при передачи каким-либо ЭБУ послания в шину, оно одновременно поступает на все остальные ЭБУ автомобиля, подключенные к этой шине.
Таким образом, послание от ЭБУ двигателя прочитывается блоком управления комбинации приборов или автономным бортовым компьютером 6, которые демонстрируют водителю данные мгновенного расхода топлива и (или) запаса хода.
В старых электронных системах управления в качестве сигнала расхода топлива использовался ШИМ-сигнал (рис. 1).

Внешняя регулировка крутящего момента обеспечивается изменением подачи топлива под влиянием работы других систем автомобиля, например, антипробуксовочной системы или управления коробкой передач. Эти системы сообщают ЭБУ двигателем об изменении крутящего момента двигателя (обычно, в сторону снижения), а вместе с ним, соответственно, и величины подачи топлива.

Управление генератором 9 (рис. 3) и его диагностика может обеспечиваться через стандартный серийный интерфейс ЭБУ двигателем.
Например, при разряженной аккумуляторной батарее ЭБУ поддерживает повышенную частоту вращения коленчатого вала на режиме минимальных оборотов холостого хода.
В некоторых современных автомобилях управление генератором реализуется чрез шину LIN (Local Interconnect Network – локальная коммутируемая сеть, которая используется для управления электромеханическими компонентами автомобиля).

Рис. 3. Возможные системы для обмена данными с блоком управления работой двигателя:
1 — Блок управления системой стабилизации движения (с ABS и др. системами); 2 — Блок управления КПП; 3 — Блок управления работой двигателя; 4 — Блок управления кондиционером; 5 — Блок управления включением свечей накаливания; 6 — Комбинация приборов с автономным бортовым компьютером; 7 — Электронное противоугонное устройство; 8 — Стартер; 9 — Генератор; 10 — Компрессор кондиционера

Управление стартером 8 (рис. 3) производится ЭБУ двигателем, который обеспечивает блокировку стартера для предотвращения его включение при работающем двигателе.
Блок управления включением свечей накаливания 5 получает от ЭБУ двигателем информацию о моменте начала и продолжительности процесса накаливания свечей, управляет этим процессом и контролирует его. Для проведения диагностики в ЭБУ двигателя сообщается о нарушениях в этом процессе.
При прогреве камер сгорания блок 5 отключает контрольную лампу предварительного прогрева на панели приборов автомобиля.

Электронное блокирование движения необходимо для предотвращения несанкционированное использование автомобиля. Двигатель может запуститься только в том случае, когда электронное противоугонное устройство 7 (рис. 3) разблокирует ЭБУ двигателем.
С помощью пульта дистанционного управления или выключателя стартера и свечей накаливания водитель посылает сигнал на противоугонное устройство, подтверждающий, что он правомочен использовать этот автомобиль.
В этом случае ЭБУ двигателем подключается к остальным системам, и становятся возможными как пуск самого двигателя, так и движение автомобиля.

Кондиционер является частью климатической установки автомобиля и необходим для обеспечения комфортных условий труда водителя при высоких температурах окружающего воздуха.
Кондиционер охлаждает воздух в салоне с помощью компрессора 10, потребляемая мощность которого может составлять до 30% мощности двигателя. При различных условиях движения автомобиля, компрессор кондиционера управляется, в т. ч. ЭБУ двигателем, который может на некоторое время его отключить при резком увеличении оборотов. Так как это отключение кратковременно, оно не произведет заметного влияния на температуру в салоне автомобиля.

Источник статьи: http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.02/8-JEBU_2/index.shtml