Einsatz von µControllern in der KFZ-Technik

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Bewertungsmethoden
1.1.1 Fahrzeugführung
1.2 Kräfte am Fahrzeug

2. Überblick µC-Einsatz im Kraftfahrzeug
2.1 Unfallursachen Unfallverhütung

3. Sicherheitssysteme
3.1 Passive Sicherheitssysteme
3.2 Aktive Sicherheitssysteme
3.2.1 Antiblockiersystem - ABS
3.2.1.1 Aufbau
3.2.1.2 Arbeitsweise
3.2.1.3 ABS-Regelkreis
3.2.2 Antriebsschlupfregelung – ASR
3.2.2.1 Aufbau
3.2.2.2 Arbeitsweise
3.2.2.3 Ausführungen
3.2.3 Fahrdynamikregelung ESP
3.3 Datenverarbeitung
3.3.1 Systemübersicht
3.3.1.1 Eingangssignale
3.3.1.2 Signalverarbeitung im Steuergerät
3.3.1.3 Ausgangssignale
3.4 Datenübertragung zu anderen Systemen
3.4.1 Systemübersicht
3.4.2 Konventionelle Datenübertragung
3.4.3 Serielle Datenübertragung (CAN)
3.4.3.1 Steuergerätekoppelung
3.4.3.2 Inhaltsbezogene Adressierung
3.4.3.3 Priorisierung
3.4.3.4 Busvergabe
3.4.3.5 Nachrichtenformat
3.4.3.6 Integrierte Diagnose
3.5 Anforderungen an die Fahrdynamikregelung

4. µC im Motormangement
4.1 Funktionsprinzip des 4-Takt Motors

5. Elektronik im Motor
5.1 Prinzip der elektronischen Motorsteuerung
5.1.1 Grundfunktion
5.1.2 Zusatzfunktionen
5.1.3 Drehmomentführung
5.1.3.1 Momentenkoordination
5.1.4 Fahrzeugmanagement
5.1.5 Diagnose

6. Fachteil µC PCB83C
6.1 Analog/Digital-Wandler
6.2 I/O Timing
6.3 Analogausgänge
6.4 Watchdog
6.5 Kraftstoffeinspritzung
6.6 Verteilerlose Zündung
6.7 Ventilsteuerung
6.8 Sensoren
6.9 Motorlast

Quellennachweiß:

1. Einleitung

In dieser Arbeit wird auf grundlegende Einsatzmöglichkeiten von µControllern im KFZ-Technik eingegangen. Am Beginn der Arbeit werden Unfallursachen, Unfall- verhütung, Bewertungsmethoden der Fahrzeugführung sowie die am Fahrzeug wirkenden Kräfte behandelt. Anschließend werden die aktiven Sicherheitssysteme wie ABS - Antiblockiersystem, ASR – Antischlupfregelung und ESP – Fahrdynamik- regelung näher erläutert. Weiters wird näher auf die Datenverarbeitung der ESP- Fahrdynamikregelung und zu anderen Systemen eingegangen. Anschließend folgt das Kapitel „Elektronik im Kraftfahrze ug“ wo unter anderem das Prinzip der elektronischen Motorsteuerung, die Kraftstoffeinspritzung, die Ventilsteuerung usw. beschrieben wird.

1.1 Bewertungsmethoden

1.1.1 Fahrzeugführung

Das Verhalten eines Fahrzeuges im Straßenverkehr wird durch verschiedene Einflüsse bestimmt, die sich grob in drei Bereiche einteilen lassen:

- Fahrzeugeigenschaften,
- Verhalten, Leitungsvermögen und Reaktionsfähigkeit des Fahrers und
- umgebende Bedingungen.

Die Bauweise und Auslegung eines Fahrzeuges beeinflussen dessen Bewegung und Fahrverhalten. Das Fahrverhalten ist die Fahrzeugreaktion auf Fahrerhandlungen (Lenken, Gasgeben, Bremsen) und auf Störungen von außen (Fahrbahnzustand, Wind usw.).

Gutes Fahrverhalten zeigt sich in der Fähigkeit, den Kurs exakt zu halten und damit die Aufgabe eines Fahrers voll zu erfüllen.

Dabei hat der Fahrer die Aufgaben,

- seine Fahrt den Verkehrs- und Straßenverhältnissen anzupassen,
- die geltenden Gesetze im Straßenverkehr zu befolgen,
- der Fahrstrecke, gegebenen durch den Straßenverlauf, bestmöglich zu folgen und
- vorausschauend und verantwortungsbewusst sein Fahrzeug zu führen.

So gleicht der Fahrer die Fahrzeuglage und die Fahrzeugbewegungen immer wieder einem subjektiv empfundenen Idealzustand an. Er regiert vorausschauend, handelt gemäß seiner Erfahrung und passt sich so dem aktuellen Straßenverkehrsgeschehen an.

1.2 Kräfte am Fahrzeug

Auf ein Fahrzeug wirken unabhängig von seinem Bewegungszustand Kräfte ganz verschiedener Art:

Einerseits handelt es sich dabei um Kräfte in Längsrichtung, z.B. Antriebskraft, Luft- widerstand oder Rollreibung, anderseits um Kräfte in Querrichtung, z.B. Fliehkraft bei Kurvenverhalten oder Seitenwind.

Diese Kräfte werden auf die Reifen (und schließlich auf die Fahrbahn) entweder von oben oder von der Seite übertragen. Dies geschieht über

- das Fahrgestell (z.B. Windkraft)
- den Motor,
- das Getriebe (Antriebskraft) oder über
- die Bremsanlage (Bremskraft).

In der anderen Richtung wirken die Kräfte von unten von der Fahrbahn aus auf die Reifen und damit auf das Fahrzeug. Grundsätzlich muss die antreibende Kraft des Motors – damit sich das Fahrzeug überhaupt in Bewegung setzen kann – alle Fahr- widerstände (alle Längs- und Querkräfte) überwinden, die durch Fahrbahnlängs- und Fahrquerneigung verursacht werden.

Für die Beurteilung der Fahrdynamik oder auch der Fahrstabilität eines Fahrzeugs müssen die Kräfte bekannt sein, die zwischen den Reifen und der Straße wirken, also über diese Kontaktflächen (auch „Reifenaufstandfläche“ oder „Latsch“ genannt) übertragen werden.

Mit zunehmender Fahrpraxis lernt ein Autofahrer, immer besser auf diese Kräfte zu reagieren: Sie sind für ihn sowohl bei Beschleunigungen und Verzögerungen als auch bei Seitenwind oder Glätte spürbar. Bei sehr hohen Kräften, also sehr starken Bewegungszustandsänderungen, sind diese Kräfte auch gefährlich (Schleudern) oder zumindest deutlich durch quietschende Reifen vernehmbar und erhöhen den Materialverschleiß.

2. Überblick µC-Einsatz im Kraftfahrzeug

Ein geradezu atemberaubende Entwicklung verzeichnet die Elektronik in der Motorentechnik. Schon frühzeitig musste im Bereich der Gemischaufbereitung der altbewährte mechanische Vergaser der elektronischen Einspritzung weichen. Bei der Zündanlage waren die Auswirkungen ähnlich. Hier wurde der kontaktgesteuerte Zündverteiler von der vollelektronischen Zündanlage ersetzt. Den nächsten Schritt läutete der geregelte Dreiwege-Katalysator ein. Seine Wirkungsweise steht in unmit- telbarer Abhängigkeit von der sogenannten „Lambda-Regelung“. Denn der geregelte Dreiwege-Katalysator kann seiner Aufgabe nur in vollem Umfange nachkommen, wenn ein optimales Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff vorliegt. Damit dieses Idealverhältnis – der Techniker spricht von Lambda = 1 – zustande kommt, steuert eine Lambda-Sonde als Sensor die Gemischregelung. Parallel zur Lambda- Regelung wurden in den vergangenen Jahren die elektronischen Funktionen der Gemischaufbereitung und der Zündanlage vervielfacht. Ein intelligentes und leistungsfähiges Motormanagement ist heute die Voraussetzung für akzeptable Abgas- und Kraftstoffverbrauchswerte. Solche Systeme sind in der Lage, auf elektronischem Wege Luft-, Kraftstoff- und Zündanlage in mehreren Regelkreisen mit der Lambda-Regelung für die Abgaskontrolle zu vernetzen.

Wenn in den letzten 20 Jahren die Zahl der Straßenverkehrsunfälle mit Personen- schäden trotz einer Verdoppelung der Verkehrsdichte gesunken ist, so ist dies auf die ständigen technischen Verbesserungen im Kraftfahrzeug zurückzuführen.

Mit der Fahrdynamikregelung ESP, elektronisches Stabilitätsprogramm oder DSC Dynamisches Stabilitätsprogramm genannt, ist es gelungen, die Fahrsicherheit einen weiteren Schritt voranzubringen. Die Verknüpfung der Funktionen ABS und ASR mit den Bewegungsdaten des Fahrzeugs ermöglicht es, das Kraftfahrzeug in Grenz- situationen zu stabilisieren und ungewolltes Ausbrechen oder Schleudern zu ver- hindern.

Zusammengefasst sind ABS Antiblockiersystem, ASR Antischlupfregelung, ESP Fahrdynamikregelung, Gurtstrammer und Airbag, Fahrgeschwindigkeitsregelung (Tempomat), Boardcomputer, Diebstahlsicherung, Vierradlenkung, Allradsteuerung, elektronische Wegfahrsperre (EWS), elektronische Getriebesteuerung, Navigations- system und Klimaanlagen nur einige µC gesteuerte Systeme.

2.1 Unfallursachen Unfallverhütung

Im Straßenverkehr ist der überwiegende Teil aller Unfallursachen bei „Unfällen mit Personenschaden auf personenbezogenes Fehlverhalten zurückzuführen. Dabei ist eine nicht angepasste Geschwindigkeit die Hauptunfallursache.

Weitere Ursachen sind:

- falsche Straßenbenutzung,
- Abstandsfehler,
- Vorfahrts-/Vorrangfehler oder
- falsches Abbiegen.

Der überaus größte Teil davon entfällt auf PKW-Fahrer. Technische Mängel wie Be- leuchtung, Bereifung, Bremsen usw. bzw. fahrzeugbezogene Ursachen wurden in nur geringem Maße registriert.

Andere vom Fahrer nicht beeinflussbare, unfallbezogene Ursachen (Wetter) waren dagegen schon häufiger festzustellen.

Anhand dieser Fakten wird deutlich, dass die Sicherheitstechnik eines Fahrzeuges (in besonderem Maße die dafür notwendige Elektronik) immer weiter verbessert bzw. ergänzt werden muss, um

- den Fahrer in Extremsituationen bestmöglichst zu unterstützen,
- Unfälle zu vermeiden oder
- Unfallfolgen zu mildern.

In fahrkritischen Situationen gilt es deshalb, das Fahrzeugverhalten in Grenzbe- reichen und extremen Fahrsituationen für den Fahrer „vorhersehbar“ zu machen. Die Erfassung verschiedener Parameter (Drehzahl der Räder, Querbeschleunigung, Giergeschwindigkeit usw.) und deren elektronische Weiterverarbeitung in einem oder mehreren Steuergeräten hilft, die Vorgänge in extrem kurzer Zeit durch geeignete Maßnahme „beherrschbarer“ zu machen.

Folgende Situationen oder Gefahren sind Beispiele für mögliche Erfahrungen mit Grenzbereichen:

- verändernde Straßen-/Witterungsverhältnisse
- Konflikte mit anderen Verkehrsteilnehmern,
- Konflikte mit Tieren bzw. Hindernissen auf der Fahrbahn oder
- ein plötzlicher Schaden (geplatzter Reifen) am Fahrzeug.

3. Sicherheitssysteme

Auf die Fahrsicherheit im normalen Straßenverkehr gibt es viele Einflüsse:

- der Zustand des Kraftfahrzeuges (Ausrüstungsgrad, Reifenzustand, Verschleißerscheinungen),
- die Wetter-, Straßen- und Verkehrsverhältnisse (z.B. Straßenbelag, Seitenwind oder Verkehrsdichte) sowie
- die Qualifikation des Fahrers, also seine Fähigkeiten und seine Befindlichkeiten.

Aktive und passive Fahrsicherheitssysteme verbessern in hervorragender Weise die Fahrsicherheit bezüglich des Fahrzeugs:

3.1 Passive Sicherheitssysteme

Die Systeme dienen dem Schutz der Insassen vor schweren Verletzungen. Sie senken die Verletzungsgefa hr und mildern die Unfallfolgen. Ein Beispiel für passive Sicherheitsaus- rüstung ist der Airbag, der die Insassen schützt, wenn ein Unfall trotz der aktiven Sicher- heitssysteme nicht vermieden werden konnte.

3.2 Aktive Sicherheitssysteme

Diese Systeme helfen, Unfälle zu vermeiden und tragen damit vorbeugend zur Sicherheit im Straßenverkehr bei. Beispiele für die aktiven Fahrsicherheitssysteme sind:

- das Antiblockiersystem ABS
- die Antriebsschlupfregelung ASR und
- die Fahrdynamikregelung ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm).

Die Sicherheitssysteme stabilisieren das Fahrzeug in kritischen Situationen und erhalten dabei dessen Lenkbarkeit.

3.2.1 Antiblockiersystem - ABS

Bei kritischen Fahrverhältnissen, wie nasser oder glatter Fahrbahn, schreckhafter Reaktion des Fahrers oder Fehlverhalten anderer Verkehrsteilnehmer, kann es zum Blockieren der Räder kommen, so dass das Fahrzeug nicht mehr lenkbar ist und ins Schleudern geraten und/oder von der Fahrbahn abkommen kann. In einer solchen Situation verhindert das Antiblockiersystem das Blockieren der Räder und stellt somit die Lenkbarkeit des Fahrzeugs sicher und mindert die Schleudergefahr erheblich.

Auch in einem kritischen Fahr-/Bremszustand wie der Vollbremsung sind Aus - weichmanöver dank ABS noch möglich, und Zusammenstöße können eher ver- hindert werden.

3.2.1.1 Aufbau

Das Antiblockiersystem besteht aus folgenden Komponenten:

- Drehzahlsensoren,
- Steuergerät,
- Hydroaggregat,
- Radbremsen.

Drehzahlsensoren: Die Drehzahlsensoren geben Signale an das Steuergerät weiter, das die Radumfangsgeschwindigkeit bestimmt.

Steuergerät: ABS-Anlagen gibt es meist als 3- oder 4-Kanal-Systeme, da 2-Kanal-Sychrocontrollern, die die Information von je zwei Rädern (Kanäle 1 und 2 bzw. 3 und 4) parallel verarbeiten und die logischen Prozesse abarbeiten. Eine komplexe Reglerlogik wandelt die Regelsignale zu Stellbefehlen für die Magnet- ventiledes Hydroaggregates um.

Hydroaggregat: Das Hydroaggregat setzt die Stellbefehle des Steuergerätes um und steuert über Magnetventile den Radzylinder mit optimaler Abbremsung, auch wenn bei Notbremsungen der vom Fahrer vorgegebene Druck sehr viel höher ist. Es ist zwischen dem Hauptzylinder und den Radzylindern ange- ordnet.

Radbremsen: Der vom Hydroaggregat übertragene Bremsdruck wirkt in den Radbremsen als Spannkraft zum Anpressen der Bremsbeläge an die Bremstrommeln bzw. Bremsscheiben.

3.2.1.2 Arbeitsweise

Das ABS regelt bei Vollbremsung den in die Betriebs-Bremsanlage einzusteuernden Bremsdruck. Dies geschieht in den einzelnen Radzylindern in Abhängigkeit vom Radschlupf und von der Radbeschleunigung bzw. der Radverzögerung.

Die Entwicklung der Digitalelektronik machte es möglich, die komplexen Vorgänge beim Bremsen sicher zu überwachen und bei Bedarf in Bruchteilen einer Sekunde zu reagieren. Dieses sehr flexible System, das eine Integration ohne Änderungen an der Basis-Bremsanlage gestattet, arbeitet auf folgende Weise:

Bei eingeschalteter Zündung und beliebigen Fahrzeugstand erfassen Drehzahl- sensoren an beiden Vorderrädern um am Hinterachsendifferenzial bzw. an allen vier Rädern die Signale, die zur Errechnung der Radumfangsgeschwindigkeiten benötigt und die an das Steuergerät weitergegeben werden. Erkennt das Steuergerät aus den empfangenen Signalen eine Blockiergefahr, steuert es im Hydroaggregat die Rück- förderpumpe und die Magnetventile der betreffenden Räder an.

Jedes Vorderrad wird über ein ihm zugeordnetes Paar von Magnetventilen so be- einflusst, dass es – unabhängig von den übrigen Räder – den bestmöglichen Beitrag zum Bremsen leisten kann (Individualregelung). An der Hinterachse bestimmt das Rad mit der kleineren Haftreibungszahl den gemeinsamen Druck in beiden Rad- bremsen (Select-low-Prinzip). Hierdurch wird das Rad mit der größeren Haftreibungs- zahl bei ABS geringfügig unterbremst. Als Folge davon ist der Bremsweg etwas länger, was aber durch den Gewinn an Fahrzeugstabilität wieder aufgewogen wird.

Das Steuergerät schaltet die Magnetventile pro Rad in drei Verschiedene Zustände.

Erster Zustand: Im ersten Zustand (stromlos) der beiden Ventile (Einlassventil offen, Auslassventil geschlossen) werden Hauptzylinder und Radzylinder miteinander verbunden; der Radbremsdruck kann ansteigen.

Zweiter Zustand: Im zweiten Zustand (Einlassventil bestromt und damit ge- schlossen) wird der Hauptzylinder abgetrennt; der Radbrems- druck bleibt konstant.

Dritter Zustand: Im dritten Zustand wird zusätzlich noch das Auslassventil be- stromt und damit geöffnet. Damit wird die Radförderpumpe ver- bunden, so dass der Radbremsdruck sinkt.

Damit kann der Bremsdruck nicht nur kontinuierlich, sondern durch ein getaktetes Ansteuern auch stufenförmig auf- oder abgebaut werden.

3.2.1.3 ABS-Regelkreis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1

1 Hydroaggregat mit Magnetventilen
2 Hauptzylinder
3 Radzylinder
4 Steuergerät
5 Drehzahlsensor

Regelstre>Fahrzeug mit Radbremse, Rad und Reibwertpaarung Reifen/Fahrbahn

Störgrößen: Fahrbahnverhältnisse, Bremsenzustand, Beladung des Fahr- zeugs, Fahrmanöver und Bereifung (geringer Reifendruck, ab- gefahrenes Profil)

Regler: Drehzahlsensoren und ABS-Steuergerät

Regelgrößen: Radumfangsverzögerung bzw. –beschleunigung sowie Bremsschlupf, die allesamt aus den Raddrehzahlen abgeleitet werden

Führungsgröße: Druck auf das Bremspedal Stellgröße: Bremsdruck

Die Verarbeitung der einzelnen Regelgrößen hängt davon ab, ob z.B. die Räder mit dem Motor gekoppelt sind oder nicht, oder ob die Fahrbahnoberfläche griffig oder glatt ist. Bei bestimmten ABS-Ausführungen werden die Giermomentwirkung (durch Bremsen auf inhomogenen Fahrbahnen) speziell bei kleinen PKW oder die be- sonderen Bedingung bei Fahrzeugen mit Allradantrieb berücksichtigt.

3.2.2 Antriebsschlupfregelung – ASR

Kritische Fahrsituationen (z.B. Übersteuern) entstehen nicht nur beim Bremsen, sondern auch beim Anfahren und Beschleunigungen besonders auf glatter Fahrbahn am Berg oder bei einer Kurvenfahrt. Solche Situationen können den Autofahrer über- fordern, und Fehlreaktionen auslösen.

Diese Fahrsituationen können mit der Antischlupfregelung ASR bewältigt werden. Sie bremst das zum Durchdrehen neigende Antriebsrad ab (oder bei Allradantrieb die entsprechenden Räder mit Neigung zum Durchdrehen) und/oder passt das Motordrehmoment rechzeitig an das auf die Straße übertragbare Antriebsmoment an und stellt die Fahrzeugstabilität sicher.

Die ASR ist eine Erweiterung des Antiblockiersystems ABS. Sie entlastet den Fahrer und sichert bei Beschleunigungsvorgängen die Lenkbarkeit des Fahrzeugs.

3.2.2.1 Aufbau

ASR nutzt die gleichen Komponenten wie ABS, die zum Teil um einige Funktionen erweitert sind.