Jeder Kfz-Mechatroniker wird in seiner Ausbildung mit dem EVA-Prinzip
konfrontiert:
Allen elektronischen Systemen gemeinsam ist, dass sie nach dem EVA-Prinzip der
Informationsverarbeitung arbeiten.
So auch die elektronischen Systeme im
Kraftfahrzeug.
Übersicht EVA-Prinzip:
Eingabe
Verarbeitung
Ausbgabe
Information
Ansteuerung
Bei der Eingabe handelt es sich um
Signalglieder (Sensoren), die auch als Geber oder Fühler bezeichnet werden.
Die Verarbeitung der elektrischen Signale erfolgt
üblicherweise durch Steuerglieder (Steuergerät),
also einen zentralen Mikrocomputerder (CPU), der mit Hilfe von einprogrammierten mathematischen Formeln und Kennfeldern
(Datenbanken) die Entscheidungen
trifft und die Aktoren ansteuert.
Auf der Ausgabe befinden sich die
Stellglieder (Aktoren), die die Befehle des Steuergerätes umsetzen.
Sensoren und Aktoren können, je nach Einsatz analog, binär oder digital arbeiten.
Bei den Sensoren unterscheidet man
aktive und passive
Sensoren.
Da hier von Eingabe (E), Verarbeitung (V) und Ausgabe (A) gesprochen wird, nennt man dieses Prinzip auch E-V-A Prinzip.
EVA-Prinzip am Beispiel der Leerlaufregelung
Begriff
Signalglied
Steuerglied
Stellglied
gehört zu
Eingabe
Verarbeitung
Ausgabe
Bauteil
Sensor,
Geber, Fühler
Steuergerät
(ECU, CPU)
Aktor,
Aktuator, Steller
Kurz-
beschreibung
Die Sensoren
erfassen aktuelle Prozessdaten. Dies können analoge Daten (z.B.
Temperaturfühler), digitale Daten (z.B. Türschalter) oder Frequenzen (z.B.
Drehzahlfühler) sein.
Das
Steuergerät wertet die Daten aus. Wenn erforderlich, veranlasst es aufgrund
der eingegangenen Daten eine Anpassung der angeschlossenen Aktoren.
Die Aktorik
nimmt digitale (z.B. Glühlampe) oder analoge Steuerbefehle (z.B. Stellmotor)
entgegen.
am Beispiel
Leerlaufregelung
Drehzahlgeber
Kurbelwelle, Temperaturfühler
Motorsteuergerät
Leerlaufstellmotor
Die
Signalglieder (Sensoren) Temperaturfühler
(NTC) des Kühlwassers und Induktivgeber
der Kurbelwelle nehmen die physikalische Größen Temperatur und Drehzahl auf und
wandeln diese in brauchbare Eingangssignale für
die Steuerglieder in Form von Spannungen um.
Da diese Signale
in das Steuergerät hineingehen, spricht man auch von der Eingabe.
Vergleichbar mit einem
Computer wäre das die Tastatur oder die Maus.
Im
Steuergerät müssen diese Informationen zunächst aufbereitet
und verstärkt werden, d.h. aus den analogen Drehzahl- und
Temperatursignalen müssen digitale Signale geformt werden. Danach werden
diese Signale (Istwerte) auf Plausibilität geprüft und mit
abgespeicherten Sollwerten verglichen (Verarbeitung). Die
Werte für die Drehzahl und die Temperatur sind in sogenannten Kennfeldern
abgelegt, was einer Datenbank gleichkommt. Aus den beiden
Informationen Drehzahl und Temperatur wird nun die richtige Drehzahl mit
Hilfe des Kennfeldes ermittelt.
Das
Steuergerät gibt ein Signal an das Stellglied oder anders gesagt an den
Aktor (Ausgabe).
In unserem Fall ist dies ein Leerlaufsteller. Das
Motorsteuergerät taktet diesen Schrittmotor in einem bestimmten
prozentualen Verhältnis an (einschalten und ausschalten). Der Motor
lässt nun ein bisschen mehr Luft um die Drosselklappe herum strömen, was
eine höhere Drehzahl bewirkt.
Grundsätzlicher Aufbau des EVA-Prinzips
mit Busanbindung
E-V-A Prinzip Busanbindung
In den Fahrzeugen erfolgt
die
Verarbeitung der Daten im Prinzip nur noch digital. Ein Mikroprozessor
(CPU = Central Processing Unit) arbeitet die eingehenden Daten ab und
schaltet die angeschlossenen Aktoren.
Damit der Mikrocontroller die Eingangssignale richtig verstehen kann,
müssen diese in digitale Spannungen und/oder Frequenzen übersetzt werden.
Diese Aufgabe übernimmt ein vorgeschalteter Signalwandler.
Genauso
müssen die von der CPU veranlassten Steuerbefehle zu Signalen aufbereitet
werden, die von den Aktoren verstanden werden können.
Dazu dient eine Endstufe, die zwischen CPU und Aktorik geschaltet ist.
Diese muss genügend Leistung für die angeschlossenen Aktoren (z.B.
Stellmotoren) liefern können.
Moderne Kraftfahrzeuge besitzen ein Vielzahl an
Steuergeräten für die unterschiedlichsten Zwecke (z.B. für ABS,
Zentralverriegelung, Motormanagement usw.). Der Einsatz von Bussystemen
wurde erforderlich. Auf diese Weise kann ein Steuergerät mit jedem anderen
angeschlossenen Steuergerät bedarfsgerecht über nur einen Bus mit zwei
Leitungen kommunizieren.
Der
Informationsfluss geht meist wie folgt vonstatten:
Signalerzeugung
durch Sensoren
Signalumformung
durch Impulsumformer (IF), Analog-Digitalwandler (A/D)
Daten- bzw. Signalverarbeitung
durch Mikrocomputer
Datenübertragung
durch Multiplexer, CAN-Bus
Leistungsverstärkung der
Ausgangssignale
durch Endstufen
Informationsumsetzung
durch Aktoren
näher erklärt:
Signalerzeugung
Sensoren
erfassen Informationen wie z.B. Kühlwassertemperatur,
Kurbelwellendrehzahl, Drosselklappenstellung und erzeugen elektrische
Signale (häufig in analoger oder binärer Form)
Signalumformung
Analoge
Signale müssen erst "passend" für das Steuergerät gemacht
werden: aus dem Induktivgebersignal wird ein digitales Rechtecksignal
geformt; im Steuergerät befinden sich die elektronischen Bauteile Impulsumformer und A/D-Wandler
Daten- bzw.
Signalverarbeitung
die
vorliegenden binären Ist-Daten werden mit Soll-Daten, die in sogenannten
Kennfeldern gespeichert sind verglichen und ausgewertet
Datenübertragung
Datenaustausch
zwischen verschiedenen Steuergeräten über
CAN-Bus und Multiplexer; Datentransport zur Leistungsstufe
über normale Leitungen
Leistungsverstärkung
die
Schaltsignale müssen durch Leistungstransistoren (Endstufen) für die
Aktoren (Einspritzventil, Stellmotor) erst entsprechend verstärkt werden
Informationsumsetzung
die Aktoren
setzen die Befehle des Steuergeräts um (längeres Einspritzen, früher zünden)
CAN-Bus
(Controller Area Network)
Eine Bus-Verbindung ist eine Verdrahtung, bei der Daten übertragen werden.
Alle Stationen sind gleichzeitig über eine Leitung angeschlossen und
gleichberechtigt. Der
Aufwand an Kontakten und Kabeln wird erheblich reduziert. Zusätzlich
können die Funktionen ohne wesentliche Mehrkosten umfassend überwacht
und neue Systemkonfigurationen gestaltet werden.
Das
Buskonzept ermöglicht die serielle Verbindung von Komponenten der
Karosserie-, Komfort-, Getriebe- und Motorelektronik. Diese Komponenten
können zu einem Gesamtsystem verdrahtet werden. Es können aber auch
Teilsysteme realisiert werden, die lediglich kritische Bereiche wie
lnstrumententafel oder Türen umfassen. Bus-Systeme
lassen sich in ihrem Datenaustausch sehr leistungsfähig und flexibel
gestalten.
Außerdem
bieten seriell aufgebaute Bus-Systeme gegenüber konventioneller
Verdrahtung zwei wesentliche Vorteile höhere
Übertragungssicherheit und geringere
Kosten.
durch Sensoren