Электронный блок управления

Электронный блок управления (является самым сложным прибором систем управления двигателем или отдельных систем автомобиля и координирует их работу. Основу блока составляет центральный процессор или микрокомпьютер.

ЭБУ (рис. 3.2) размещается в металличес­ком корпусе и соединяется с датчиками, ис­полнительными устройствами и источником питания через многоштырьковый разъем 1.

Компоненты электронной системы для непосредственного управления исполни­тельными устройствами располагаются в корпусе ЭБУ таким образом, чтобы обеспе­чить хорошее рассеяние тепла в окружаю­щую среду. Большинство компонентов ЭБУ выпол­няется по технологии SMD (Surface-Mounted Device – платы с поверхностным монтажом). Обычная проводка используется только в некоторых элементах питания и в разъемах.

ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков или от генераторов в ожидаемом интервале значений, оценивает их и затем прово­дит вычисление пусковых сигналов для исполнительных механизмов (приводов).

Входные сигналы. Наряду с периферийными исполнитель­ными устройствами, датчики представляют интерфейс между автомобилем и ЭБУ, ко­торый является блоком обработки данных. ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков по проводке автомобиля и через разъемы. Эти сигналы могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными (рис. 3.3).

Цифровые входные сигналы. Эти входные сигналы имеют только два состояния – «высокий уровень» и «низкий уровень». Примерами цифровых входных сигналов являются сигналы включения/вык­лючения или сигналы цифровых датчиков, таких, как импульсы от датчика Холла. Такие сигналы обрабатываются непосредственно микропроцессором.

Аналоговые входные сигналы. В пределах заданного диапазона анало­говые входные сигналы принимают значе­ния напряжения. Примерами физических величин, кото­рые рассматриваются как аналоги изме­ренных значений напряжения, являются массовый расход воздуха на впуске, нап­ряжение аккумуляторной батареи, давле­ние во впускном коллекторе и давление наддува, температура охлаждающей жид­кости и воздуха на впуске. Аналогово-цифро­вой преобразователь (АЦП) в микропро­цессоре ЭБУ преобразует эти значения в цифровые сигналы, с которыми затем мик­ропроцессор проводит расчеты. Разновидностью аналоговых сигналов являются быстро изменяющиеся сигналы напряжения, называемые импульсными входными сигналами. Импульсные входные сигналы от индук­тивных датчиков, содержащие информацию о частоте вращения и положении вала (по метке) обрабатываются в их собственном контуре в ЭБУ. Здесь ложные импульсы по­давляются, импульсные сигналы преобразу­ются в цифровые прямоугольные сигналы.

Формирование сигналов. Для ограничения напряжения входных сиг­налов до максимально допустимого значения в ЭБУ используются защитные цепи. Путем применения устройств фильтрации наложен­ные сигналы помех в большинстве случаев от­деляются от полезных сигналов, которые, в случае необходимости, затем усиливаются до допустимого уровня входного сигнала ЭБУ.

Формирование сигналов в датчиках мо­жет быть полным или частичным, в зависи­мости от уровня их интегрированности.

Обработка сигналов. ЭБУ является управляющим центром сис­темы, являющимся ответственным за после­довательность функциональных операций. Управляющие функции с учетом и без учета обратной связи выполняются в микропро­цессоре. Входные сигналы, формируемые датчиками, генераторами с ожидаемыми значениями параметров и интерфейсами других систем, служат как входные коорди­наты. Они подвергаются дальнейшей про­верке на достоверность в компьютере. Входные сигналы обрабатываются специальными формирователями либо преобразуются в цифровую форму входными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). После формирования управляющих сигналов с необходимыми параметрами (частота, скважность, длительность и т.д.), они поступают на выходные ключи (драйверы), осуществляющие усиление по току и непосредственное управление различными исполнительными элементами (форсунки, реле, соленоиды, катушка (катушки) зажигания и т. д.).

Программируемая (перезаписываемая память). Для своей работы микропроцессору тре­буется программа, которая хранится в программируемой памяти (постоянное за­поминающие устройство – ROM, или EPROM/EPROM).

Эта память предназначена только для считывания информации. Она также содержит также специ­альные данные (индивидуальные данные, характеристические и программируемые матрицы, значения поправочных коэффициентов и данные, необходимые процессору для расчетов длительности управляющих импульсов форсунок, угла опережения зажигания и т.п.). Это фиксированные данные, ко­торые не могут быть изменены вовремя уп­равления автомобилем. Перезаписывающая память является энергонезависимой, т.е. вся занесенная в нее информация сохраняется при отключении энергопитания сколь угодно долго.

Данные, которые не должны быть потеряны (например, коды иммобилайзера и данные кодов неисправности) должны постоянно храниться в постоянной памяти (EEPROM). В этом случае данные в постоянной памяти не теряются даже в случае отсоединения ак­кумуляторной батареи.

Оперативная память (RAM) требуется для хранения таких изменяющихся данных, как численные значения сигналов. Для правиль­ной работы оперативная память требует постоянного электрического питания. При выключении зажигания или выключателя пуска ЭБУ выключается и, следовательно, теряет всю память (так называемая «испа­ряющаяся» память). Адаптирующие значе­ния величин, то есть тех, которые «обучают­ся» системой во время работы и которые ка­саются работы двигателя рабочих режимов, должны быть восстановлены при включении ЭБУ в работу.

Блок текущего контроля. ЭБУ оснащается следящим контуром, который встроен в специализированную интегральную схему (ASIC – Application-Specific Integrated Circuit). ASIC оснащаются по­вышенной оперативной памятью (extra RAM) и усовершенствованными входными и вы­ходными блоками и могут генерировать и передавать сигналы широтно-импульсной модуляции. Микропроцессор и блок текущего контроля следят друг за другом и, как только обнаруживается неисп­равность, любой из них может выключить подачу топлива независимо от другого.

Выходные сигналы. Используя свои выходные сигналы, мик­ропроцессор запускает задающие каскады. Выходные сигналы обычно являются доста­точно мощными, чтобы непосредственно уп­равлять исполнительными устройствами или реле. Задающие каскады защищены от короткого замыкания на массу или аккуму­ляторную батарею, а также от разрушения от электрической перегрузки. Такие наруше­ния в работе, вместе с обрывами цепи или неисправностями датчиков, определяются контроллером задающих каскадов, и эта информация передается в микропроцессор. Выходные сигналы могут быть переключающими и сигналами широтно-импульсной модуляции.

Переключающие сигналы используются для включения и выключения исполнительных устройств, например, электровентилятора системы охлаждения двигателя.

Сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM signals). Выходные цифровые сигналы могут быть в форме сигналов широтно-импульсной моду­ляции. Это прямоугольные сигналы с посто­янным периодом, но переменные по времени (рис.3.4), которые могут быть использованы для пуска электромагнитных приводов, нап­ример, клапана системы рециркуляции ОГ.

Встроенная диагностика. Одной из важных функций, осуществляемой блоком управления, является непрерывная самодиагностика как входных и выходных цепей компонентов, так и некоторых функций внутреннего состояния системы. В современных блоках управления осуществление функций самодиагностики занимает до 50% ресурсов микрокомпьютера. В случае нахождения неисправностей в какой-либо цепи (например, отсутствие или несоответствие заданному уровню сигнала какого-либо датчика) микрокомпьютер записывает соответствующий данной неисправности цифровой код в специальную область памяти, для того чтобы получить информацию о характере неисправности, необходимо осуществить «считывание» кода из памяти компьютера.

ЭБУ постоянно контролирует исправность всех своих компонентов, но ошибка помимо своего информационного значения несёт флаг статуса, т.е. ошибки могут быть статические (текущие) и случайные (спорадические, накопленные). В качестве примера блок управления производителя Mercedes в своих автомобилях может распознавать:

— актуальные неисправности (имеющиеся в настоящее время);

— запомненные неисправности (бывшие раньше);

— периодически появляющиеся и исчезающие неисправности, (плохой контакт), возникшие во время поездки более 5 раз.

Неисправности автоматически стираются из памяти блока управления, если в течение последующих 19 поездок они не возникали вновь. Например, для блока управления Mercedes поездка считается состоявшейся, если была превышена скорость 4км/ч, частота вращения коленчатого вала двигателя превысила 700об/мин, после выключения зажигания прошло более 30с.

Каждый раз при включении зажигания ЭБУ начинает анализировать работу своих датчиков и исполнительных устройств. Этот анализ длится всё время, пока работает двигатель. В случае обнаружения дефекта, ЭБУ фиксирует неисправность, выставляет код ошибки и использует аварийную ветвь программы управления. В случае если какой-либо входной сигнал отсутствует или заведомо неправильный, блок управления рассчитывает и использует вместо него некоторое теоретическое значение, что позволяет ему продолжать дальнейшее управление двигателем. Например, при выходе из строя датчика давления во впускном коллекторе для определения времени впрыска используется значение, рассчитанное исходя из частоты вращения коленчатого вала и положение дроссельной заслонки.

После выключения зажигания блок управления сохраняет код в ОЗУ.

Блок управления может также распознавать неисправности в системе зажигания. Во время работы двигателя, блоком измеряется ток и напряжение на первичной обмотке катушек зажигания. Таким косвенным образом БУ может распознать сбои и во вторичной обмотке.

При распознавании более 50 сбоев, регистрируется неисправность, и для защиты катализатора от выхода из строя отключаются соответствующая группа форсунок. Если последующие 255 зажиганий прошли без сбоев, то управление форсунками возобновляется, в случае, если частота вращения коленчатого вала двигателя была больше 2500 об/мин и двигатель находится в режиме принудительного холостого хода.

Назначение всех диагностических систем — унифицированное определение неисправностей в различных узлах и агрегатах автомобиля для принятия решения о последующем ремонте. Дo 1994 года в мировой автомобильной промышленности применялись различные системы, стандарты и протоколы для диагностики OBD-I (On Board Diagnostic). Коды диагностики OBD-I были двузначными (их также называют «короткими» — в отличие от «длинных» пятизначных кодов расширенной диагностики более поздних систем). Считывания кодов неисправностей систем OBD-I осуществлялась с помощью контрольной лампы, например, Сheck engine — проверь двигатель. Процедура считывания кодов систем OBD-I напоминала азбуку Морзе: короткие импульсы (длительностью 0,2…0,3 с) обозначали единицы, а длинные (1,2…2,0 с) — десятки (рис. 3.5). После визуального считывания импульсов их значение может быть расшифровано с помощью специальных таблиц.

Это наиболее простой вид бортового диагностирования, которое заключается в условном присвоении ряду неисправностей электронной системы управления цифровых кодов. Эти коды при проявлении соответствующих им неисправностей заносятся в память электронного блока управления системой.

К 1995 году начали появляться так называемые расширенные системы, которые долгое время сосуществовали с прежними, но уже с 1996 года по требованиям Агентства по защите окружающей среды Соединенных Штатов (US Environmental Protection Agency, U.S. EPA) и благодаря усилиям Ассоциации инженеров автомобилестроения (Society of Automotive Engineers, SAE) были повсеместно внедрены единые стандарты самодиагностики, протоколов обмена данными, унифицированы требования к диагностическим средствам и структуре кодов. Таким образом, начиная с этого времени все автомобили и грузовики малой грузоподъемности, произведенные для продажи в Соединенных Штатах Америки, оборудуются единой системой самодиагностики OBD-II, а с 2000 года, согласно директиве 98/69EG, все новые автомобили с бензиновыми двигателями и в Европе диагностируются только по этому стандарту. Требования этого стандарта предусматривают:

— стандартный диагностический разъем;

— стандартное размещение диагностического разъема;

— стандартный протокол обмена данными между сканером и автомобильной бортовой системой диагностики;

— стандартный список кодов неисправностей;

— сохранение в памяти электронного блока управления кадра значений параметров при появлении кода ошибки («замороженный» кадр);

— мониторинг бортовыми диагностическими средствами элементов, отказ которых может привести к увеличению объемов токсичных выбросов в окружающую среду;

— доступ как специализированных, так и универсальных сканеров к кодам ошибок, параметрам, «замороженным» кадрам, тестирующим процедурам и т.д.;

— единый перечень терминов, сокращений, определений, используемых для элементов электронных систем автомобиля и кодов ошибок.

Обмен информацией в таких системах осуществляется так называемыми «быстрыми» кодами. «Быстрые коды» обеспечивают выборку из памяти электронного блока управления большого объема информации через последовательный интерфейс. Этот интерфейс и диагностический разъем используются как при проверке и настройке автомобиля на заводе изготовителе, так и при диагностировании.

Для предупреждения водителя о неисправности электронной системы управления на панели приборном щитке загорается (лампочка) или надпись Check Engine («Проверьте двигатель»).

В некоторых автомобилях, например, Ford Kuga, при неисправности влияющей на безопасность движения или могущей привести к повреждению агрегата автомобиля, загорается сигнализатор красного цвете, при менее серьезных неисправностях – желтого цвета.

По требованиям нормативных документов по безопасности движения некоторых стран, автомобиль, имеющий активные коды неисправности определенных электронных систем управления, не допускается к эксплуатации.

При запуске двигателя и отсутствии в нем неисправностей (лампа) надпись Check Engine должна погаснуть после запуска двигателя — после того как будут выполнены все инициализационные бортовые тестовые процедуры, относящиеся к отработавшим газам. Этот индикатор называется лампой индикации неисправностей (Malfunction Indication Light, MIL). Он может выдавать и другие надписи в зависимости от марки автомобиля — Service Engine Soon («Отрегулируйте двигатель в ближайшее время») или просто Check («Выполните проверку»).

Этот индикатор информирует водителя о том, что в процессе работы системы управления двигателем имеются неисправности (ошибки). Причем ошибки могут быть как серьезные, так и не очень. Если проблема серьезная и ее устранение не терпит отлагательств, то при ее возникновении индикатор Check Engine мгновенно загорается и не гаснет. Такая неисправность относится к разряду активных (Active). Если же однократно возникшая неисправность не слишком серьезная и ее устранение может быть отложено, то индикатор не загорается, но неисправность записывается и ей присваивается сохраняемый статус (Stored). Если такая же неисправность возникнет повторно (или несколько раз, в зависимости от серьезности), то она может быть переведена в статус активных и тогда индикатор Check Engine загорится. Обычно для перехода сохраняемой ошибки в активный статус требуется ее появление в нескольких драйв-циклах (драйв-циклом считается процесс, при котором холодный двигатель запускается и работает до достижения нормальной рабочей температуры). Иногда индикатор Check Engine горит до глушения двигателя, а при повторном запуске гаснет и не появляется до возникновения следующей ошибки. При случайных неисправностях индикатор загорается только тогда, когда неисправности повторяются в течение следующих двух-трех драйв-циклов, но если они в этот период не появляются, то индикатор гаснет.

Считывание информации со сложного программного обеспечения осуществляется через диагностический разъем с помощью специального устройства – сканера, фактически заменяющего центральный блок управления. Контролируемые параметры и коды неисправностей считываются непосредственно с электронного блока управления, при этом коды не только считываются, но и расшифровываются.

Диагностический разъем размещается в пассажирском салоне (обычно под приборной панелью) и обеспечивает доступ к системным данным. К такому разъему может быть подключен любой сканер. Постепенно на данную систему переходят и автомобильные производители других регионов мира. Признаком этой системы является обязательное наличие в салоне автомобиля характерного 16-контактного диагностического разъема (рис. 3.6).

К сожалению, современные системы, несмотря на всеобщую стандартизацию, продолжают использовать различные протоколы для связи с модулем управления. OBD-II -совместимый автомобиль может использовать любой из следующих протоколов: J 1850 VPW, J 1850 PWM, ISO 9141-2, ISO 14230-4 и Keyword Protocol (KWP) 2000. Во всех протоколах применяется импульсно-кодовая модуляция переменной или постоянной длины на основе CAN-bus.

В настоящее время Chrysler, все Европейские и большинство Азиатских импортеров используют ISO 9141. GM и легкие грузовики используют SAE J1850 VPW (Variable Pulse Width Modulation), и Ford SAE J1850 PWM (Pulse Width Modulation) коммуникационные приложения. Можно определить какой протокол использует автомобиль, по коммутации разъема. Если разъем имеет контакт в №7 и отсутствуют контакты №2 и №10, тогда автомобиль оборудован по ISO 9141 протоколу.

Если нет контакта в №7, тогда применяется SAE протокол, если используются контакты №7 и №2 и/или №10, автомобиль может использовать ISO протокол. Все три OBD-II протокола, используют набор команд согласно SAE J1979 стандарту. Диагностический разъем OBD-II Автомобили, выпущенные до введения OBD-II, имеют разъемы в различных местах под приборной панелью. Все OBD-II имеют разъемы, расположены в местах, досягаемых с места водителя. Кабель от диагностического инструмента подключается в OBD-II J1962 разъем.

Для считывания данных в системе OBD-I применялись только специальные дилерские сканеры (или неудобная процедура активизации модуля, уникальная для каждой марки), а в OBD-II универсальные сканеры. Если в системах семейства OBD-I было предусмотрено определение неисправностей ограниченного спектра (двигателя, подушек безопасности, тормозной системы ABS и автоматической коробки передач), то в OBD-II перечень диагностируемых узлов расширен (быстрые коды). Кроме того, значительно увеличилось количество диагностических кодов (их теперь более 3000).

В 2000 году был введен новый стандарт — EOBD (EURO OBD), основным отличием которого является закрепление протокола управления автомобильными подсистемами CAN, разработанного фирмой Bosch и реализованного на ряде моделей европейских и азиатских производителей. Но диагностический разъем OBD-II не изменился, поскольку в нем уже были зарезервированы контакты для реализации связи по интерфейсу CAN bas. Стандарт EOBD иногда называют европейским, а OBD-II — американским.

Для питания микропроцессора, блоков памяти, входных формирователей и АЦП используется внутренний стабилизатор с выходным напряжением +5 В. Это же напряжение используется для питания различных активных датчиков (абсолютного давления, расхода воздуха или давления за дроссельной заслонкой, положения дроссельной заслонки и т.п.) и подачи напряжения смещения на пассивные датчики (температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха). В некоторых случаях блок управления может иметь два стабилизатора — +5 В и +9 (+8) В.

К ЭБУ предъявляются очень высокие требо­вания по отношению к следующим факторам:

— температура окружающей среды для легковых автомобилей должна быть в пределах (-40 — +70°С);

— к воздействию со стороны таких материа­лов, как масло и топливо и т.п.;

— к воздействию к влажности окружающей среды;

— обладать механической прочностью, например, при наличии вибраций при работе двигателя;

— обладать защитой от электромагнитных колебаний.

В современных легковых автомобилях могут быть десятки ЭБУ (рис.3.7).

Диагностические функции электронного блока управления относятся к основным функциям электронных систем управления двигателем. Кроме самодиагностики блока управления выпол­няется проверка входных и выходных сигналов и связи между различными компонентами системы.

Мониторинг входных сигналов. Состояние датчиков, соединителей и соедини­тельных линий (путей прохождения сигналов) с блоком управления контролируется с исполь­зованием оцениваемых входных сигналов. Используя эту стратегию мониторинга, можно определить неисправности датчиков, коротких замыкания цепей питания от аккумуляторной батареи, короткие замыкания на «массу» и обрывы цепей. Для этой цели используются следующие процедуры:

— мониторинг напряжения питания датчиков;

— проверка величины сигналов с целью определения выхода за допустимые пределы;

— если доступна дополнительная информация, выполняется проверка допустимости с использованием измеренного значения (например, сравнение частоты вращения коленчатого вала и распределительного вала).

Мониторинг выходных сигналов. Мониторинг исполнительных механизмов и устройств, управляемых блоком управления, осуществляется через выходные цепи блока управления. Функциями этого мониторинга в дополнение к определению неисправностей самих устройств является определение коротких замыканий или обрывов в соединительных линиях. Для этой цели используются следующие процедуры:

— мониторинг выходных сигналов. Электриче­ские цепи проверяются на предмет коротких замыканий в цепях питания от аккумулятора ной батареи, коротких замыканий на «массу» и обрывов цепей;

— воздействия на систему исполнительных механизмов определяются прямо или косвенно посредством функции контроля достоверности. Состояние исполнительных устройств системы, например, клапана системы рецир­куляции отработавших газов, дроссельной заслонки или завихряющей заслонки контро­лируется косвенным способом (например, по реакциям системы), а также частично при помощи датчиков положения;

Мониторинг внутренних функций электронного блока управления. Функции мониторинга реализуются в аппаратуре блока управления (например, «интеллектуальными» выходными модулями) и программным способом и имеют целью обеспечение его постоянного правильного функционирования. В процессе мониторинга выполняется проверка состояния всех компонентов блока управления (например, микропроцессора, стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства — СППЗУ и оперативного запоминающего устройства — ОЗУ). Многие тесты выполняются сразу же после включения зажигания. Затем функции мониторинга выполняются с регулярными интервалами, что позволяет своевременно определять неисправности также во время работы. Процедуры тестирования, требующие большого объема вычислений, или не выполняемые во время работы двигателя по иным причинам, выполняются после выключения двигателя. Это позволяет избежать влияния на другие функции. Примером такой функции является проверка состояния постоянного запоминающего устройства — ПЗУ.

Мониторинг связи между электронными блоками управления. Связь между различными электронными бло­ками управления обычно осуществляется по шине САМ. Механизмы определения ошибок встроены в протокол CAN, поэтому ошибки связи могут быть обнаружены уже на уровне чипа CAN. Блок управления также выполняет большое количество других тестов. Поскольку большинство сообщений передается по шине CAN отдельными блоками управления с регу­лярными интервалами, отказ контроллера шины CAN в блоке управления может быть определен посредством контроля этих интервалов. Если в блоке управления записана дополнительная информация, все входные сигналы проверяются посредством сравнения с этой информацией.

Обработка ошибок/неисправностей. Обнаружение ошибок/неисправностей. Путь сигнала классифицируется как полностью дефектный, если неисправность возникает по истечении определенного интервала времени. До тех пор, пока дефект на будет классифицирован, система будет использовать последнее зареги­стрированное значение. После того как дефект будет классифицирован, включается функция ожидания (например, используется фиксирован­ное значение температуры двигателя Т= 90 °С). Для большинства ошибок доступна функция «рас­познавания восстановленного сигнала». Для этого необходимо, чтобы путь сигнала в течение опреде­ленного времени был определен, как исправный.

Запись ошибок/неисправностей Все неисправности записываются в энергоне­зависимой памяти в виде кодов ошибок. Код ошибки включает также вид неисправности (например, короткое замыкание, обрыв цепи, недостоверность сигнала, выход за пределы допустимого диапазона). Каждая запись кода неисправности сопровождается записью до­полнительной информации, например, усло­вий эксплуатации на момент возникновения неисправности («стоп-кадр») (например, ча­стота вращения коленчатого вала, температура двигателя).

Функции в аварийном режиме. При возникновении неисправности в дополне­ние к использованию фиксированных значений определенных параметров те или иные системы автомобиля могут быть переведены в аварий­ный режим (например, режим ограничения выходной мощности двигателя или скорости движения). Эти меры направлены на обеспече­ние безопасности, предотвращение дальнейших повреждений (например, вследствие перегрева каталитического нейтрализатора) и сведение к минимуму токсичности выбросов.

OBD II предписывает мониторинг всех си­стем и компонентов, относящихся к системам ограничения токсичности отработавших га­зов, если их неисправность вызывает увели­чение токсичности. Кроме того, эти нормы требуют мониторинга всех компонентов, ис­пользуемых для мониторинга компонентов систем ограничения токсичности отработав­ших газов, или компонентов, влияющих на результаты диагностики. Как правило, диа­гностика всех контролируемых компонентов и систем должна выполняться как минимум один раз во время цикла испытаний на токсич­ность отработавших газов (например, цикла испытаний FTP 75).