Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ основных систем управления двигателем автомобиля 7
1.1. Принципы построения систем управления двигателем 7
1.2. Система управления двигателем "Январь-4" 18
1.3.Система управления двигателем "Digifant" 23
1.4. Система управления двигателем "KE-Jetronic" 25
1.5. Система управления двигателем "L-Jetronic" 27
1.6. Система управления двигателем "Mitsubishi МРГ 31
1.7.Система управления двигателем "Mono-Jetronic" 33
1.8. Система управления двигателем "Motronic 37
1.9. Система управления двигателем "Motronic 1.3" 39
1.10. Система управления впрыском топлива "Motronic 3.1" 41
Выводы 43
ГЛАВА 2. Анализ основных систем диагностики ЭСУД 45
2.1. Задачи контроля и диагностики 45
2.2. Основные диагностические комплексы и системы 46
2.3. Программное обеспечение электронной системы управления двигателем 62
2.3.1. Функциональная схема ПО электронного блока управления 62
2.3.2. Обработка сигналов датчиков и их диагностика 64
2.3.3. Режим пуска двигателя 70
2.3.4. Режим холостого хода 72
2.3.5. Рабочий режим двигателя 76
2.3.6. Режимы отключения топливоподачи 77
2.3.7. Выбор угла опережения зажигания в рабочих режимах 78
Выводы 85
ГЛАВА 3. Построение системы дистанционной диагностики 87
3.1 Характеристики и возможности Bluetooth технологий 87
3.2. Принцип построения систем Bluetooth 91
3.3. Структура и формат пакета Bluetooth. Стек протоколов 94
3.4. Анализ элементной базы и структуры устройств Bluetooth 98
3.5. Анализ особенностей распространения радиоволн в пикосетях 102
3.6. Организация канала связи диагностического комплекса 107
Выводы 117
ГЛАВА 4. Результаты испытаний диагностического комплекса 119
4.1. Схемные варианты адаптеров диагностического комплекса 119
4.2. Определение надежности различных элементов электронной системы управления двигателем 125
Выводы 136
Заключение 137
Список литературы 142
- Принципы построения систем управления двигателем
- Система управления двигателем "Motronic
- Основные диагностические комплексы и системы
- Характеристики и возможности Bluetooth технологий
Принципы построения систем управления двигателем
В последние годы в конструкции автомобиля произошли значительные изменения, связанные с повсеместным внедрением электроники в устройства управления двигателем и автомобилем в целом. Радикальное решение проблемы управления топливоподачей и зажиганием стало возможно благодаря применению электрически управляемые исполнительных устройств работающих под управлением микропроцессора. И если первые электронные системы управления подачей топлива и зажиганием были электрически управляемым аналогом карбюратора, вакуумного и центробежного регуляторов зажигания, то, в настоящее время они, по сути дела, являются системами управления рабочим процессом двигателя, осуществляющими управление подачей топлива, зажиганием, наполнением цилиндров, рециркуляцией отработавших газов и многими другими параметрами. Это стало возможным благодаря применению микропроцессоров позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления, учитывающие большинство факторов, влияющих на рабочий процесс двигателя и осуществить управление ими. Замена механических устройств управления рабочим процессом двигателя электрически управляемыми устройствами не только повысила их надежность но и позволила реализовать управление рабочим процессом двигателя на цикловом уровне. Движение современного автомобиля протекает в сложной дорожной обстановке, в транспортных потоках, формируемых большим количеством случайных факторов, изменяющихся как в пространстве, так и во времени. Под воздействием этих факторов так же случайным образом, меняются скорость движения, ускорение и траектория движущихся автомобилей. Непрерывное и случайное изменение положения органа управления двигателем, осуществляемое водителем в этих условиях при управлении автомобилем, а также непрерывное изменение нагрузки на двигатель, формируемой трансмиссией автомобиля, обуславливают нестационарные условия работы автомобильного двигателя и являются наиболее характерными и наиболее важными отличиями автомобильной энергетической установки от энергетических установок других транспортных средств. [3], [15].
Систему управления рабочим процессом двигателя можно разделить на несколько элементов, а именно: устройства сбора информации, устройства обработки информации и исполнительные устройства. Эти элементы системы управления связаны между собой каналами передачи информации, которые также являются элементами системы. Необходимо подчеркнуть, что при анализе отдельных элементов системы управления рабочим процессом двигателя нас интересуют только функциональные свойства элементов, то есть те, которые определяют их взаимодействие с другими элементами и оказывают влияние на характер поведения системы управления в целом. Внутренняя структура элементов не является предметом данного исследования.
В наиболее важную, с точки зрения организации управления группу входят датчики угловой синхронизации. К этим датчикам относятся: датчик углового положения коленчатого вала (ДПКВ), датчик положения распределительного вала (ДПРВ) и в некоторых системах управления, датчик начального положения коленчатого вала (ДНПКВ). Особая роль этих датчиков определяется тем, что все процессы управления рабочим процессом поршневого двигателя внутреннего сгорания, в той или иной мере заданы цикличностью работы его кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, состояние которых определяется угловым положением коленчатого и распределительного валов двигателя. Практически все современные системы управления рабочим процессом двигателя используют, для определения углового положения кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, два датчика синхронизации: датчик углового положения коленчатого вала и датчик положения распределительного вала. В этом случае, в качестве репера, взаимодействующего с датчиком углового положения коленчатого вала, применяют предназначенный для этой цели диск синхронизации, выполненный в виде зубчатого диска из магнитомягкого материала и установленный на коленчатом валу двигателя. [16].
В качестве датчика углового и датчика начального положения коленчатого вала нашли повсеместное применение индукционные датчики, представляющие собой магнитный сердечник с расположенной вокруг него обмоткой. Электрический импульс в обмотке датчика формируется в момент изменения магнитного потока, пересекающего обмотку датчика, в результате взаимодействия магнитного поля датчика с магнитным материалом диска синхронизации. Скорость изменения магнитного потока зависит от угловой скорости коленчатого вала двигателя, (обеспечить минимально необходимую величину которой, в некоторых случаях, например при холодном пуске двигателя, иногда затруднительно).
Для реализации поцикпового управления рабочим процессом двигателя необходимо иметь информацию не только об угловом положении коленчатого вала, но и информацию об угловом положении механизма газораспределения. Эту информацию формирует датчик положения распределительного вала. Поскольку, для организации циклового управления рабочим процессом двигателя, необходимо наличие информации о связи текущего такта работы любого из цилиндров двигателя с текущим положением коленчатого вала, достаточно, чтобы датчик положения распределительного вала нес информацию об этом. Для этого необходимо установить на распределительный вал репер, позволяющий формировать один импульс сигнала датчика в течение одного поворота распределительного вала. Так как угловая скорость распределительного вала в 2 раза ниже угловой скорости коленчатого вала, а в большинстве двигателей поместить репер большого радиуса на распределительном валу затруднительно, то для формирования сигнала датчиком углового положения распределительного вала необходимо применять датчик статического типа. Для этих целей нашел применение датчик на эффекте Холла. Принцип действия этого датчика основан на изменении направления движения носителей заряда в полупроводнике при изменении пересекающего его магнитного поля. Магнитное поле создается постоянным магнитом, расположенным в датчике и изменяется при замыкании магнитного зазора датчика репером из магнитомягкого материала, закрепленным на распределительном валу двигателя. Поскольку величина магнитного потока через чувствительный элемент датчика определяется взаимным положением магнитной системы датчика и репера, то величина сигнала не зависит от угловой скорости последнего, что позволяет иметь информацию о положении распределительного вала и реализовывать поцикловое управление рабочим процессом двигателя даже на режиме ПУСК. [30], [31] Датчики, формирующие для системы управления рабочим процессом двигателя информацию, характеризующую текущие требования к системе управления, входят в группу датчиков управляющих воздействий. В рассматриваемых нами системах управление педалью акселератора соединено жесткой кинематической связью с дроссельной заслонкой двигателя. Это позволяет устанавливать датчик, характеризующий управляющее воздействие на педаль акселератора, непосредственно на дроссельном узле двигателя, кинематически соединяя его с осью дроссельной заслонки. Поэтому, основным датчиком этой группы является датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ), задачей которого, является формирование информации о величине управляющего воздействия со стороны водителя. В качестве датчика положения дроссельной заслонки применяется потенциометр, представляющий собой делитель опорного напряжения, поступающего из блока управления системы управления. В группу датчиков управляющих воздействий входят и другие датчики, информация от которых носит вспомогательный характер и сообщает системе управления рабочим процессом о необходимости выполнить те или иные действия или изменить критерии управления. Номенклатура этих датчиков определяется конкретной структурой системы управления рабочим процессом двигателя и может значительно различаться. Следующую важную группу составляют датчики, позволяющие определить величину циклового наполнения двигателя. Сюда входят два датчика: датчик массового расхода воздуха (ДМРВ), устанавливаемый перед дроссельной заслонкой и непосредственно измеряющий величину массового расхода воздуха проходящего через датчик, датчик абсолютного давления. (Рабе), регистрирующий давление во впускной системе двигателя.
Система управления двигателем "Motronic
Данная система управления включает в себя топливный насос, регулятор давления топлива, измеритель массы воздуха с нагревательным элементом, форсунки, датчик положения дроссельной заслонки, регулятор холостого хода, датчик температуры охлаждающей жидкости и датчик детонации, датчик числа оборотов двигателя, клапан вентиляции топливного бака, адсорбер, датчик содержания кислорода в выхлопных газах (лямбда-зонд), катушку зажигания и ЭБУ (Рис. 1.13.). [25]
По сравнению с предыдущими моделями "Motronic", данная система управления более совершенна. Каждая форсунка имеет отдельный канал управления ЭБУ, что обеспечивает высокую точность дозирования топлива и более быструю реакцию на изменение нагрузки двигателя. Кроме того, впрыск топлива производится трижды за один оборот коленвала двигателя. В "Motronic 3.1" уже введен измеритель массы воздуха с нагревательным элементом, что способствует более точному расчету количества топлива ЭБУ. Топливный насос через фильтр тонкой очистки подает топливо в распределитель топлива.
Необходимое давление топлива в системе поддерживается регулятором давления топлива, который имеет зависимость от разрежения во впускном тракте. Далее топливо подается к форсункам. Время открытия клапанов форсунок определяется и регламентируется блоком управления. Тем самым достигается дозирование топлива подаваемого в цилиндры двигателя.
Необходимое количество топлива в зависимости от температуры охлаждающей жидкости, нагрузки двигателя определяется электронным блоком управления по сигналам датчиков установленных на двигателе. Основными являются потенциометрический датчик положения дроссельной заслонки и измеритель массы всасываемого воздуха. Для более точного дозирования топлива, ЭБУ учитывает сигналы датчика детонации, датчика температуры охлаждающей жидкости и лямбда-зонда.
В системе предусмотрен клапан холостого хода, который управляется электронным блоком управления в зависимости от нагрузки двигателя. Вентиляция топливного бака осуществляется посредством клапана с адаптивным управлением. Из топливного бака пары топлива через адсорбер (емкость с активированным углем) и клапан подаются во впускной тракт двигателя. Управление клапаном осуществляется блоком управления и зависит от оборотов и нагрузки двигателя. При выключении управляющего напряжения, клапан может быть открыт под действием разрежения во впускном тракте двигателя. На автомобилях оборудованных кондиционером и автоматической коробкой передач устанавливаются соответствующие датчики и по их сигналам производится коррекция подачи топлива. Это позволяет компенсировать холостые обороты двигателя из-за их падения в результате включения 1. В результате анализа типичной структуры системы управления необходимо выделить три основные группы элементов, а именно: устройства сбора информации, устройства обработки информации и исполнительные устройства. Эти элементы системы управления связаны между собой каналами передачи информации, которые также являются элементами системы. 2. Характер и значимость для процесса управления, поступающей от датчиков информации различны, что позволяет разделить источники информации на группы, по критерию их важности для процесса управления. В эти группы входят: датчики угловой синхронизации; датчики управляющих воздействий; датчики, определяющие величину циклового наполнения двигателя; датчики, характеризующие температурное состояние двигателя; датчики системы обратной связи; датчики подключенных нагрузок; датчики, характеризующие состояние трансмиссии автомобиля. 3. Анализ существующих конструкций блоков управления и перспектив их развития позволяет сделать вывод о типичных характеристиках микроконтроллеров, используемых в системах управления рабочим процессом двигателя. Для выполнения автомобилем показателей, предусмотренных нормами EURO II, достаточно вычислительной мощности современных восьмиразрядных микроконтроллеров. Только для блоков управления. Предназначенных для выполнения требований EURO III и ОВД-П, необходимо увеличение вычислительной мощности микроконтроллеров, что достигается применением их шестнадцатиразрядных версий. 4. Исполнительные устройства, реализующие функции управления на физическом уровне, можно разделить на несколько основных типов: устройства с дискретным изменением управляющего физического параметра, устройства с аналоговым изменением управляющего параметра и комбинированные устройства. Выбор исполнительных устройств диктуется как требованиями, предъявляемыми со стороны автомобиля и двигателя, так и их стоимостью и возможностью применения. 5. Сравнение отечественных и иностранных систем управления двигателем позволяет выделить, как наиболее совершенную систему «MOTRONIK 3.1». В этой системе каждая форсунка имеет отдельный канал ЭБУ, что обеспечивает высокую точность дозирования топлива и более быструю реакцию на изменение нагрузки двигателя. В системе введен измеритель массы воздуха с нагревательным элементом, что способствует более точному расчету количества топлива ЭБУ.
Основные диагностические комплексы и системы
По методу получения информации устройства для диагностики двигателя, системы питания и электрооборудования автомобиля подразделяются на два больших семейства - сканеры, работающие с электронным блоком управления двигателем (ЭБУ) по соответствующему протоколу обмена и использующие датчики и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) системы впрыска, и специализированные измерительные приборы - мотор-тестеры, получающие информацию от собственных датчиков. Сканеры незаменимы для диагностики и регулировки электронной части системы управления двигателем, а мотор-тестер необходим для диагностики первичной и вторичной цепей системы зажигания, формы электрических импульсов с различных датчиков и исполнительных устройств двигателя. При диагностике карбюраторных двигателей и иномарок мотор-тестер часто является единственно доступным и в большинстве случаев достаточным оборудованием. Кроме того мотор-тестеры оказывают неоценимую помощь при ремонте инжекторных автомобилей. Часто выявление неисправностей свечей, высоковольтных проводов и коммутаторов катушек зажигания происходит методом замены на "заведомо исправные".
По конструктивному исполнению диагностические устройства бывают трех основных видов - Hardware-сканеры, классические мотор-тестеры и программное обеспечение для IBM-PC с адаптером сопряжения компьютера с автомобилем. [17], [53]. Hardware-сканеры представляют собой компактные автономные устройства, построенные на микропроцессоре.
Интерфейс пользователя - скромный (несколько кнопок и жидкокристаллический индикатор), возможности - достаточные для проведения экспресс-диагностики. Эти устройства могли бы вполне нормально выглядеть в автолюбительской практике, но для серьезного автосервиса могут рассматриваться только как вспомогательное оборудование, но никак не основное средство диагностики. Однако у этих приборов имеется одно неоспоримое достоинство, и это не компактность, проблема мобильности легко решается приобретением компьютера, а простота использования. Классические мотор-тестеры это конструктивно законченные приборы для диагностики двигателя. Мотор-тестеры отечественного производства подразумевают диагностику только системы зажигания, импортные же часто позволяют диагностировать и электронную систему впрыска.
Устройства данного типа имеют широкий спектр возможностей, просты в использовании, достаточно надежны и доступны. Основной недостаток работы в режиме ON-LINE заключается в отсутствии возможности при визуальной оценке сигнала редактировать и сохранять результаты мониторинга. Второй недостаток - невозможность модернизации. В основном, вышесказанное касается только отечественных мотор-тестеров. Импортные, часто представляют собой тот же компьютер с LCD-монитором, накопителем на жестких магнитных дисках, 3.5-дюймовым дисководом, коммуникационными портами, только упакованный в эргономичный корпус. В таком случае модернизация возможна посредством загрузки нового ПО и базы данных с дискеты или другого компьютера, а так же подключением новых датчиков. Специализированное программное обеспечение для IBM-PC - на сегодняшний день самое эффективное и дешевое решение многих технических задач. Использование стандартного ПК позволяет максимально сократить оригинальную аппаратную часть проектируемого устройства. В связи с массовым производством ПК их цена существенно сократилась. Превращение ПК в сканер электронной системы впрыска решается довольно просто - обмен между компьютером и ЭБУ происходит по интерфейсу RS-232. Физические уровни сигналов порта RS-232 преобразуются в уровни стандарта ISO-9141 для последовательной асинхронной передачи данных по K-Line с помощью несложного устройства, называемого адаптером связи. Подробное описание протокола обмена для конкретного ЭБУ. Однако такого рода информация чаще всего имеет статус ДСП (для служебного пользования), и получить ее крайне трудно. Уровень сложности самого ПО - минимальный. Он базируется на выполнении элементарных арифметических операций, а также инсталяции аппаратных средств на уровне контроллера клавиатуры. Единственное на что следует обратить особое внимание, это на безотказную работу СОМ-порта, учитывая все возможные ошибки и сбои в канале связи. В результате, при минимальных затратах получается отличный диагностический комплекс, значительно превосходящий по количеству полезных функций самый сложный сканер. Существует достаточное количество подобного программного обеспечения, в том числе бесплатного. [13], [60] Для построения на базе IBM-PC полнофункционального мотор-тестера нужно, как минимум, превратить компьютер в многоканальный осциллограф. Для этого, при классическом решении проблемы, необходим АЦП (аналого-цифровой преобразователь). По конструктивному исполнению модуль АЦП может быть платой расширения на шину ISA или PCI, или отдельным устройством, соединяемым с компьютером через COM, LPT или USB - порт. При выборе АЦП ключевым параметром должен являться критерий достоверности измерений (разрядность и частота АЦП). Для получения репрезентативной осциллограммы (не менее 100 отсчетов) следует учесть, что длительность горения искры составляет округленно до 1 мс. Это означает, что частота преобразования АЦП должна составлять 100 кГц на канал. Если необходимо измерять сразу несколько сигналов, например 4, то и частота преобразования должна быть в 4 раза больше. Устройство большинства плат включает в себя один АЦП и стоящий на входе мультиплексор, который по очереди подключает каждый из каналов. Для канала синхронизации, как правило, используется датчик индуктивного типа на разрезанном пополам ферритовом магнитопроводе (закрепляется на высоковольтном проводе первого цилиндра в виде прищепки), а датчик вторичного напряжения - емкостного типа (одна обкладка - жила высоковольтного провода с катушки зажигания, вторая - пластины датчика, диэлектрик - изоляция провода). Напряжение первичной цепи (с контакта прерывателя или коммутатора) снимается напрямую через резистивный делитель. Уровень сложности ПО довольно высокий, так как времени на обработку сигнала и вывод на экран не хватает. Стробоскоп и поцилиндровое измерение мощности управляется с цифрового выхода платы АЦП. Таким образом, полновесный мотор-тестер является наиболее сложным устройством во всем ряду диагностических приборов.
Характеристики и возможности Bluetooth технологий
По способу соединения Bluetooth-устройства могут соединяться как по типу «точка-точка», если имеется только два устройства, так и по типу «точка -много точек», когда одно устройство одновременно работает с несколькими другими. Устройство обслуживающее несколько соединений называется master (главное), а подключаемые устройства - slave (управляемые). [5], [18], [9] Кроме устройств, которые активно обмениваются данными, но являются управляемыми, существуют большое количество неактивных управляемых устройств, которые не могут обмениваться данными с управляющими, пока заняты все каналы, однако, они остаются синхронизированы с ним. Параметры радиоинтерфейса Bluetooth представлены в табл. Технические характеристики радиоинтерфейса Bluetooth Параметр Величина Рабочая полоса частот, МГц 2402. ..2480 Число скачков по частоте 79 Радиочастотные каналы, МГц Р0 = 2402 + к,гдек = 0...78 Вид модуляции сигнала GFSK (Гауссовская частотная манипуляция) Метод множественного доступа FHSSDD (скачкообразная перестройка по частоте, временной дуплекс) Максимальная скорость скачков частоты, скачков/с 1600 Длительность таймслотов, мкс Скорость радиоканала, 625 1 Режим передачи данных Пакетный Речевой кодек CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation) Выходная мощность, мВт 1 Энергопотребление 0,1Вт (8...30м А), в режиме ожиданияО,ЗмА Упрощённая блок-схема Bluetooth-связи представлена на рис. 3.1. Каждый Bluetooth-модуль содержит формирующую и приёмно-передающую аппаратуру, а также встроенное или «зашитое» программное обеспечение (Firmware). К последнему относится интерфейс хост-контроллера (НО), менеджер связи (Link Manager), а также контроллер несущей частоты (Baseband). Связь модуля с хостом на физическом и канальном уровнях осуществляется с помощью шин USB, UART, PC Card и соответствующего встроенного программного обеспечения. К физическому уровню относится также радиолиния между модулями.
Модуль поддерживает приём - передачу данных и речевых сигналов. Связь между модулем и хост-контроллером производится с помощью высокоскоростного USB-интерфейса или UART/PCM-интерфейса. Когда используется USB-интерфейс, модуль является USB-ведомым прибором и поэтому не требует ресурсов персонального компьютера. Информационное взаимодействие двух хостов по типу «точка - точка» Интерфейс хост-контроллера (ИХК) в модуле является командным интерфейсом. Хост через ИХК направляет команды, а в ответ принимает от модуля сообщения об их выполнении. Менеджер связи устанавливает необходимую конфигурацию ИХК. В системе Bluetooth определены пять типов логических каналов (см. табл. 3.2).
Связь по SCO-линии организуется между ведущим и ведомым устройствами. Для этого, для прямого и обратного каналов в кадре ведущего приемопередатчика, зарезервированы два соседних временных интервала, которые периодически повторяются (см. рис. 3.2). Между ведущим устройством и ведомыми может быть организовано одновременно до трех каналов. В свою очередь, любой ведомый приемопередатчик способен поддерживать сразу три SCO-соединения с одним ведущим устройством (если они находятся в пределах одной пикосети) или два (если информация передается из разных сетей). Связь по линии SCO реализуется по протоколу LMP (Link Manager Protocol), не предусматривающему повторной передачи потоков речевой информации.
Тип канала Назначение канала LC(Link Control) Канал управления, с помощью которого поддерживается физическая связь между устройствами, образующими пикосеть. На этом уровне используются синхронное SCO (Synchronous Connection-Oriented) и асинхронное ACL (Asynchronous Connectionless) подключение физических каналов LM (Link Manager) Канал управления, который отвечает за установление соединений между ведущим и ведомыми устройствами, за обеспечение безопасности и кшптозащиты UA (User Asynchronous) Асинхронный канал, используется в ACL-линии UI (User Isochronous) Изохронный канал, в котором обеспечивается идентичность только средних частот опорных генераторов ведущего и ведомого устройств, применяется в ACL-линии По линии синхронной связи передается служебное сообщение, в котором указываются основные параметры, необходимые для вхождения в синхронизм -время начала передачи и период повторения временных интервалов. Пакетная передача информации по ACL-линии осуществляется в двух режимах: асинхронном и изохронном. Каналы предоставляются по команде ведущего устройства, работающего в режиме опроса ведомых терминалов. Для каждой физической линии определен свой набор пакетов, причем между ведущим и ведомым терминалом допускается организация только одной ACL-линии. Обмен данными по ACL-линии между ведущим и ведомыми устройствами происходит в режиме «точка—много точек». Пакеты могут иметь разную длину - 0,625 мс (1 интервал), 1, 875 мс (3 интервала) и 3,125 мс (5 интервалов) — и передаваться с кодированием или без кодирования. Максимальная скорость ACL-линии в прямом канале составляет 721 кбит/с и 57,6 кбит/с в обратном. Это обеспечивается за счет объединения пяти интервалов и передачи информации без кодирования.
