Контроллер системы управления двигателем, на ВАЗ

Главой частью в системе впрыска можно назвать контроллер системы управления двигателем, на ВАЗ его еще часто называют «мозгами», тем самым, подчеркивая важность работ, которые он выполняет. Слово «контроллер» с английского языка переводится как – управление. Контроллер – это вычислительный и коммуникационный центр системы, в зависимости от тех сигналов, которые передают датчики, по заложенным внутри него схемам, он выдает необходимые команды к действию на исполнительные устройства в системе управления.

Выглядит контроллер как железный корпус, внутри которого располагается печатная плата с внедренными в нее электронными компонентами. Провода от датчиков, установленных на бортовой сети и исполнительных устройствах автомобиля многополюсным штекерным разъемом подключаются к контроллеру. Хочется сказать, что контроллеры системы управления двигателями на ВАЗ работают в не простых условиях: влажность воздуха в широком диапазоне; широкий диапазон температуры «за бортом» (от —45 до +75 о С); высокая вибрация и тому подобные. Исходя из этого, основными требованиями, которые предъявляется к конструкции контроллера и электронным компонентам является его практичность и долговечность. Подобные требования сформировались и к электромагнитной совместимости: ограничение излучения высокочастотных помех и чувствительность к внешним помехам.

Если начать рассматривать структуру контроллера, то можно будет заметить, что она состоит из следующих компонентов:

• источник питания;
• формирователи входных и выходных сигналов;
• микроЭВМ (процессорная часть).

Так как микросхемы формирователей и процессорная часть имеют рабочее напряжение питания +6 вольт, в коллекторе для обеспечения его нормальной работы предусмотрен свой источник питания. Выдаваемое им напряжение стабильно, даже если напряжение в бортовой сети начитает работать с перебоями. Посадка напряжения до 7 вольт, в то время когда осуществляется холодный пуск двигателя и при почти разряженной батареи это не приведет к отключению контроллера СУД. Хочется отметить, что от источника питания находящегося внутри контроллера, запитываются и другие датчики СУД.

Формирователи входных сигналов

Любой сигнал, издаваемый от датчика это электрический сигнал, который несет в себе значение физической величины (к примеру, температуры двигателя). В контроллере СУД данный сигнал проходит через формирователь, в котором происходит согласование уровней (ослабление или усиление) – преобразование величин, которые необходимы для функциональной работы процессорной части. Помимо всего прочего входные формирователи защищают устройство от перепада напряжения.

Формирователи выходных сигналов

Данные формирователи, пропускают через себя сигналы с портов вывода/ввода процессорной части в сигналы нужной мощности для управления исполнительными механизмами СУД. Выходные формирователи – это своего рода драйверы (современные микросхемы), которые помимо усиления мощности выполняют функции защиты выходов от замыкания на «плюс батареи» или «на массу», а также от перегрузки. Подобные драйверы получили название «интеллектуальных», потому как в случае ненормальной работы, когда срабатывают защитные механизмы, она информируют об этом СУД. В контроллерах устанавливаются различные типы формирователей выходных сигналов, все зависит от мощности.

Формирователь диагностики нужен для согласования всех уровней электрических сигналов оборудования диагностики с уровнями сигналов от процессора.

Процессорная часть контроллера

Это та часть, где происходят все главные процессы в работе контроллера на автомобиле ВАЗ. Основная составляющая процессорной части – это однокристальная микроЭВМ. Которая получила свое название из-за того, что большинство составляющих микропроцессорной структуры располагаются на одном чипе (кристалле микросхемы). В контроллерах СУД зачастую пользуются 8-, 16- или 32-разрядными микроЭВМ. Разрядность это количество информационных бит, которыми она сможет оперировать.

Основными компонентами микроЭВМ являются:

• Центральный процессор. Выбирает данные и команды из памяти данных и памяти программ, производит логические и арифметические операции над данными, управляет сигналами на внутренней шине данных и адреса.
• Запоминающее устройство (ЗУ). То место, где хранится данные в виде констант и программа. Программа — переведена на язык машинного кода микроЭВМ совокупность всех алгоритмов управления процессора. Данные — таблицы константы, выбирающиеся как управляющие параметры или участвующие в процессе расчетов. Для различных типов СУД, которые используют одинаковые контроллеры, записывают свой набор данных или свою программу. Для записи данных и программы используют специальные устройства, называющиеся - программаторами.
• ОЗУ - Оперативное запоминающие устройства. Область памяти, для хранения данных, изменяющиеся в процессе работы. Это могут быть значения, полученные от датчиков или промежуточные результаты вычислений. В отличие от ЗУ, информация в ОЗУ стирается после того, как выключить питания контроллера. В режиме хранения О3У потребляет очень небольшое количество энергии, что вряд ли приведет к разряду батареи, так как ток потребления сравним с током саморазряда. Недостатком подобного типа ОЗУ является то, что процесс адаптации появляется вновь после каждого раза включения аккумулятора. На старых видах СУД в “Эксплуатационном руководстве” существовало строгое правило о недопустимости отключения. в современных контроллерах СУД, для устранения такого недостатка используют новый тип ОЗУ, который вовсе не нуждается ни в каком дополнительном источнике питания для хранения информации.
• Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Однокристальная микроЭВМ не в силах работать с аналоговыми сигналами, именно поэтому в аналогово-цифровом преобразователе происходит преобразование и дискретная выборка мгновенных значений аналогового сигнала.
• Порты вывода/ввода. Служат для взаимодействия микроЭВМ с иными компонентами контроллера. Через них происходит выдача выходной информации и сигналов, считывание входных данных.
• Счетчики/таймеры — это устройства, которые необходимы для подсчета числа событий или измерения интервалов времени.

Материалы: http://www.autoshcool.ru/1604-kontroller-sistemy-upravleniya-dvigatelem-na-vaz.html

Применение программируемых логических контроллеров (ПЛК), обеспечивает решение задач управления автоматизированными технологическими процессами (АСУТП). Однако для построения систем управления движением (СУД) указанных технологических объектов их ресурсов оказывается недостаточно. Это связано с тем, что ПЛК традиционно создавались для управления технологическими объектами и значение термина «реальное время» применительно к АСУТП определяется в основном быстродействием механических, гидравлических или пневматических элементов.

Для решения задач, требующих высокой точности, быстродействия, координирующего управления, применяются системы автоматического управления многодвигательным электроприводом, построенные на одном или нескольких вычислительных устройствах. В случае однопроцессорных вычислителей предельное быстродействие определяется числом одновременно обслуживаемых электродвигателей и скоростью нарастания тока в электрических цепях, обычно составляющей десятки микросекунд. Необходимая точность вычислений координат траекторий движения может быть достигнута при 32­64 битовой разрядной сетке.

Использование комплектных электроприводов с цифровым управлением совместно с ПЛК не позволяет достигнуть высоких результатов из­за отсутствия специализированных быстродействующих интерфейсов управления, сложности организации перекрестных связей между электроприводами и отсутствия развитых библиотек функций контроля движения.

Использование PC­совместимых компьютеров (PC­base) для управления многодвигательными электроприводами также не лишено недостатков. Несмотря на высокую вычислительную мощность процессоров, реализовать ее в полной степени для СУД не удается по следующим причинам:

1. Жесткие требования к стабильности времени квантования, высокоскоростному интерфейсу, быстрому отклику на прерывание, типичные для СУД, несущественны для PC­компьютеров. С другой стороны, для СУД отсутствует необходимость обеспечения совместной работы программ различных производителей, механизма трансляции логических адресов в физические, наличия большого объема памяти и т.п.

2. Частота системной шины существенно ниже тактовой частоты процессора, а кэширование приводит к непредсказуемому изменению времени обработки.

3. Программы логического и цифрового управления состоят из фрагментов, имеющих небольшой объем (от десятков до сотен машинных команд). Использование операционных систем (ОС) для управления подобными задачами приводит к значительному увеличению затрат времени на переключение контекста, а вывод таких задач за рамки операционных систем весьма существенно тормозит работу самой ОС. Особые требования предъявляются к анализу и обработке исключительных ситуаций в СУД, т.к. последние используются в ответственных и потенциально опасных машинах.

В этой связи, а также с увеличивающимися потребностями в системах управления движением (СУД) в различных отраслях промышленности рядом иностранных фирм предприняты попытки создания встраиваемых вычислительных устройств, предназначенных для решения широкого класса задач управления движением – контроллеров движения (КД).

Характерной особенностью КД можно считать то, что производитель предлагает целый комплекс изделий, включающий, кроме собственно вычислительного устройства, силовые модули для двигателей различного типа, развитый набор периферийных устройств, средства интерфейса с ведущим компьютером (хостом) и силовыми модулями, а также специализированное программное обеспечение для разработки СУД. Конкретная разработка СУД производится системными интеграторами. К устройствам подобного рода можно отнести изделия фирм ACS Motion Control (SPiiPlus), Galil (Accelera DMC), Performance Motion (Navigator), Delta Tau (PMAC). КД может использоваться для создания СУД совместно с персональным компьютером или автономно.

Стандартный набор функций управления движением, поставляемый с КД, включает в себя: управление положением «точка­точка», толчковый режим «jog», режим «PVT» (положение­скорость­время), слежение за положением, позиционирование, линейную, круговую и сплайновую интерполяции. Некоторые производители включают в этот набор поддержку алгоритмов прямой и инверсной кинематики. Программное обеспечение позволяет задавать, помимо величин перемещения, профили скоростей и ускорений. Все КД обеспечивают как функции управления движением, так и функции логического управления, типичные для ПЛК.

В контроллерах предусматриваются возможности управления коллекторными и бесколлекторными двигателями постоянного и переменного тока, линейными и шаговыми двигателями. Для организации обратных связей по положению могут быть использованы квадратурные и синусоидальные энкодеры, резольверы и датчики Холла. В качестве регуляторов положения, как правило, применяются ПИД­регуляторы с упреждающими связями по скорости и положению, настраиваемые пользователем. Для сложных объектов управления имеется возможность использования регуляторов высокого порядка – например, полиномиальных. В ряде случаев возможно применение регуляторов, создаваемых пользователем контроллера, что, однако, требует их достаточно высокой квалификации. Для управления электроавтоматикой СУД контроллеры имеют широкий набор дискретных входов и выходов.

Конструктивное исполнение КД возможно в виде платы расширения шины PCI, на которой установлен процессор с устройствами памяти и интерфейса или в виде отдельного блока, причем в последнем случае связь с ведущим компьютером производится по высокоскоростному каналу USB или Ethernet.

Появление контроллеров движения было обусловлено, с одной стороны, возникновением новых, более совершенных микропроцессоров, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), силовых модулей и, с другой – усложнением задач управления многодвигательными электроприводами, повышением требований к точности, быстродействию и надежности приводных устройств.

Важной особенностью КД является аппаратная реализация функций, требующих высокого быстродействия, таких как формирование широтно­модулированных импульсов управления силовыми ключами, интерполяция сигналов измерительных преобразователей положения, фиксация начала отсчета положения. С этой целью используются ПЛИС. Как правило, на ПЛИС реализуется и многоканальная система ввода­вывода дискретных сигналов связи с многочисленными модулями расширения. Это позволяет значительно снизить вычислительную нагрузку процессора и освободить его от необходимости решения большого числа быстродействующих задач.

Развитые КД управляют группой приводных устройств общей численностью до 256, обеспечивая при этом такт квантования в контуре положения или скорости в диапазоне 65­400 мкс. Количество управляемых электроприводов зависит от сложности решаемых задач и традиционно секционируется с кратностью равной 2 или 4.

Основная вычислительная мощность КД определяется используемым процессором. В КД применяются процессоры цифровой обработки сигналов (DSP) или RISC­процессоры с тактовой частотой 120­240 МГц. Типичным примером использования однопроцессорных КД является семейство PMAC фирмы Delta Tau, снабженное процессорами 563xx фирмы Motorola с тактовой частотой 80­240 МГц. Контроллеры могут иметь память команд и данных от 128Кх24 до 512Кх24­разрядных слов. Для постоянного хранения программ и данных используется внешняя энергонезависимая Flash­память объемом от 1МБ.

Примером использования распределенной микропроцессорной архитектуры является устройство SPiiPlus, в котором один процессор движения управляет группой RISC­сервопроцессоров с тактовой частотой 120МГц, каждый из которых контролирует два электропривода. Каждый сопроцессор имеет доступ к 2Кб памяти программ, 352х24­разрядным словам оперативной и 96х24 двухпортовой памяти.

Программные модули в КД могут быть разделены на три основных типа – программы логического управления (PLC), управления движением (PMC) и очереди, включающие кольцевые буферы данных. Наиболее высоким приоритетом обладают PMC, запускаемые через равные промежутки времени по прерыванию таймера, а также некоторые из PLC программ, требующие фиксированного временного масштаба, и программы прямого цифрового управления. Свободную часть временного интервала занимают остальные PLC программы, очереди и ряд сервисных функций. Результаты вычисления значений регуляторов и широтно­импульсных сигналов объединяются в единый «сервоцикл», наличие которого в системе может быть необязательным в случае, если КД используется без силовых модулей или с отдельными силовыми преобразователями. Период расчета «сервоцикла» в большинстве случаев находится в пределах 50­120 мкс, что позволяет обеспечить высокое качество управления движением.

Каждому двигателю в СУД назначается ось, характеризующая геометрические параметры механизма. Возможно использование линейных и круговых осей, имеющих масштабные коэффициенты и начало отсчета. PMC и PLC программы могут формировать значения логических переменных – события. События означают достижение заданных значений внешними или внутренними переменными. События используются для управления работой системы и синхронизации различных КС.

КД могут поставляться с обычными средствами разработки типа VB, C/C++, JAVA и с проблемно­ориентированными языками программирования собственной разработки фирм­производителей. Компиляция управляющих программ может происходить либо на хост­компьютере с последующей загрузкой во Flash­память, либо на самом КД. Кроме того, для отладки СУД предлагаются программные средства, позволяющие вести диалоговый обмен, сбор данных и их визуализацию, мониторинг текущих процессов, автоматизировать процесс настройки приводов.

Недостатком использования КД для построения СУД можно считать необходимость применения нестандартизированных программных средств, а также различие аппаратных платформ и высокую стоимость средств разработки, препятствующих их широкому распространению. Однако появление новых систем на кристалле (SoC) на основе платформы ARM позволяет рассчитывать на преодоление этих недостатков. Наличие большого числа независимых производителей (до нескольких десятков), бесплатного программного обеспечения, широкий ценовой и функциональный диапазоны, совместимость программного обеспечения снизу­вверх позволяет надеяться на то, что платформа ARM станет стандартом для встраиваемых систем.

В качестве примера использования предложенного подхода можно привести создание цифровой СУД стеклоформующего агрегата (рис. 1). Основным требованием при ее разработке являлось обеспечение синхронно­синфазного движения 4­х рабочих органов с возможностью регулирования взаимного фазового положения. Учитывая трехсменный режим работы агрегата, сложные условия эксплуатации, а соответственно, и высокие требования к надежности, был разработан вариант системы управления на базе автономного контроллера движения (рис. 2). Причем по мере ее эксплуатации требования к набору функциональных возможностей возрастали. К новым опциям можно отнести возможность работы СУД с механизмами, имеющими различные, в том числе и дробные коэффициенты редукции, фазирование механизмов в процессе разгона агрегата, вариативность типов датчиков положения, управление сложным, изменяющимся в зависимости от производимого изделия циклом работы комплекта пневмомеханизмов, динамический контроль аварийных режимов и т.п. Важным результатом явилось то, что благодаря заложенным принципам удалось относительно быстро и легко удовлетворить возрастающие требования заказчика, а конкурентные разработки, реализованные на ПЛК­контроллерах, не выполнив весь комплекс требований, уступили этот сектор рынка.

Рис.1 Стеклоформующая машина

Рис. 2 Контроллер движения

Следующим применением предложенной концепции явилось создание системы управления электрооборудованием IntNC для металлорежущих станков с ЧПУ. Основной принцип построения ЧПУ IntNC заключается в том, что задачи расчета траектории движения, контроллера управления электроприводами и контроллера электроавтоматики интегрированы на единой платформе, основу которой составляет специализированный КД. Система управления в этом случае становится более компактной и надежной вследствие уменьшения аппаратной части и сокращения числа реальных связей между устройствами, которые теперь реализуются на программном уровне. Кроме того, объединение этих устройств на одной базе создает условия для разработки новых алгоритмов как управления оборудованием станка, так и технологических процессов обработки.

СЧПУ IntNC относится к классу двухпроцессорных с открытой архитектурой. На компьютере реализованы терминальные задачи и функции интерпретатора управляющих программ. Для организации интерфейса между системой ЧПУ и оператором на компьютере устанавливается специальная програм­мная среда IntNC (рис. 3).

Рис. 3 Терминальное окно управления IntNC

На основании изложенных подходов была также разработана система управления манипуляционным роботом IntNCR (рис. 4).

Аппаратно­программные средства блока управления реализуют возможность одновременного управления 16­ю осями с организацией их работы в 6 координатных системах. Это позволяет строить единую систему управления для производственных модулей типа «станок + манипулятор».

Рис. 4. Система управления IntNCR манипуляционным роботом PUMA-560

В IntNCR реализованы основные виды интерполяции, используемые при формировании сложных траекторий, а также равномерный и неравномерный кубические сплайны. Предоставляются возможности смещения и поворота координатных систем, написания управляющих программ в декартовых и полярных координатах. Динамические характеристики разгона/торможения осей могут быть заданы по линейному, трапецеидальному или S­образному законам. Для оптимизации сложных движений используется режим Lookahead, позволяющий корректировать задающее воздействие со скоростью выполнения до 2 тыс. кадров/с. Разработанный язык программирования IntLANG для создания УП позволяет реализовывать технологические задачи любого уровня сложности.

Таким образом, системы управления движением сложными технологическими объектами обеспечивают необходимые показатели качества и позволяют применять их для решения широкого круга технологических задач.

Материалы: http://mirprom.ru/public/sistemy-upravleniya-dvizheniem-slozhnymi-tehnologicheskimi-obektami.html

Контроллер системы управления является самой главной частью системы впрыска. Иногда контроллер ещё называют "мозгами" системы управления, что подчёркивает важность выполняемой им работы. Контроллер представляет собой коммуникационно-вычислительный центр системы, в зависимости от того, какие он получает с датчиков сигналы по алгоритмам, которые уже заранее определены, он выдаёт на исполнительные устройства те или иные управляющие воздействия.

Конструкция контроллера выполнена из корпуса, состоящего из металла, внутри которого размещается печатная плата, на которой размещены электронные компоненты. Жгут проводов от исполнительных датчиков и бортовой сети соединён с контроллером многополосным штекерным разъёмом. Контроллер СУД должен работать в тяжёлых условиях: широкий диапазон влажности, температура, варьирующаяся от 40 до 80 градусов Цельсия, серьёзная вибрация и некоторые другие факторы. Как работают датчики системы управления двигателем? Именно по этой причине к особенностям конструкции и электронным компонентам этого устройства предъявляются довольно высокие требования в отношении чувствительности к помехам и ограничению излучений собственных высокочастотных помех.

Если мы будем рассматривать структуру использующегося в наше время контроллера, мы увидим, что он состоит из следующих частей:

1. Процессорная часть
2. Формирователи сигналов
3. Источник питания

Как раз в этой части происходит самая главная работа контроллера. Главной составляющей процессорной части является однокристальная микроЭВМ. Она названа так из-за того, что большая часть компонентов микропроцессорной структуры располагается на одном чипе микросхемы. Для контроллеров СУД применяются 8-ми, 16-ти и 32-х разрядные микроЭВМ. Разрядностью называется количество бит информации, с которыми она может оперировать.

Основные компоненты микроЭВМ:

Он делает выборку команд и информации из памяти программ, осуществляет с данными арифметические и логические операции, управляет сигналами на внутренней шине адреса и данных.

ПЗУ или постоянно запоминающее устройство

Здесь хранятся программы и данные под видом констант. Программа переведена на специальный язык микроЭВМ, и представляет собою совокупность всех алгоритмов СУД. Данные – это калибровочные таблицы константы, которые применяются в процессе расчётов или в качестве управляющих параметров. Для СУД различного типа, на которых используются одни и те же контроллеры, применяются определённые программы и свой собственный набор данных. ПЗУ хранит информацию так долго, как это возможно, независимо от того, осуществляет контроллер работу или находится в это время на складе. Для того, чтобы записать программы, применяются программаторы – специально для этой цели созданные устройства.

ОЗУ или оперативное запоминающее устройство

Это область памяти, в которой хранятся данные, изменяющиеся в рабочем процессе. Это могут быть промежуточные результаты вычисления или получаемая с датчиков информация. После отключения контроллера вся информация из OЗУ окажется потеряна. Чтобы информация, используемая в рабочем процессе, сохранилась, в контроллере установлено энергонезависимое ОЗУ. Источник питания, от которого берёт энергию данное устройство, непосредственно подключен к батарее. В режиме хранения данное энергонезависимое устройство не употребляет большого количества энергии, что не даёт быстро разряжаться батарее - это объясняется тем, что в этом случае ток потребления равен току самозаряда. Основным недостатком такого типа ОЗУ является тот факт, что после того, как будет отключено питание от аккумулятора, процесс адаптации будет запускаться снова и снова. Таким же образом были устроены старые типы СУД, поэтому нельзя было допускать, чтобы они оказывались отключенными. Чтобы избавиться от этого недостатка на современных контроллерах применяется новый тип энергонезависимых ОЗУ, которым для хранения информации вообще не требуется дополнительный источник питания.

АЦП или аналоговый цифровой преобразователь

Однокристальный микроЭВМ не способен работать с аналоговыми сигналами, по этой причине в АЦП происходит дискретная выборка значений бесперебойного аналогового сигнала, а также переформирование этих значений в цифровой ход, как правило, 8 или 10 двоичных разрядов.

Необходимы они для того, чтобы организовать взаимодействие микроЭВМ с прочими компонентами контроллера. Через них считываются входные и выдаются выходные сигналы информации.

Данные устройства необходимы для того, чтобы измерить интервалы времени или подсчитать число событий.

Генератор тактовой чистоты

Он осуществляет тактовые импульсы, синхронизирующие работу всей системы. От того, насколько точно он работает, зависит правильность измерения всех интервалов времени.

Формирователи для входных сигналов

Сигнал датчика – это по своей сути физическая величина или её значение, которая преобразована в электрический сигнал (к примеру, температура охлаждающей жидкости). В контроллере данный сигнал проходит по формирователю, где начинает осуществляться согласование уровней, они преобразовываются до той величины, которая необходима для обеспечения нормальной производительности микроЭВМ. К тому же, входные формирователи выполняют функцию защиты от перенапряжения. Различают формирователи аналоговых, частотных и дискретных сигналов.

Дискретные сигналы - это такие сигналы, значение которых постоянно меняется во времени. К примеру, сигнал включения зажигания или, скажем, запроса кондиционера. Такие сигналы получает после преобразователей процессорная часть.

Аналоговые сигналы – это те сигналы, значения которых постоянно меняется во времени. К примеру, сигнал с ДМРВ или с датчика положения дроссельной заслонки. Данные сигналы поступают в процессорную часть по истечению предварительной обработки.

Частотные сигналы – это сигналы, в которых частота изменения несёт информация об изменениях физической величины, которая измеряется датчиком. К примеру, частота сигнала датчика положения коленчатого вала является пропорциональной скорости вращения двигателя. Для последующей обработки таких сигналов очень важно, чтобы они не содержали помех в импульсах. Во входном формирователе сигнал частоты ограничивается по амплитуде, и в процессорную часть поступает на вход таймера/счётчика.

Формирователи для сигналов выхода

Такие формирователи преобразуют сигналы с портов ввода/вывода в сигналы необходимой мощности с целью прямого управления исполнительными устройствами. Выходящие формирователи — современные драйверы, которые, помимо главных функций, увеличения по мощности, еще осуществляют функции защиты выходов контроллера с замыкания в массу или в плюс батареи, а кроме того с перегрузки. Данные драйверы именуют “интеллектуальными”, так как в случае неестественной работы, если включаются защитные функции, они оповещают процессор об этом. В контроллере применяются разные виды формирователей выходных сигналов в зависимости от нужной мощности.

Формирователь диагностического канала нужен, чтобы согласовывать значения уровней электрических сигналов диагностического оснащения с уровня сигналов процессора.

Источник питания

Так как микроЭВМ обладает рабочим напряжением питания 5 вольт, в устройстве имеется источник питания. Он выдаёт стабильное напряжение даже тогда, когда изменяется напряжение в бортовой сети в большом диапазоне. От внутреннего источника питания подпитываются также некоторые датчики СУД.

Материалы: http://mashintop.ru/articles.php?id=1221