Электронные системы управления автомобилями – Полупроводниковая силовая электроника

March 6, 2015 by admin Комментировать »

Сфера применения электронных приборов и систем в легковых и грузовых автомобилях постоянно расширяется. Стоимость электронного оборудования уже сейчас превышает треть стоимости легкового автомобиля, и процесс «электронизации» автомобилей продолжается. Он затронет практически все электронные системы управления, устройства повышения степени безопасности, приведет к увеличению количества и функциональной насыщенности устройств управления двигателем и различных интеллектуальных устройств. Влияние на рынок оказало и появление электрои гибридных автомобилей [43].

На сегодняшний день предприятия автомобильной отрасли активно применяют или планируют начать применять в ближайшем будущем разнообразные электронные системы.

Состав базовых электронных систем варьируется для различных типов машин (автомашины, трактора, комбайны, погрузчики и т.д.). Однако из всех типов систем к числу обязательных можно отнести следующие основные электронные (мехатронные) системы:

—                      системы управления электрооборудованием;

—                      системы управления двигателя;

—                      системы управления трансмиссии;

—                      системы активной безопасности;

—                      электронные системы управления подвеской;

—                      информационно-диагностические электронные системы;

—                      сервисные электронные системы.

Каждая из этих систем может иметь различные конфигурации в зависимости от типа автотранспортных средств. Так, например, в большегрузных шоссейных автомобилях (фурах) используются следующие электронные системы:

•  активная система бортового контроля и диагностики;

•  пассивная система бортового контроля и сигнализации;

•  система обеспечения комфорта и микроклимата;

•  система управления режимами работы двигателя;

•  система управления коробкой передач и сцеплением;

•  система управления тормозами и стабильностью движения;

•  система регулирования тягового усилия;

•  система управления подвеской тягача;

•  система управления тормозами прицепного звена;

•  система управления подвеской прицепного звена;

•  система обеспечения и учета грузопассажирских перевозок, безопасного транспортного коридора и гибкого ТО;

•  электронные устройства обеспечения компьютерной диагностики.

В специальных грузовых автомобилях повышенной грузоподъемности (карьерные самосвалы) используют следующие виды электронных систем:

•  система управления тяговым электроприводом;

•  унифицированный дисплейный модуль для информационной панели;

•  система управления тормозами и стабильностью движения;

•  автоматическая система управления ГМП;

•  контрольные системы загрузки, расхода топлива и обеспечения безопасности;

•  система видеообзора.

Для автомобилей-тягачей с гидромеханической коробкой передач (ГМП) применяют следующий комплекс взаимосвязанных электронных систем управления:

•  электронные системы управления ГМП;

•  электронные системы управления климатической установкой;

•  электронная система центральной накачки шин;

•  система контроля прокола шин;

•  активная система предотвращения аварийных ситуаций;

•  активная система бортового контроля и диагностики;

•  система управления двигателем Евро-4;

•  система обеспечения и учета грузоперевозок (навигация, контроль расхода топлива, мобильная связь);

•  система управления тормозами и стабильностью движения;

•  система управления подвеской тягача;

•  электронный щиток приборов;

•  система датчиков с CAN-выходами;

•  электронная система обеспечения компьютерной диагностики. Современные модели сельхозтехники, особенно колесные трактора, по уровню использования электронных систем управления уже превысили автомобильный транспорт. Так, современный колесный энергонасыщенный трактор «Беларус» уже содержит несколько десятков таких систем, в том числе:

•  электронную систему управления двигателем;

•  электронные системы управления коробками передач (управление коробками передач с гидроподвижными фрикционными муфтами и гидрообъемными трансмиссиями);

•  электронные системы управления агрегатами трактора (передним ведущим мостом, блокировкой дифференциала, валами отбора мощности и т.д.);

•  электронные системы управления гидравлическими регуляторами навесной системы (навесные устройства, регуляторы потока для выносных потребителей);

•  электронные системы управления сельхозорудиями (опрыскиватели, сеялки, плуги и т.д.);

•  электронные системы навигации и глобального позиционирования (совместное проведение работ с сельхозорудиями для внесения удобрений);

•  электронные системы кондиционирования;

•  электронные информационные системы;

•  электронные системы управления активной подвеской кабины и переднего ведущего моста;

•  датчики давления, уровня топлива, температуры, частоты, угла поворота, положения с электронным выходом;

•  исполнительные устройства: электрогидравлические регуляторы, электрогидравлические пропорциональные распределители потока, электрогидравлические пропорциональные редукционные клапаны;

•  органы управления: джойстики, высоконадежные переключатели повышенной герметичности и улучшенного дизайна;

•  электронные блоки, позволяющие производить обмен информацией по каналу связи CAN BUS;

•  современные устройства отображения.

Многие из электронных блоков управления являются критически важными элементами, поскольку они управляют тормозами, рулем, подушками безопасности. Они по существу должны обеспечить 100% надежность и удовлетворять требованиям, как почти к военной и космической технике, но при этом соответствовать ценам на бытовую электронику. Все это в полной мере относится к полупроводниковым приборам и интегральным микросхемам (ИМС). Полупроводники (дискретные приборы и ИМС) и электронные блоки должны соответствовать многочисленным стандартам, в том числе наиболее известным ISO 9001, ISO/TS 6949, ISO 16949, AECQ100.

Состав базовых электронных систем варьируется для различных типов машин. Однако из всех типов систем к числу обязательных можно отнести электронные системы управления двигателем, активной безопасности, управления трансмиссией, информационно-диагностические системы в различных конфигурациях и условно разделить на группы (рис. 3.88) [43, 44, 49, 50]. Для более детального рассмотрения в этом разделе ограничимся только основными и рассмотрим следующие:

—                      систему управления двигателем внутреннего сгорания;

—                      систему электропитания (аккумулятор, генераторная установка с регулятором);

—                      систему внутреннего и наружного освещения (фары, указатели поворотов, стоп-сигнал, освещение салона автомобиля);

—                      систему управления трансмиссией и ходовой частью (управление подвеской, рулем, коробкой передач, АБС и др.);

—                      систему управления салоном и кузовом (климат-контроль, панель приборов, блокировка замков, информационная система, навигационная система, стеклоочиститель, подушки безопасности и др.).

В каждой из перечисленных систем в той или иной степени присутствуют элементы силовой электроники. По существу, в автомобиле присутствуют все типы ИМС и полупроводниковых приборов силовой электроники, рассмотренные нами ранее.

Следует отметить, что условия работы электронных блоков автомобиля являются достаточно неблагоприятными для силовых микросхем:

—                      изменение температуры в широких пределах (от —60 °С до +150 °С), при высокой относительной влажности воздуха (до 80%);

—                      значительные вибрации и ускорения (до 50 g);

—                      импульсы напряжения до 400 В, электромагнитные помехи, изменение — напряжения питания от 8 до 15,5 В при 12 В источнике электроэнергии;

—                      высокая вероятность попадания на корпус и проводники воды, грязи и др.

Систему электропитания и систему управления двигателем внутреннего сгорания мы рассмотрим несколько подробнее, а в остальных системах перечислим силовые ИМС, которые в них применяются.

Особое внимание разработчики электронных систем автомобилей должны уделять методам защиты от помех в электрооборудовании автомобиля. Прежде всего это возникающие «броски» напряжения, импульсы при отключении индуктивностей нагрузки, отключении активной нагрузки, импульсы пускового режима (включение стартера), импульс размыкания аккумулятора, отключения катуш-

ки зажигания и др. Есть специальные стандарты по испытаниям на все виды кондуктивных помех электронного оборудования автомобиля, и при создании электронных систем управления необходимо обеспечить их безусловное выполнение.

Рис. 3.88. ИМС для автомобильной электроники

Система управления салоном и кузовом. Данная система включает в себя климат-контроль, иммобилизатор (охранное устройство), стеклоочиститель, информационную и навигационную системы и др.

Применяются ИМС управления электродвигателями (например, открытие — закрытие стекол дверей, управление электромагнитами блокировки замков дверей, управление реле двигателя — стеклоочистителя и др.)

Схема управления стеклоочистителем выполняет не очень сложную, но чрезвычайно важную функцию, поскольку, создает хорошую видимость из автомобиля в дождливую погоду, обеспечивая безопасность движения [52].

Микросхемы IL33197AN и IL33197AD выполняют функции таймера стеклоочистителя для бортовых систем автомобилей, формируют функцию прерывистой очистки с возможностью регулирования временного интервала очистки от 0,5 с до 30 с, функцию очистки после включения омывателя, функцию непрерывной очистки и применяются для непосредственного управления реле двигателя стеклоочистителя. Микросхемы могут применяться в стеклоочистителях переднего и заднего стекол.

Для расширения области применения в ИМС IL33197AN-01, IL33197AD-01 по требованиям потребителей для защиты от всплесков напряжения при выключении реле двигателя стеклоочистителя по выходу встроен ЗОВ шунтирующий диод Зенера (при 20 В диоде Зенера у IL33197AN и IL33197AD).

ИМС четырехканального драйвера с диодами IL293 с током нагрузки ±600 мА применяется в автомобильной электронике в контроллерах системы автоматического управления отопителем и в системах автоматического управления комфортом.

Система внутреннего и наружного освещения. Система освещения включает в себя внешнее освещение (фары, габаритные огни, указатели поворота, стоп-сигнал) и внутреннее освещение (освещение салона и приборной панели).

В системе освещения применяются ИМС управления указателем поворотов, управления подсветкой шкалы приборов, интеллектуальные ключи, схема автоматического включения фар при малой внешней освещенности (например, при въезде в тоннель, вечером) и др.

Отечественная промышленность выпускает микросхемы управления реле указателя поворотов IL33193N, IL33193D и микросхемы для подсветки приборной панели автомобиля IL6083N, IL6083AN.

Микросхемы управления реле указателя поворотов помимо основной функции (подачи сигналов на реле поворотов) определяют перегорание одной из ламп, короткое замыкание в нагрузке. В режиме ожидания потребляют очень малый ток. На входе детектора неисправности ламп (вывод 7) реализован высокочастотный фильтр для устранения электромагнитных помех. Частота мигания определяется внешними R, С элементами. При неисправности одной из ламп детектируется изменение тока нагрузки на шунте, и частота мигания увеличивается в 2,2 раза.

По предложениям потребителей разработаны и изготавливаются модификации IL33193N-01, IL33193D-01, IL33193N-02, IL33193D-02, IL33193N-03, IL33193D-03, IL33193N-04, IL33193D-04 микросхемы управления реле поворотов, которые имеют следующие отличия:

—                      отсутствует вывод 6 «Вход разрешения», внутри ИМС реализуется функция постоянного разрешения;

—                      пороговый уровень детектора неисправной лампы составляет 85± 10 мВ (при 51±5 мВ у микросхем IL33193N, IL33193D, сопротивление шунта 20 мОм), что позволяет работать с шунтом 30 мОм;

– при неисправности одной из ламп частота увеличивается в 2,5 раза;

– микросхемы IL33193Ν-03, IL33193D-03 имеют в своем составе детектор короткого замыкания.

В остальном эти микросхемы по функционированию и схеме применения идентичны IL33193N, IL33193D.

Для подсветки шкалы приборов автомобиля предназначена микросхема ШИМ-контроллера IL6083N, который управляет внешним мощным MOSFET транзистором, используемым в качестве ключа для подключения нагрузки к источнику напряжения. Микросхема используется для управления яркостью свечения ламп освещения за счет широтно-импульсной модуляции с частотой до 2 кГц и коэффициентом заполнения от 18 до 100%. Микросхема имеет защиту от короткого замыкания, повышенного напряжения питания и напряжения питания обратной полярности, защиту от обрыва земли. Разработана модификация микросхемы 1L6083AN с коэффициентом заполнения от 10 до 100% для предприятий, производящих автомобильную электронику в России.

Система управления трансмиссией и ходовой частью. Данная система включает в себя управление подвеской, рулем, коробкой передач, АБС и др.

В системе применяются мощные MOSFET, ИМС управления мощными MOSFET, интеллектуальные ключи и др.

Микросхемы IL33091AN, IL33091AD являются драйверами управления высоковольтным мощным МОП транзистором. Они работают при наличии высоковольтных помех по шине питания, возникающих вследствие быстрой коммутации нагрузок. Микросхема обеспечивает посредством выходной емкости накачку заряда на выводе Gate управления затвором силового МОП транзистора. Управление накачкой заряда (включение/выключение) осуществляется входом Input, совместимым с логическими уровнями КМОП микросхем.

Важной особенностью ИМС IL33091N, IL33091D является наличие блока квадратирования тока (I2), с помощью которого контролируется мощность, выделяющаяся на внешнем мощном МОП транзисторе. Внешние емкость и резистор определяют время, которое может находиться мощный МОП транзистор при данном уровне превышении допустимой мощности. Этот способ является очень эффективным для защиты мощного МОП транзистора.

Серия интеллектуальных стабилизаторов напряжения ILE42XX с низким остаточным напряжением специализирована для применения в автомобильной электронике и освещена в литературе [47, 50]. Данная серия применяется во многих системах автомобиля.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты