CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.6. Bộ điều khiển trung tâm ECU (Electronic Control Unit)
2.6.1. Tổng quan
ECU là viết tắt của cụm từ Electronic Control Unit nghĩa là bộ điều khiển điện tử, nó như một máy tính (Computer) hay “Bộ não” để điều khiển sự hoạt động của hệ thống. Ban đầu ECU được sử dụng để điều khiển động cơ, về sau ECU được sử dụng rất nhiều trên ô tô để điều khiển cho nhiều hệ thống khác trên xe đảm bảo sự hoạt động chính xác, hiệu quả, tăng sự tiện nghi và sự an toàn của chiếc xe, những chiếc xe ô tô đời mới có thể lên tới cả trăm hộp ECU.
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu. ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ và giúp chẩn đoán động
Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển xăng, lửa, tốc độ không tải, quạt làm mát, góc phối cam, ga tự động (Cruise Control), chống ô nhiễm... Ngoài ra, trên các động cơ diesel ngày nay thường sử dụng hệ thống nhiên liệu bằng điện tử (EDC - Electronỉc Diesel Control hoặc CRDI - Common Rail Diesel Injection).
Nhìn chung, ECU là bộ tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhạn biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu điều khiển thích hợp.
2.6.2. Cấu tạo [1]
Bộ xử lý trung tâm bao gồm các bộ phận chủ yếu sau:
- Bộ điều chỉnh điện áp: Cung cấp điện áp 5V, một chiều ổn định cho các mạch trong ECU và các cảm biến.
- Bộ khuyếch đại: Khuyếch đại các tín hiệu nhận được từ cảm biến trước khi đưa chúng vào bộ vi xử lí.
- Mạch giao diện đầu ra: Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các transistor công suất điều khiển rơle, solenoid, motor… Các transistor này có thể được bố trí bên trong hay bên ngoài ECU.
- Mạch phát xung đồng bộ: Đồng bộ các thao tác xử lý và truyền dữ liệu của hệ thống điều khiển điện tử.
- Mạch tự chuẩn đoán hư hỏng: Sử dụng đèn báo hoặc màn hình hiển thị số để thông báo mã lỗi hư hỏng.
- Mạch giao tiếp đầu vào: Mạch xử lý và biến đổi tín hiệu cảm biến từ analog (tương tự) sang digital (kĩ thuật số), bao gồm các bộ chuyển đổi sau: Bộ chuyển đổi A/D (Analog To Digital Converter), bộ đếm (Counter), bộ nhớ trung gian, bộ khuyếch đại, bộ ổn áp.
- Bộ nhớ: Gồm một số thanh ghi để lưu trữ tạm thời các dữ liệu được đưa vào và lấy ra giữa hai thiết bị có tốc độ xử lý khác nhau. Bộ nhớ trong của ECU chia ra làm 4 loại: ROM, RAM, PROM, KAM.
- Bộ vi xử lý: Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là bộ não của ECU.
- Đường truyền (bus): Chuyển các lệnh và số liệu trong máy tính theo 2 chiều. - Bộ điều khiển trung tâm ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện
áp cao biểu thị cho số 1, điện áp thấp biểu thị cho số 0. Mỗi số hạng 0 và 1 gọi là bit. Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ (word). Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin.
Ngoài ra với những cảm biến khác như vị trí bướm ga xác định lưu lượng không khí nạp, gửi đến ECU tính toán lượng nhiên liệu phun thích hợp với từng chế độ tải, song song đó với các dữ liệu về tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ… nhờ các cảm biến mã hoá tín hiệu đưa vào ECU xử lý và tính toán để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ.
Với những ưu điểm nổi bật, ngày nay hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử kết hợp với phun xăng đã thay thế hoàn toàn hệ thống đánh lửa bán dẫn thông thường.
Hơn nữa, ECU còn can thiệp sâu hơn vào hệ thống an toàn trên ô tô như: Hệ thống cân bằng ESP, hỗ trợ phanh khẩn cấp BA, hệ thống phân bổ lực phanh EBD… Thông qua hệ thống cảm biến chịu trách nhiệm ghi lại và truyền tín hiệu về ECU một cách liên tục.
Nhiệm vụ của ECU sẽ là tính toán và so sánh dữ liệu nên khi gặp sự cố thì người lái ô tô sẽ có xu hướng thắng gấp, lực phanh tăng nhanh… Khi đó, ECU sẽ lập trình sẵn chương trình có ở hệ thống như điều chỉnh góc xoay, kiểm soát tốc độ bánh xe, lực phanh mỗi bánh để hạn chế tối đa sự mất kiểm soát của người lái.
2.6.4. Cách thức giao tiếp của ECU [1]
* Ngõ vào:
• Bộ đếm (Counter)
Dùng để đếm xung ví dụ như từ cảm biến vị trí piston rồi gửi lượng đếm về bộ vi xử lý.
Hình 2.23 - Sơ đồ bộ đếm tín hiệu của ECU
• Bộ nhớ trung gian (Buffer)
Chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu xung vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một Transistor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều.
Hình 2.24 - Sơ đồ hoạt động bộ nhớ trung gian của ECU
• Bộ khuếch đại (Amplifier)
Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên trong ECU thường có các bộ khuếch đại.
• Giao tiếp ngõ ra:
Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các transistor công suất điều khiển relay, solenoid, motor. Các transistor này có thể được bố trí bên trong hoặc bên ngoài ECU.
Hình 2.26 - Sơ đồ hoạt động giao tiếp ngõ ra của ECU2.6.5. Hộp ECU động cơ 2AZ-FE 2.6.5. Hộp ECU động cơ 2AZ-FE
Hình 2.28 - Vi mạch hộp ECU Toyota 2AZ-FE