Авторемонт. Ситуации. Часть 4. Как работает блок управления

 

Продолжение. Начало: http://autodata.ru/article/all/avtoremont_situatsii_chast_2/

Блок  управления двигателем.  Его назначение уже  можно понять  из названия.

  Объяснение  принципа работы, которые мне приходилось слышать, и читать  начинались почти одинаково: мол,  в него стекаются все данные от датчиков  которые анализируются процессором  и на основе их анализа процессор принимает решение… и подает команды на исполнительные устройства. Через обратную связь происходит  контроль и? если надо, то опять тот же процессор вносит коррекции.

Если собеседника спросить:«Аанализ сигналов как происходит?». Ответ почти мгновенный:«Говорю же, там же процессор стоит…».  Дальше, с небольшими вариациями, можно услышать о том, как все сигналы датчиков проходят цифровую обработку,  и процессор смотрит…  и  выбирает нужные карты…. «флаг ставит или убирает» и т. д.  И складывается  впечатление, что процессор это  и дующий в горн горнист, и флаговый у флагштока… и бывший архивариус  из известного фильма, роющийся в картотеке, в поисках ордера на стулья, и…. нет, всего и не перечислить. И делает это он с немыслимой скоростью. И никто не задумается, а как это  процессору удается

 Попробуем разобраться?

 О назначении блока в принципе сказано. Теперь из чего он состоит. Блок имеет две основных части:

1.Логическая часть

2.Програмная часть.

Поскольку нас будет интересовать  именно первая, то я просто коротко скажу, что находится во второй части. Именно в ней и стоит  процессор, там же ПО, там же записанные и необходимые данные для обеспечения работы и коррекций, там же находятся данные, установленные производителем на эксплуатационные ограничения  и пр.

 Логическая часть  состоит из аналого-цифрового преобразователя(АЦП) и   цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Если данные устройства рассматриваются самостоятельно, то назначение их не трудно понять из самих названий. Первый преобразовывает  поступающие на его вход сигналы в цифровой сигнал, а второй соответственно-цифровые коды преобразует в  U,I различные импульсы управления исполнительными устройствами. И АЦП и ЦАП сейчас изготавливаются в одном корпусе  и в  них же содержатся все основные необходимые элементы, которые обеспечивают обработку сигналов  в данных логических узлах, согласно их назначения. И данные логические узлы, являются унифицированными, и находят широкое применение. При использовании же их в каждом конкретном случае, добавляются дополнительные элементы логики, счетчики, делители сумматоры, накопители и пр.

Теперь  о месте  программной части, а соответственно и процессора. Программная часть(процессор, со всеми своими ..)  - располагается между АЦП и ЦАП.

На АЦП блока управления двигателем, возложена  самая «грязная и самая неблагодарная  работа».  Помимо оцифровки сигналов, а именно на него приходят все сигналы от датчиков, он их должен обработать  в строгом соответствии  с циклом работы двигателя, систематизировать  и … не когда захотелось, а за строго определенное время до наступления события преподнести Его Величество процессору на блюдечке информацию в  виде цифрового сигнала. Процессор, следуя алгоритму программы, передает команду на ЦАП. ЦАП - это «белый воротничок» в системе управления. Он получает в виде кода готовое решение(команду), преобразовывает её  в сигнал управления и выдает на исполнительный элемент.

Предвижу растущее у некоторых  негодование… Поэтому, чтобы поддержать «необходимый температурный режим», резко забегаю вперед, показываю  осциллограмму цифрового сигнала, фото 1

                                            

 На  фото 1  цифровой сигнал. На обоих каналах анализатора  имеем уровень сигнала соответствующее  «состоянию  0», фото 2

                                    

А на фото 2 имеем на каналах анализатора:- на 1 состояние «1» , а на 2- состояние «0», фото 3

                                 

А фото 3 - на первом канале  я вывел маркер в точку А, и эта точка характеризуется переходом от состояния «0» к состоянию «1».  На панели управления(слева) на первом канале   это отражено , и текущее состояние и переход из одного в другое. А на втором канале так и осталось состояние «0», фото 4

                                           

  Фото 4- это не ШИМ как могут подумать некоторые. И внешняя схожесть с импульсной последовательностью…. Только внешняя.

Поэтому, что такое импульсный сигнал, кто не знает, может прочесть самостоятельно. Что такое цифровой сигнал то же. Но учитывая, что читать будут в интернете, а там … по-разному  объясняют, или вообще никак, добавлю: цифровой сигнал – это одна из разновидностей электрического сигнала. И он содержит в себе цифровой код.  И представляет собой импульсы тока  с четко выраженными высоким и низким уровнями. НО ни  одним из параметров, которыми характеризуются  импульсы или импульсные последовательности, цифровой сигнал не обладает. Цифровой сигнал имеет привязку ко времени.  И при графическом изображении используется только ось времени.

   Да, информация берется из сигналов датчиков, только  все эти сигналы «умирают» прямо на входе  в АЦП. И ни U, I, T, t ни Ом, ни Ампер, ни Вольт - ни один из параметров, ни одна величина, которыми мы оперируем  системе управления неведома. Все эти величины и значения сразу же преобразуются.  Как-то давно звучала  такая мысль( а может, кто и сейчас так думает,) что датчик Холла уже выдает 1 и 0… просто  амплитуду ограничить до необходимого уровня.  На возражение, что, этот сигнал так и останется импульсным, просто с меньшей амплитудой, следовал уже более  продвинутый вариант - подать на компаратор  и готов цифровой сигнал…

Да, цифровой,  ему еще до того каким он должен стать … как до Киева пешком. Но, тем не менее,  это все же более  верное направление мысли. Собственно с оцифровки сигналов и начнем.

Зачем это нужно? Сигналы, которые  используются в интересах системы управления различны и по своему характеру и по своим параметрам. Описание каждого по отдельности  и в целом мы сами проводим просто. Но система не умеет так делать. Значит, множественные параметры нужно описать так, чтобы ей это было понятно. Язык цифрового кода системе понятен, вот поэтому  все сигналы и преобразуются в него. А главное, что параметры и характеристики при этом не теряются..

При диагностике мы не работаем с цифровыми сигналами. Нет в этом необходимости. Но импульсные сигналы  мы смотрим, проверяем, оцениваем по ним работоспособность. Осциллограф  многими освоен, и уже не надо кого-то убеждать в необходимости этого прибора.  И рассказывая, как преобразуется сигнал  импульсный в цифровой, я не ставлю задачу полностью и подробно рассказать, как работает система . Но в общем это сделать придется. Потому что на стадии диагностики с использованием осциллографа можно «не увидеть» неисправность, которая впоследствии приводит к рассогласованию  между блоком управления и  двигателем. Я не оговорился, именно к рассогласованию ЭБУ  и ДВС.

  В начале несколько моментов нужно обозначить, они важны.

1.      Двигатель – это цикличное механическое устройство.(новость, что ни наесть найсвежайшая.)

И поскольку первый пункт возможно улыбнул, не раскрывая  его дальше, тут всем все известно, идем вперед.

2.      Система управления  двигателем, так же циклична. ПО написано именно под циклы двигателя.

3.      Работа системы синхронизирована полностью с работой ДВС. Поэтому, любое изменение в работе  двигателя, которое может изменить время полного цикла, система отслеживает  мгновенно и  так же мгновенно изменяет время своего внутреннего цикла. Любое расхождение между внутренним циклом системы и двигателя приводит к возникновению неисправности . Такое рассогласование  имеет различные проявления, от неустойчивой работы ДВС до невозможности его запуска. Причина рассогласования  может находиться и в механической, и в электронной, и в электрической части, и в программной части.(*что крайне редко, в сравнении  с перечисленными предыдущими).

Пока вот этого достаточно, потом еще добавим. Поскольку  информацию, а так же данные для согласования с  ДВС берутся из параметров различных сигналов то есть смысл вернуться к самому сигналу, вспомнить какие-то основные характеристики и назвать дополнительные, которые важно знать, если вы имеете дело с сигналами, которые в последующем преобразуются в цифровой.  Для того, что бы обращать внимание на сигналы датчиков, которые мы смотрим каждый день, и именно в той их части, где может возникнуть условие, которое при оцифровке приведет записи неверного числового кода.  Для простоты я возьму прямоугольный импульс, фото 5

                             

*отвечаю сразу на замечание типа:- «мог бы и рабочий с реального датчика показать».

«Еще покажу. Но импульсы с датчиков  такие же «прямоугольные», как я Нельсон Мандела. Тем более мне нужно сказать о дополнительных важных характеристиках.»

На фото 5 показан прямоугольный импульс, он «причесан», но это та форма, на которой можно указать дополнительные параметры. Прямоугольный импульс - осциллограмма  ярко зеленого цвета.

Более темным оттенком зеленого - импульс форму которого мы привыкли видеть на осциллографе.

1.      Нет прямоугольных импульсов, у которых бы  время нарастания амплитуды в переднем фронте, было бы равно 0. (Не может амплитуда  достигнуть своего максимума мгновенно).

2.      Не может время спада от максимальной амплитуды равняться 0.

Иными словами, прямоугольность импульсов - это та вредная легенда, которая  служит плохую службу, в данном конкретном случае.

Графически это все конечно смотрится красиво, из точки на оси времени линия идет перпендикулярно вверх, до максимального значения. Ну и в заднем фронте аналогично, но спад  в сторону минимального значения. А реально как светло зеленым цветом на фото 5.

 Опишем то, что видим на фото 5 для лучшего понимания: в переднем фронте имеем  нарастание амплитуды в течении некоторого  времени (перпендикуляра нет), далее наблюдаем выброс амплитуды  в точке достижения ею максимального значения, и колебания амплитуды в области максимального значения. Это время установки максимального значения амплитуды. Затем спад, который также длиться определенное время(перпендикуляра нет).

Итак, мы получили уже к известным параметрам импульса дополнительные характеристики:

- время нарастания амплитуды в переднем фронте импульса;

-время спада амплитуды  в заднем фронте импульса. 

-время установки максимального значения амплитуды.

Перечисленное не является параметрами - это всего лишь дополнительные характеристики позволяющие учесть не идеальность импульса.

Вот теперь можно попробовать оцифровать наш импульс,  превратив его в число. А как может повлиять то, что сказано выше на достоверность числа, если диагност упустит этот момент, рассматривая  импульсную последовательность, станет ясно по ходу объяснения процесса преобразования.

Что там упоминал … компаратор кажется. Ну, пусть так и будет. Не структурную же схему АЦП рисовать.

                   

Компаратор (рисунок выше) работает следующим образом:  На один вход подается опорный сигнал; на второй вход подается сигнал от датчика. Когда амплитуда входного сигнала  больше амплитуды опорного сигнала на выходе компаратора  формируется «состояние 1». Как только амплитуда входного сигнала сравнялась с амплитудой опорного напряжения, на выходе компаратора  формируется «состояние 0». Компаратор   имеет два входа, прямой и инверсный.  Их можно менять местами, но при этом картинка на выходе компаратора будет изменена на инверсную. Это используется при построении схем. Прямой и инверсный импульсные сигналы будут содержать одну и ту же информацию, но при оцифровке будет записан разные коды.

Итак, включаем зажигание, подается питание, в том числе и на блок управления. Блок управления начинает работать. Он уже будет получать информацию от тех датчиков, которые  начали ее выдавать ( не перечисляю, это должны знать и понимать все). Но программное обеспечение в этот момент задействовано не полностью. Нет самого главного - ЭБУ "не видит" работающего двигателя. А он его готов уже отследить с момента запуска. Поворот ключа включает стартер, который начинает вращать двигатель. Блок управления получает  сигнал « признак включения стартера» и  информацию о том, что двигатель начал вращаться. С этого мгновения программное обеспечение задействуется почти полностью.

Какие задачи при этом решает ЭБУ: Главную: синхронизировать свой внутренний цикл с циклом ДВС. Обеспечить подачу топлива, искры в нужных фазах. Далее он контролирует сам запуск двигателя по  возрастанию оборотов. А так же  по  отключению сигнала « признак включения стартера». И если запуск ДВС произошел, дальше ЭБУ уже действует согласно программного  обеспечения в него заложенного.

Здесь немного подробнее: - Как только стартер начал вращение двигателя, на вход АЦП тут же поступят сигналы…Я начну говорить о датчиках положения, коленчатого и распределительного валов, остальное потом приложится.

Возвращаемся к нашему рисунку. Рассматриваем сигнал, рис. 8    который приходит на прямой вход( А на инверсном входе давно, с момента включения зажигания  присутствуют  импульсы генератора тактовой частоты(ГТЧ), рис.9

 Процесс идет так: на входе + начинает действовать импульс. Его амплитуда, нарастая в переднем фронте, достигает, а затем превышает значение амплитуды ГТЧ, сигнал которого действует на входе «-». На выходе компаратора формируется состояние «1».  Состояние  «1» будет сохраняться на выходе  компаратора некоторое время.   И   время состояния «1»  будет равно длительности импульса. Далее, амплитуда импульса  идет на спад в заднем фронте. И достигает своего минимального значения.. Эта точка будет характеризоваться переходом от состояния 1 к состоянию  0. И далее наступает время, когда на входе компаратора действует импульс, где амплитуда его соответствует минимальному значению. На выходе компаратора формируется состояние 0.   Состояние  0 будет сохраняться на выходе компаратора все время пока,  амплитуда импульса будет иметь   минимальное значение.  Передний фронт следующего импульса,  переведет  из  состояния  0 в состояние 1.

 Теперь смотрим, что мы получили, рис. 10    это один период  из импульсной последовательности на входе компаратора.                                         

 А это преобразованный  - на выходе, рис.11 . Состояние высокого уровня «1», характеризуется не постоянной амплитудой, а каким то количеством импульсов тактового генератора(1а). Дальше низкий уровень (некоторые называют это время «паузой» или «промежутком").

За время действия  низкого уровня, до прихода переднего фронта следующего импульса, также пройдет определенное количество импульсов тактового генератора. Поскольку тактовый генератор формирует импульсную последовательность из одинаковых импульсов с неизменными параметрами, то мы можем сейчас сказать (хотя это будет звучать вульгарно), что мы преобразовали сигнал 1  в двоичный цифровой код  1а. И можем даже  записать число: импульсов ГТЧ, за время высокого уровня прошло 5 и на низком уровне, их тоже прошло  5. Тогда число в двоичном коде будет : 1111100000.

Теперь посмотрим сигнал 2: рис.12 чем он отличается от первого? - скважностью. Рис. 13

А, следовательно, и выходные сигналы будут отличаться: рис. 14-15 и . И число для второго сигнала будет уже другое:- 111000.

 Вывод: 1.Система рассматривает и преобразует, электрические сигналы датчиков только в определенный момент времени.  Принято считать, во всем мире, что этот определенный момент  равен  одному периоду импульсной последовательности. Больше система просто не может рассмотреть.

               2.Изменение скважности сигнала от датчика(ов)  положения  несет в себе информацию об изменении оборотов двигателя. От скважности сигнала зависит коэффициент  заполнения  тактовыми импульсами.  А соответственно и будет зависеть  полученное число.

               3. Поэтому первое, что получает система, когда начато вращение стартера - информацию о скорости вращения  двигателя (обороты). И эту же информацию она постоянно получает при работе двигателя.

Но то, что показано на рис. 16-17 и это еще не цифровой сигнал. Это не то число, на которое может реагировать процессор. Для того чтобы получить  число, надо еще выполнить кое-какие преобразования.

Итак, мы имеем на выходе компаратора сигнал, рис. 18 и подаем его на счетчик импульсов. Вот он точно скажет, сколько импульсов тактового генератора пройдет за время пока действует высокий уровень  амплитуды и низкий. И определит тот самый коэффициент заполнения. 

Как работает счетчик импульсов:  он запускается  сразу появлением первого импульса тактового генератора на выходе компаратора( с приходом переднего фронта импульса датчика на  вход компаратора) .

 Останавливается счетчик с приходом на вход компаратора переднего фронта последующего импульса. Этим же тактом происходит обнуление счетчика, и счет начинается сначала.

На оси времени работа счетчика будет выглядеть следующим образом, рис. 19

Вот здесь уже появилась цифра…  Я объединил два сигнала  1а и 2а, получилось так, что они идут друг за другом.  И счетчик четко выделяет временные отрезки в каждом периоде:  время действия высокого уровня, время низкого уровня, моменты перехода от  высокого к низкому уровню  и наоборот.

И куда это все дальше идет? А число на регистр записывается.  Ну, это такая штуковина, на которую записываются и постоянно обновляются текущие числа.  Состоит из ячеек памяти. Запись осуществляется последовательно.

 

Продолжение следует.

 

МАРКИН Александр Васильевич

Ник на форуме Легион-Автодата – A_V_M

 

г.Белгород
Таврово мкр 2, пер.Парковый 29Б
(4722)300-709

 ОБСУЖДЕНИЕ НА ФОРУМЕ