Politecnico di Torino. Corso di Metodi e strumenti di coprogettazione per sistemi elettronici (01GQPCI)

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1 Politecnico di Torino Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica A.A. 2004/2005 Corso di Metodi e strumenti di coprogettazione per sistemi elettronici (01GQPCI) Progetto di una centralina di gestione e controllo per motore endotermico (Engine Control Unit) Barbiero Daniele matr Fasano Luigi matr

2 Indice 1 Introduzione Funzionamento della ECU Il controllo di un motore Realizzazione pratica Unified Modelling Language Analisi dei casi d uso (A cura di Daniele Barbiero) Diagramma delle classi (A cura di Daniele Barbiero) Analisi di robustezza (A cura di Luigi Fasano) Implementazione hardware Generazione degli stimoli (A cura di Luigi Fasano) Il sensore di temperatura dell aria aspirata Il sensore di temperatura dell acqua Pressione assoluta - MAP Ruota fonica Chiave d avviamento Sonda lambda Farfalla acceleratore Il campionamento del segnale di fase (A cura di Luigi Fasano) Modello dinamico del motore (A cura di Luigi Fasano) Calcolo della modalità di funzionamento (A cura di Daniele Barbiero) Generazione dei segnali di comando (A cura di Daniele Barbiero)

3 INDICE INDICE L abilitazione della pompa del carburante L abilitazione della ventola di raffreddamento L apertura degli iniettori L accensione delle candele Simulazione complessiva (A cura di Daniele Barbiero) Indice delle figure 64 Bibliografia 66 3

4 Capitolo 1 Introduzione Con la presente relazione ci proponiamo di documentare il lavoro svolto dal nostro gruppo onde ottenere un sistema di controllo per un motore a combustione a 4 cilindri. Nella documentazione tecnica ci si riferisce spesso a tale elemento con l appellativo di Engine Control Unit (ECU), perciò in seguito ci riferiremo al sistema con tale sigla. 1.1 Funzionamento della ECU Il compito della ECU, in breve, è quello di cogliere i parametri fisici del mondo esterno entro cui il motore funziona tramite i sensori, e deve agire sugli attuatori per adattare la combustione in base a tali fattori (fig. 1.1). A tale funzione se ne aggiungono svariate, di natura accessoria, quali ad esempio la gestione della ventola di raffreddamento, della pompa del carburante e delle bobine delle candele; queste ultime comunque non sono di diretta implicazione nel funzionamento del motore, ma sono state incluse per completezza. Da queste e da altre considerazioni successive si evince che tale controllo è stato pensato per un motore a benzina; tale ECU non è estendibile al caso del motore a gasolio. Una centralina si serve, in configurazione basilare, dei seguenti sensori: Sensore di pressione assoluta del collettore di aspirazione; Sensore di temperatura dell aria aspirata; Sensore di temperatura del liquido refrigerante; Sensore di posizione del motore sulla ruota fonica; Sensore di posizione della farfalla; 4

5 Figura 1.1: Schema di funzionamento del controllo sul motore Sensore di posizione della chiave di avviamento; Sonda lambda. Gli attuatori invece sono invece composti da: iniettori del carburante; candele di accensione. 1.2 Il controllo di un motore Un motore endotermico non è un sistema lineare: basti pensare al solo fatto che al suo interno avviene una combustione. Di conseguenza il controllo di un impianto simile si basa molto sulla sperimentazione; ad esempio non vi è un modo diretto per far sì che l ECU calcoli i valori di anticipo d accensione e di apertura degli iniettori da sè in base ai fattori esterni; essi infatti sono inseriti in due look-up table, e vengono corretti poi da opportuni algoritmi in base al funzionamento voluto unito alla misura in retroazione dovuta alla sonda lambda. In pratica si fissa il punto di funzionamento voluto in modo empirico, e poi la centralina provvede a correggerlo in base agli svariati parametri in suo possesso. 5

6 1.3 Realizzazione pratica Tale sistema è di difficile realizzazione, e si calcola [3] che siano necessari 8 anni/uomo per realizzarlo. Lo studio compiuto da parte del nostro gruppo descrive una realizzazione di primo approccio dal punto di vista hardware; data la mancanza di un banco prove, è un modello comunque carente delle correzioni dovute al funzionamento reale del motore. Di conseguenza le strategie di controllo (ad esempio i fattori di correzione dovuti a sonda lambda, temperatura aria, temperatura acqua e pressione aria) sono state realizzate ipotizzando un funzionamento standard. Anche le mappe di anticipo ed iniezione, che un tempo venivano ricavate per via empirica dagli stessi costruttori e ad oggi ricavabili mediante emulatori, sono state compilate senza il reale riscontro. I dati necessari ad arrivare ad un sistema funzionante per il controllo di un motore sono molteplici e spesso di difficile reperibilità, soprattutto gli algoritmi di controllo della retroazione dovuta alla sonda lambda; spesso infatti i costruttori non hanno interesse a pubblicare tali dati. Alcune parti relative alla variazione del carico motore in funzione dei parametri sono perciò abbozzate. Altri dati quali invece le caratteristiche dei sensori di temperatura (sia aria che acqua) e di pressione assoluta sono di più facile reperibilità, e tratti da [4]. 6

7 Capitolo 2 Unified Modelling Language Di seguito viene presentata la descrizione mediante UML del sistema ECU, a partire dall analisi dei casi d uso. Verrano poi descritte il diagramma delle classi e l analisi di robustezza. 2.1 Analisi dei casi d uso (A cura di Daniele Barbiero) La figura (2.1) presenta i casi d uso della ECU; la nostra realizzazione della centralina prevede due attori: lo USER; il TDC, ovvero Top Dead Center. Lo user è il guidatore che agisce sui comandi per variare le condizioni di funzionamento del motore; invece per sincronizzare le forme d onda campionate dalla ECU alla rotazione del motore bisogna conoscere l esatta posizione del punto morto superiore, che ne è il riferimento e corrisponde all istante in cui il pistone numero 1 si trova all estremo superiore. Per tale motivo è stato previsto l attore TDC. Inoltre la durata tra due TDC è variabile, visto che il numero di giri al minuto (rpm) può variare. I casi d uso relativi all attore user sono presentati nel seguito. In essi abbiamo indicato con U lo user e abbiamo inteso per variabili d uscita le seguenti: Anticipo della scintilla delle candele; Durata di apertura degli iniettori. 7

8 Figura 2.1: Diagramma dei casi d uso 8

9 Figura 2.2: Rappresentazione del calcolo delle modalità di funzionamento 9

10 Turn the key in position 1 U: gira la chiave in posizione 1. ECU: abilita i vari servizi (Enable services). I servizi da attivare sono: Pompa del carburante (Fuel pump, cfr ); Bobine delle candele (Spark coil); Accensione della ventola di raffreddamento (Fan, cfr ) con due velocità possibili (Speed 1 e Speed 2) a seconda della temperatura del liquido refrigerante. Turn the key in position 2 U: gira la chiave in posizione 2. ECU: si pone nella modalità Engine start. Press the accelerator U: preme l acceleratore per dosare la potenza del motore. ECU: si pone nella modalità Normal Function, quindi calcola il valore corrispondente del carico (Set load) ed i valori delle variabili d uscita (Calculate sparks advance and injectors duration). Press entirely the accelerator U: preme a fondo l acceleratore per richiedere la massima potenza al motore. ECU: si pone inizialmente nella modalità Full Load e poi, raggiunto il numero di giri (rpm) massimo consentito, nella modalità RPM limiter. A tal fine, per entrambe le modalità calcola il valore corrispondente del carico (Set load) e i valori delle variabili d uscita (Calculate sparks advance and injectors duration). Release the accelerator U: decelera diminuendo la pressione del piede sull acceleratore. ECU: si pone nella modalità Normal Function, quindi calcola il valore corrispondente del carico (Set load) e i valori delle variabili d uscita (Calculate sparks advance and injectors duration). 10

11 Release entirely the accelerator U: lascia completamente l acceleratore per usufruire del freno motore. ECU : si pone inizialmente nella modalità Cut-off e poi, raggiunto il numero di giri minimo consentito, si pone in Engine at minimum. A tal fine, per entrambe le modalità calcola il valore corrispondente del carico (Set load) e i valori delle variabili d uscita (Calculate sparks advance and injectors duration). Get values from sensors U: - ECU: comunica con i sensori. Il funzionamento corretto della ECU presuppone, oltre alla conoscenza della posizione dell acceleratore vincolato alla farfalla (throttle) e al numero di giri al minuti (rpm), è necessario che l ECU conosca anche il valore delle variabili ambientali provenienti dai sensori, le quali ricordiamo essere: Pressione assoluta del collettore di aspirazione; Temperatura dell aria aspirata; Temperatura del liquido refrigerante; Fattore lambda. Il caso d uso relativo all altro attore (TDC) è: Assume time reference TDC: fornisce un impulso ad ogni punto morto superiore, ovvero ad ogni giro della ruota fonica, a seguito del quale si azzera il contatore dei denti (e quindi dei gradi) della ruota fonica. ECU: Assume come riferimento temporale il TDC per il calcolo delle variabili d uscita. A tale scopo è altresì necessario: Il carimento della mappa relativa all anticipo delle candele (Load spark advance map); Il carimento della mappa relativa alla durata di apertura degli iniettori(load injectors aperture map). La figura (2.2) è una rappresentazione di come viene svolto il calcolo delle modalità di funzionamento, che costituiscono gli stati di una macchina 11

12 a stati finiti (FSM). Per ulteriori dettagli si rimanda al paragrafo 3.4. Segue una descrizione delle modalità (o stati) di funzionamento, che, riassumendo, sono: 1. avviamento motore; 2. motore al regime minimo; 3. motore in funzionamento normale; 4. cut-off; 5. pieno carico; 6. limitatore di giri. Ognuna è dettata dalla necessità di adeguare il pilotaggio degli iniettori e delle candele alla varie condizioni in cui può trovarsi a funzionare il motore; ne segue la descrizione. Avviamento motore - Engine start In tale fase si richiede un pilotaggio di iniettori e candele particolare, ovvero le candele devono avere una scintilla più duratura e gli iniettori un tempo di apertura più lungo. Questo perchè il motore viene fatto ruotare ad un regime piuttosto basso dal motorino d avviamento, ed esso deve raggiungere la condizione minima di autosostentamento, ovvero si deve avviare. Motore al minimo - Engine at minimum In tale condizione si debbono attuare strategie di aumento della quantità di miscela aspirata, altrimenti la condizione di farfalla al valor minimo (cioè quasi completamente chiusa) non è sufficiente a mantenere in rotazione il motore, a causa degli attriti interni. Funzionamento normale - Normal function Per funzionamento normale si intende la condizione in cui si richede potenza al motore, ovvero la farfalla è premuta con una posizione intermedia tra minimo e massimo (estremi esclusi) e vengono pilotati iniettori e candele secondo le mappe di anticipo iniezione. 12

13 Cut-off Quando il motore sta ruotando ad un regime superiore ad una certa soglia e la farfalla viene rilasciata, esso si deve ricollocare alla posizione di regime di rotazione minimo. Per facilitare tale operazione è necessario che gli iniettori non eroghino più carburante fino al raggiungimento di una certa soglia, solitamente posizionata nell intorno dei 1500 rpm. Dunque la ECU deve rilevare la condizione di farfalla rilasciata e regime di rotazione superiore alla soglia; di conseguenza taglia l erogazione (cut-off ) fino al raggiungimento della soglia. Pieno carico - Full load La condizione di pieno carico avviene quando l utente richiede il 100% al motore, premendo a fondo l acceleratore; per velocizzare il raggiungimento del regime di rotazione massimo e aumentare la potenza fornita è opportuno arricchire il dosaggio di carburante. In realtà tale condizione non sarà utilizzata dalla nostra realizzazione, dato che la condizione di pieno carico è rilevabile come il valore che forniscono le mappe anticipo/iniezione quando il carico è pari al 100%. Però nel caso di motore turbocompresso, indipendentemente dalla tipologia di combustibile, tale condizione si potrebbe rivelare utile per andare a gestire la condizione di overboost, ovvero dell aumento temporaneo di pressione del turbocompressore in seguito ad una richiesta di forte accelerazione da parte dell utente onde favorire, ad esempio, un sorpasso. Vista la notevole differenza di gestione di un motore turbocompresso da uno aspirato la nostra realizzazione si limiterà a quest ultimo caso; la condizione è comunque stata mantenuta qui per coerenza con il modello UML. Limitatore di giri - RPM limiter Per salvaguardare il motore è necessario evitare che vengano raggiunti regimi di rotazione dannosi, ovvero superiori alla soglia di rottura delle parti in movimento, l ECU deve attuare una modalità particolare, definita limitatore di giri. Tale modalità consiste nel bloccare il pilotaggio degli iniettori al di sopra di una certa soglia, definita in sede di progetto della parte meccanica. 13

14 2.2 Diagramma delle classi (A cura di Daniele Barbiero) Il diagramma delle classi (figura 2.3) rappresenta le entità comprese nella ECU, in cui svolgono le varie attività ad esse attribuite. Le classi con funzioni attinenti sono state raggruppate in package. I package sono i seguenti: Sensors; Actuators; Services; Constants; Stimuli. Il package Sensors Le classi del package Sensors sono le seguenti: PhonicWheelSensor : è la classe del sensore ad effetto Hall posizionato sulla ruota fonica e che serve a stabilire posizione istantanea del motore (a passi di 6 gradi) e la posizione di punto morto superiore del primo cilindro. Essa compie le proprie operazioni tramite i seguenti metodi: EngineOn: fornisce l informazione circa l accensione del motore. CrankDegs: restituisce il numero di gradi associati ai denti della ruota fonica istante per istante. TDC: è il segnale che rileva la presenza del punto morto superiore. RPM: fornisce il numero di giri al minuto; si aggiorna ad ogni punto morto superiore. CarKeySensor : tale classe è relativa al posizionamento della chiave d accensione. A tale scopo fa uso del metodo KeyPos che restituisce: 0: chiave su Off; 1: chiave su Marcia; 2: chiave su Avviamento. WaterTempSensor : la classe del sensore di temperatura del liquido refrigerante. Usa il metodo WaterTemp. 14

15 Figura 2.3: Diagramma delle classi 15

16 ThrottleSensor : classe del sensore posizionato sulla valvola a farfalla all interno del collettore di aspirazione. Presenta il metodo ThrottleDegs che restituisce i gradi relativi alla posizione della farfalla. LambdaSensor : classe della sonda lambda che legge il titolo della miscela combusta attraverso il metodo Lambda. AirTempSensor : classe del sensore di temperatura aria all interno del collettore di aspirazione. Fa uso di AirTemp. MAPSensor : classe del sensore di pressione assoluta del collettore di aspirazione (Manifold Absolute Pressure). Contiene il metodo MAP. Il package Actuators Le classi del package Actuators sono: SparkAdvanceMap : tale classe si compone della mappa 3D che contiene i valori di anticipo di accensione delle candele rispetto al punto morto superiore in funzione di carico e numero di giri. Fornisce tali valori attraverso retsparkadvance. SparkPilot : questa classe setta i valori di anticipo delle candele con SetSparkAdvance. InjectorsApertureMap : analogamente alla mappa di anticipo delle candele, questa è una mappa 3D che riporta il valore di durata dell apertura degli iniettori funzione di carico e rpm. Restituisce tale valore con retinjaperture. InjPilot : analoga alla classe SparkPilot, ma relativa agli iniettori anziché alle candele (contiene SetInjAperture). Il package Services Le classi del package Services sono: EnablerFuelPump : la classe FuelPumpActuator attiva la pompa del carburante (tramite FuelPumpOn) a seconda della posizione della chiave d accensione e del fatto che il motore sia o meno in rotazione. Se il motore è spento essa deve spegnere la pompa carburante per evitare sovrappressioni e consumo inutile di energia; il tempo in cui interviene lo spegnimento è impostato mediante il parametro FuelPumpOn- Time. 16

17 EnablerSparkCoil : tale classe attiva, attraverso SparkCoilOn, le bobine delle candele con un enable quando il motore è accesso, e le disattiva a motore spento, sempre per ragioni di economia d esercizio. EnablerFan : si occupa di attivare le due velocità previste per la ventola di raffreddamento a seconda della temperatura del liquido refrigerante. Usa: fanspeed1, che attiva la ventola alla velocità 1; fanspeed2, che attiva la ventola alla velocità 2. Il package Stimuli Fanno parte di questo package le seguenti classi: PhonicWheel : è la classe che fornisce, tramite PhonicWheelWaveform, la forma d onda proveniente dal sensore ad effetto Hall. Key : indica semplicemente la chiave di accensione, e ne fornisce la posizione mediante KeySimulate. Accelerator : rappresenta l acceleratore attraverso il quale l utente interagisce con il sistema, fornendo uno stimolo mediante AccelSimulate. Il package Constants Rientrano in questo package le costanti del sistema che sono: RPMmin : numero di giri al minuto minimo consentito in regime di cut-off, che viene restituito mediante retminrpm; RPMmax : numero di giri al minuto massimo consentito, fornito mediante retmaxrpm. Le altre classi Le altre classi sono: TorqueController : è la classe a cui spetta il calcolo del carico (attraverso load) necessario per pilotare le grandezze d uscita. EngineCombustionModel : rappresenta il modello di combustione del motore e fornisce al TorqueController: 17

18 Il fattore lambda con LambdaFromEngine; La pressione assoluta (MAP) attraverso MAPFromEngine. Presenta anche il metodo Oxygen con il quale fornisce un indicazione dell ossigeno non combusto. Tale metodo non è stato, però, utilizzato. Box e Alimentation : in primo impatto possono sembrare classi ovvie, ma esse aiutano a ricordare di costruire un contenitore e di alimentare l E- CU. Peraltro, l alimentazione in tale realizzazione si presenta delicata a causa dell ambiente ostile dal punto di vista compatibilistico quale è l automobile. 18

19 Figura 2.4: Analisi di robustezza: chiave in posizione Analisi di robustezza (A cura di Luigi Fasano) I diagrammi dell analisi di robustezza sono mostrati nelle figure (2.4), (2.5), (2.6), (2.7), (2.8), (2.9),e (2.10). La prima figura (2.4) si riferisce alle operazioni effettuate dall attore user, che è naturalmente il guidatore. Egli deve posizionare la chiave d accensione su 1 per attivare i servizi (pompa carburante, bobina candele e ventola di raffreddamento se necessario), dopodichè avviare il motore mediante la posizione 2 della chiave (fig. 2.5). A queste operazioni segue la pressione sull acceleratore (fig. 2.6), che è l unico dei pedali di comando dell automobile che interessa direttamente la centralina. Nel caso in cui l acceleratore sia in posizione intermedia, la ECU deve gestire lo stato Normal function. Quando l acceleratore è in posizione massima (fig. 2.7) deve invece gestire il caso Full load oppure rpmlimiter se il numero di giri al minuto è eccessivo. Qualora invece l acceleratore sia rilasciato (figg. 2.8 e 2.9) ci si può trovare nei casi Cut-off o Engine at minimum, a seconda che il numero di giri sia superiore alla soglia prestabilita, che abbiamo fissato a 1500 rpm. Per i soli diagrammi di robustezza relativi ai casi d uso press entirely the accelerator e release entirely the accelerator, si sono aggiunti anche i riferimenti temporali per sottolineare la successione delle operazioni. In pratica, per questi due casi d uso, la centralina si pone prima in uno stato e poi in un altro e, per ognuno di questi, compie le operazioni riportate. La figura (2.10) invece riferisce al più semplice diagramma dell attore TDC, che deve generare l azzeramento del riferimento temporale per poi 19

20 Figura 2.5: Analisi di robustezza: chiave in posizione 2 Figura 2.6: Analisi di robustezza: pressione dell acceleratore 20

21 Figura 2.7: Analisi di robustezza: pressione a fondo dell acceleratore Figura 2.8: Analisi di robustezza: rilascio dell acceleratore 21

22 Figura 2.9: Analisi di robustezza: rilascio completo dell acceleratore Figura 2.10: Analisi di robustezza: generazione del riferimento temporale 22

23 permettere alla ECU di riferire le mappe di anticipo ed iniezione al giusto istante. È semplice comprendere l importanza di tale riferimento se si pensa al fatto che il motore è in rotazione continua ed a frequenza variabile; la scintilla della candela però deve sempre avvenire con il numero di gradi d anticipo rispetto al TDC (punto morto superiore) stabilito dalle apposite mappe in memoria. Assume perciò notevole importanza il grado di precisione con cui si conosce la posizione istantanea del motore. 23

24 Capitolo 3 Implementazione hardware In questo capitolo viene descritta la realizzazione della centralina in tutte le sue parti mediante hardware. Il modello complessivo è rappresentato in figura (3.1). Nel modello si possono distinguere l area di condizionamento dei segnali provenienti dai sensori (... sensor), le abilitazioni dei servizi (enabler...), la parte relativa al calcolo della modalità di funzionamento (TorqueController) e della gestione delle mappe di anticipo/iniezione. Vi sono inoltre i modelli degli stimoli che forniscono i sensori ed un modello builtin di combustione. Si possono infine notare gli scope utilizzati per il monitoraggio delle variabili. 3.1 Generazione degli stimoli (A cura di Luigi Fasano) La generazione degli stimoli esterni alla ECU contempla i seguenti segnali: Temperatura aria; Temperatura acqua; Pressione all interno del condotto di aspirazione; Ruota fonica; Chiave d avviamento; Sonda lambda; Posizione della farfalla acceleratore. Di seguito descriviamo la funzione e la realizzazione di ognuno. 24

25 Figura 3.1: Modello completo della ECU 25

26 3.1.1 Il sensore di temperatura dell aria aspirata Nella simulazione la temperatura dell aria aspirata dal motore è stata fissata ad un valore costante (50 gradi) poiché essa varia solamente l uscita di una look-up table; la conseguenza della sua variazione è un aggiustamento sul valore di carico delle mappe anticipo/iniezione. La look-up table che segue è l inverso della caratteristica temperatura-tensione del sensore. Si è ritenuto opportuno lasciarla fissa per aiutare la convergenza del simulatore sul calcolo del valore di carico, già risultante dalla variazione di numerosi altri fattori. Il sensore fornisce una tensione che viene campionata e poi convertita in temperatura mediante look-up table (figura 3.2). I risultati della simulazione sono presentati in fig. (3.3). Figura 3.2: Digitalizzazione della temperatura dell aria aspirata (AirTempSensor) Il sensore di temperatura dell acqua Per quanto riguarda la temperatura del liquido refrigerante, essa è stata impostata ad un valore fisso e pari a 50 gradi. A seguito del blocco contenente tale costante (WaterTemp) vi è la look-up table che riporta la caratteristica temperatura-tensione del sensore. La temperatura acqua è utilizzata da due sezioni della ECU; la prima è relativa all accensione della ventola di raffreddamento e la seconda riporta invece una correzione del valore di carico se la temperatura acqua è bassa. Tale funzione è l analogo digitale dell operazione di tirare l aria nei motori a carburatore; questo avviene perché a freddo la benzina condensa lungo le fredde pareti del collettore di aspirazione. La figura (3.4) riporta il campionamento eseguito sulla tensione riportata dal 26

27 Figura 3.3: all ingresso Simulazione sensore temperatura aria mediante rampa 27

28 sensore e la sua conversione in valore numerico mediante una look-up table che contiene la caratteristica tensione-temperatura del sensore stesso. In fig. (3.5) vi è il risultato della simulazione con una rampa da -25 a 225 all ingresso. Figura 3.4: Digitalizzazione della temperatura del liquido refrigerante (WaterTempSensor) Pressione assoluta - MAP Il valore di pressione assoluta deriva dal modello dinamico del motore da noi utilizzato, descritto in seguito (cap. 3.3); esso deriva dalla libreria Simulink di Matlab ed è stato spogliato di quanto inutile al fine della nostra simulazione. Il sensore di pressione assoluta è stato digitalizzato e convertito secondo il modello in figura (3.6). Il guadagno di 19,56 è dovuto alla riconversione in kpa. La simulazione (fig 3.7 conferma che, correttamente, per pressioni negative non vi è responso, mentre per pressioni positive si ha il guadagno di 19, Ruota fonica Il più complicato dei segnali è stato certamente quello dalla ruota fonica; si tratta di un sensore ad effetto Hall che legge i denti della ruota. Su di essa vi sono 60 calettamenti, di cui 2 però sono mancanti. In corrispondenza di questi ultimi vi è il punto morto superiore (o TDC) che crea il riferimento temporale. Ad ogni dente corrispondono 6 gradi; da essi è ricavata la forma 28

29 Figura 3.5: all ingresso Simulazione sensore temperatura acqua mediante rampa 29

30 Figura 3.6: Digitalizzazione della pressione assoluta (MAPSensor) d onda tramite cui si ricava la posizione istantanea del motore, il numero di giri al minuto, l istante di punto morto superiore ed infine l informazione di motore in rotazione. La parte di generazione del segnale è presentata in figura (3.8). Sono state realizzate due tipologie di forma d onda: una a frequenza fissa, caso peraltro poco reale, ed una con sweep in frequenza da regime minimo a massimo che simula un accelerata da motore al minimo fino al massimo. La tipologia di figura (3.8) è a frequenza fissa ed è stata utilizzata per la simulazione completa, mentre in figura (3.9) vi è la versione con il chirp, ovvero lo sweep. In entrambi i modelli si nota poi un sommatore con un generatore di numeri casuali, atto a rappresentare i possibili disturbi su tale segnale Chiave d avviamento La chiave d avviamento, come già descritto, ha 3 posizioni: (0) off; (1) marcia; (2) avviamento. È stata generata una sequenza in cui si parte da chiave su off, poi su marcia e su avviamento; una volta che l utente rilascia la chiave dalla posizione avviamento il segnale rimane su marcia. La sezione di generazione di tale segnale è in figura (3.10), ed il risultato della simulazione in figura (3.11). 30

31 Figura 3.7: all ingresso Simulazione sensore pressione assoluta mediante rampa 31

32 Figura 3.8: Segnale della ruota fonica con frequenza fissa (EngineWaveform) Figura 3.9: Segnale della ruota fonica con frequenza variabile 32

33 Figura 3.10: (CarKeySensor) Generazione del segnale della chiave di avviamento Figura 3.11: Simulazione del segnale della chiave di avviamento 33

34 3.1.6 Sonda lambda Il rapporto stechiometro, che non è altro che il rapporto di combustione ottimo tra combustibile e comburente, nel caso della benzina vale 1:14,6. L inverso di tale valore normalizzato ad uno viene definito lambda, e viene misurato da un sensore (sonda lambda) posizionato all interno del collettore di scarico. Come per il caso del sensore di MAP, anche il valore di lambda deriva dal modello di motore prelevato dalla libreria di Simulink. Il sensore viene campionato e mappato come in figura (3.12). Il risultato della simulazione (fig presenta innanzitutto un ritardo nel presentare il risultato corretto dovuto ad un basso tempo di campionamento, ed inoltre satura per valori d ingresso superiori a 5; questo perché il range di tensioni ammesso in ingresso è compreso tra 0 e 5 V. Figura 3.12: Campionamento del valore di lambda (LambdaSensor) Farfalla acceleratore L acceleratore, nelle auto tradizionali, è collegato mediante un cavo alla valvola a farfalla posizionata nel condotto d aspirazione. La farfalla è a sua volta connessa con una pista potenziometrica che ne rileva la posizione e ne restituisce il valore in gradi. Analogamente alla pressione aria, la posizione della farfalla è stata fissata ad un valore costante per facilitare la convergenza del simulatore. Per questo sensore non è necessaria la conversione mediante look-up table, bensì basta convertire il valore di tensione in gradi, dopo averlo campionato, mediante un semplice guadagno; questo perchè si tratta di un sensore lineare (figura 3.14). La simulazione è riportata in figura (3.15). 34

35 Figura 3.13: Simulazione di campionamento del valore di lambda 35

36 Figura 3.14: Campionamento della posizione della farfalla (ThrottleSensor) 36

37 Figura 3.15: Simulazione di campionamento della posizione della farfalla 37

38 3.2 Il campionamento del segnale di fase (A cura di Luigi Fasano) Il blocco che esegue il campionamento del segnale proveniente dalla ruota fonica è illustrato nelle figure (3.16) e (3.17). Precisiamo che il blocco funziona correttamente sia con segnali di ruota fonica a frequenza fissa che con segnali a frequenza variabile. Nella simulazione comprendente la ECU nel suo complesso si è fatto uso del generatore a frequenza fissa, mentre nelle simulazioni qui presentate si è utilizzato il blocco con frequenza variata. Figura 3.16: Blocco di condizionamento del segnale di fase - parte 1 Il segnale d ingresso è proveniente dal sensore ad effetto Hall ed è già stato descritto nel cap Nella simulazione, non disponendo realmente di tale segnale, si è assunto che esso sia una sinusoide per la quale ogni periodo corrisponde al passaggio di un dente della ruota davanti al sensore. In corrispondenza del punto morto superiore, ovvero dopo il 58 dente, il segnale fornito dal sensore diventa una sinusoide di frequenza dimezzata e ampiezza triplicata. Sebbene, a causa di queste assunzioni, la forma d onda ottenuta differisce da quella reale, per i nostri scopi fornisce una buona rappresentazione. Nella seguente descrizione verrà utilizzato il caso, più generale, di segnale a frequenza variabile. 38

39 Figura 3.17: Blocco di condizionamento del segnale di fase - parte 2 All ingresso si confronta il segnale della ruota fonica con un comparatore di soglia (levelcompare1) che fornisce 1 quando l ampiezza del segnale raggiunge il valore analogico di 1 V. Il segnale logico uscente dal comparatore rappresenta a sua volta il set del blocco SET/RESET (fig. 3.18). Il reset, invece, è costituito dall uscita logica di un altro comparatore(levelcompare2 di soglia, che fornisce un 1 quando il segnale della ruota fonica raggiunge il valore -1 V. In questo modo, si ottiene un onda quadra che presenta un impulso per ogni dente che transita davanti al sensore. Altri due comparatori (levelcompare3 e 4) eseguono esattamente le stesse operazioni di cui sopra, ma questa volta le soglie sono fissate a +3V e -3 V in modo da dare un impulso solo in corrispondenza del punto morto superiore. La figura (3.19) mostra le forme d onda rispettivamente in uscita dal sensore, e in uscita dai due SET/RESET. Attraverso i blocchi sim derivative, successivamente, si riescono ad ottenere delle serie di delta positive e negative per entrambe le onde quadre 39

40 Figura 3.18: Implementazione del blocco set-reset ottenute in precedenza. Con un semplice confronto con il valore 0, si selezionano solo le delta positive in modo da averne una per ogni dente che transita davanti al sensore ed una per ogni punto morto superiore. Tali segnali sono presentati nel grafico di fig. (3.20). La serie di delta associate al passaggio di ogni dente della ruota abilita il blocco teethcounter il quale fornisce in uscita il numero del dente i-esimo che transita davanti al sensore. L uscita, perciò, può assumere i valori da 1 a 58. Tale contatore, infatti, viene azzerato in corrispondenza del punto morto superiore grazie proprio all altra serie di delta ottenuta al passo precedente. Siccome ci sono 58 denti, ognuno di essi corrisponde ad un angolo pari a 6 gradi e perciò, per ottenere i gradi corrispondenti all i-esimo dente, il segnale in uscita dal contatore viene moltiplicato per 6. In figura (3.21) sono mostrati questi ultimi due segnali. Una volta ottenuti i gradi corrispondenti alla posizione della ruota fonica e una volta ottenuto il segnale che fornisce l informazione circa la presenza del punto morto superiore, è necessario ottenere anche il numero di giri al minuto. A tal fine, si nega, attraverso il blocco NOT, il segnale che fornisce la presenza del punto morto superiore ottenendo un segnale sempre al valore logico 1 tranne in corrispondenza del punto morto superiore dove va a zero. Il segnale così ottenuto va a rappresentare l abilitatore di un altro contatore ( samplecounter ) con il quale si contano il numero di campioni che si hanno tra un punto morto superiore e il successivo, ovvero in un giro. Quando il segnale abilitatore va a 0, attraverso un altro semplice confronto, il segnale che resetta il contatore raggiunge il valore logico 1 azzerando il contatore. Conoscendo la durata del singolo campione (1 µs nella fattispecie) è possibile sapere quanto tempo trascorre in un giro. Facendone il reciproco e dividendo per 60 si ottengono i giri al minuto. Tali operazioni sono state effettuate 40

41 Figura 3.19: Uscite dai blocchi set-reset attraverso i blocchi reciprocal e timegain. Infine vi è un ultimo comparatore (engineoncompare) per fornire il segnale di motore in rotazione, ovvero quando il numero di giri al minuto è superiore ad uno, costante che si trova già nel modello e viene perciò riutilizzata. La figura (3.22) mostra il risultato ottenuto, ove la prima forma d onda riporta la posizione istantanea del motore in gradi, la seconda è l impulso di PMS, la terza invece è l uscita del contatore, in numero di campioni, ed infine l ultima forma d onda riporta il numero di giri al minuto, a partire da un valore di circa 660 rpm fino a circa 7100 rpm. 41

42 Figura 3.20: Serie di delta per ogni dente e per ogni punto morto superiore 42

43 Figura 3.21: Numero di dente che transita e relativi gradi 43

44 Figura 3.22: Uscite dai blocchi di conteggio del numero di giri 44

45 3.3 Modello dinamico del motore (A cura di Luigi Fasano) Il modello utilizzato per ricavare i valori di lambda e della pressione assoluta del condotto d aspirazione (MAP) viene riportato in figura (3.23). Tale modello è composto da una parte di calcolo del rapporto aria/benzina ed una di dinamica della miscela all interno del motore, sia nel condotto di aspirazione che nella camera di combustione. Vi è inoltre una semplice costante di conversione da giri al minuto a radianti al secondo. Il modello è stato utilizzato come una sorta di black box, i cui ingressi sono giri al minuto e posizione della valvola a farfalla e le cui uscite sono percentuale di ossigeno contenuta nei gas di scarico (non utilizzata), fattore lambda e pressione nel collettore di aspirazione. 45

46 Figura 3.23: Modello dinamico del motore (EngineCombustionModel) 46

47 3.4 Calcolo della modalità di funzionamento (A cura di Daniele Barbiero) Il calcolo della modalità di funzionamento è il core della ECU, visto che da essa dipende il pilotaggio di candele e iniettori in funzione dei parametri rilevati dai sensori. Nella descrizione del modello UML (cap. 2.1) sono già stati esposte le modalità di funzionamento in funzione dei vari parametri; l implementazione hardware degli stessi viene riportata nelle figg. (3.24) e (3.25). Figura 3.24: Controllo della modalità di funzionamento - parte 1 Il parametro principale che governa tale blocco è la posizione della farfalla, che viene moltiplicata per 1,11 onde convertire i 90 gradi nel 100%. Se tale segnale è inferiore a 10 gradi, significa che il motore è al minimo, e dunque viene settato il carico al 15% mediante lo switch sim multiport switch2. In seguito, se la temperatura del liquido refrigerante è inferiore a 45 gradi centigradi, significa che il motore è freddo, e dunque il carico viene aumentato del 20% onde compensare la perdita di benzina che condensa sulle pareti dei collettori a causa della bassa temperatura. Nel passo successivo viene utilizzato il valore proveniente dalla sonda lambda per correggere il carico di un fattore +5/-5 in base al fatto che la miscela sia ricca o povera rispettivamente. Penultimo passo è la correzione in funzione della ricchezza di ossigeno dell aria (che dipende da pressione e temperatura dell aria stessa), e viene es- 47

48 Figura 3.25: Controllo della modalità di funzionamento - parte 2 48

49 eguita mediante look-up table (fig. 3.26), con valori positivi o negativi. Una difficoltà realizzativa si è presentata nella realizzazione di una mappa 3D disponendo di sole mappe 2D; è stato però sufficiente uno shift di 3 bit sul secondo ingresso, la normalizzazione di entrambi gli ingressi e la disposizione opportuna dei valori nella mappa per ottenere il risultato voluto. La mappa in 3D è presentata in figura (3.27) per una comoda visualizzazione grafica. Infine il limitatore di giri pone a 0% il carico quando il regime massimo di 7500 giri al minuto viene superato, ovvero non deve più avvenire l iniezione quando si è superata la soglia. La mappa di iniezione dovrà naturalmente tenere in conto di tale vincolo. Figura 3.26: Realizzazione della look-up table 49

50 10 5 Load Correction Air Temp (degs) MAP (kpa) Figura 3.27: Mappa di correzione in funzione di temperatura e pressione aria 50

51 3.5 Generazione dei segnali di comando (A cura di Daniele Barbiero) La parte finale della realizzazione hardware prevede la generazione dei segnali che agiscono direttamente o indirettamente sul motore, andando così a influenzare direttamente il suo funzionamento. I segnali di comando sono: l abilitazione della pompa del carburante; l abilitazione della bobina delle candele; l accensione della ventola di raffreddamento; l apertura degli iniettori; l accensione delle candele. Durante la realizzazione si è riscontrato però che l abilitazione delle candele è un operazione che è gratuita, visto che è la stessa posizione della chiave (codificata in binario) ad essere un segnale di enable L abilitazione della pompa del carburante La logica di gestione della pompa del carburante prevede che essa sia in funzione solamente quando il motore è acceso e la chiave è in posizione diversa da (0) off. Dal condizionamento del segnale proveniente dalla ruota fonica deriva l informazione di motore in rotazione, mentre la chiave di avviamento ne abilita il funzionamento soltanto quando essa è sulla posizione (1) marcia o (2) avviamento. Quando l utente posiziona la chiave su (1), la pompa viene attivata, ma se il motore non viene avviato entro 8 secondi, il contatore fa in modo che la pompa sia disattivata. L accensione del motore però ne deve riattivare il funzionamento. Anche il caso in cui il motore si spenga (ad esempio durante uno spunto), con chiave su (1), provoca la disattivazione della pompa entro 8 secondi (fig. 3.28). Le forme d onda sono presentate in figura (3.29); la prima curva rappresenta l accensione del motore: esso sta in moto dal 12 al 20 secondo. La chiave invece (seconda curva) viene attivata fin dal 2 secondo. L ultima curva riporta correttamente che dopo 8 secondi di inattività del motore la pompa si spegne, per poi riattivarsi quando esso viene messo in moto. Dopo 8 secondi che il motore è spento, anch essa si disattiva nuovamente. 51

52 Figura 3.28: Abilitazione della pompa carburante (EnableFuelPump) Figura 3.29: Simulazione di funzionamento dell attivazione della pompa carburante 52

53 3.5.2 L abilitazione della ventola di raffreddamento La ventola di raffreddamento, in questa versione di ECU da noi presentata e come sulla maggioranza dei veicoli, non è in rotazione continua, ma viene attivata solamente quando la temperatura del liquido refrigerante è superiore ad una certa soglia. Onde garantire una maggiore sicurezza nel raffreddamento sono state previste due velocità per tale ventola, ovvero nel caso la temperatura sia superiore a 92 gradi centigradi si attiva la velocità 1, mentre qualora essa superi i 102 gradi, s attiva la velocità 2. Il blocco implementa un comparatore a soglia con isteresi, perché se così non fosse l eventuale oscillazione della temperatura nell intorno dei 92 o 102 gradi innescherebbe la ventola a singhiozzo, andando così a danneggiarne la funzionalità. Per questo è stato previsto che una volta attivata, essa non si spegne finché la temperatura non scende sotto gli 89 gradi (fig. 3.30). Tale logica rispecchia, in maniera digitale, il normale funzionamento di un bulbo di temperatura. Figura 3.30: Abilitazione della ventola di raffreddamento (EnableFan) Alle funzionalità appena descritte è stato inoltre aggiunto un temporizzatore che si occupa di mantenere attiva la ventola per almeno 10 secondi dopo lo spegnimento del motore, anche questa caratteristica diffusa sui veicoli in commercio, per aiutare il deflusso di liquido caldo dopo un ciclo di funzionamento faticoso per il motore. La simulazione è stata eseguita con una forma d onda triangolare atta a rappresentare l evoluzione della temperatura tra 85 e 105 gradi, cui è stato sovrapposto un disturbo per testare il comparatore a soglia, ed il risultato è visibile in fig. (3.31). La prima curva è 53

54 la temperatura, la seconda è invece la posizione della chiave di avviamento, variata tra (0) e (1); l avviamento del motore non è influente per la ventola, perciò non interessa la posizione (2). La terza curva riporta il corretto funzionamento della velocità 1 della ventola, ed infine l ultima curva riporta la velocità 2. Sulle ascisse vi sono i secondi, e come previsto dopo 10 secondi dalla disattivazione della chiave, la ventola si spegne. 54

55 Figura 3.31: Forme d onda relative alla ventola di raffreddamento 55

56 3.5.3 L apertura degli iniettori La durata di apertura degli iniettori dipende da numero di giri al minuto e dal carico motore, fornito dall unità di calcolo della modalità di funzionamento (fig. 3.32). In funzione di questi due parametri vi è un valore, memorizzato in una look-up table che viene ricavata semi-empiricamente in sede di progetto (fig. 3.33). Tale valore rappresenta la durata di iniezione, e la forma d onda che pilota gli iniettori dipende dagli stessi (spesso di tipo PWM); il blocco che genera la forma d onda è esterno alla ECU, che si occupa soltanto di fornire l istante di tempo di attivazione (fisso rispetto al PMS) e la durata (valore della mappa). In tale mappa si ha sull asse di sinistra il numero di giri al minuto diviso per mille, e sull asse di destra il carico in percentuale. Per carico pari a zero il valore di apertura deve valere zero per attuare la funzione di cut-off. Figura 3.32: Schema della mappa di apertura degli iniettori 56

57 30 Injector aperture duration (ms) RPM (1/min) Load (%) Figura 3.33: Mappa 3D dell apertura degli iniettori 57

58 3.5.4 L accensione delle candele La gestione delle candele di accensione avviene in maniera speculare rispetto agli iniettori, ovvero la durata di accensione è fissa, mentre varia l istante rispetto al punto morto superiore. Vi è nuovamente una mappa funzione di carico e rpm (fig. 3.34), ma la mappa fornisce, in questo caso, il valore di anticipo d accensione. L asse di sinistra della figura (3.35) anche ora rappresenta il numero di giri diviso mille, e quello di destra il carico. In questa mappa però si ha che, qualora il numero di giri sia basso (prossimo a zero), l anticipo debba essere pressoché nullo; questo per aiutare l avviamento del motore quando i giri sono bassi. Sia per il presente caso che per il precedente, qualora uno degli ingressi riportino la mappa in un punto dove non vi sia un valore, avviene un interpolazione lineare. Figura 3.34: Schema della mappa di anticipo delle candele (SparkPilot) 58

59 60 50 Spark advance (degs) RPM (1/min) Load (%) Figura 3.35: Mappa 3D dell anticipo delle candele (InjPilot) 59

60 3.6 Simulazione complessiva (A cura di Daniele Barbiero) In quest ultimo capitolo riportiamo i risultati della simulazione del modello Codesimulink della ECU da noi progettata. La simulazione è stata eseguita per 50 ms, periodo in cui avvengono circa 3 rotazioni complete del motore. Nella figura (3.36) vi sono le uscite dal blocco di campionamento del segnale proveniente dalla ruota fonica; vi si nota un funzionamento analogo alla figura (3.22), salvo il numero di giri al minuto pressoché costante. La figura (3.37) invece presenta le uscite finali della ECU, ovvero i valori di anticipo delle candele e di apertura degli iniettori. Infine la figura (3.38) presenta l uscita del TorqueController, ovvero il valore del carico, unitamente al numero di giri; essi sono gli ingressi delle mappe di anticipo ed iniezione. 60

61 Figura 3.36: Forme d onda risultanti dal blocco PhonicWheelSensor 61

62 Figura 3.37: Forme d onda risultanti dai blocchi sparkpilot e injpilot 62

63 Figura 3.38: Forme d onda risultanti dal blocco TorqueController (LOAD) e PhonicWheelSensor (RPM) 63

64 Elenco delle figure 1.1 Schema di funzionamento del controllo sul motore Diagramma dei casi d uso Rappresentazione del calcolo delle modalità di funzionamento Diagramma delle classi Analisi di robustezza: chiave in posizione Analisi di robustezza: chiave in posizione Analisi di robustezza: pressione dell acceleratore Analisi di robustezza: pressione a fondo dell acceleratore Analisi di robustezza: rilascio dell acceleratore Analisi di robustezza: rilascio completo dell acceleratore Analisi di robustezza: generazione del riferimento temporale Modello completo della ECU Digitalizzazione della temperatura dell aria aspirata (AirTempSensor) Simulazione sensore temperatura aria mediante rampa all ingresso Digitalizzazione della temperatura del liquido refrigerante (WaterTempSensor) Simulazione sensore temperatura acqua mediante rampa all ingresso Digitalizzazione della pressione assoluta (MAPSensor) Simulazione sensore pressione assoluta mediante rampa all ingresso Segnale della ruota fonica con frequenza fissa (EngineWaveform) Segnale della ruota fonica con frequenza variabile Generazione del segnale della chiave di avviamento (CarKey- Sensor) Simulazione del segnale della chiave di avviamento Campionamento del valore di lambda (LambdaSensor)

65 3.13 Simulazione di campionamento del valore di lambda Campionamento della posizione della farfalla (ThrottleSensor) Simulazione di campionamento della posizione della farfalla Blocco di condizionamento del segnale di fase - parte Blocco di condizionamento del segnale di fase - parte Implementazione del blocco set-reset Uscite dai blocchi set-reset Serie di delta per ogni dente e per ogni punto morto superiore Numero di dente che transita e relativi gradi Uscite dai blocchi di conteggio del numero di giri Modello dinamico del motore (EngineCombustionModel) Controllo della modalità di funzionamento - parte Controllo della modalità di funzionamento - parte Realizzazione della look-up table Mappa di correzione in funzione di temperatura e pressione aria Abilitazione della pompa carburante (EnableFuelPump) Simulazione di funzionamento dell attivazione della pompa carburante Abilitazione della ventola di raffreddamento (EnableFan) Forme d onda relative alla ventola di raffreddamento Schema della mappa di apertura degli iniettori Mappa 3D dell apertura degli iniettori Schema della mappa di anticipo delle candele (SparkPilot) Mappa 3D dell anticipo delle candele (InjPilot) Forme d onda risultanti dal blocco PhonicWheelSensor Forme d onda risultanti dai blocchi sparkpilot e injpilot Forme d onda risultanti dal blocco TorqueController (LOAD) e PhonicWheelSensor (RPM)

66 Bibliografia [1] Appunti dal corso di Metodi e Strumenti di Coprogettazione per Sistemi Elettronici, A.A. 2004/2005. [2] Kendall Scott, UML Explained, Addison-Wesley, [3] Tullio Cuatto et al., A Case Study in Embedded System Design: an Engine Control Unit, DAC 98, June 15-19, 1998, San Francisco, CA USA. [4] IDN Isvor Dealer Net, EOBD (European On Board Diagnostic) 66