Tutorial- ECU Automotriz

7/28/2019 Tutorial- ECU Automotriz

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Diseo y Prueba de ECU usando Productos de National Instruments.

1.2.3.4.5.

Visin General

National Instruments tiene varios productos que pueden usarse en varias aplicaciones en la Industria Automotriz. Al usar los Productos de National Instruments puede disear y probarcomponentes electrnicos automotrices. Este documento habla sobre ECU's y los diferentes protocolos que comnmente se usan en la Industria Automotriz. Tambin describe las diferentes

opciones que ofrece National Instruments para disear y probar ECU.br>

Contenido

IntroduccinDiferentes Tipos de ECU'sEntradas/Salidas Tpicas de un ECUDiferentes tipos de Protocolos usadosDiseo y Pruebas

Introduccin

En la industria automotriz una unidad de control electrnico (ECU) es un dispositivo electrnico embebido, bsicamente una PC digital, que lee seales provenientes de sensores ubicados envarias partes y en diferentes componentes del automvil y dependiendo de esta informacin controla varias unidades importantes por ejemplo el motor y operaciones automatizadas en el auto ytambin verifica el rendimiento de algunos componentes clave usados en el automvil.

Un ECU est hecho bsicamente de hardware y software (firmware). El hardware est hecho de varios componentes electrnicos en un PCB. El componente ms importante es un chipmicrocontrolador junto con un EPROM o un chip de memoria Flash. El software (firmware) es un juego de cdigos de menor nivel que se ejecuta en el microcontrolador.

El ECU se caracteriza por: varias lneas de E/S analgica y digital (alta y baja potencia) dispositivo de interfaz/control de potencia diferentes protocolos de comunicacin (CAN, KWP-2000, etc.). grandes matrices de conmutacin para seales de alta y baja potencia pruebas de alto voltaje adaptadores inteligentes de interfaz de comunicacin (estndares o personalizados) reconocimiento automtico de equipo y habilitar secuencia de software simulacin de dispositivo de potencia

Diferentes Tipos de ECU's

Los ECU's son nombrados y diferenciados dependiendo de lo que se usa:

ECM Mdulo de Control de Motores. (Con frecuencia en la industria, los ECM son llamados ECU - Unidad de Control de Motores).

El ECM tambin conocido como EMS (sistema de administracin de motores) es un ECU en un motor de combustin interna que controla varias funciones de motor como inyeccin decombustible, sistema de control de tiempo de inyeccin y de distribucin de vlvulas. Todo este control se realiza basado en datos (como temperatura del anticongelante del motor, flujo de aire,posicin de palanca) recibidos desde varios sensores.El ECM tambin aprende sobre el motor conforme manejamos nuestro automvil. El "aprendizaje" es un proceso que el ECU utiliza para rastrear los cambios de tolerancia de los sensores yactuadores en el motor. Por ejemplo, la vlvula bypass idle-air (carburador automtico) con el A/C en el Automvil en encendido y apagado. El ECM almacena estas vlvulas "aprendidas" en RA

respaldada en batera as no tiene que iniciar desde cero la prxima vez que el motor es encendido. Se realiza una discusin en detalle sobre ECM en la parte final de este documento.Con la aplicacin de las Regulaciones de Emisin Federal el 1981, los ECUs se han usado en la mayora de los vehculos. En las aplicaciones aeronuticas estos sistemas comnmente se llamFADECs (Control de Motor Digital de Autoridad Completa).

EBCM Mdulo de Control de Frenos Electrnicos.

Este en un ECU que es usado en el mdulo ABS (sistema de freno antibloqueo) de un automvil. Se introdujeron a principios de 1970 para mejorar el frenado del vehculo sin importar lascondiciones del camino o clima. Aunque es muy reciente, ya ha obtenido popularidad.El EBCM regula los sistemas de frenado en las cinco entradas que recibe.

:Tipo de Documento Tutorial

: SSoportado por NI

: may 12, 2010Fecha de Publicacin
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1. El Freno: Esta entrada le proporciona el estado del pedal del freno, por ejemplo flexin o adhesin. Esta informacin se adquiere en un formato digital o analgico.

2. El 4 W.D: Esta entrada proporciona el estado en formato digital si el vehculo est en modo de manejo en 4 ruedas.

3. El encendido: Esta entrada registra si la llave de encendido est en su lugar y si el motor est andando o no.

4. Velocidad del Vehculo: Esta entrada proporciona la informacin sobre la velocidad del vehculo.

5. Velocidad de las llantas: En una aplicacin tpica esto representa un juego de 4 seales de entrada que transmiten la informacin referente a la velocidad de cada llanta. Esta informacin seusa para obtener toda la informacin necesaria para los algoritmos de control.

PCM Mdulo de control del tren de potencia.

PCM es un ECU que monitorea y controla velocidad, A/C y Transmisin Automtica. Las entradas que son alimentadas al PCM son de: sensor de posicin del acelerador,

sensor de velocidad de flecha de transmisin, sensor de velocidad del vehculo sensor de velocidad del motor (CKP) interruptor de freno interruptores de control de velocidad encendido interruptor on/off de overdrive sensor del gobernador de presin.

Usando estas entradas realiza control de transmisin, control de vlvula a travs de salidas PWM, control del embrague convertidor de torsin y del rel de proteccin de transmisin y proporcioinformacin al controlador a travs de la lmpara del tablero de overdrive.

VCM Mdulo de control del vehculo

VCM es un ECU que cuida los sistemas como:

sistemas de Direccin Elctrica Asistida (EPS) sistemas de control de velocidad inteligente (ACC)

sistemas de control de bolsa de aire (ACS). sistemas de Control Electrnico de Estabilidad (ESC).

El VCM generalmente es instalado a la mitad del automvil entre el pasajero y el compartimiento del motor. Estn conectados a varios tipos de sensores para controlar varios sistemas en elautomvil. Toman entradas de sensores de impacto (acelermetros de micro mquina) y sensores que detectan el peso del ocupante, posicin de asientos, cinturn de seguridad y posicin deasiento para determinar la fuerza con la cual las bolsas de aire frontales deben desplegar. As mismo, toman entradas de los sensores de ngulo de direccin, sensores de velocidad de lasllantas, sensores del rango de viraje, sensores de aceleracin lateral para proporcionar una salida al ESC para seguridad de manejo.

BCM Mdulo de control de la unidad.

BCM es un ECU que cuida la unidad de control del asiento, control del limpiador, ventanas y toldos en automviles convertibles (ej. Benz SL Roadster).

Entradas/Salidas Tpicas de un ECU

Un ECU consiste en un nmero de bloques funcionales:

1. Fuente de Alimentacin - digital y analgica (potencia para sensores analgicos)

2. MPU microprocesador y memoria (generalmente Flash y RAM)3. Enlace de Comunicacin (ej. bus CAN)4. Entradas Discretas entradas tipo interruptor On/Off5. Entradas de Frecuencia seales tipo codificador (ej. palanca o velocidad de vehculo)6. Entradas Analgicas - seales de retroalimentacin desde sensores7. Salidas de Conmutador - salidas tipo interruptor On/Off8. Salidas PWM - frecuencia variable y periodo (ej. inyector o encendido)9. Salidas de Frecuencia - periodo constante (ej. motor de pasos - control de tiempo de inyeccin)

Y generalmente en una Unidad de Control de Motores existen varios tipos de sensores y actuadores conectados y es importante saber el tipo de E/S que requieren.


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Veamos algunos de los tipos de sensores y actuadores que generalmente son conectados a un mdulo de control de motores y el tipo de E/S que requieren.

Sensor Manifold de Temperatura del Aire (MAT)

El sensor es un termistor. Es montado normalmente en el ducto de aire alojado en el manifold. La resistencia elctrica del termistor disminuye como respuesta al aumento de temperatura y esto

se puede medir usando canal analgico con algn acondicionamiento de seal. (excitacin, amplificacin, etc.)

Sensor de Temperatura del Anticongelante (CTS)

El CTS tambin usa un termistor para detectar la temperatura del anticongelante en el motor y alimenta la seal de voltaje a un canal de entrada analgica del ECM.

Sensor de Posicin Camshaft/Crankshaft (CPS)

El CPS es muy importante al monitorear la velocidad del motor y la posicin del pistn en el motor. Tradicionalmente, los sensores de renuencia variable eran usados para medir esto pero hoy eda varios sensores IR y los ltimos codificadores rotativos son usados para hacer lo mismo. Estas seales de codificador son proporcionados como entradas de frecuencia a los ECU's.

Sensor de Golpe (KS)

El KS es un sensor piezoelctrico tpico, detecta la vibracin de golpe desde el bloque de cilindro donde est sujeto y esta seal analgica compleja/dinmica se manda al ECU.

Sensor de Oxgeno (HO2S)

El HO2S es un sensor de medida de calidad del aire. El sensor est hecho bsicamente de cermica zirconia la cual es colocada en el manifold de combustin en un tubo cerrado. La zirconiagenera voltaje desde aproximadamente 1 V mximo en excelentes condiciones hasta 0 V en condiciones difciles. Esta seal analgica es enviada al ECM.

Sensor de Posicin del Acelerador (TPS)

El TPS es un potencimetro que transforma la posicin del acelerador en voltaje de salida el cual se enva la ECM.

Sensor de Velocidad del Vehculo (VSS)

El VSS est ubicada en el eje de transmisin. Es un generador de pulso y proporciona una seal digital al ECM.

Presin Absoluta del Manifold (PAM)

El sensor de Presin Absoluta del Manifold mide los cambios en la presin de admisin desde la carga del motor y los cambios de velocidad. El ECM enva una seal de referencia de 5 volts al

sensor MAP. Conforme los cambios de presin en la presin de admisin ocurren, la resistencia elctrica del sensor MAP tambin cambia. Al monitorear el voltaje de salida del sensor, la PCpuede determinar la presin absoluta del manifold. Mientras mayor la salida de voltaje MAP, menor el vaco del motor, lo cual requiere ms gasolina. Mientras menor la salida de voltaje MAP,

mayor el vaco del motor, lo cual requiere menos gasolina. Bajo ciertas condiciones, el sensor MAP tambin es usado par medir presin baromtrica. Esto permite a la PC ajustarseautomticamente para diferentes altitudes. La PC utiliza el sensor MAP para controlar la inyeccin de combustible y tiempo de inyeccin.Estos son algunas de las seales ms importantes que el ECM toma para controlar el sistema de inyeccin de combustible de manera eficiente para una administracin adecuada del combustib

El hardware de NI que se puede usar con estos sensores se puede escoger en la lista a continuacin:

Diferentes tipos de Protocolos usados

Los protocolos automotrices se pueden dividir en las siguientes categoras principales.

Diagnsticos

Los diagnsticos internos existen desde principios de 1980. Pero en los ltimos aos se han vuelto altamente sofisticados. Por lo tanto, son protocolos altamente confiables usados para


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diagnsticos internos.Algunos de los usados con mayor frecuencia son:

Protocolo ODBII- Este es un estndar de los ms populares que se introdujo a mediados de los aos 90's y cuida el control del motor completo y monitoreo del chasis y los accesorios. Es usadopor casi todos losfabricantes

CAN ISO 11898 - Otro protocolo muy popular usado por la mayora de los fabricantes para diagnsticos internos. Los detalles del pin se muestran a continuacin.

Pin 2 - J1850 Bus+Pin 4 - Tierra del ChasisPin 5 - Seal a TierraPin 6 - CAN Alto (J-2284)Pin 7 - ISO 9141-2 Lnea KPin 10 - J1850 BusPin 14 - CAN Bajo (J-2284)Pin 15 - ISO 9141-2 Lnea LPin 16 - Batera

Keyword 2000 y J1850 - Estos protocolos son usados bsicamente por GM, Chrysler para diagnsticos internos. J1850 es un protocolo muy viejo y est obsoleto.

Carrocera y Tren de Potencia

Las redes de Carrocera y Tren de Potencia pueden consistir en protocolos CAN, LIN o J1850. CAN es un protocolo verstil y es usado principalmente en varias categoras de redes porttiles.CAN de alta velocidad es usado comnmente para aplicaciones de Tren de potencia como temporizacin del motor para asegurar que el automvil funciona de manera eficiente.

LIN -- La Red Local de Interconexin (LIN) es una red basada en UART que fue desarrollada estrictamente para aplicaciones de carrocera. Por ejemplo, una red LIN conecta todos losdispositivos elctricos en la puerta de un automvil. LIN y CAN deben coexistir. Es usado principalmente por Chrysler, BMW y Volkswagen.

Multimedia y Controlador por cable

MOST -- Es una red de fibra ptica que ha sido optimizada para uso en el automvil. Est diseado para usarse con dispositivos simples como micrfonos y bocinas junto con dispositivos mscomplejos como dispositivos de seguridad como aquellos usados para ubicar automviles robados. La tecnologa MOST ha sido desarrollada y promovida por una Cooperacin, la cual incluyeBMW, Daimler-Chrysler y Audi.

IDB 1394 -- Es la ltima adicin a la familia IDB de las redes porttiles, diseado para aplicaciones de multimedia de alta velocidad que requieren mover rpidamente grandes cantidades deinformacin en un vehculo. Anteriormente conocido como IDB-M, el IDB-1394 est integrado en la tecnologa IEEE 1394 que ha ganado amplia aceptacin en la comunidad de electrnicos deconsumo.La especificacin IDB-1394 define las capas de grado fsico del automvil (ej. cables, conectores), modos de potencia y los protocolos del ms alto nivel necesarios para asegurar la interoperatividad de todos los dispositivos IDB-1394.

Controlador por cable hasta el momento los protocolos no han sido desarrollados completamente. Tambin hay algunos desacuerdos sobre cul protocolo se volver el estndar industrial.Mientras Flexray ofrece alta velocidad, es costoso y lejos de la estandarizacin.

FlexRay -- Es un sistema de comunicacin escalable, flexible y de alta velocidad, el cual cumple con las crecientes demandas tcnicas en la industria automotriz. Con su razn de datos de hast10 MBits/s, es ideal para aplicaciones de cable por X.

Diseo y Pruebas

La manera tradicional para desarrollar sistemas embebidos automotrices ha sido construir tarjetas de hardware que representan todo o parte de cada ECU y parte de sus componentes,generalmente llamados modelos de plantas y usadas para pruebas de laboratorio. Desafortunadamente, el enfoque de laboratorio tiene varias limitaciones.Primero, es costoso crear todas las tarjetas de hardware necesarias.Segundo, los requerimientos del rendimiento de los ECU's ms potentes (aquellos usados para control del tren de potencia) son tan demandantes que ya no es posible construir tarjetas quepermitan adecuar las medidas que sern tomadas.Finalmente, y ms importante, este enfoque de pruebas de laboratorio est basado en un proceso secuencial de diseo donde el hardware es desarrollado, los prototipos del modelo de planta sconstruidos y el desarrollo de software comienza.

Para resolver estas limitaciones los ingenieros de diseo de control han adoptado un proceso de diseo altamente eficiente generalmente referido como el diagrama "V". Aunque originalmente fdiseado para encapsular el proceso de diseo de las aplicaciones de software, se pueden encontrar diferentes versiones de este diagrama para describir diferentes ciclos de diseo de productEl que se proporciona a continuacin generalmente es usado en el ciclo de diseo ECU.


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En este diagrama la progresin del tiempo general en las etapas de desarrollo se muestra de izquierda a derecha. Sin embargo, este es siempre un proceso repetitivo y el desarrollo actual noproceder linealmente a travs de estos pasos. A cambio, usted podr emplear el tiempo en cada paso y hasta tener que regresar de vez en cuando. La meta es hacer este ciclo lo ms eficienteposible al minimizar la cantidad de reproducciones entre los pasos, as como el tiempo empleado en cada paso.El eje y de este diagrama se le puede conocer como el nivel al cual los componentes del sistema son considerados. Los requerimientos del sistema se deben considerar al comienzo deldesarrollo. Conforme el sistema es dividido en sub sistemas y componentes, el proceso se vuelve de bajo nivel hasta el punto de cargar el cdigo en los procesadores individuales.Despus, los componentes son integrados y probados juntos hasta ese tiempo en el que el sistema completo puede entrar a las pruebas de produccin finales. Por lo tanto, la parte superior dediagrama representa la vista del sistema de alto nivel y la parte inferior del diagrama representa una vista de muy bajo nivel.

Analicemos estos pasos uno por uno.Definicin del Sistema.

En este paso los ingenieros de diseo inicialmente documentan las necesidades y requerimientos del proyecto usando aplicaciones de hojas de clculo o procesamiento de palabras. Ladocumentacin tambin se encarga de las diferentes especificaciones del motor y las diferentes normas que necesita para cumplirlas. Tambin marca los lmites de los parmetros involucrados

en controlar el motor.

Una vez que las especificaciones son documentadas, el proceso actual de diseo comienza, en el que primero se construyen un modelo de software del ECU y el motor.

Y una vez que los modelos son construidos, el tercer paso involucra simulacin de software en el ciclo. En este paso los dos modelos de software; modelo del ECU y modelo del Motor; sonconectados juntos en un ciclo cerrado y despus simulados para analizar las caractersticas dinmicas del sistema completo. Durante la simulacin el modelo del ECU monitorea la salida desdemodelo del Motor y ajusta las entradas al modelo del Motor para mejorar el rendimiento de varias funciones del motor como inyeccin del combustible, encendido, etc.

National Instruments ofrece tres opciones para construir un modelo de software.

1ra. Opcin --- LabVIEW.

LabVIEW con el Paquete Diseo de Control y Simulacin ofrece una muy buena plataforma para disear y modelar el Motor y la unidad de control del Motor. El Paquete Diseo de Control ySimulacin consiste principalmente de tres juegos de herramientas para este propsito.

System Identification Toolkit y Control Design Toolkit:- Este juego de herramientas contiene varios VI's para Identificacin de Sistemas que ayuda a construir modelos matemticos de lossistemas dinmicos de un motor. Estos modelos pueden ser integrados juntos para generar un modelo completo del motor, el cual al usarlos VIs para diseo de control se puede analizar y usar para disear el modelo matemtico del ECU.

Mdulo de Simulacin:- El mdulo de simulacin ofrece un entorno de simulacin en LabVIEW. Los clientes tambin pueden construir el motor y los modelos ECU en forma de diagrama debloques (como modelos Simulink) usando varios VI's en LabVIEW para funciones lgicas y aritmticas, procesamiento de seales,filtros, etc. junto con elementos Dinmico, tablas de consulta, etc. proporcionadas por el mdulo de simulacin. Despus que el modelo es diseado, se puede realizar la simulacin del softwareen el ciclo usando el mismo entorno de simulacin.

La documentacin para el modelo se puede preparar usando cualquier aplicacin de palabras o hojas de clculo.

2da Opcin --- MATRIXx


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MATRIXx tiene habilidades similares a Matlab/Simulink. Es una herramienta ideal para clientes que estn planeando construir sus modelos desde cero y estn buscando herramientas quepuedan lograr una aplicacin compleja de diseo de control y simularla a alta velocidad.MATRIXx est hecho bsicamente de cuatro productos:-1) XMath2) SystemBuild3) AUTOCODE4) DocumentItUsando software XMath y SystemBuild, los clientes pueden modelar sus ECUs y Motores y despus usando esos modelos pueden realizar simulacin de software en el ciclo.

El software XMath es un entorno de software bsico de anlisis y visualizacin que controla SystemBuild y todo el entorno MATRIXx relacionado. Tambin ayuda a manejar datos y realizaranlisis numrico para SystemBuild.SystemBuild es un entorno de programacin grfica que se puede usar para modelar y simular el Motor y el sistema del Motor. Tiene una opcin de ms 80 tipos de bloques que se pueden usarpara construir modelos complejos del Motor y del ECU.Para documentar el modelo MATRIXx tiene un producto llamado DocumentIt el cual puede crear documentos automticamente en varios formatos desde los modelos construidos en SystemBuil

3ra Opcin --- LabVIEW + Simulink

Si ya tiene un modelo de motor listo e integrado en Simulink y no desea re construir el modelo. Entonces hay dos opciones disponibles:1) Al usar el Mdulo de Simulacin podemos traducir el modelo Simulink (.mdl file) existente en cdigo del diagrama de bloques de LabVIEW, lo cual se puede lograr fcilmente en un proceso dtres pasos.2) El Simulation Interface Toolkit (SIT) es un complemento de LabVIEW que proporciona herramientas para crear interfaz de LabVIEW para comunicarse exitosamente con un modelo Simulinkexistente.a) Comunicar directamente entre LabVIEW y el modelo Simulink. El Servidor SIT necesita iniciarse desde MATLAB para lograr esta comunicacin. El modelo Simulink tambin se puedeejecutar en la PC principal u otra PC diferente.

La documentacin se puede realizar usando cualquier aplicacin de hoja de datos o palabras.

b.) Ejecutar el modelo en un sistema en tiempo real al convertir el modelo Simulink a un DLL. Una vez que el DLL est construido, no son necesarios el servidor SIT ni el modelo.

Rpida Generacin de Prototipos de Control

Tambin se conoce como simulacin de modelo en el ciclo (EIL). No se debe confundir con el trmino (RP) la cual se refiere a una clase de tecnologas querpida generacin de prototipospueden construir modelos fsicos automticamente desde datos de Diseo Asistido por Computadora (CAD). Para RCP, el modelo de software ECU que ha sido diseado es descargado a unobjetivo prototipo de hardware en tiempo real. El Objetivo puede ser cualquier hardware en tiempo real (idealmente un sistema PXI o un sistema cRIO). Por lo tanto, el modelo de software de Eproporciona interfaz de E/S la cual est conectada a sensores y actuadores sujetos al motor.

El software que se puede requerir es LabVIEW, LV RT y LV FPGA (si se usa cRIO o 7831R en PXI). Si el mdulo es construido en MATRIXx entonces un dll se puede crear a partir de l y se


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