کنترل الکترونیکی موتور دیزل (EDC)
شرایط فنی
امروزه، در ورای پیشرفت‌هائی که در زمینه‌ی تزریق سوخت موتور دیزل صورت گرفته، کاهش مصرف سوخت و افزایش در توان و گشتاور، فاکتورهای بسیار مهمی به شمار می‌آیند. در گذشته، اهمیت این فاکتورها موجب استفاده‌ی بیشتر از موتورهای دیزل با تزریق مستقیم (DI) بوده است. در مقام مقایسه با موتورهای دیزل با پیش محفظه و یا مجهز به محفظه‌ی گردابی، که به نام موتورهای با تزریق غیر مستقیم (IDI) معروفند، موتورهای با تزریق مستقیم دارای فشار تزریق بیشتری هستند. این امر منجر به اختلاط بهتر سوخت- هوا گشته و احتراق در آن کاملتر صورت می‌گیرد. در موتورهای با تزریق مستقیم، با توجه به این واقعیت که اختلاط بهتر انجام می‌شود و به علت عدم وجود پیش محفظه و یا محفظه گردابی، هیچ گونه تلفات ناشی از سرریز سوخت وجود ندارد و نسبت به موتورهای با تزریق غیر مستقیم، مصرف سوخت 15-10 درصد کاهش می‌یابد.
علاوه بر این، موتورهای مدرن امروزی بیشتر در معرض مقررات سخت مربوط به گاز اگزوز و صدا هستند. این امر باعث شده است که از سیستم تزریق سوخت موتور دیزل، انتظارات بیشتری مطرح شود، از جمله:
- فشارهای بالا در تزریق سوخت،
- منحنی بنیادی‌تری از آهنگ سوخت‌دهی،
- شروع تزریق متغیر،
- تزریق پیلوتی،
- سازگاری مقدار سوخت تزریقی، فشار تقویت یافته، و کمیت سوخت تزریقی در یک مرحله‌ی کاری معین،
- کمیت سوخت راه‌انداز وابسته به درجه‌ی حرارت،
- کنترل دور آرام مستقل از بار وارده بر موتور،
- تنظیم سرعت مطلوب با توجه به مصرف سوخت و بازده،
- به کارگیری چرخش دوباره‌ی گاز اگزوز، EGR با کنترل خودکار،
- کاهش در تولرانس‌ها و افزایش در دقت، در تمام طول عمر مفید وسیله‌ی نقلیه.
گاورنرهای مکانیکی متداول (وزنه‌های گریز از مرکز) با به کارگیری چندین وسیله‌ی اضافه‌شده، شرایط متنوع در حین کار را ثبت می‌کنند تا تشکیل مخلوط با کیفیت بالا تضمین شود. بنابراین، این نوع گاورنرها به یک کنترل ساده‌ی دستی در موتور محدود می‌شوند، در صورتی که عمل کننده‌های مهم و متنوعی وجود دارند که امکان ثبت آن‌ها توسط این وسائل وجود ندارد و یا اگر هم ثبت شوند، سرعت کار مطلوب نخواهد بود.
مرور کلی سیستم
در سال‌های گذشته، به علت افزایش، چشم‌گیر در توان محاسبه‌ای میکروکنترلرهای موجود در بازار، تبعیت کنترل الکترونیکی دیزل (EDC) از مقررات و شرایطی را که پیشتر یادآور شدیم را ممکن ساخته است.
برخلاف خودروهای دیزلی مجهز به پمپ‌های انژکتور ردیفی یا آسیابی متداول، راننده‌ی یک وسیله‌ی نقلیه کنترل شده توسط EDC نمی‌تواند هیچ گونه اثر مستقیم روی پمپ انژکتور داشته باشد، به عنوان مثال کنترل مقدار سوخت تزریقی که به طور متداول به وسیله‌ی پدال گاز و یا سیم گاز انجام می‌شود، در اینجا حاصل متغیرهای عمل کننده‌ی متنوعی از جمله وضعیت کاری، داده‌های توسط راننده، آلاینده‌های گاز اگزوز و نظائر آن است.
بدین معنی که یک سیستم ایمنی پیشرفته‌ای باید به کار برده شود تا خطاها و ایرادات را تشخیص دهد و به نسبت شدت و حدت، راه‌کارهای مناسب برای رفع آن‌ها را ارائه دهد (به عنوان مثال: محدودیت گشتاور، یا راندن اضطراری خودرو در گستره‌ی دور آرام (رساندن خودرو به کارگاه). سیستم EDC هم چنین امکان تبادل بین مقادیر به دست آمده در این سیستم با مقادیر حاصل از سایر سیستمهای الکترونیکی در خودرو به وجود آید (به عنوان مثال با سیستم کنترل کشش (TCS) و کنترل الکترونیکی تعویض دنده.) بدین ترتیب، این سیستم می‌تواند با کل سیستم خودرو ادغام شود.
پردازش داده‌های EDC
سیگنال‌های ورودی
حس‌گرها همراه با عمل کننده‌ها، وسیله ارتباطی بین خودرو و واحد پردازش داده‌های آن هستند. سیگنال‌های حاصل از حس گرها، از طریق مدار الکتریکی محافظ و اگر لازم باشد از طریق مبدل‌های سیگنال و آمپلی‌فایرها، وارد یک واحد و یا واحدهای متعدد کنترل الکترونیکی (ECU) می‌شوند (شکل 1):
- سیگنال‌های ورودی پیوسته (مثال: اطلاعات حاصل از حس‌گرهای پیوسته مربوط به مقدار هوای مکیده شده توسط موتور، درجه حرارت هوای ورودی و حرارت خود موتور، ولتاژ باطری و نظائر آن‌ها) به وسیله مبدل پیوسته/ گسسته در ریز پردازنده ECU، به مقادیر گسسته تبدیل می‌شوند.
- سیگنال‌های ورودی گسسته (مثال: سیگنال‌های کلید قطع و وصل، یا سیگنال حس‌گر گسسته از قبیل پالس‌های سرعت دورانی از حس‌گر Hall می‌توانند به طور مستقیم توسط ریزپردازنده‌ها پردازش می‌شوند.
- به منظور از بین بردن پالس‌های تداخل کننده، سیگنال‌های پالسی شکل که از حس‌گرهای القائی دریافت می‌شوند و حاوی اطلاعاتی مانند دور موتور و علامت تنظیم موتور هستند، توسط مدار ویژه‌ای در ECU بهبود یافته و به موج مربعی تبدیل می‌شوند.
اصلاح سیگنال، بسته به میزان پیچیدگی داخلی حس‌گر، به طور کامل و یا نسبی در داخل حس‌گر می تواند انجام شود. شرایط کاری که در نقطه‌ی نصب پیش می‌آید تعیین کننده‌ی میزان بارگذاری حس‌گر است.
اصلاح سیگنال
مدار محافظ برای محدود ساختن سیگنال‌های ورودی در حد حداکثر ولتاژ از پیش تعیین شده به کار می‌رود. سیگنال اصلی با استفاده از صافی، تقریباً به طور کامل از وجود سیگنال‌های تداخلی آزاد شده و سپس تقویت می‌یابد تا بتواند با ولتاژ ورودی واحد ECU متناسب باشد.
شکل 1- فرآورش سیگنال در ECU
(شکل در فایل اصلی موجود است)
پردازش سیگنال در ECU
ریزپردازنده‌های ECU (شکل 1) غالباً سیگنال‌های ورودی را به صورت گسسته (Digital) پردازش می‌نمایند و به همین جهت نیاز به یک برنامه‌ی خاصی است. این برنامه در حافظه ROM و یا Flash- EPROM ذخیره می‌شود.
علاوه بر این، منحنی‌های مشخصه موتور و اطلاعات مربوط به مدیریت موتور نیز در حافظه‌ی Flash- EPROM ذخیره می‌شوند. داده‌های تثبیت کننده، اطلاعات مربوط به کالیبراسیون و ساخت، همچنین داده‌های مربوط به خطاها ایرادات که در حین کار ممکن است پیش آیند، همگی در یک حافظه‌ی غیر فرّ‌ار خواندن/ نوشتن EEPROM ذخیره می‌شوند.
با وجود تنوع بسیار وسیع در انواع موتورها و ادوات، انواع ECU دارای یک کد «نوع» هستند. با استفاده از این کد، نقشه‌هائی که برای یک کار خاص در یک کارخانه و یا تعمیرگاه لازم است، از میان نقشه‌های ذخیره شده در EEPROM انتخاب می‌شوند.
سایر متغیرهای ECU طوری طراحی می‌شوند که در پایان تولید وسیله‌ی نقلیه، سری کامل داده‌ها بتوانند در داخل Flash- EPROM برنامه‌ریزی شوند. این کار موجب کاهش تنوع در ECU مورد احتیاج کارخانجات وسائط نقلیه می‌شود.
یک RAM فرار جهت ذخیره‌ی داده‌های متغیر (مثل داده‌های محاسبه‌ای و مقادیر سیگنال)، مورد نیاز است. و برای درست عمل کردن این RAM نیاز به یک انرژی دائمی می‌باشد. به عبارت دیگر، در صورتی که سویچ برق خودرو قطع شود و یا اتصال باطری از خودرو جدا گردد، ECU خاموش شده، تمامی اطلاعات ذخیره شده از بین می‌رود. در این حالت کمیت‌های سازگاری (مقادیری که در رابطه با شرایط عمومی موتور و وسیله‌ی نقلیه شناخته شده‌اند) پس از روشن شدن ECU باید دوباره نصب شوند. برای جلوگیری از این امر، مقادیر سازگاری به جای RAM در یک EEPROM ذخیره می‌شوند.
سیگنال‌های خروجی
ریزپردازنده‌ها با سیگنال‌های خروجی خود بخش‌های خروجی را به کار می‌اندازند. به طور معمول این بخش‌ها برای ارتباط مستقیم با عمل کننده‌ها دارای قدرت کافی هستند. به کار افتادن هر کدام از عمل کننده‌ها در رابطه با تعریف یک سیستم خاصی می‌باشد. این بخش‌های خروجی در مقابل هر گونه اتصال کوتاه به زمین یا به ولتاژ باطری و یا در مقابل صدمات ناشی از اضافه بار محافظت شده‌اند. اشکالات نخست توسط بخش‌های خروجی تشخیص داده شده، پس از آن، به ریز پردازنده گزارش می‌شود وضعیت مشابه در مدارات باز خازن نیز تعبیه شده است.
علاوه بر این، تعدادی از سیگنال‌های خروجی از طریق وسیله ارتباطی به سایر سیستمهای موجود در وسیله‌ی نقلیه منتقل می‌شوند.
انتقال داده‌ها به سایر سیستم‌ها
مرور کلی سیستم
افزایش روز افزون استفاده از کنترل‌های الکترونیکی کنترل خودکار و دستی در خودروها، ایجاب می‌کند که تک تک واحدهای کنترل الکترونیکی ECU با هم دیگر به صورت شبکه در آیند. این کنترل‌ها عبارتند از:
- کنترل تعویض دنده،
- مدیریت کنترل الکترونیکی موتور و یا کنترل پمپ انژکتور،
- سیستم مانع قفل ترمز (ABS)،
- سیستم کنترل کشش (TCS)،
- برنامه‌ی پایداری الکترونیکی (ESP)،
- کنترل گشتاور کششی موتور (MSR)،
- تثبیت کننده‌ی الکترونیکی (EWS)،
- رایانه نصب شده در صفحه داش‌بورد خودرو.
تبادل اطلاعات بین سیستم‌ها، تعداد حس‌گرهای مورد نیاز را کاهش می‌دهد، و بهره‌بری از تک تک سیستم‌ها را بهبود می‌بخشد. وسیله ارتباطی سیستمهای ارتباطی که به طور خاص برای استفاده در خودرو طراحی می‌شوند می‌توانند در دو زیر گروه طبقه‌بندی شوند:
- وسیله ارتباطی متداول،
- وسیله ارتباطی سریال، (مثل: شبکه‌ی کنترل کننده‌ی منطقه‌ای).
انتقال داده‌ها به روش متداول
انتقال داده‌ها در یک خودرو به روش مرسوم، با این ویژه‌گی که برای هر سیگنال یک سیم هادی جداگانه اختصاص می‌یابد، شناخته می‌شود (شکل 2). سیگنال‌های دودوئی تنها می‌توانند به صورت "0" و "1" منتقل شوند (کد دودوئی)، به عنوان مثال، کمپرسور تهویه‌ی مطبوع «روشن» یا «خاموش».
نسبت‌های روشن/ خاموش می‌توانند جهت انتقال پارامترهای با تغییرات پوسته از قبیل حس‌گر موقعیت پدال گاز به کار روند. امروزه، افزایش در تبادل داده‌ها بین اجزای الکتریکی یک وسیله‌ی نقلیه، به ابعادی رسیده است که ایجاد ارتباط بین آن‌ها از طریق سیم‌کشی‌ها و اتصالات متداول معقول نیست. در حال حاضر، برای کاهش پیچیدگی در سیم‌کشی خودروها هزینه‌های چشم‌گیری انجام می‌شود و از طرف دیگر، رفته رفته تبادل داده‌ها بین واحدهای کنترل بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل 2- انتقال داده‌ها به صورت متداول
انتقال داده‌های سریال (CAN)
اشکالاتی که در انتقال داده‌ها توسط وسیله ارتباطی متداول پیش می‌آید، می‌توان به وسیله‌ی به کارگیری سیستمهای باس (خطوط داده‌ها) برطرف شود. به عنوان مثال، برای CAN، می‌توان از یک سیستم باس نام برد که فقط برای استفاده در خودروها ساخته شده است. سیگنال‌هائی پیشتر از آن‌ها یاد شد، به شرط آن که سیستم کنترل الکترونیکی دارای وسیله ارتباطی CAN سریال باشد، می‌توانند توسط CAN منتقل شوند.
در یک وسیله‌ی نقلیه سه بخش عمده جهت کاربرد CAN وجود دارد:
- شبکه‌ی ECU،
- وسائل الکترونیکی برای راحتی و سادگی کار،
- ارتباطات سیار.
شبکه‌ی ECU
در این قسمت سیستمهای الکترونیکی از قبیل مدیریت موتور یا پمپ انژکتور، سیستم مانع قفل ترمز، سیستم کنترل کشش، کنترل الکترونیکی اهرم تعویض دنده، و برنامه‌ی پایداری الکترونیکی (ESP) و نظائر آن‌ها با همدیگر تشکیل یک شبکه را می‌دهند. واحدهای کنترل الکترونیکی دارای یک اولویت مساوی بوده، با استفاده از یک سیستم باس خطی به هم وصل می‌شوند (شکل 3). از مزایای این سیستم این است که اگر ایستگاهی از سیستم از کار بماند، بقیه ایستگاه‌ها به کار خود ادامه داده، به طور کامل به شبکه دسترسی خواهند داشت. بنابراین، در این سیستم احتمال از کار افتادن کل سیستم به مراتب کمتر از سایر ترتیب‌های منطقی (از قبیل سیستمهای حلقه‌ای و ستاره‌ای) است. در سیستمهای حلقه‌ای و ستاره‌ای، خرابی یک ایستگاه و یا خود ECU موجب از کار افتادن کل سیستم می‌گردد.
آهنگ انتقال در یک نمونه CAN بین 125 کیلوبیت در ثانیه و 1 مگابیت در ثانیه است (به عنوان مثال: کنترل الکترونیکی (ECU) برای مدیریت موتور و پمپ، برای کنترل الکترونیکی دیزل (EDC)، در مورد پمپ پیستونی شعاعی، یا به کار بردن 500 کیلوبیت در ثانیه با همدیگر ارتباط برقرار می‌کنند). تبادل اطلاعات باید به قدری سریع باشد که سیگنال‌های خروجی بتوانند سیگنال‌های ورودی را به صورت لحظه‌ای دنبال کنند.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل 3- سیستم باس خطی
شناسائی بر اساس محتویات
به جای شناسائی تک تک ایستگاه‌ها، در طرح شناسائی که توسط CAN به کار می‌رود، برای هر کدام از پیامها یک برچسب تخصیص داده می‌شود. بدین ترتیب هر پیام یک شناسنامه‌ی 11 یا 29 بیتی دارد که محتویات آن پیام را می‌شناساند (به عنوان مثال سرعت موتور).
یک ایستگاه معین تنها پیام‌هائی را که شناسنامه‌ی آن‌ها در لیست پذیرش آن ایستگاه ذخیره شده است مورد پردازش قرار می‌دهد (صاف کردن پیامها، شکل 4،5) و بقیه‌ی پیامها در نظر گرفته نمی‌شوند.
شناسائی بر اساس محتویات، بدین معنی است که یک سیگنال می‌تواند به چندین ایستگاه ارسال گردد. حس‌گر فقط باید سیگنال خودش را به طور مستقیم (و یا از طریق ECU) به شبکه‌ی باس بفرستد تا در آن شبکه با توجه به آدرس ایستگاه منتشر شود. بعلاوه، چون اضافه کردن ایستگاه‌های جدید به سیستم باس CAN موجود کارآسانی است، ادوات بسیار متنوعی را می‌توان به کار برد.
شکل 4- شناسائی و صاف کردن پیامها
(شکل در فایل اصلی موجود است)
تخصیص اولویت
شناسنامه، محتویات داده‌ها و نیز اولویت پیام ارسال شده را می‌شناساند. سیگنالی که به سرعت تغییر می‌یابد (مانند سیگنال مربوط به دور موتور)، باید بلافاصله ارسال شود. بدین جهت الویت بیشتری به آن داده می‌شود ولی سیگنالی که تغییرات آن به نسبت آرام است، (مثل سیگنال مربوط به درجه‌ی حرارت موتور)، دارای اولویت کمتری است.
الویت باس
به محض آن که سیستم باس آزاد شود، هر ایستگاه می‌تواند شروع به انتقال پیام کند. اگر چندین ایستگاه بخواهند هم زمان پیام بفرستند، (بدون کوچکترین افت در زمان و یا در داده‌ها)، سیستم باس اولین دسترسی را به پیامی می‌دهد که دارای بیشترین الویت است. به محض آن که سیستم باس دوباره آزاد شد، ایستگاه‌هائی که پیام‌های کم اهمیت‌تری دارند به طور خودکار، کوشش در ارسال پیام را از سر می‌گیرند.
شکل پیام
برای انتقال داده به سیستم باس، یک قالب داده به طول 130 بیت (فرم استاندارد)، یا 150 بیت (فرم بسط یافته)، ایجاد شده است. این کار موجب می‌شود که زمان انتظار برای ارسال اطلاعات بعدی حداقل شود. قالب داده از 7 قسمت متوالی تشکیل یافته است (شکل 5).
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل 5- شکل و فرم پیام
- «شروع قالب» شروع انتقال پیام را تعیین کرده، تمام ایستگاه‌ها را همزمان می‌سازد،
- «قسمت الویت بندی»، شناسنامه‌ی پیامها و یک بیت کنترل اضافی را تشکیل می‌دهد، هنگام ارسال این قسمت، فرستنده انتقال تک تک بیت‌ها را همراهی می‌کند تا مطمئن شود که همراه با این ارسال، ایستگاه دیگری با اولویت بالا ارسال نمی‌شود. فرستنده توسط بیت کنتل مقرر می‌دارد که پیام مزبور در «قالب داده» ارسال شود، یا در «قالب انتظار» قرار می‌گیرد.
- «قسمت کنترل»، شامل یک کد می‌باشد که نشانگر تعداد بایت «داده» در قسمت داده‌ها می‌باشد،
- «قسمت داده‌ها»، شامل اطلاعاتی بین صفر و 8 بایت می‌باشد. یک پیام با داده‌ی به طول صفر برای همزمان ساختن پردازش‌های منتشر شده به کار می‌رود،
- «قسمت کنترل خطا (CRC)»، دارای یک قالب کلمه‌ی کلیدی جهت شناسائی تداخل احتمالی در ارسال یک قسمت به کار می‌رود،
- «قسمت اعلام وصول»، با استفاده از سیگنال‌های اعلام وصول، تمامی گیرنده‌ها دریافت پیام‌های سالم را اعلام می‌دارند،
- «پایان قالب داده»، که تمام شدن پیام را اعلام می‌دارد،
خطایابی متمرکز
سیستم باس CAN، دارای تعدادی وظایف اخطار دهنده برای خطایابی می‌باشد. در این رابطه، تعدادی سیگنال‌های کنترل کننده در «قالب داده‌ها» و در «اخطار دهنده» موجود است تا هر کدام از فرستنده‌ها پیام ارسالی را دوباره دریافت کرده، وجود هر گونه انحراف احتمالی در پیام را بررسی کند.
اگر ایستگاهی خطائی را تشخیص دهد یک «پیام خطا» ارسال می‌کند تا موجب توقف انتقال در حال انجام گردد. این امر از دریافت پیام نادرست جلوگیری می‌کند.
اگر ایستگاهی معیوب شود، امکان این وجود دارد که برای تمامی پیامها از جمله پیام‌های بدون ایراد «پیام خطا» ارسال نماید. برای رفع این مشکل، سیستم باس CAN دارای برنامه‌ای است که به وسیله‌ی آن می‌تواند خطاهای متوالی را از خطاهای دائمی تشخیص دهد و از این طریق ایرادات ایستگاه را معلوم سازد. این فرایند بر پایه‌ی تخمین آماری وضعیت خطاها انجام می‌شود.