Teil 1: Grundlagen

Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 01
Dioden, Stromversorgung
1
Versuch: Dioden, Stromversorgung
Voraussetzungen:
Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechnik und der Elektronik.
Zielsetzungen:
-
Kennenlernen und Begreifen der Kennlinien von Dioden und Zenerdioden,
Kennenlernen der Funktionsweise elementarer Gleichrichter- und Stabilisierungsschaltungen,
Anwenden der Zweipoltheorie auf Stromversorgungsschaltungen
Teil 1: Grundlagen
1.1 Dioden und Zenerdioden
Dioden sind Halbleiterbauelemente (es gibt auch Elektronenröhren, die als Dioden bezeichnet
werden), die für den elektrischen Strom als „Ventil“ wirken, indem sie ihn in einer Richtung
sehr gut leiten, während sie ihn in der anderen nahezu sperren. Abb. 1.1-1 a) zeigt das Schaltbild einer Diode mit den beiden Anschlüssen Anode (A) und Kathode (K).
IR
IF
A
_
+
U
U
_
K
a)
+
b)
c)
Abb. 1.1-1 Schaltung einer Diode in Durchlaß- und Sperrichtung
Bei einer Spannung UAK > 0 (Abb. 1.1-1 b) leitet die Diode, während sie bei einer Spannung
UAK < 0 sperrt (Abb. 1.1-1 c). Untersucht man die Kennlinien von Dioden genauer, erkennt
man, daß eine Diode in Sperrichtung nicht vollständig sperrt, sondern daß ein – wenn auch
sehr kleiner – Sperrstrom IR fließt (der Index R steht dabei für „Reverse“). Auch in Durchlaßrichtung (UF für „Forward“) leitet die Diode nicht sofort, sondern bei Germanium erst oberhalb einer Durchlaßspannung von 0,2 bis 0,4 V und bei Silizium von 0,5 bis 0,8 V. Abb. 1.1-2
zeigt eine typische Kennlinie einer Siliziumdiode.
EG01
Stand: 06.03.14
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Dioden, Stromversorgung
2
IF
US
0
UR
UF
Abb. 1.1-2: Typische Kennlinie einer Diode
Für praktische Berechnungen wird die tatsächliche Diodenkennlinie oft durch zwei Geraden
angenähert, welche im Durchlaßbereich die folgenden Bedingungen erfüllen:
IF = 0 für UF < US und
UF = US + rF IF für UF  US.
(1.1)
(1.2)
Dabei ist rF der differentielle Widerstand der Diode
rF = UF/IF.
(1.3)
Im Sperrbereich nähert man ganz einfach mit IR = 0 an.
In Abb. 1.1-2 sind die Näherungen gestrichelt eingezeichnet. Da die Näherungsgleichungen
linear sind, kann man im Durchlaßbereich das Verhalten einer Diode durch eine Ersatzschaltung mit linearen Bauelementen beschreiben. Die Näherung erlaubt damit, eine eigentlich
nichtlineare Schaltung mit den Methoden der Zweipoltheorie als lineares Netzwerk näherungsweise zu berechnen.
IF
rF
UF
US
Abb. 1.1-3: Ersatzschaltbild einer Diode
Abb. 1.1-3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Diode, das auf der linearen Näherung beruht. Es ist
zu beachten, daß es nur für eine in Durchlaßrichtung betriebene Diode gilt.
EG01
Stand: 06.03.14
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Dioden, Stromversorgung
3
Zenerdioden verhalten sich in Durchlaßrichtung wie normale Dioden. Während aber Dioden
bei Überschreiten einer bestimmten Sperrspannung zerstört werden, gibt es bei Zenerdioden
eine genau spezifizierte Zenerspannung UZ, ab der die Zenerdiode auch in „Sperrichtung“
leitet. Eine Zenerdiode weist also die in Abb. 1.1-4 a) gezeichnete Kennlinie auf. Da Zenerdioden in der Praxis meist nur in Sperrichtung betrieben werden, zeichnet man oft nur den
Sperrteil der Kennlinie und spiegelt ihn, wie in Abb. 1.1-4 b) gezeigt, in den ersten Quadranten.
IZ
IF
UF
UZ0
UZ
b)
a)
Abb. 1.1-4: Kennlinien einer Zenerdiode
Auch bei Zenerdioden kann man die Kennlinie durch gerade Teilstücke annähern (gestrichelte
Kurve in Abb. 1.1-4 b) und erhält somit das lineare Ersatzschaltbild in Abb. 1.1-5.
IZ
rZ
UZ
UZ0
Abb. 1.1-5: Ersatzschaltbild einer Zenerdiode
Für dieses Ersatzschaltbild gelten folgende Gleichungen:
IZ = 0
UZ = UZ0 + rZ IZ
für UZ < UZ0;
für UZ  UZ0,
(1.4)
(1.5)
wobei rZ der differentielle Innenwiderstand der Zenerdiode ist:
rZ = UZ/IZ.
(1.6)
Es ist zu beachten, daß dieses Ersatzschaltbild nur für eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode gilt. Für die Durchlaßrichtung, falls eine Zenerdiode einmal so betrieben werden sollte,
gilt das Ersatzschaltbild aus Abb. 1.1-3, welches identisch zum Ersatzschaltbild 1.1-5 ist, wobei aber andere Parameter eingesetzt werden müssen.
EG01
Stand: 06.03.14
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Dioden, Stromversorgung
4
1.2 Gleichrichterschaltungen
1.2.1
Einpuls-Mittelpunktschaltung (M1)
Bei der M1-Schaltung ist die Diode nur während der positiven Halbwelle der Wechselspannung leitend.
ig
ug
u
U
ug


t
Abb. 1.2-1: Schaltung und Verlauf der Ausgangsspannung der M1-Schaltung
Scheitelwert der gleichgerichteten Spannung
Û g  2 U  US
Gleichstrom-Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
Ug 
Tabelle 1.2-1:
1.2.2
Maximale Sperrspannung der Dioden
U max  2 2 U
2U
π
Welligkeit
w
U geff
 1,21
Ug
Kenngrößen der M1-Schaltung
Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2)
Für die M2-Schaltung benötigt man einen Transformator mit Mittelanzapfung. Bei der positiven Halbwelle der Wechselspannung leitet die obere Diode, bei der negativen Halbwelle die
untere.
ug
ig
U
ug
u


t
U
Abb. 1.2-2: Schaltung und Verlauf der Ausgangsspannung der M2-Schaltung
Scheitelwert der gleichgerichteten Spannung
Û g  2 U  US
Gleichstrom-Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
Ug 
2 2U
π
Maximale Sperrspannung der Dioden
U max  2 2 U
Welligkeit
w
U geff
Ug
 0,483
Tabelle 1.2-2: Kenngrößen der M1-Schaltung
EG01
Stand: 06.03.14
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1.2.3
EG 01
Dioden, Stromversorgung
5
Zweipuls-Brückenschaltung (B2)
ig
ug
ug
u

U

t
Abb 1.2-3: Schaltung und Verlauf der Ausgangsspannung der B2-Schaltung
Scheitelwert der gleichgerichteten Spannung
Û g  2 U  2 US
Gleichstrom-Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
Ug 
Maximale Sperrspannung der Dioden
U max  2 2 U
2U
π
Welligkeit
w
U geff
Ug
 0,483
Tabelle 1.2-3: Kenngrößen der B2-Schaltung
1.2.4
Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrom-Vollbrücke)
Die B6-Schaltung wird bei Drehstromtrafos und bei Drehstromgeneratoren eingesetzt. Bei
Kfz-Drehstromgeneratoren stellt sie die Standardschaltung dar. Abb. 1.2-4 zeigt eine Schaltung, bei der die Sekundärwicklung eines Drehstromtrafos in Stern geschaltet ist (ebenso
könnte das die Ständerwicklung eines Kfz-Drehstromgenerators sein). Am Pluspol des Belastungswiderstandes wird immer die größte positive Strangspannung und am Minuspol immer
die größte negative Strangspannung eingeprägt. Der Strom fließt also vom Sternpunkt über
den Strang mit der größten positiven Spannung, über die dort angeschlossene Plus-Diode,
über den Lastwiderstand, über die Minusdiode, die am Strang mit der größten negativen
Spannung angeschlossen ist, dann über eben diesen Strang zurück zum Sternpunkt. Es ist immer genau eine Plus- und eine Minusdiode für 1/3 der Peridendauer leitend. Auf diese Weise
teilt sich die Verlustleistung gleichmäßig auf alle sechs Dioden auf.
ug
Plusdioden
Uy
Uy
u
ug
R

t

Minusdioden
Abb. 1.2-4: Schaltung und Verlauf der Ausgangsspannung der B6-Schaltung
EG01
Stand: 06.03.14
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Scheitelwert der gleichgerichteten Spannung
Û g  6 U  2 US
Gleichstrom-Mittelwert der
gleichgerichteten Spannung
Ug 
EG 01
Dioden, Stromversorgung
Maximale Sperrspannung der Dioden
Û sperrmax 
3 6 Uy 3 2 U

π
π
6
Welligkeit
6U
w
U geff
Ug
 0,042
Tabelle 1.2-4: Kenngrößen der B6-Schaltung
1.3 Glättung und Stabilisierung gleichgerichteter Spannungen
Ein B6-Schaltung liefert schon eine relativ gut geglättete Gleichspannung. In vielen Anwendungen (z.B. im Kfz) kommt man ohne zusätzliche Glättungmaßnahmen aus. Bei EinphasenGleichrichtern wird aber praktisch immer geglättet. Dies geschieht am einfachsten durch Parallelschalten eines Kondensators zum Gleichrichterausgang. Die Glättung durch einen “Siebkondensator” oder „Ladekondensator“ soll anhand einer B2-Schaltung erläutert werden:
ig
=
ia
ua
C
R
ua
ua
t1
t2
t
Abb.1.3-1.: Glättung der Ausgangsspannung bei einer B2-Schaltung
Während der Zeit t1 wird der Kondensator über die Gleichrichterschaltung auf den Spitzenwert der Wechselspannung aufgeladen. Wenn während t2 die Ausgangsspannung des Gleichrichters kleiner wird, entlädt sich der Kondensator C nach einer Exponentialfunktion mit der
Zeitkonstanten  = RC. Da  meist sehr viel größer als t2 ist, kann man die Entladekurve
durch eine Gerade annähern. Setzt man außerdem t1 << t2, was in der Praxis ebenfalls meist
gilt, kann man den Spannungseinbruch ua näherungsweise berechnen:
EG01
Stand: 06.03.14
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Q = C · U,
Ia · t2 = C · ua,
EG 01
Dioden, Stromversorgung
7
t2 1 / (2 f),
ua = Ia · t2 / C = Ia / (2 f C).
(1.7)
Der Gleichspannungs-Mittelwert der Ausgangsspannung Ug hängt damit vom Mittelwert Ia
des Laststroms ab. Er beträgt näherungweise (bei Annahme von idealen Dioden):
Ug  2 U 
I
 ua
 2 U a .
2
4f C
(1.8)
Berücksichtigt man den Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden (ca. 0,7 V) und den Innenwiderstand des Transformators, erhält man einen Verlauf der Ausgangsspannung ua nach
Abb. 1.3-2
ua
t
Abb. 1.3-2: Verlauf der Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung
Oftmals ist eine mit Ladekondensator geglättete Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung für die angeschlossenen Verbraucher noch zu instabil, weil einerseits die Eingangsspannung zu stark schwankt (z.B. Netzschwankungen) und weil andererseits Laständerungen am
Innenwiderstand des Transformators Spannungsabfälle hervorrufen. Man muß dann die Ausgangsspannung elektronisch stabilisieren. Auf dem Markt ist eine Vielzahl elektronischer
Spannungsregler erhältlich. Die einfachste Stabilisierungsschaltung ist aber noch immer mit
Hilfe einer Zenerdiode zu realisieren, wobei allerdings Abstriche an der Qualität der stabilisierten Spannung hingenommen werden müssen. Abb. 1.3-3 zeigt die Grundschaltung einer
Stabilisierungsschaltung mit Zenerdiode.
Ie
Ie
RV
RiNetz
RV
RiNetz
Ia
Ia
Iz
Ue
Ua
Iz
Ue
R
a)
rZ
Ua
UZ0
b)
Abb. 1.3-3: Stabilisierungsschaltung mit Zenerdiode
EG01
Stand: 06.03.14
R
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Dioden, Stromversorgung
8
Abb. 1.3-3 a) zeigt dabei die Originalschaltung mit Zenerdiode und Abb. 1.3-3 b) statt der
Zenerdiode das Ersatzschaltbild. Mit diesem Ersatzschaltbild kann man sehr gut die Eigenschaft der Stabilisierungsschaltung aus der Sicht der Zweipoltheorie erklären:
Eine Spannungsquelle ist umso besser, je kleiner ihr Innenwiderstand Ri ist. Eine ideale
Spannungsquelle hat den Innenwiderstand Null, d.h. ihre Klemmenspannung ändert sich bei
zunehmender Belastung nicht. Würde man aus der Schaltung in Abb. 1.3-3 die Zenerdiode
entfernen, so hätte man einen Zweipol mit dem Innenwiderstand Ri = Ue/(RiNetz + RV) und der
Leerlaufspannung U 0  2 U eff . Mit der Zenerdiode beträgt der Innenwiderstand des Zweipols Ri = rZ || (RiNetz + RV) und die Leerlaufspannung U0 = UZ0 + rZ IZ. Ein Zahlenbeispiel soll
dies verdeutlichen (Ue = 20 V, UZ0 = 10 V, RiNetz = 10 , RV = 100 , rZ = 2 ):
Ohne Zenerdiode:
U0 = Ue = 20 V;
Ri = RiNetz + RV = 110 .
Mit Zenerdiode:
U 0  U Z0  rZ I Z  U Z0  rZ
R i  rz || (R iNetz  R V ) 
U e  U Z0
(20  10 ) V
 10 V 2 Ω
 10,18 V
R i  R V  rZ
112 Ω
2 Ω  (10  100) Ω
 1,96 Ω  rZ
(2  10  100) Ω
20
18
16
1
14
12
Ua/V
Iamax
2
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
Ia/A
Abb. 1.3-4: Verlauf der Ausgangsspannung mit und ohne Zenerdiode
Abb. 1.3-4 verdeutlicht die Verhältnisse. Ohne Zenerdiode gibt die Schaltung an den Klemmen eine Leerlaufspannung von U0 = 20 V ab. Der Kurzschlußstrom beträgt IK = 182 mA.
Dies wird durch die Belastungskennlinie 1 dargestellt. Mit Zenerdiode beträgt die Leerlaufspannung U0 = 10,18 V. Die Belastungskennlinie 2 verläuft wegen des geringeren InnenEG01
Stand: 06.03.14
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Dioden, Stromversorgung
9
widerstandes relativ horizontal. Die Zenerdiode „kappt“ praktisch alle höheren Spannungen
als UZ. Allerdings funktioniert dies nicht über den ganzen Belastungsbereich. Wird die durch
den Spannungsteiler aus Ri und R eingestellte Spannung kleiner als die Zenerspannung, beginnt die Zenerdiode zu sperren, womit ab einem bestimmten Belastungsstrom Iamax die Ausgangsspannung der Kurve 1 folgt. Der Zweipol mit Zenerdiode weist also die in Abb. 1.3-4
durchgezogen gezeichnete Belastungskennlinie auf. Eine höhere Strombelastung als mit Iamax
schadet zwar der Zenerdiode nicht, aber es geht die Stabilisierungswirkung verloren.
Da Zenerdioden eine ziemlich hohe Verlustleistung aufweisen (PV = UZ IZ), kann man den
Vorwiderstand RV nicht beliebig verkleinern. Deshalb funktioniert die Stabilisierungsschaltung nach Abb. 1.3-4 nur für relative niedrige Lastströme. Benötigt man höhere Lastströme,
kann man die Schaltung um einen Transistor erweitern (Abb. 1.3-5)
Ie
Ia
RV
RiNetz
Ua
Ue
R
Iz
UZ
Abb. 1.3-5: Stabilisierungsschaltung mit Zenerdiode und Transistor
Der Laststrom Ia fließt nun nicht mehr über den Vorwiderstand RV, sondern über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. Über RV fließt neben dem Zenerdiodenstrom nur noch
der Basisstrom, der ja um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors kleiner als der Kollektorstrom ist. Dadurch kann die Spannung an der Zenerdiode nicht mehr so leicht unter die
Zenerspannung sinken. Die Ausgangsspannung Ua ist wegen des Spannungsabfalls an der
Basis-Emitter-Diode um etwa 0,7 V kleiner als die Zenerspannung UZ.
EG01
Stand: 06.03.14
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EG 01
10
Dioden, Stromversorgung
Teil 2: Versuche
1. Versuch: Aufnahme einer Zenerdioden-Kennlinie
Stecken Sie die gezeichnete Schaltung (Abb. 1.1-1). Schließen Sie am Eingang die Gleichspannung des Netzgerätes an. Verwenden Sie eine Zenerdiode ZPD 9,1 und einen Widerstand R von 1 k bzw. von 220  bzw. von 150 
+
V
mA
_
Netzgerät
R
ZPD 9,1
Abb. 1.1-1: Schaltung zur Aufnahme der Zenerdiodenkennlinie
Nehmen Sie die Wertetabelle durch Verändern der Netzgerätespannung auf. Hinweis: Stellen
Sie die vorgegebene Stromstärke ein und lesen Sie die sich einstellende Spannung ab.
IZ/mA 1
UZ/V
R/
1 k
6
6,5
7
7,5
8
10
220 
15
20
25
150 
Zeichnen Sie die Zenerdiodenkennlinie in das Diagramm 1.1-2 ein.
EG01
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11
Dioden, Stromversorgung
Ermitteln Sie aus den Meßwerten für IZ = 15 mA und IZ = 25 mA den differentiellen Widerstand rZ der Zenerdiode (Gl. 1.6).
rZ =
25
20
15
IZ/mA
10
5
8,7
8,8
8,9 9,0
UZ/V
9,1
9,2
9,3
9,4
9,5
9,6
9,7
9,8
Diagramm 1.1-2: Kennlinie einer Zenerdiode
Tragen Sie die Näherungskennlinie (berechnete Widerstandsgerade) als Tangente an die Zenerdiodenkennlinie beim Meßpunkt für IZ = 20 mA an und zeichnen Sie die UZ0 ein. Berechnen
Sie UZ0 (Gl. 1.5).
Nebenrechnung:
UZ0 =
2. Versuch: Zweiweg-Gleichrichtung (B2-Schaltung)
2.1 Darstellung der verschiedenen Spannungen
Stecken Sie die gezeichnete Schaltung (Abb. 2.1-1). Achten Sie darauf, daß Sie den Brückengleichrichter gegenüber der gezeichneten Lage keinesfalls verdrehen. Schließen Sie am Eingang die Wechselspannung des Netzgerätes an.
EG01
Stand: 06.03.14
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EG 01
Dioden, Stromversorgung
+
mA
12
V
_
Oszilloskop
Netzgerät
R
+
BY 164
C +
100 µF
Ra
_
Abb. 2.1-1: Schaltung zur Untersuchung der Gleichrichtung und Siebung
Skizzieren Sie die Verläufe der angegebenen
Spannung (mit dem Oszilloskop dargestellt) mit
verschiedenen Farben in das nebenstehende
Diagramm:
- Eingangswechselspannung
Die Ausgangsspannung für folgende Fälle:
- nur mit Lastwiderstand Ra =330 (ohne C)
- nur mit Kondensator C (ohne Lastwiderstand Ra)
- mit Kondensator C und Lastwiderstand Ra=330
Diagramm 2.1-1: Oszillogramm der Ausgangsspannung der B2-Schaltung
2.2 Glättung der Ausgangsspannung der B2-Schaltung
Messen Sie für die drei Lastwiderstände jeweils die Ausgangs-Gleichspannung Ua und den
Ausgangsstrom Ia mit dem Volt- bzw. Amperemeter mit.
C = 100 µF
Ra
100 
330 
1 k
Ia
Ua
ua
EG01
Stand: 06.03.14
Labor für
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EG 01
13
Dioden, Stromversorgung
Messen Sie mit dem Oszilloskop die Amplitude ua des Wechselanteils der Ausgangsspannung ua (dieser Wert wird im Oszilloskop durch den Wert UPP (Spannung-Peak-Peak) angezeigt). Berechnen Sie für Ra = 330  mit Hilfe der Formel 1.8 die Ausgangsspannung Ua und
vergleichen Sie Ihre Messung von Ua mit dem berechneten Wert. Zur Berechnung können Sie
den Scheitelwert der Wechselspannung Uˆ  2 U mit dem Oszilloskop messen.
Ia
2.3 Gleichrichterschaltung als Zweipol
R
Nach Formel 1.8 ist die Kennlinie einer Gleichrichterschaltung eine Gerade.
i
U0 Ua
Somit kann die gesamte Gleichrichterschaltung (einschließlich des Glättungskondensators) ersatzschaltmäßig durch die Leerlaufspannung U0 und
den Innenwiederstand Ri dargestellt werden. Dies soll hier experimentell
nachgewiesen werden. Belassen Sie den Kondensator C = 100 µF in der
Schaltung 2.1-1 und variieren Sie den Belastungswiderstand Ra gemäß nachfolgender Tabelle.
 (Leerlauf)
Ra
Ia
Ua
22 k
680 
2,2 k
470 
330 
220 
Tragen Sie die Meßwerte in das Diagramm 2.3-1 ein und berechnen Sie die folgenden Werte
des aktiven Zweipols: Leerlaufspannung U0, Innenwiderstand Ri und Kurzschlussstrom IK.
30
25
20
Ua/V
15
10
5
10
20
30
40
50
60
Ia/mA
70
80
90
100
110
120
Diagramm 2.3-1: Ua-Ia-Kennlinie der B2-Schaltung mit Ladekondensator
Berechnungen: (im Leerlauf gilt: Ua = U0)
U0 =
EG01
;
Ri =
;
IK =
.
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R
a
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Dioden, Stromversorgung
14
3. Versuch: Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode.
Stecken Sie die Schaltung nach Abb. 3.1-1.
+
V
mA
_
Netzgerät
RV
+
BY 164
C +
100 µF
ZPD 9,1
Ra
_
Abb. 3.1-1: Schaltung zur Untersuchung der Stabilisierung mit Z-Diode
3.1
Dimensionierung der Zenerdiode
Die verwendete Zenerdiode (UZ0 wurde Versuch 1/S.11 ermittelt) hat eine maximale
Verlustleistung Pvmax = 1 W. Berechnen Sie den maximalen Strom Izmax, bei dem die
Zenerdiode noch nicht zerstört wird und den minimalen Strom Izmin = Izmax/10, bei dem
die Zenerdiode noch korrekt arbeitet.
Izmin =
;
Izmax =
;
Damit ist der Bereich bekannt, in dem wir die Zenerdiode für die Stabilisierung betreiben möchten (Izmin < Iz < Izmax).
EG01
Stand: 06.03.14
Labor für
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EG 01
Dioden, Stromversorgung
15
Eine geeignete Wahl des Vorwiderstand RV ermöglicht den Betrieb der Diode in diesem Bereich. Um RV zu dimensionieren, stellen wir die Schaltung in Abb. 3.1-1 vereinfacht dar:
-
die Diode wird durch ihr Ersatzschaltbild (UZ0 und rz, beide aus Versuch 1/S.11
bekannt) ersetzt.
die gesamte Gleichrichterschaltung (einschließlich C) können wir ersatzschaltmäßig durch den im Versuch 2.3, S. 13 ermittelten Zweipol (U0 und Ri) darstellen.
für die Auslegung lassen wir den Lastwiderstand Ra unberücksichtigt.
-
Damit ergibt sich die folgende
Schaltung:
R
i
Iz
R
V
U
U0
r
Z0
Z
Stellen Sie für diese Schaltung die Maschengleichung auf. Setzen Sie Izmax ein, um Rvmin zu
bestimmen und setzen Sie Izmin ein, um Rvmax zu bestimmen.
Aus Versuch 1 bekannt: UZ0 =
Aus Versuch 2.3 bekannt: U0 =
Maschengleichung:
RVmin =
;
RVmax =
rz =
Ri =
;
Liegt der im folgenden Versuch verwendete Widerstand RV = 1,5 k im berechneten
Bereich?
3.2
Belastungskennlinie
Messen Sie den Ausgangsstrom Ia und die Ausgangsspannung Ua mit den Digitalmultimetern
für verschiedene Werte von Ra.
RV = 1,5 k
Ra

Ia
Ua
EG01
2,2 k
1,5k
1 k
680 
470 
220 
Stand: 06.03.14
Labor für
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EG 01
Dioden, Stromversorgung
16
Zeichnen Sie die Meßwerte in das Diagramm 3.2-1 ein.
15
10
Ua/V
5
2
4
6
8
10
Ia/mA
12
14
16
18
20
Diagramm 3.2-1: Ua-Ia-Kennlinie einer Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode
Was beobachten Sie (Vergleichen Sie mit Abb. 1.3-4 und den Erklärungen dazu)?
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
EG01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 01
Dioden, Stromversorgung
17
4. Versuch: Stabilisierung mit Zenerdiode und Transistor
Stecken Sie die gezeichnete Schaltung (Abb. 4.1-1) und messen Sie die Ausgangsspannung Ua und den Laststrom Ia mit den Digitalmultimetern für verschiedene Werte
von Ra.
+
V
mA
_
Netzgerät
RV
+
BY 164
C +
100 µF
ZPD 9,1
Ra
_
Abb. 4.1-1: Schaltung zur Untersuchung der Stabilisierung mit Zenerdiode und Transistor
RV = 1,5 k
Ra

Ia
Ua
22 k 2,2 k
1,5 k
1 k
680 
470 
330 
Tragen Sie die Werte mit in das Diagramm 3.2-1ein.
Vergleichen Sie mit der Stabilisierung ohne Transistor
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Ermitteln Sie den Innenwiderstand Ri der stabilisierten Spannungsquelle.
Ri = ......................
Bitte räumen Sie nach Beendigung Ihrer Versuche alle Bauteile und die Meßkabel auf.
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Stand: 06.03.14
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EG 02
Transistoren
1
Versuch: Transistoren
Voraussetzungen:
Inhalte der Lehrveranstaltung „Grundlagen der Elektrotechnik“, vor allem Ohmsches Gesetz,
Kirchhoffscher Maschen- und Knotensatz, Inhalte der Lehrveranstaltung „Grundlagen der
Elektronik“, vor allem Schaltungen mit bipolaren Transistoren.
Zielsetzungen:
-
Kennenlernen der Verstärkungseigenschaften von Transistoren,
Kennenlernen der Verstärker-Grundschaltung (Emitterschaltung),
Einsatz des Transistors als Schalter.
Teil 1: Grundlagen
1.1 Transistor als Verstärker
Abb. 1.1-1 zeigt eine Schaltung eines Transistors zur Aufnahme der Kennlinien. Stellt man
einen festen Basisstrom IB ein und variiert UCE, so erhält man genau eine Kennlinie aus der
Kurvenschar in Abb. 1.1-2. Es fällt auf, daß abgesehen vom Anfangsbereich die Kurven nahezu horizontal verlaufen, daß also der Kollektorstrom IC praktisch nur vom Basisstrom IB
abhängt. Trägt man nun unter der angenäherten Annahme, daß UCE keinen Einfluß hat, den
Kollektorstrom über dem Basisstrom auf, so erhält man die in Abb. 1.1-3 skizzierte Transferkennlinie des Transistors.
IC
IB
UCE
UBE
Abb. 1.1-1: Schaltung zur Aufnahme von Transistorkennlinien
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IC
EG 02
Transistoren
2
IB
UCE
Abb. 1.1-2: Typisches Kennlinienfeld eines bipolaren Transistors
IC
IC
IB
Abb. 1.1-3: Transferkennlinie eines bipolaren Transistors
Die Steigung der Transferkennlinie IC/IB ist die Stromverstärkung  des Transistors, während für jeden punkt der Kennlinie der Quotient IC/IB der Gleichstromverstärkung B entspricht. Der horizontale Teil der Transferkennlinie wird dann erreicht, wenn der Transistor
übersteuert wird. Wann diese Übersteuerung eintritt, hängt von der äußeren Beschaltung des
Transistors ab.
Für praktische Verstärkerschaltungen ist die Anordung aus Abb. 1.1-1 nicht sehr gut geeignet,
weil man zwei Spannungsquellen benötigt. Deshalb benutzt man am häufigsten eine Schaltung nach Abb. 1.1-4 (die sog. Emitterschaltung; die ebenfalls eingesetzte Basisschaltung und
die Kollektorschaltung sollen hier nicht behandelt werden).
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RB
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Transistoren
3
RC
IC
UB
IB
UBE
Abb. 1.1-4: Emitterschaltung eines Transistors
Will man einen Verstärker für Wechselspannungen aufbauen, ist es wichtig, zunächst einen
Gleichstrom-Arbeitspunkt einzustellen. Dazu dient der Basis-Vorwiderstand RB, der direkt an
den Pluspol der Betriebsspannung UB angeschlossen ist (oft setzt man auch einen BasisSpannungsteiler aus zwei Widerständen ein). Durch die Basis-Emitterstrecke, die man als
Diode in Durchlaßrichtung ansehen kann, fließt dadurch ein Gleichstrom IB, dessen Stärke
unmittelbar durch die Höhe des Widerstandes RB beeinflußt wird. Auch der Kollektor wird
über einen Widerstand RC an den Pluspol der Versorgungsspannung angeschlossen, während
der Emitter direkt mit dem Minuspol verbunden ist (daher auch die Bezeichnung „Emitterschaltung“).
Wie man der Transferkennlinie entnehmen kann, fließt bei jedem Basisstrom IB ein entsprechender – verstärkter – Kollektorstrom IC. Nach dem Ohmschen Gesetz erzeugt dieser Kollektorstrom IC am Kollektorwiderstand RC einen Spannungsabfall UC = RC IC. An der KollektorEmitterstrecke bleibt nach dem Maschensatz dann die Spannung UCE = UB – RC IC übrig. Diese Gleichung stellt die in Abb. 1.1-5 in das Kennlinienfeld eingezeichnete Arbeitsgerade dar.
Man kann die Ausgangsseite der Emitterschaltung auch als Spannungsteiler, bestehend aus RC
und der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors ansehen, wobei RC fest, der Widerstand der
Kollektor-Emitterstrecke aber variabel und vom Basisstrom IB abhängig ist. Wenn man sich
auf der Arbeitsgeraden bewegt, wechselt man von einer Kennlinie auf die andere und kann
somit das gesamte Kennlinienfeld entlang der Arbeitsgeraden durchlaufen.
Verlustleistungshyperbel
Arbeitsgerade
IC
IB
UCE
UB
Abb. 1.1-5: Kennlinienfeld eines Transistors mit Arbeitgerade
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Transistoren
4
IC
RB
RC
C2
UB
IB
C1
ue(t)
ua(t)
RVB
UBE
Abb. 1.1-6: Transistor-Wechselspannungsverstärker
Speist man nun an der Basis des Transistors, gleichspannungsmäßig entkoppelt über den
Kondensator C1, eine Wechselspannung ue(t) ein (Abb. 1.1-6), so führt diese Wechselspannung zu einer Veränderung des Basisstroms, damit zu einer Veränderung des Kollektorstroms
(verstärkt um den Stromverstärkungsfaktor ) und damit zu einer Veränderung der KollektorEmitterspannung uCE(t). Der Wechselspannungsanteil ua(t), also die eigentliche verstärkte
Spannung kann dann über den Ausgangskondensator C2, der zum Abtrennen des Gleichspannungsanteils (herrührend vom Arbeitspunkt) dient, abgenommen werden. Ein Anstieg der
Spannung ue(t) führt dazu, daß der Transistor „besser leitet“, wodurch uCE(t) und damit ua(t)
absinkt. Die Eingangsspannung ue(t) und die Ausgangsspannung ua(t) sind demnach zueinander gegenphasig. Für die Leerlauf-Spannungsverstärkung (ohne Belastung) gilt:
vU  
β RC
;
rBE
rBE 
U T Nehmen Sie für UT statt 26 mV den Wert 40 mV an (Erwär. mung). Addieren Sie R zu r hinzu.
VB
BE
IB
1.2 Leistungsbilanz
Beim Fließen eines Kollektorstromes IC tritt sowohl im Kollektorwiderstand als auch im
Transistor ein Umsatz elektrischer Leistung auf. Am Kollektorwiderstand berechnet man sie
nach der Formel
PR  R C I C  U B  U CE  I C .
2
Diese umgesetzte Leistung ist meist die Nutzleistung. Die Leistung, die im Transistor umgesetzt wird, ist im Gegensatz dazu meist unerwünscht, aber unvermeidbar. Man bezeichnet sie
deshalb als Verlustleistung des Transistors. Sie berechnet sich nach der Formel:
PV  U CE I C .
Jeder Transistor kann nur eine ganz bestimmte maximale Verlustleistung aufnehmen, deren
Höhe vom mechanischen Aufbau und der Kühlung des Transistors abhängt. Da die Kurve des
konstanten Produktes aus Kollektorstrom IC und Kollektor- Emitterspannung UCE eine Hyperbel ist, spricht man von der Verlustleistungshyperbel des Transistors. Diese ist in Abb. 1.1-5
gestrichelt eingezeichnet. Die Arbeitsgerade muß nun auf jeden Fall so gewählt werden, daß
sie die Grenze, die durch die Verlustleistungshyperbel gebildet wird, in keinem Punkt überschreitet. Andernfalls kann der Transistor durch Überhitzung zerstört werden.
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Transistoren
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1.3 Transistor als Schalter
Ein idealer Schalter kann genau zwei Zustände einnehmen:
EIN:
Der Schalter ist geschlossen, der Widerstand zwischen den beiden Schalterkontakten
ist Null.
AUS: Der Schalter ist geöffnet, der Widerstand zwischen den beiden Schalterkontakten ist
unendlich hoch.
Ein mechanischer Schaltkontakt kommt diesen idealen Verhältnissen schon sehr nahe, denn
im geschlossenen Zustand liegt der Übergangswiderstand zwischen den beiden Kontakten im
m-Bereich, während er im geöffneten Zustand viele M beträgt. Mit einem Transistor kann
man dieses ideale Verhalten eines Schalters nur annähern, gewinnt diesem gegenüber aber
den Vorteil des verschleißfreien, nahezu trägheitslosen Schaltverhaltens. Ein TransistorSchaltverstärker (Abb. 1.3-1a) verhält sich sehr ähnlich einer Relaisschaltung (Abb. 1.3-1b).
Dabei entspricht die Basis-Emitterdiode der Relaisspule und die Kollektor-Emitter-Strecke
dem Schaltkontakt. In beiden Fällen steuert ein kleiner Steuerstrom einen großen Laststrom.
iC(t)
R
R
RB
UB
UB
iB(t)
uCE(t)
ue(t)
ue(t)
a)
b)
Abb. 1.3-1: Transistor- und Relais-Schaltverstärker
Ein Transistor, der als Schalter eingesetzt wird, hat selbstverständlich dieselben Kennlinien
wie im Verstärkerbetrieb. Allerdings betreibt man den Transistor nur in zwei extremen Punkten:
Im gesperrten Zustand, dabei fließt kein Basisstrom,
Im voll leitenden Zustand, dabei ist der Basistrom so hoch, daß der Transistor voll
durchgeschaltet ist.
Alle Zwischenwerte, die gemäß der Arbeitsgeraden im Transistor-Kennlinienfeld auch möglich wären, vermeidet man dadurch, daß man den Basisstrom nur die beiden Extremwerte
einnehmen läßt.
Wie die beiden zulässigen Arbeitspunkte P1 und P2 in Abb 1.3-2 zeigen, ist sowohl im leitenden (P2) als auch im sperrenden Zustand des Transistors (P1) das Schaltverhalten unvollkommen. So fließt auch im voll gesperrten Zustand ein Kollektor-Emitter-Reststrom ICR. Ebenso
bleibt zwischen Kollektor und Emitter auch im voll durchgeschalteten Zustand ein nicht zu
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Transistoren
6
vernachlässigender Spannungsabfall bestehen, die Kollektor-Emitter-Restspannung UCER oder
Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCESat genannt wird. In der Praxis liegt sie in der Größenordnung von 0,1 V.
Verlustleistungshyperbel
P2
Arbeitsgerade
IC
IB
P1
ICR
UCER U
CE
UB
Abb. 1.3-2: Arbeitspunkte des Transistors im Schaltbetrieb
Eine Erhöhung des Basisstrom IB über den Punkt hinaus, an dem die Sättigung des Transistors
erreicht wird (IBü), verändert an der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung nichts mehr. Der
Transistor ist übersteuert. Man kann einen Übersteuerungsfaktor
m
I Bü
IB
definieren, der angibt, um wieviele Male der Basisstrom größer ist, als er zum Durchschalten
des Transistors sein müßte. In der Praxis arbeitet man mit Übersteuerungsfaktoren bis m = 10
und mehr. Bei kräftiger Übersteuerung kann man ganz sicher sein, daß der Transistor auch
dann voll durchgeschaltet bleibt, wenn sich z.B. durch Erwärmung seine Kennlinie verändert.
Im Gegenstsatz zum linearen Verstärker stellt sich bei einem Transistor als Schalter die Verlustleistungsproblematik völlig anders dar. Da der Transistor im gesperrten Zustand praktisch
keine Verlustleistung aufnimmt, muß man nur den durchgeschalteteten (leitenden) Zustand
betrachten. Hier ist die Verlustleistung ebenfalls viel kleiner als beim Verstärkerbetrieb, da
der Strom IC zwar hoch ist, der Spannungsabfall UCE am Transistor aber nur etwa 0,1 V beträgt. Deshalb wird für reine Schalttransistoren oft nicht die maximale Verlustleistung, sondern der maximal zu schaltende Strom angegeben.
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7
Teil 2: Vorbereitende Übungen
2.1 Wechselspannungsverstärker mit npn-Transistor
Dimensionieren Sie einen Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung mit einem Transistor BC 107 (Kennlinienfeld gemäß Abb. 2.1-1), dessen Betriebsspannung UB = 10 V beträgt. Der Arbeitspunkt soll so gelegt werden, daß am Kollektorwiderstand genau UB/2 abfällt.
Die in diesem Punkt im Transistor umgesetzte Verlustleistung soll gerade den für den Transistor BC 107 maximal zulässigen Wert von 0,2 W haben.
90
60 A
80
IC
UB
70
50 A
RC
RB
60
C2
C1
IC/mA
IB
50
40 A
40
ua(t)
30
30 A
20
20 A
UBE
ue(t)
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
UCE/V
a)
b)
Abb. 2.1-1: Wechselspannungsverstärker mit BC 107
Übung 2.1.1: Berechnen Sie RC und zeichnen Sie die Arbeitsgerade in Abb. 2.1-1 b) ein.
Übung 2.1.2: Ermitteln Sie RB unter der Annahme, daß die Basis-Emitterstrecke durch eine Diode mit der
Schleusenspannung US = 0,6 V und dem differentiellen Widerstand rF = 10  angenähert wird.
Übung 2.1.3: Ermitteln Sie die Spannungverstärkung vU der Verstärkerstufe (rBE = rF).
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8
2.2 Transistor als Schaltverstärker
Der Schaltverstärker nach Abb. 2.2-1 soll für zwei verschiedene Kollektorwiderstände untersucht werden (RC1 = 200 , RC2 = 500 ). Die Eingangsspannung beträgt entweder Ue = 0 V
(AUS) oder 10 V (EIN). Die Schaltung wird mit einer Betriebsspannung UB = 10 V betrieben.
Der Basiswiderstand beträgt RB = 20 k.
90
60 A
80
IC
UB
70
50 A
60
RC
IC/mA
RB
40 A
40
IB
ua(t)
ue(t)
50
UBE
30
30 A
20
20 A
10
1
a)
2
3
4
UCE/V
5
6
7
8
9
10
b)
Abb. 2.2-1: Schaltverstärker mit BC 107
Übung 2.2.1: Zeichnen Sie die beiden Arbeitsgeraden für die Kollektorwiderstände RC1 und RC2 in das
Kennlinienfeld in Abb. 2.2-1 b) ein und markieren Sie jeweils die Arbeitspunkte für den durchgeschalteten
und den gesperrten Zustand.
Übung 2.2.2 Bestimmen Sie die Übersteuerungsfaktoren m1 und m2 für die beiden Kollektorwiderstände
(nehmen Sie uBE im durchgeschalteten Zustand mit uBE = 0,7 V an).
Übung 2.2.3: Bestimmen Sie die in den beiden Kollektorwiderständen im EIN-Zustand umgesetzten Leistungen P1 und P2, sowie die Verlustleistungen PV1 und PV2 im Transistor.
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9
Teil 3: Versuche
3.1 Aufnahme der Transferkennlinie
Bauen Sie die in Abb. 3.1-1 gezeichnete Schaltung einer Transistor-Verstärkerstufe auf.
+
UB = 12V
mA
mA
Spaltenweise messen, d.h.
zwischen
470 und 330
wechseln
_
Netzgerät
RC
470
Potentiometer
RC
330
URC
1 M
Collector
Basis
2,2 k
RVB
UCE
1,5 k
Emitter
BCY 58
Abb. 3.1-1: Schaltung zum Aufnehmen der Transferkennlinie
Ermitteln Sie bei konstanter Betriebsspannung UB = 12 V (Gleichspannungsbuchsen des
Netzgerätes!) durch Variation des Basisstroms IB mit Hilfe des Potentiometers die Übertragungskennlinie IC = f(IB) des Transistors. Messen Sie die Werte in Tabelle 3.1-1 und zeichnen
Sie die Übertragungskennlinie in das Diagramm in Abb. 3.1-2 ein. Gehen Sie bei der Messung bitte spaltenweise vor!
IB/µA
20
IC/mA
RC = 470 
IC/mA
RC = 330 
30
40
50
60
70
80
100
150
200
Tabelle 3.1-1: Meßwerte der Übertragungskennlinie
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Transistoren
10
30
25
20
15
IC/mA
10
5
20
40
60
80
100
120
IB/A
140
160
180
200
220
240
Abb. 3.1-2 Transferkennlinie des Transistors BCY 58
Wie erklären Sie die Unterschiede bei den beiden verschiedenen Kollektorwiderständen (Kennlinienfeld)?
IC
IB
Entnehmen Sie aus der Abb. 3.1-2 für RC = 470  IB = 50 µA den Kollektorstrom IC und bestimmen Sie
für diesen Strom den Gleichstrom-Verstärkungsfaktor B und den Kleinsignalverstärkungsfaktor β.
( siehe Seite 2 )
3.2 Verlustleistung
Berechnen Sie für die in Tabelle 3.2-1 vorgegebenen Werte von IC die im Transistor umgesetzte Verlustleistung PV, wenn der Kollektorwiderstand RC = 470  beträgt.
UB = URC + UCE = 12 Volt. ( Seite 9: Abb. 3.1-1)
IC/mA
UCE/V
PV/mW
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Tabelle 3.2-1: Transistor-Verlustleistung für verschiedene Werte von IC
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Stand: 06.03.14
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Transistoren
11
Zeichnen Sie den Verlauf der Transistor-Verlustleistung in das Diagramm in Abb. 3.2-1 ein.
80
70
60
50
40
30
PV/mW
20
10
0
2
4
6
IC/mA
8
10
12
14
16
18
20
22
Abb. 3.2-1: Verlauf der Transistor-Verlustleistung in Abhängigkeit von IC
Warum sollte der Transistor als Schalter möglichst schnell zwischen den Punkten „Ein“ und „Aus“
schalten?
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Stand: 06.03.14
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Transistoren
12
3.3 Transistor als Schalter
Die Schaltung nach Abb. 3.3-1 ist zu dimensionieren. Der Kollektorwiderstand RC hat einen
Wert von 470 .
IC
RB
URB
RC
470
UC
UB= 12 V
IB
UCER =1V
UBE = 0.7 V
Abb. 3.3-1: Transistor als Schalter
Berechnen Sie den Basiswiderstand RB für den Fall, daß der Transistor gerade voll durchschalten soll. Benutzen Sie den Wert für die Gleichstromverstärkung B aus 3.1. Nehmen Sie
die Basis-Emitter-Spannung UBE mit 0,7 V und die Kollektor-Emitter-Restspannung UCER mit
1,0 V an (vgl. Abb. 1.3.2). UB = 12 Volt .
(Hinweis: Stellen Sie zunächst die Maschengleichung für die Masche mit den eingezeichneten
Spannungen UC ,UCER und UB auf und berechnen daraus IC).
Berechnung:
RB = ........................
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Transistoren
13
Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 3.3-2 auf.
V
+
_
Netzgerät
RC
470 
BCY 58
RVB
RB
1,5 k
Abb. 3.3-2: Schaltung eines Transistor-Schaltverstärkers
Prüfen Sie die Richtigkeit Ihrer Dimensionierung nach, indem Sie den Schaltverstärker mit verschiedenen Basisvorwiderständen RB betreiben. Welchen Vorwiderstand würden Sie aus dem Vorrat wählen, damit der Transistor
durchschaltet, ohne stark übersteuert zu werden? Wenn die LED beim Betätigen der Taste nicht aufleuchtet, gilt
der Transistor als durchgeschaltet. Zum Messen der UCER darf die Taste nicht betätigt werden.
RB = ..........................
RB
UCER/V
330 k
220 k
150 k
100 k
33 k
22 k
(Schalter nicht
betätigt)
Durchgeschaltet j/n? (Schalter betätigen)
Wählen Sie aus dem Vorrat einen Widerstand RB, so daß der Transistor mindestens 10-fach übersteuert wird.
( siehe Seite 6)
RB = ..........................
Bitte räumen Sie nach Beendigung Ihrer Versuche alle Bauteile und die Meßkabel auf!
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Magnetventile
und Relais
1
Versuch: Magnetventile und Relais
Voraussetzungen:
Inhalte der Lehrveranstaltung „Grundlagen der Elektrotechnik“, vor allem Ohmsches Gesetz,
Kirchhoffscher Maschen- und Knotensatz, Magnetismus; Inhalte der Lehrveranstaltung
„Grundlagen der Elektronik“, vor allem Schaltungen mit bipolaren Transistoren.
Zielsetzungen:
-
Kennenlernen und Vertiefen der Energiewandlung elektrisch-magnetisch-mechanisch,
Verstehen der zeitlichen Abläufe beim „Auf- und Entladen“ von Spulen,
Kennenlernen und Verstehen von Schutzmaßnahmen für die elektronischen Schalter
beim Schalten von Spulen,
Kennenlernen des Einflusses der Bordnetzspannung auf die Einspritzmenge bei Einspritzventilen.
Teil 1: Grundlagen
1.1 Die Spule als Speicher magnetischer Feldenergie
Legt man eine Spule mit der Induktivität L und dem Wicklungswiderstand R zum Zeitpunkt
t = 0 s an eine Gleichspannungsquelle UB (Abb. 1.1a), so strebt die Stromstärke i gemäß der
Exponentialfunktion
t
 
U 
(1.1)
i  B  1  e τ  mit τ = L/R
R 

dem stationären Endwert Imax = UB/R zu (Abb. 1.1b). Der Transistor T sei dabei ein idealer
Schalter. Die Freilaufdiode D sperrt in diesem Schaltzustand.
Beim Öffnen des Schalters (also beim Sperren des Transistors) fließt der Strom Imax zunächst
weiter, wobei nun der Stromkreis über die Freilaufdiode D geschlossen wird. Bei einer idealen Diode ergibt sich für den Strom i folgender zeitlicher Verlauf:
U t
i B e τ .
(1.2)
R
Abb. 1.1 b zeigt die zeitlichen Verläufe des Stromes i und der Spannungen uR und uL. Diese
Trägheit rührt daher, dass die Spule als Energiespeicher mit magnetischer Feldenergie „aufgeEG03
Stand: 06.03.14
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EG 03
Magnetventile
und Relais
2
laden“ werden muss. Beim Abschalten wird diese Energie wieder abgebaut, der Speicher wird
entladen.

imax
T
UB
ca. 2/3 imax
uR
R
uL
L
D
ca. 1/3 imax
i
i

t
Abb. 1.1: Schaltvorgang an einer Spule
Ein mechanisches Analogon zu diesem Vorgang ist das Beschleunigen eines Fahrzeugs mit einer konstanten
Kraft Fm und einem zur Fahrgeschwindigkeit proportionalen Fahrwiderstand Fw = cv.
Elektrisch:
Differentialgleichung
di
UB R i  L
dt
Lösung
(1.3)
Mechanisch:
Differentialgleichung
dv
Fm  c v  m
dt
Lösung
(1.4)
t
t

 
 
F 
m
1  e τ  mit   L
(1.5)
(1.6)
v  m 1  e τ  mit  




R
c 
c



Eine ähnliche Analogie besteht natürlich auch beim Abschalten des Stromkreises bzw. beim Ausrollen des Fahrzeugs. Das Auf- bzw. Entladen eines Energiespeichers beansprucht eben Zeit, unabhängig davon, welche Art von
Energie gespeichert wird.
i
UB
R
Man kann die Zeitkonstante τ eines Schaltvorgangs ermitteln, indem man eine Tangente mit
der Anfangssteigung des Stromes an die Kurve i = f(t) legt. Die Tangente schneidet die
Asymptote dann bei t = τ. Eine alternative Methode ist zeichnerisch oft besser zu handhaben:
Setzt man in Gleichung 1.1 die Zeit t = τ so erhält man beim Einschalten
i(τ) = UB/R · (1- 1/e) = Imax · (1- 1/e) = 0,63 · Imax ≈ 2/3 Imax.
(1.7)
Auch beim Abschalten kann man wieder t = τ setzen und erhält dann
i(τ) = UB/R · 1/e = Imax · 1/e = 0,36 · Imax ≈ 1/3 Imax.
(1.8)
Eine besondere Überlegung verdient der Abschaltvorgang. Die Freilaufdiode D hat bei den
bisherigen Betrachtungen ein ungehindertes Weiterfließen des Stromes ermöglicht. Ließe man
die Freilaufdiode weg, so würde der Strom schlagartig aufhören zu fließen, es würde also der
Gradient di/dt gegen -∞ gehen. Nach dem Induktionsgesetz uL = L di/dt würde an der Induktivität eine unendlich hohe negative Spannungsspitze entstehen, was in der Praxis nicht möglich ist, weil an der schwächsten Stelle im System ein Spannungüberschlag erfolgen würde,
wodurch der Strom weiterfließen könnte. Diesen Effekt benutzt man bei der Funkenerzeugung in Zündungsanlagen für Ottomotoren. Bei elektromechanischen Wandlern ist der Effekt
unerwünscht, weil er zur Zerstörung der elektronischen Schalter führen kann. Deshalb wird in
EG03
Stand: 06.03.14
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EG 03
Magnetventile
und Relais
3
sehr vielen Fällen zum Schutz der Bauelemente eine Freilaufdiode eingesetzt, allerdings um
den Preis, dass der Abschaltvorgang ähnlich lange dauert wie der Einschaltvorgang.
Daneben gibt es eine Reihe weiterer Schaltmaßnahmen (Abb. 1.2), um den Abschaltvorgang
zu beschleunigen, ohne den Schalttransistor zu zerstören, von denen zwei in Abb. 1.2b (Parallelwiderstand) und 1.2c (Zenerdiode) gezeigt sind.
T
UB
a)
uR
R
uL
L
T
D
UB
uS
i
uR
R
uL
L
T
D
UB
RP
uR
R
uL
L
uS
b)
i
c)
i
D
uS
ZD
Abb 1.2: Schutzmaßnahmen beim Abschalten einer Spule
1.1.1
Freilaufdiode
Die Freilaufdiode (Abb. 1.2 a) verhindert das Auftreten negativer Spannungen an der Spule.
Im Ersatzschaltbild erkennt man, dass, eine ideale Diode angenommen, die Summe von uL
und uR immer Null sein muss (Maschensatz), weil Spule und Wicklungswiderstand in Reihe
liegen. Deshalb gilt: i · R + L · di/dt = 0. Die induzierte Spannung an der Spule und der Spannungsabfall am Wicklungswiderstand heben sich gerade auf. Die Zeitkonstante τ ist dieselbe
wie beim Einschalten. Die Spannungen uL und uR gibt es nicht wirklich, sondern nur im Ersatzschaltbild, da Wicklungswiderstand und Induktivität keine getrennten Bauelemente sind.
Die Spannung uS hingegen ist real, sie wird durch eine reale Diode auf die Durchlassspannung von etwa –0,7 V, bezogen auf den Zählpfeil für uS, begrenzt.
1.1.2
Parallelwiderstand RP zur Spule
Bei durchgeschaltetem Transistor liegt der Widerstand RP parallel zur Spule. Sobald der
Transistor sperrt, fließt der Strom i zunächst mit der Stromstärke vor dem Sperren weiter (an
einer Spule ist der Strom immer stetig), wobei nun der Widerstand in Reihe zu R und L liegt.
Die betragsmäßig maximale Spannung an RP tritt im Umschaltmoment mit uS = - Imax · RP
auf. Durch Verändern von RP kann man also die maximal auftretende Spannung beeinflussen.
1.1.3
Zenerdiode
Bei einer Zenerdiode parallel zur Spule (Abb. 1.2c) hat man ähnliche Verhältnisse wie bei der
Freilaufdiode, mit dem Unterschied, dass die Spannung uS nun auf –UZ begrenzt wird. Die
normale Diode verhindert, dass bei durchgeschaltetem Transistor ein Durchlassstrom durch
die Zenerdiode fließt.
EG03
Stand: 06.03.14
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Fahrzeugmechatronik
EG 03
Magnetventile
und Relais
4
Die Höhe der Spannung, die man beim Abschalten zulässt, beeinflusst in hohem Maße die
Schaltverzögerung. Dies kann man sehr leicht ableiten, wenn man das Induktionsgesetz integriert:
di
uL  L
  u L dt  L Δi .
dt
Das Zeitintegral der Spannung an der Spule, die sog. Spannungs-Zeit-Fläche, hängt nur vom
Betrag der Änderung des Stromes Δi ab. Lässt man eine hohe Spannung zu, geht der Vorgang
schnell vonstatten, begrenzt man die Spannung (extrem bei der Freilaufdiode), dauert der
Vorgang sehr lange.
Auch hier gilt wieder die Analogie zum Abbremsen eines Fahrzeugs: Lässt man ein Fahrzeug ausrollen, treten
sehr niedrige Kräfte auf, aber der Vorgang dauert sehr lange. Bremst man das Fahrzeug abrupt ab, indem man
im Extremfall gegen eine Wand fährt, dauert der Vorgang nur sehr kurz, aber dafür sind die auftretenden Kräfte
sehr hoch. Die Kraft-Zeit-Fläche ist proportional zur Geschwindigkeitsdifferenz:
 F dt  m Δv (Impulssatz).
1.2 Die Spule als elektromechanischer Energiewandler
Die in magnetischen Kreisen auftretenden Anziehungskräfte kann man dazu verwenden, verschiedene elektromechanische Energiewandler aufzubauen. Dabei kann man sowohl mechanische Arbeit verrichten, um z.B. einen Kfz-Starter einzuspuren (Einrückrelais), einen Querschnitt freizugeben (Magnetventile) oder einen Schalter zu betätigen (Relais, Schütze). Der
Mechanismus ist in allen Fällen derselbe: Eine Spule (mit Eisenkern) wird mit einem Strom
beaufschlagt, dadurch entstehen magnetische Kräfte, ein Anker wird angezogen. Die Bewegung des Ankers erzeugt wegen der Änderung der Luftspalte im magnetischen Kreis und damit der Induktivität der Spule eine Rückwirkung auf den elektrischen Stromkreis (Ankerrückwirkung). Beim Abschalten des Stroms wird der Anker durch eine Rückholfeder wieder
in die Ausgangslage zurückgezogen, wobei wieder eine Ankerrückwirkung entsteht. Abb. 1.3
zeigt schematisch den Aufbau eines Starter-Einrückrelais, eines Einspritzventils für Benzineinspritzung und eines Kammrelais.
Kontakte
Magnetkern
Spule
Klappanker
a)
b)
c)
Abb. 1.3: Einrückrelais, Einspritzventil und Kammrelais
Unter Berücksichtigung der Ankerrückwirkung verändert sich die Kurve aus Abb. 1.1b gemäß
Abb. 1.4.
EG03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 03
Magnetventile
und Relais
5

imax
i
t

Abb. 1.4: Stromverlauf eines Magnetventils mit Ankerrückwirkung
Beim Einschalten ist zunächst die Kraft der Rückhaltefeder höher als die Anzugskraft des
Magneten. Sobald beide Kräfte in Folge des Stromanstiegs gleich sind, beginnt sich der Anker
zu bewegen. Damit ändert sich aber die Induktivität L der Magnetspule (Luftspalt wird
kleiner  magnetischer Widerstand wird kleiner  Induktivität wird größer) und die Differentialgleichung 1.3 ändert sich:
U B  R i  L(t)
di
.
dt
(1.9)
Da L zunimmt, muss di/dt abnehmen, um die Gleichung zu erfüllen. Gleichermaßen gibt es
auch beim Abfallen des Ankers eine Rückwirkung, weil nun durch die Veränderung des Luftspaltes die Induktivität der Spule abnimmt.
Teil 2: Vorbereitende Übungen (Hausarbeit)
2.1 Bestimmung der Kenngrößen einer Spule
Eine Spule wird an eine Betriebsspannung UB = 14 V geschaltet. Es tritt der gezeichnete
Stromverlauf auf. Bestimmen Sie die Zeitkonstante τ, den Wicklungswiderstand R und die
Induktivität L der Spule.
50
40
30
20
i/mA
10
10
EG03
20
30
40
50
60 t/ms
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 03
Magnetventile
und Relais
6
2.2 Bestimmung der Spannungsspitzen beim Abschalten einer Spule
Parallel zur Spule aus Vorübung 2.1 liege ein Widerstand RP = 500 Ω. Welche Spannungsspitze tritt an der Spule beim Abschalten auf , wenn vorher der maximale Strom geflossen ist?
Wie hoch ist diese Spannungsspitze bei Verwendung einer Freilaufdiode?
2.3 Berechnen der Spannungs-Zeit-Fläche einer Spule
Berechnen Sie die Spannungs-Zeit-Fläche dieser Spule für volle Stromänderung von i = imax
auf i = 0 A.
EG03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 03
Magnetventile
und Relais
7
Teil 3: Versuche
Für die folgenden Versuche wird exemplarisch ein Relais eingesetzt, das entsprechend der
Abb. 3.1 beschaltet ist. Gegenüber einem Magnetventil hat das Relais den Vorteil, dass es ein
einfaches „Wegmesssystem“ für den Anker in Form der Schaltkontakte besitzt. Man kann in
der vorliegenden Beschaltung des Umschaltkontaktes anhand der Kontaktspannung UK feststellen, ob der Kontakt in der Ruhelage ist (UK = 10 V), gerade zwischen den beiden Schaltstellungen unterwegs ist (UK = 5 V) oder die Endlage erreicht hat (UK = 0 V). Ansonsten ist
das Schaltverhalten von Relais und Magnetventil gleich.
1,2V ... 14 V
UB
0V
TP5
12 V
R4
T1
TP6
Relais
R5
TP1
R1
250 
TP2
R2
100 
TP3
D1
TP4
UR
D2
10 V
D3
TP7
10 V
TP9
R3
2,5 
UK
R6
D4
I
TP8
0V
TP10
Abb. 3.1: Frontplatte und Schaltplan der Versuchsanordnung
Verschiedene Schutzbeschaltungen (Parallelwiderstände, Freilaufdiode und Zenerdiode) können über eine Steckbrücke zugeschaltet werden, wobei ein nicht gezeichneter Widerstand
parallel zur Spule als allerletzte Sicherheitsmaßnahme dient, falls die Steckbrücke überhaupt
nicht gesteckt ist. In diesem Falle würde sonst der Schalttransistor T1 zerstört.
3.1 Ermitteln der Schaltschwellen
Der Anker eines Relais (und auch eines Magnetventils) weist eine Schalthysterese auf. Bei
abgefallenem Anker ist der Luftspalt groß. Deshalb ist ein relativ hoher Spulenstrom nötig,
um die Kraft der Rückholfeder zu überwinden. Hat der Anker einmal angezogen, ist wegen
des nun kleineren Luftspaltes die Magnetkraft im Verhältnis zum Ankerstrom deutlich höher
als bei abgefallenem Anker. Deshalb bleibt der Anker bei Absenken des Spulenstromes viel
länger angezogen. Es ergibt sich also ein höherer Anzugsstrom Ian und ein niedrigerer Abfallstrom Iab, was zu einer Kennlinie gemäß Abb. 3.2 führt.
EG03
Stand: 06.03.14
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EG 03
Magnetventile
und Relais
8
Ein
I
Aus
IAus
IEin
Imax
Abb. 3.2: Schalkennlinie eines Relais
Übung 1: Ermitteln der Schaltschwellen
Starten Sie das Messprogramm, indem Sie auf das Symbol EG03.vi doppelklicken. Wählen Sie
im Fenster „Auswahl“ die Übung1: Schaltschwellen.
Klicken Sie auf die Schaltfläche „Messung Start“. Ermitteln Sie durch Drehen am Spannungseinstellknopf auf der Versuchsbox durch Beobachten der Anzeige „Anker angezogen“
den Anzugsstrom Ian und den Abfallstrom Iab. Zeichnen Sie die Schaltkennlinie des Relais in
das nachfolgende Diagramm ein und beschriften Sie die Achsen. Messen Sie den Strom Imax
bei einer Betriebsspannung UB  13,8 V.
Ian = ..................
Iab = ...................
Imax = ....................
I/mA
Abb. 3.2: Gemessene Schaltkennlinie des Relais
3.2
Zeitliches Verhalten beim Schalten
Hält man bei einem Relais den Anker fest oder macht man die Betriebsspannung so klein,
dass sich der Anker auch bei vollem Spulenstrom nicht bewegt, so verhält sich das Relais
(oder ein Magnetventil) wie eine reine Spule mit Eisenkern. Es entstehen Stromverläufe gemäß Abb. 1.1. Wenn aber die Spannung so hoch ist, dass das Relais wirklich schaltet ergibt
sich durch die Ankerrückwirkung ein Stromverlauf nach Abb. 1.4.
EG03
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EG 03
Magnetventile
und Relais
9
Übung 2.1: Ermitteln der Spulenparameter
Aktivieren Sie die Freilaufdiode, indem Sie die Steckbrücke oberhalb von TP3 stecken. Klicken Sie mit der Maus auf die Schaltfläche „Zum Menü“ und wählen Sie im Fenster „Auswahl“ die Übung 2: Zeitkonstante.
Starten Sie die Messung (Schaltfläche „Messung Start“) und senken Sie die Betriebsspannung so weit, dass das Relais nicht mehr schaltet (etwa bei UB  4,5V). Starten Sie die Messung nach jeder Verstellung der Betriebsspannung erneut (2x grüner Knopf), damit die Darstellung aktualisiert wird.
Bevor Sie die Zeitkonstante τ und den Strom Imax = UB/R der Spule ermitteln, indem Sie die
Schritte „Was muss gemacht werden“ durchführen, machen Sie sich bitte zuerst mit der Darstellung der Cursor im Diagramm vertraut:
Zeit in Sekunden
Spannung in V
Im Diagramm gibt es sogenannte Cursor, die als
Strom in mA
Spannung in V
kleine Kreuze auf den Messkurven dargestellt werden.
Spannung in V
So ist der Cursor 0 auf der Kurve „Ansteuersignal“
schwarz, der auf der Kurve „Spulenstrom“ rot (Cursor 1). Die Cursorkoordinaten werden
getrennt nach x- und y-Koordinate im Fenster des Diagramms angezeigt. Bewegen Sie die
Cursor, so werden die Koordinaten aktualisiert im Diagramm angezeigt.
Führen Sie nun die Schritte „Was muss gemacht werden“ durch (wie im Bildschirm angegeben). Beachten Sie zu den einzelnen Punkten die folgenden Erklärungen:
 Zu Punkt 2: Nachdem Sie die Messung erneut gestartet haben, wird automatisch Imax
und UB im Display angezeigt. Mit diesen Werten kann R berechnet werden.
 Zu Punkt 3: Um die Zeitkonstante τ zu ermitteln, wird der Zeitpunkt t gesucht, bei dem
i(t)  0,63  Imax beträgt: 0,63  Imax = ____________ .
 Zu Punkt 4: Der Spulenstrom wird durch die rote Kurve im Diagramm angezeigt. Im
Display wird die Zeit und der Stromwert bei der Position des roten Cursors 1 angezeigt.
 Zu Punkt 5: die Ansteuerung des Relais beginnt, wenn die Ansteuerspannung von 0V
auf UB springt. Damit die Zeitkonstante korrekt angezeigt werden kann, muss daher
der Cursor 0 (schwarz) auf die steigende Flanke des Ansteuersignals gelegt werden.
Dann wird im Display die Zeitdifferenz zwischen Cursor 1 (der Spulenstrom beträgt
0,63 Imax) und Cursor 0 (Ansteuerung des Relais beginnt) angegeben, die der Zeitkonstante τ entspricht.
Drucken Sie das Diagramm mit „Strg-P“ aus. Berechnen Sie daraus den Spulenwiderstand R
und die Induktivität L.
Imax = ..................
R = ........................
τ = ................
L = .............
Nebenrechnungen:
EG03
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EG 03
Magnetventile
und Relais
10
Übung 2.2: Ankerrückwirkung
Aktivieren Sie die Freilaufdiode, indem Sie die Steckbrücke oberhalb von TP3 stecken. Wählen Sie im Fenster „Auswahl“ die Übung 2: Zeitkonstante. Stellen Sie den Drehknopf für die
Betriebsspannung auf Rechtsanschlag und starten Sie die Messung erneut (2x grüner Knopf).
Die Betriebsspannung UB sollte dann etwa 13,8 V betragen. Vergleichen Sie die Messkurven
für den Spulenstrom(rot) und für die Kontaktspannung (grün) und erklären Sie das Ergebnis.
Drucken Sie Ihr Diagramm mit Strg-P aus.
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
3.3
Ein- und Ausschaltverzögerung
Durch den verzögerten Auf- und Abbau des Magnetfeldes verzögert sich auch das Schalten
des Ventils. In der folgenden Übung werden Sie untersuchen, wie hoch Ein- und Ausschaltverzögerung des Relais (Ventils) sind. Da die Ein- und die Ausschaltverzögerung je nach Betriebsspannung unterschiedlich ausfallen, unterscheidet sich die Einschaltzeit des Relais (die
Öffnungszeit des Ventils) deutlich von der vorgegebenen Ansteuerzeit.
Übung 3. Messung der Ein- und Ausschaltverzögerung
Aktivieren Sie die Freilaufdiode, indem Sie die Steckbrücke oberhalb von TP3 stecken. Klicken Sie mit der Maus auf die Schaltfläche „Zum Menü“ und wählen Sie im Fenster „Auswahl“ die Übung 3: Ein- und Ausschaltverzögerung.
Stellen Sie den Drehknopf für die Betriebsspannung auf Rechtsanschlag und starten Sie die
Messung erneut (2x grüner Knopf). Die Betriebsspannung UB sollte dann etwa 13,8 V betragen.
Betrachten Sie die grün eingezeichnete Kontaktspannung im Diagramm (das ist die Spannung
UK, die zwischen den Punkten TP9 und TP10 anliegt) und erklären Sie, was die angegebenen
Werte bezogen auf den mechanischen Schaltzustand bedeuten (vgl. Seite 7):
UK =0V: ___________________
UK =5V: ___________________
UK =10V: ___________________
Messen Sie mit Hilfe der Cursor die Ansteuerzeit TAn , die Einschaltverzögerung TEin und die
Ausschaltverzögerung TAus sowie die Einschaltdauer TIst (indem Sie die Punkte „Was muss
gemacht werden“ durchführen). Messen Sie dabei immer vom Einleiten des Befehls bis zu
dem Zeitpunkt zu dem die Kontaktbewegung beendet ist. Berechnen Sie den relativen Fehler.
Drucken Sie Ihr Diagramm mit Strg-P aus.
EG03
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Ansteuersignal ( schwarz )
Cursor 0
(schwarz )
Cursor 2
(grün )
EG 03
Magnetventile
und Relais
11
Abfallende Flanke
des Ansteuersignals
= Cursor 0 + 80ms
Cursor 3
(grün)
T Aus
Ankerspannung ( grün)
T Ein
T Ist
T An ( 80 ms )
TAn = .................ms; TEin = .................ms; TAus = .................ms; TIst = ..................ms;
Frel = ....................%.
Frel 
TAn  TIst
.
TAn
Vergleichen Sie die Verzögerungszeiten (TEin und TAus) mit den mechanischen Schaltzeiten
des Relais:
..............................................................................................................................................
3.4
Schutzbeschaltungen
Die in Abschnitt 1.1 beschriebenen Schutzmaßnahmen wirken sich nur beim Ausschalten,
nicht aber beim Einschalten des Relais aus. Deshalb wird durch eine Änderung der Schutzbeschaltung bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen auch die Einschaltdauer TIst des Relaisverändert.
Übung 4: Einfluss der Schutzbeschaltung auf die Einschaltdauer
Deaktivieren Sie alle Schutzmaßnahmen, indem Sie zunächst die Steckbrücke oberhalb von
TP3 entfernen. Klicken Sie mit der Maus auf die Schaltfläche „Zum Menü“ und wählen Sie im
Fenster „Auswahl“ die Übung 4: Schutzmaßnahmen.
Stellen Sie den Drehknopf für die Betriebsspannung auf Rechtsanschlag, so dass UB etwa
13,8 V beträgt. Messen Sie die Amplitude Û der maximal auftretenden negativen Spannungsspitze, die Einschaltverzögerung TEin, die Ausschaltverzögerung TAus und die Einschaltdauer
TIst (indem Sie die Punkte „Was muss gemacht werden“ durchführen). Drucken Sie Ihr Diagramm mit Strg-P aus.
EG03
Stand: 06.03.14
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Fahrzeugmechatronik
EG 03
Magnetventile
und Relais
12
Wiederholen Sie die Messung mit gesteckter Steckbrücke oberhalb der Testpunkte TP1 bis
TP4 und tragen Sie die gemessenen Werte in die nachfolgende Tabelle ein. Berechnen Sie zu
jeder Messung den relativen Fehler gegenüber der Ansteuerzeit (TAn - TIst)/ TAn.
Ohne
TP1
TP2
TP3
TP4
Û
TEin
TAus
TIst
Rel. Fehler
Prüfen Sie für die Steckbrücke an TP1 und TP2 die gemessenen Werte rechnerisch nach.
3.5
Abhängigkeit der Schaltzeit von der Betriebsspannung
In der folgenden Untersuchung soll für eine extrem lange Abschaltzeit (Freilaufdiode) und für
eine extrem kurze (ohne Steckbrücke) die Abhängigkeit der Einschaltzeit von der Betriebsspannung untersucht werden. Eine solche Abhängigkeit hat z.B. eine gravierende Auswirkung
auf die Einspritzmenge bei Verbrennungsmotoren. Deshalb misst das Motorsteuergerät die
Betriebsspannung und holt sich aus einem Kennfeld die nötigen Korrekturwerte für die Ansteuerzeit.
Übung 5: Einfluss der Betriebsspannung auf die Einschaltdauer
Deaktivieren Sie alle Schutzmaßnahmen, indem Sie zunächst die Steckbrücke oberhalb von
TP3 entfernen (in Wahrheit liegt dann immer noch ein Widerstand von 2,2 kΩ parallel zur
Relaisspule). Klicken Sie mit der Maus auf die Schaltfläche „Zum Menü“ und wählen Sie im
Fenster „Auswahl“ die Übung 5: Einfluss der Betriebsspannung.
Messen Sie mit Hilfe der Cursor die Einschaltverzögerung TEin, die Ausschaltverzögerung
TAus und die Einschaltzeit (Einspritzdauer beim Einspritzventil) TIst bei den in der nachfolgenden Tabelle vorgegebenen Werten der Betriebsspannung UB und tragen Sie die Messwerte
in die Tabelle ein. Führen Sie dazu für jede Messung die Punkte „Was muss gemacht werden“ durch.
EG03
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Messwerte ohne Schutzbeschaltung
UB = 8 V
TEin
TAus
TIst
Rel. Fehler
EG 03
Magnetventile
und Relais
UB = 11 V
13
UB = 14 V
Wiederholen Sie die Messung mit Freilaufdiode (Steckbrücke oberhalb von TP3) und tragen
Sie die Werte in nachfolgende Tabelle ein.
Messwerte mit Schutzbeschaltung
UB = 8 V
TEin
TAus
TIst
Rel. Fehler
UB = 11 V
UB = 14 V
Zeichnen Sie für beide Messungen die Kurven TIst = f(UB) in das nachstehende Diagramm ein.
TIst/ms
90
80
70
TAn
60
50
40
30
20
10
UB/V
8
9
10
11
12
13
14
Die Ergebnisse zeigen, dass im Fahrzeug bei gleicher Ansteuerungszeit der Einspritzventile abhängig von der aktuellen Betriebsspannung - erhebliche Unterschiede in den Öffnungszeiten der Ventile und somit in der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auftreten. Deshalb erfolgt
im Steuergerät eine Korrektur für die Ansteuerzeit in Abhängigkeit der aktuellen Bordnetzspannung.
EG03
Stand: 06.03.14
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EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
1
Versuch1: Homogene Bauteile und Sensoren
Voraussetzungen:
Inhalte der Vorlesung Grundlagen der Elektrotechnik, wie Maschen- und
Knotenpunktsgleichung, sowie das Ohmsche Gesetz.
Zielsetzungen:
Dieser Versuch verfolgt folgende Lernziele:
-
Kennen lernen der grundlegenden Eigenschaften (statisch und dynamisch) folgender
Bauteile
LDR (light dependent resistor), Hall-Sensor, Diode und Zenerdiode
Kennen lernen der Grundschaltungen für den Einsatz dieser Bauteile als Sensoren
Kennen lernen der Gleichrichtergrundschaltungen mit Dioden und Brückengleichrichtern
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
1.
Allgemeine Grundlagen
1.1
LDR
In einem LDR (light dependent resistor) wird die
Anzahl der freien Ladungsträger durch die einfallende Photonen beeinflusst. Das sich einstellende thermische Gleichgewicht wird durch die einfallende
Lichtenergie gestört. Es werden im Inneren des Halbleitermaterials Bindungen “aufgerissen”, wodurch
jeweils ein Elektronen-Lochpaar entsteht. Je stärker
der Lichteinfall desto mehr freie Ladungsträger sind
im Halbleitermaterial enthalten. Damit steigt die
Leitfähigkeit proportional zum Lichteinfall.
1.2
2
+
+
- +
+
+
- + LDR
- + +
+
I
Abb.: 1.1
U
LED 1
Hall-Sensor
UH
+
+
+
+
+
Is
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
UH
V
+
+
+
+
U
Abb.: 1.2 a Hall-Sensor ohne Magnetfeld
+
+
+
B
+
+
+
Is
+
+
V
+
U
Abb.: 1.2 b Hall-Sensor mit Magnetfeld
Wird ein homogener Halbleiter von einem Strom Is durchflossen, so werden sich im Fall a) die
freien Ladungsträger (hier Löcher) homogen über den gesamten Querschnitt verteilen. Im Fall b)
kommt es durch ein senkrecht zur Stromrichtung stehendes Magnetfeld zu einer Auslenkung der
Ladungsträger. Die positiven Ladungsträger, sie entsprechen der technischen Stromrichtung in
Metallen, werden nach oben aus gelenkt. Dadurch kommt es zu einem Ladungsüberschuss an der
Oberseite und einem Ladungsmangel an der Unterseite des Halbleiters.
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
3
Gemäß den Grundlagen der Elektrotechnik lässt sich daraus eine Spannung ableiten, die einerseits von
der Größe des Steuerstromes, aber auch von der Stärke und Richtung des Magnetfeldes abhängt. Steht
der Stromdichtevektor i senkrecht auf dem Flußdichtewektor B, so läßt sich die Gleichung für die
Hallspannung (vergl. Vorlesung Elektronik Gleichung 2.1) wie folgt schreiben:
UH 
mit:
RH
d
B
is
RH
 B  iS
d
= Hallkonstante in cm3 / As
= Dicke des Substrats
= magn. Flussdichte in T
= Steuerstrom
Die dabei auftretende Hallkonstante ist vom verwendeten Material abhängig. Einige typische Werte für
die Beweglichkeit μ und der Hallkonstanten RH sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet:
Material
Beweglichkeit
μ in cm²/Vs
Hallkonstante
RH in cm³/As
InSb
38000
240
InAs
20000
120
Cu
27
5,310-5
Tab. 2.2
Typische Werte der Beweglichkeit und Hallkonstanten
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
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EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
4
1.3 Diode
1.3.1 Schaltdiode
Dioden sind Halbleiterbauelemente, die für den elektrischen Strom als “Ventil” wirken, indem sie ihn
in einer Richtung sehr gut leiten, während sie ihn in der anderen Richtung nahezu sperren. Ohne auf
die exakten physikalischen Mechanismen einzugehen, kann das Verhalten durch eine Messung des
Stromes bei unterschiedlichen Spannungen (Diodenkennlinie) nachgewiesen werden.
U
I
I
Durchlassbereich
e-Funktion
Sperrbereich
US
U
Näherungsgeraden
Diese Kennlinie lässt sich durch die Diodengleichung (vergl. Vorlesung Elektronik Gleichung 3.2)
beschreiben:
 U

UT

I  I R max  e  1




mit:
I
IRmax
U
UT
= Strom über den pn-Übergang
= Betrag des maximalen Sperrstromes (temperaturabhängig)
= angelegte Spannung in Flussrichtung
= Boltzmannspannung (Temperaturspannung typ. 26 mV bei 300 K)
(Der scheinbare Knick der Kennlinie bei U = 0 rührt davon her, dass der Maßstab der
Stromachse für negative Stromstärken stark gedehnt ist, damit der Kennlinienast im
Sperrbereich noch sichtbar ist und nicht innerhalb der Strichstärke der gezeichneten
Abszisse liegt!)
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
5
Für praktische Berechnungen wird die tatsächliche Diodenkennlinie oft durch zwei Geraden angenähert, welche im Durchlassbereich die folgenden Bedingungen erfüllen:
I=0
U = US + rF I
für 0 < U < US
für U US
I
Dabei ist rF der differentielle Widerstand, also die Steigung der
Kennlinie im Arbeitspunkt. Die Durchlassspannung, ab der eine
Diode Strom führt, ist materialabhängig. Bei Germanium liegt die
Spannung je nach Dotierung zwischen 0,2 V und 0,4 V, bei Silizium
zwischen 0,5 V und 0,8 V. Als Ersatzschaltbild kann dafür nebenstehende Schaltung, bestehend aus einer idealen Spannungsquelle
und einem linearen Widerstand, angenommen werden. Die Näherung
erlaubt damit eine eigentlich nichtlineare Schaltung mit den Methoden der Zweipoltheorie als lineares Netzwerk näherungsweise zu berechnen
U
US
Abb.: 1.3
Diode
1.3.2 Zenerdiode
Zener- oder Lawinendioden verhalten sich in Durchlassrichtung wie normale Dioden. Während aber
Dioden bei Überschreiten einer bestimmten Sperrspannung zerstört werden (thermischer Durchbruch),
gibt es bei Zenerdioden durch Geometrie und Dotierung eine genau spezifizierte Zenerspannung UZ, ab
der die Z-Diode dann auch in “Sperrrichtung” leitet.
U
I
I
IZ
U
I
Durchlassbereich
US
Sperrbereich
U
UZ0
UZ
Zenerdurchbruch
Abb.: 1.4
Kennlinien einer Z-Diode
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
Auch bei der Z-Diode kann man die Kennlinie durch gerade Teilstücke annähern und erhält somit das nebenstehende lineare Ersatzschaltbild
Für praktische Berechnungen wird die tatsächliche
Diodenkennlinie oft durch zwei Geraden angenähert, welche im
Durchlassbereich die folgenden Bedingungen erfüllen:
IZ = 0
UZ = UZ0 + rZ IZ
6
I
UZ
für UZ < UZ0
für UZ US
Dabei ist rZ der differentielle Widerstand, also die Steigung der
Kennlinie im Arbeitspunkt.
Es ist zu beachten, dass dieses Ersatzschaltbild nur für eine in
Sperrrichtung betriebene Z-Diode gilt. Für die Durchlassrichtung,
falls eine Z-Diode einmal so betrieben werden sollte, gilt das
Ersatzschaltbild aus Abb. 1.3.
UZ0
Abb.:1.5
Z-Diode
blau rot infrarot
1.3.3 Fotodiode
optische
Vergütung
Eine Fotodiode oder Solarzelle
ist eine in Sperrrichtung betriebene
Diode mit einer Raumladungszone,
in die Licht einfallen kann.
Kontakt
p-Typ
RLZ
n-Typ
Metallkontakt
Abb.: 1.6 Prinzip einer Fotodiode ( Solarzelle)
I
Zu n e h m e n d e
Be l e u c h t u n g sst är k e
U
Abb.: 1.7 Kennlinienfeld einer Fotodiode
EG04_Teil1/Versuch1
Dabei ist der pn-Übergang großflächig ausgebildet, um
möglichst viel Lichtenergie in die RLZ zu absorbieren.
Wichtig ist hierbei, dass eine solche Diode nicht im
thermischen Gleichgewicht arbeitet. Vielmehr liefern
die ständig neu gebildeten Elektronen-Lochpaare einen
Strom, der durch die Diffusionsspannung getrieben
wird. Die Diode wird dabei in Sperrrichtung, also im
ersten Quadranten, betrieben. Abhängig von den geometrischen Abmessungen kann die Eindringtiefe der
Strahlung und die Lage der Raumladungszone variiert
werden, wodurch die spektrale Empfindlichkeit eingestellt werden kann.
(Auch eine Solarzelle ist eine Fotodiode. Zur Energielieferung wird sie im 2. Quadranten betrieben)
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
2.
Vorbereitung
2.1
Hall-Sensor
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
7
Welche Hallkonstante besitzt eine Hallsonde, wenn bei einem Steuerstrom von 0,5 A eine Hallspannung von UH = 15 mV gemessen werden kann?
Die Hallsonde hat eine Dicke von 5 mm und das senkrecht zur Hallsonde stehende Magnetfeld eine
magnetische Flußdichte von B = 0,5 T.
RH =
2.2
Diode
An einer Si-Diode wird bei Raumtemperatur (T = 300 K) bei einer anliegenden Spannung von 0,45 V
ein Strom von 350 mA gemessen. Welchen maximalen Sperrsättigungsstrom weist diese Diode auf?
IRmax =
2.3
Z-Diode
Die Aufnahme der Kennlinie einer Z-Diode ergab folgendes Bild:
Entnehmen Sie der Kennlinie die Werte für rF, rZ, US und UZ0!
I/mA
US =
100
50
-3
-2
-1
rF =
U/V
UZ0 =
rZ =
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
3.
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
8
Vorstellung des Versuchsaufbaus
Die zum Versuch benötigten Bauteile sind in der Experimentierplatte eingebaut. Sie können jeweils
durch Steckverbindungen aktiviert werden. Dabei werden durch den Umschalter an der Vorderseite die
entsprechenden Baugruppen aktiviert.
Die Blendenscheibe kann bei den statischen Messungen von Hand gedreht werden, um die unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeiten einzustellen. Für die dynamischen Messungen an LDR, HallSensor und Photodiode wird die Blendenscheibe über den eingebauten Gleichstrommotor angetrieben.
Dabei werden die Löcher genutzt, um einen eindeutigen Hell-Dunkel-Kontrast zu erhalten. Die
Änderung des magnetischen Widerstandes durch das Fehlen des ferromagnetischen Materials bei
einem Loch wird für die Messung des Hallsensors verwendet.
LDR dynamisch und statisch
Einweg-Gleichrichter
+12V
Netz
1
240 V~
24 V~
C
RL
47F
UA1
Rv
Hallsensor dynamisch
Brückengleichrichter
+12V
Hall -IC mit
Schmitt-Trigger
TLE 4921-3U
RL UA2
C
UA4
47F
RotationsGeschw indigkeit
Blende
+12V
+12V
P1
Rv
100
+12V

UA3
Rv
schnell
Aus
langsam
Hallsensor statisch
UD
+12V
Rv
Zener- GleichrichterDiode 5,1V
Diode
1
P2
Fotodiode dynamisch und statisch
1
Umschalter
Abb. 3.1
Experimentierplatte
In der Schaltung werden folgende Bauteile verwendet:
Dioden:
1N4001; 1N4148
Z- Dioden:
BZV 85 / C5V1
LDR:
FW 200
Fotodiode:
BPW 21
Hall-Sensor (statisch):
KSY 14
Hall-Sensor (dynamisch):
TLE 4921-3U
LED (Lichtquelle):
WU-7-750 SWC
!!!
Alle Ströme werden indirekt als Spannungsabfall an Strommesswiderständen gemessen.
Deshalb alle Messgeräte unbedingt auf Spannungsmessung (V) einstellen!
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
UHall
Labor für
Fahrzeugmechatronik
4.
Versuchsdurchführung
4.1
LDR
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
9
4.1.1 Aufnahme der statischen Kennlinie
V
+12V
Rotor mit Blenden
Lichtquellen
statisch
1
Netz
Rv
Aktivieren Sie mit Hilfe einer Steckbrücke den LDR für die statische
Messung! Durch das Drehen der Blendenscheibe wird der LDR von
unterschiedlicher Lichtintensität bestrahlt. Damit ändert sich der
Motorgehäuse
Widerstandswert und damit bei konstanter VerSensorhalterung
sorgungsspannung auch der Strom durch den
LDR. Messen Sie die Spannung an dem Shuntwiderstand (1 Ω) und tragen die Werte für den Strom in nachfolgende Tabelle ein!
Blende
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I in mA
Tab. 4.1
I = f {Lichtintensität}
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
10
Tragen Sie die Messwerte in das nachfolgende Diagramm ein!
100
I/mA
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Blende
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
9
Labor für
Fahrzeugmechatronik
4.1.2
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
11
Aufnahme des dynamischen Verhaltens eines LDR
Aktivieren Sie mit Hilfe einer Steckbrücke den LDR für
die dynamische Messung! Schalten Sie den Motor für die
Blendenscheibe ein! Nehmen Sie den Verlauf des Stromes
mit Hilfe eines Oszilloskops für niedrige und hohe
Drehzahl auf! Stellen Sie dazu das Oszilloskop auf die
angegebenen Werte ein!
CH 1
dynamisch
+12V
1
Rv
niedrige Drehzahl (ca. 500 U/min)
CH 1: Ushunt [20 mV/Div]
Zeitbasis:
[5 ms/Div]
hohe Drehzahl (ca. 2000 U/min)
CH 1: Ushunt [20 mV/Div]
Zeitbasis:
[5 ms/Div]
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
4.2
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
12
Fotodiode
4.2.1 Aufnahme der statischen Kennlinie
Netz
Aktivieren Sie mit Hilfe einer Steckbrücke die Fotodiode für
die statische Messung! Durch das Drehen der Blendenscheibe
wird die Fotodiode von unterschiedlicher Lichtintensität
bestrahlt. Damit ändert sich der Sperrstrom.
Messen Sie die Spannung an dem eingebauten
Shuntwiderstand (100 Ω) und tragen die Werte
für den Strom in nachfolgende Tabelle ein!
V
+12V
10 0 
UD
Rv
Fotodiode dynamisch und st atisch
Blende
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I in μA
Tab. 4.2
I = f{Lichtintensität}
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
13
200
I/µA
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tragen Sie die Messwerte aus Tabelle 4.2 in das nachfolgende Diagramm ein!
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
4.2.2
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
14
Aufnahme des dynamischen Verhaltens einer Fotodiode
CH 1
+12V
10 0 
UD
Aktivieren Sie mit Hilfe einer Steckbrücke die
Fotodiode für die dynamische Messung! Schalten
Sie den Motor für die Blendenscheibe ein!
Nehmen Sie den Verlauf des Stromes mit Hilfe
eines Oszilloskops für niedrige und hohe Drehzahl
auf! Stellen Sie dazu das Oszilloskop auf die
angegebenen Werte ein!
Rv
Fotodiode dynamisch und statisch
niedrige Drehzahl (ca. 500 U/min)
CH 1: Ushunt [5 mV/Div]
Zeitbasis:
[5 ms/Div]
hohe Drehzahl (ca. 2000 U/min)
CH 1: Ushunt [5 mV/Div]
Zeitbasis:
[5 ms/Div]
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
4.3
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
15
Hall-Sensor
4.3.1 Aufnahme der statischen Kennlinie
+12V
Rv
Um die Abhängigkeit der Hallspannung von der magnetischen Flussdichte zu zeigen, ist ein einfacher
Hall-sensor in den Luftspalt eines Ferritkernes
eingeklebt. Ändert man die Stromstärke I durch die
Magnetwicklung, so ändert sich auch die magnetische
Flussdichte. Unter Vernachlässigung der Sättigung
kann man von einem linearen Zusammenhang
zwischen Strom und Magnetfeld ausgehen.
Stellen Sie mit Hilfe des Potentiometers P2 den Strom
auf die in der Tabelle angegebenen Werte ein!
Hallsensor statisch
+12V
UHall
P2
1
(Messen Sie dazu die Spannung an dem 1-Ω-Shuntwiderstand) und ermitteln die zugehörigen Hallspannungen. Tragen Sie die Werte in nachfolgende Tabelle ein!
I in mA
0
10
20
30
40
50
60
70
UHall in
mV
Tab. 4.3
UH = f{B, I}
Tragen Sie die Messwerte in das nachfolgende Diagramm ein!
70
40
30
20
10
10
EG04_Teil1/Versuch1
20
30
40
50
60
I in mA
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
4.3.2
EG 04 (Versuch 1)
Homogene Bauteile
und Dioden
16
Aufnahme des dynamischen Verhaltens einer Hall-Sonde
Stellen Sie die Spannung UA4 des dynamischen
Hallsensors am Oszilloskop dar! Es handelt sich
bei dem Sensor um einen integrierten Schaltkreis, bei dem eigentlichen Hallsensor ein
Schmitttrigger nach geschaltet ist. Schalten Sie
den Motor für die Blendenscheibe ein! Nehmen
Sie den Verlauf der Spannung UA4 für niedrige
und hohe Drehzahl auf! Stellen Sie dazu das Oszilloskop auf die angegebenen Werte ein.
Hallsensor dynamisch
+12V
Hall -IC mit
CH 1
Schmitt-Trigger
TLE 4921-3U
UA4
niedrige Drehzahl (ca. 500 U/min)
CH 1: UA4 [5 V/Div]
Zeitbasis:
[5 ms/Div]
hohe Drehzahl (ca. 2000 U/min)
CH 1: UA4 [5 V/Div]
Zeitbasis: [2 ms/Div]
EG04_Teil1/Versuch1
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
1
Versuch 2: Elektronische Ölsensoren
Voraussetzungen:
-
Inhalte der Lehrveranstaltung „Grundlagen der Elektrotechnik“ und „Elektronik“
Zielsetzungen:
-
Grundverständnis der Funktionsweise elektronischer Ölsensoren
Kennenlernen der Funktionsweise des QLT-Sensors (Quality Level, Temperature) der
Firma Temic
Kennenlernen der Funktionsweise des TÖNS-Sensors (Thermischer Öl Niveau Sensor) der Firma Hella
Teil 1: Grundlagen
1.1
Elektronische Ölsensoren
Die Sensorik am Fahrzeug spielt in jüngster Zeit eine immer größere Rolle. So ist in den letzten Jahren die Anzahl der Sensoren am Fahrzeug stark angestiegen. Auch die Komplexität
sowie die Genauigkeit dieser Sensoren haben enorm zugenommen. Im Rahmen dieses Versuches sollen zwei Ölsensoren näher betrachtet werden, die Daten über den Zustand des Motoröls liefern und derzeit in Serienfahrzeugen Einsatz finden.
1.2
Funktionsweise des QLT-Sensors (kapazitive Füllstandsmessung)
Der QLT-Sensor (Quality Level, Temperature) der Firma Temic misst drei verschiedene Zustandsgrößen des Motoröls: die Öltemperatur, den Füllstand und die relative Dielektrizitätskonstante  r des Motoröls. Die Temperatur des Öls wird mittels eines PT1000 Widerstandes
gemessen. Dabei handelt es sich um einen temperaturabhängigen Platinwiderstand, der eine
sehr hohe Linearität aufweist. Auf die Temperaturmessung soll im Rahmen dieses Versuches
nicht näher eingegangen werden. Der Füllstand und die Dielektrizitätskonstante werden kapazitiv ermittelt. Der Sensor besteht aus zwei Zylinderkondensatoren. Der untere Kondensator
dient als Referenzkondensator, mit dessen Hilfe die Dielektrizitätskonstante ermittelt werden
kann. Der obere Kondensator liefert Auskunft über die Füllhöhe des Motoröls.
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
2
1.2.1 Physikalische Grundlagen des kapazitiven Messprinzips:
Für die Kapazität eines Zylinderkondensators
gilt:
C  2    0   r 
mit:
C :
ri :
ra :
h :
0 :
r :
h
r
ln a
ri
ra r
i
(1.1).
h
Kapazität des Zylinderkondensators
Radius des inneren Zylinders
Radius des äußeren Zylinders
Höhe des Zylinderkondensators
Dielektrizität vom Vakuum
realtive Dielektrizität des entsprechenden Mediums
Die Kapazität eines Zylinderkondensators ist somit proportional zur Höhe h des Zylinders.
Auf dieser Tatsache beruht die kapazitive Füllstandsmessung, die im Folgenden näher betrachtet werden soll.
1.2.2 Aufbau des Sensors:
Der Sensor besteht aus zwei parallel geschalteten Zylinderkondensatoren Cref und Cmes
(s. Abb. 1.1).
Cmes
hmax
Cmes
Füllstandshöhe
Null-Niveau
h
Cref
Perspektivische Darstellung
Cref
2D-Darstellung
Abb. 1.1: Prinzip der kapazitiven Messung des QLT-Sensors
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
3
Für die weiteren Betrachtungen werden folgende Größen definiert:
h:
Füllstandshöhe des Öls
hmax : Länge des oberen Messkondensators (d.h. der maximale messbare Füllstand)
Cref ,0 : Kapazität des leeren unteren Messkondensators
Cref : Kapazität des ölgefüllten unteren Messkondensators
CL :
Ch :
Kapazität des luftgefüllten Teiles des oberen Messkondensators
Kapazität des ölumspülten Teiles des oberen Messkondensators
C0 : Kapazität des gesamten oberen Messkondensators an Luft (Füllstand ist null)
Cmes : gemessene Gesamtkapazität des oberen Messkondensators
(sowohl der ölgefüllte, als auch der luftgefüllte Teil)
Der untere Zylinderkondensator Cref dient zur Messung der Dielektrizitätskonstanten und
muß bei Betrieb des Sensors immer vollständig mit Öl gefüllt sein. Das Null-Niveau des eigentlichen Sensors befindet sich oberhalb des unteren Zylinderkondensators Cref an der untersten Stelle des oberen Zylinderkondensators Cmes . Mit Hilfe des oberen Zylinderkondensators wird die Füllstandshöhe h ermittelt.
1.2.3 Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten  r des Öls:
Die Kapazität Cref ,0 des leeren unteren Messkondensators ist bekannt. Da während des Betriebs der untere Zylinderkonensator mit Öl gefüllt ist, kann Cref (Kapazität des ölgefüllten
unteren Messkondensators) gemessen werden. Die Messung erfolgt über eine Brückenschaltung, auf die im Abschnitt 2.1.1 näher eingegangen wird. Der Quotient dieser beiden Kapazitäten ergibt die Dielektrizitätskonstante  r :
Cref
Cref , 0
EG04_Teil2/Versuch2


h
2     0   r   ref
 ra
 ln r
i






href 

2   0 
 ra 
 ln r 
i 








Cref
 r
Cref , 0
(1.2)
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
4
1.2.4 Bestimmung der Füllstandshöhe h:
Die Kapazität Cmes des oberen Messkondensators wird während des Betriebs gemessen. Dabei besteht der obere Messkondensator aus einem ölgefüllten Teil Ch und einem luftgefüllten
Teil CL . Die Kapazität Cmes entspricht einer Paralellschaltung der Teilkapazitäten Ch und
CL , so dass gilt:

Cmes  Ch || CL
Cmes  Ch  CL
(1.3).
hmax
r
ln a
ri
gilt für die Teilkapazitäten:
Mit
C0  2     0 
Ch  2     0   r 

und
Ch   r  C0 
(1.4)
h
r
ln a
ri
h
(1.5)
hmax
hmax  h
r
ln a
ri
h h
CL  C0  max
.
hmax
CL  2     0 

(1.6)
Setzt man Gl. (1.5) und Gl. (1.6) in Gl. (1.3) ein, so gilt:
Cmes   r  C0 
h
hmax
 C0 
hmax  h
hmax
(1.7)
Der Wert der Gesamtkapazität Cmes wird über eine Wechselstrom-Meßbrücke (Abschnitt
2.1.1) bestimmt. C0 und hmax sind Konstanten, die durch geometrische Abmessungen gegeben sind.
Löst man Gl. (1.7) nach der Füllstandshöhe h auf, so gilt:
h
hmax  Cmes  C0 
C0   r  1
EG04_Teil2/Versuch2
(1.8)
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
1.3
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
5
Funktionsweise des TÖNS-Sensors (thermische Füllstandsmessung)
Der TÖNS-Sensor (Thermischer Öl Niveau Sensor) von der Firma Hella misst den Füllstand
des Motoröls sowie die Motoröltemperatur. Der Sensor besteht aus dem eigentlichen Sensorelement und einer zugehörigen Ansteuerelektronik.
Gesteuert von der Elektronik wird der Sensor periodisch aufgeheizt und kühlt dann wieder ab.
Da bei höherem Ölstand die Wärmeableitung des Heizelements besser ist, wird die Abkühlzeit mit steigendem Ölstand kürzer.
Die Heizzeit dagegen hängt mit der Motoröltemperatur zusammen. Auf die Auswertung der
Temperatur (Heizzeit) soll im Rahmen dieses Versuches nicht näher eingegangen werden. Es
sei jedoch angemerkt, dass die Temperaturmessung laut Spezifikation sehr hohe Toleranzen
aufweist und dadurch der praktische Einsatz stark eingeschränkt ist.
Im Versuchsaufbau wird kein originaler Sensor der Firma Hella eingesetzt, sondern die Funktionsweise des TÖNS wird nachgebildet. Die genaue Schaltung hierzu wird im Abschnitt 2.2
näher erläutert.
Teil 2: Versuchsaufbau
2.1
Versuchsaufbau für Kapazitive Messungen (QLT-Sensor)
Die Bestimmung des Füllstandes und der Dielektrizitätskonstanten soll im Versuch durch
Messungen der Kapazitäten erfolgen. Die Bestimmung der Kapazität soll durch eine Wechselstrom-Meßbrücke erfolgen.
2.1.1 Prinzip der Wechselstrom-Meßbrücke:
Mit Hilfe einer Messbrücke lassen sich Wechselstromwiderstände bestimmen. Die Schaltung
einer allgemeinen Messbrücke ist in Abbildung 2.1 dargestellt.
C
Oscillator
20 kHz
Z1
Z2
B
A
Z3
ZX
Abgleich
D
Abb. 2.1: Wechselstrom-Meßbrücke
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
6
Zwischen den Punkten C-D wird eine Wechselspannung angelegt. Ein komplexer Widerstand
lässt sich variabel einstellen. Im abgeglichen Zustand ist das Signal zwischen den Punkten AB minimal (ideal Null). Dann gilt für das Brückengleichgewicht:
Z1 Z 2
=
Z3 Z X
(2.1)
Sind die komplexen Widerstände Z 1 , Z 2 und Z 3 bekannt, kann somit Z X bestimmt werden.
Die kapazitive Messung erfolgt mit Hilfe der einfachen Brückenschaltung entsprechend der
Abbildung 2.2.
C
R1
Oscillator
20 kHz
R2
B
A
C3
Abgleich
CX
D
Abb. 2.2: Kapazitive Messung mit Hilfe einer Brückenschaltung
Der Abgleich wird mit dem Kondensator C3 durchgeführt. Mit dem komplexen Widerstand
1
folgt damit für die zu bestimmende Kapazität C X des Sensors:
der Kapazität Z C 
j   C
Z1 Z 2
=
Z3 Z X

CX =
R1
 C3
R2
(2.2)
Sind die Widerstände R1 und R2 identisch (so wie dies im Versuchsaufbau der Fall ist), dann
ist die eingestellte Kapazität C3 beim Abgleich gleich groß, wie die zu ermittelnde Kapazität
CX .
2.1.2 Aufbau des Versuches:
Ein QLT-Sensor der Firma Temic steht für den Versuch zur Verfügung. Dabei befindet sich
der Sensor in einem Ölbehälter, der mit einer Pumpe gefüllt bzw. geleert werden kann. Durch
variable Größeneinstellung der Kapazität C3 kann die Kapazität des Sensors ( C X ) mit Hilfe
der Brückenschaltung bestimmt werden (Abbildung 2.2).
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
7
Der Kondensatorwert C3 für den Brückenabgleich kann mit Hilfe eines Drehschalters variabel eingestellt werden. Folgende Werte können ausgewählt werden:
5pF, 10pF, 15pF, 20pF, 25pF, 30pF, 35pF, 40pF, 45pF, 50pF, 55pF, 60pF


2.1.3 Aufbereitung des Messsignals der Brückenschaltung:
Die Brückenschaltung wird zwischen den Punkten C-D mit einer Wechselspannung von 8V/
20kHz gespeist. Das Signal der Messbrücke (Abgriff Punkt A-B) wird mit einen Differenzverstärker (Faktor 500) verstärkt. Dadurch werden Störungen eliminiert und es kann ein möglichst genauer Abgleich erfolgen. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers kann mit dem
Oszilloskop angeschaut werden. Um die Kapazität des Sensors zu ermitteln wird die Brückenschaltung abgeglichen.
2.2
Versuchsaufbau für thermische Messungen (TÖNS-Sensor)
Die prinzipielle Funktionsweise des TÖNS-Sensors (Thermischer Öl Niveau Sensor) wird im
Versuch wie folgt nachgebildet:
Komparator
Widerstandsbrücke
T1
RA
Differenzverstärker
RB
+
20V
+
Heizung
RS
Sensor
RC
+
+
Abb. 2.3: Thermische Messung
Der Ölsensor ist mit zwei Metalldrähten umwickelt. Der eine Draht dient als Temperatursensor und wird als temperaturabhängiger Widerstand ( RS ) in einer Widerstandsbrücke eingesetzt. Der andere Draht dient als Heizelement, mit dem der Sensor erwärmt werden kann.
Die Widerstandsbrücke wird mit einer Gleichspannung von 20V gespeist. Die weiteren drei
Widerstände ( R A , RB , RC ) der Brückenschaltung sind konstant. Das Ausgangssignal der Brückenschaltung wird mit einen Differenzverstärker (Faktor 470) verstärkt. Damit hängt das
Ausgangssignal des Differenzverstärkers von der Größe des temperaturabhängigen Widerstandes RS ab. Dieses Signal dient als Eingangssignal eines Komparators mit Hysterese. Die
Schaltung ist in Abbildung 2.3 aufgezeichnet.
Ist dieses Eingangssignal größer als die Schaltschwelle des Komparators (d.h. der Widerstand
des Temperaturfühlers ist kleiner als ein fester Schwellwert und an dem Temperatursensor
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
8
herrscht eine Temperatur kleiner als die Heizgrenze), dann liefert der Komparator ein HighPegel-Ausgangssignal. Der Transistor T1 leitet und erwärmt über den Heizdraht das Sensorelement solange, bis der Widerstand des Temperaturfühlers größer als ein fest vorgegebner
Grenzwert ist. Dann liegt das Eingangssignal des Komparators unterhalb der Schaltschwelle.
Der Transistor T1 sperrt. Dadurch liegt ein Spannungssignal von 0 V am Heizdraht an, das
Heizelement ist inaktiv. Damit kühlt das Sensorelement langsam wieder ab, und zwar solange,
bis der Widerstand des Temperatursensors so klein ist, dass das Ausgangssignal der Widerstandsbrücke und damit auch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers unterhalb der
Schaltschwelle des Komparators liegen.
Die Pausezeit (d.h. die Zeit, in der durch das Heizelement kein Strom fließt ( T1 sperrt), hängt
dabei entscheidend von dem Füllstand des Sensors ab. Bei hohem Füllstand ist der Messdraht
des temperaturabhängigen Widerstands RS weitestgehend mit Flüssigkeit bedeckt. Dadurch
kann eine schnellere Wärmeableitung erfolgen als bei geringerem Füllstand, wo nur ein Teil
des Widerstandes RS von Flüssigkeit umgeben ist. Die Pausezeiten sind somit bei höheren
Füllständen kürzer als bei niedrigeren Füllständen. Aus den Pausezeiten lässt sich dadurch die
Füllstandshöhe ermitteln.
Teil 3: Versuche
Für die folgenden Versuche wird die Schaltung entsprechend Abbildung 3.1 verwendet.
Kapazitiv
C Sensor
C mess
C Abgleich
0V
55 50 45
40
60
5
10
C reff
35
30
pF
Differenzverstärker
15 20 25
10 k
Befüllung
Abgleich
Sensor
+
1k
+
1k
10 k
+
55 50 45
40
60
35
5
30
10
15 20 25
470 k
470 k
Oscillator
20 kHz
+

Sensor
Heizung
20V
Thermisch
Tiefpass
Abb. 3.1: Schaltplan der Versuchsanordnung
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
3.1
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
9
Kapazitive Messungen mit dem QLT-Sensor
Da es schwer möglich ist, das Öl vollständig aus dem Messzylinder zu entfernen, wurde die
Kapazität des unteren Messkondensators Cref ,0 in Vorversuchen ermittelt. Ferner wurde der
maximal zu messende Füllstand (d.h. die Länge des oberen Messkondensators) hmax ausgemessen. Folgende Werte sind damit gegeben:
Cref ,0 = 12 pF
hmax = 74 mm.
3.1.1 Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten  r des Öls:
 Wählen Sie die kapazitive Schaltung aus, indem Sie den Differenzverstärker mit der
kapazitiven Messbrücke verbinden.
 Befüllen Sie den Messzylinder bis zum Null-Niveau mit Öl. Der untere Messzylinder
ist dann mit Öl gefüllt, der obere Messzylinder ist leer.
 Stellen Sie den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers auf „10“ ein. (Steckerbrücken entsprechend stecken).
 Wählen Sie die Schalterstellung „ C ref “ aus. So können Sie die Kapazität des unteren
Messzylinders bestimmen.
 Gleichen Sie zur Kapazitätsbestimmung die Brückenschaltung ab (wie auf Seite 6 beschrieben), indem Sie sich das Ausgangssignal des Differenzverstärkers mit dem Oszilloskop anschauen.
 Nehmen Sie am Oszilloskop folgende Einstellungen vor:
Messbereich: 200 mV
Zeitachsenskalierung: 25  s / Div.
Im Trigger-Menü wählen Sie bitte den Modus „Auto“
 Da das Öl zähflüssig ist, und daher langsam zwischen die Elektroden des Zylinderkondensators fließt, warten Sie bitte vor dem kapazitiven Brückenabgleich ca. 30 Sekunden.
Bestimmen Sie aus Ihrer Messung die Dielektrizitätskonstante  r des Öls.
C ref =
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
10
3.1.2 Bestimmung verschiedener Füllstände:
 Wählen Sie die Schalterstellung „ C mess “ aus. So können Sie die Kapazität des oberen
Messzylinders bestimmen.
 Bestimmen Sie zunächst die Kapazität C0 , d.h. die Kapazität des gesamten oberen
Messkondensators an Luft (Füllstand ist null).
 Füllen Sie dann den Messzylinder jeweils bis zu den Markierungen 1, 2 und 3.
 Messen Sie für die drei Markierungszustände die Kapazität des oberen Messzylinders,
indem Sie die Brückenschaltung abgleichen (Ausgangssignal des Differenzverstärkers
mit dem Oszilloskop anschauen).
 Warten Sie vor der kapazitiven Messung wiederum ca. 30 Sekunden.
Bestimmen Sie aus Ihren Messungen die Füllstandshöhe der Markierungen 1,2 und 3.
C0 =
C mess (1) =
h(1)=
C mess (2) =
h(2)=
C mess (3) =
h(3)=
EG04_Teil2/Versuch2
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
3.2
EG 04 (Versuch 2)
Elektronische
Ölsensoren
11
Thermische Messungen (TÖNS-Sensor)
 Wählen Sie die thermische Messung aus, indem Sie den Differenzverstärker mit der
„thermischen“ Messbrücke verbinden.
 Stellen Sie den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers auf „470“ ein. (Steckerbrücken entsprechend stecken).
 Führen Sie zunächst eine Messung für die Füllstandshöhe „Null“ durch. Füllen Sie anschließend den Messzylinder jeweils bis zu den Markierungen 1, 2 und 3.
 Verbinden Sie den Ausgang des Differenzverstärkers mit dem Eingang des SchmittTriggers. Dann beginnt das Sensorelement zu heizen.
 Schauen Sie sich das Ausgangssignal des Komparators mit dem Oszilloskop an (Abgriff am Emitter des Transistors/Heizung) und bestimmen Sie die Pausezeiten für die
vier Füllstände.
 Nehmen Sie am Oszilloskop folgende Einstellungen vor:
Messbereich: 5V
Zeitachsenskalierung: 250 ms / Div.
Im Trigger-Menü wählen Sie bitte den Modus „Normal“
 Warten Sie dabei nach jeder Befüllung ca. 1 Minute, bis Sie Ihre Messung durchführen. Erst dann hat sich das Signal weitestgehend stabilisiert.
 Tragen Sie die Pausezeiten in Abhängigkeit der Füllstandshöhen in das Diagramm ein.
Messergebnisse:
t P ( 0) 
t P (1) 
t P ( 2) 
t P (3) 
tp/ms
h(0)
EG04_Teil2/Versuch2
h(1)
h(2)
h(3) h
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
1
Versuch: Operationsverstärker
1 Einführung
1.1
Grundlagen
Der Operationsverstärker ist ein Bauelement, das den Bau von Verstärkern ermöglicht, deren
Verstärkungsfaktoren nicht von ihrem inneren Aufbau, sondern nur von der externen Beschaltung
mit passiven Bauelementen abhängen. Da in den inneren Aufbau der Schaltung vom Anwender nicht
eingegriffen wird, werden Operationsverstärker heute fast ausschließlich als integrierte Bausteine
hergestellt.
Ein idealer Operationsverstärker müßte ohne jede externe Beschaltung einen unendlich hohen
Verstärkungsfaktor aufweisen (Leerlaufverstärkung). In der Praxis läßt sich jedoch nur eine endlich
hohe Leerlaufverstärkung erzielen. Sie liegt im allgemeinen zwischen 103 und 105.
Normalerweise sind Operationsverstärker als sogenannte Differenzverstärker mit einem invertierenden (-) und einem nichtinvertierenden (+) Eingang ausgeführt. Abb. 1 zeigt das Schaltsymbol eines
Operationsverstärkers. Die Anschlüsse für die Versorgungsspannungen +Ub und -Ub werden in
Schaltplänen meist nicht gezeichnet.
Abb. 1: Schaltsymbol eines Operationsverstärkers
EG05
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
2
Ein Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen. Daher
rührt auch der Name Differenzverstärker. Dabei ist die verstärkte Spannung Ua am Ausgang positiv
gegenüber Massepotential, wenn die Spannung Uep am nichtinvertierenden Eingang positiv
gegenüber der Spannung Uen am invertierenden Eingang ist.
Die hohen Werte der Leerlaufverstärkung sind für die meisten Anwendungsfälle unerwünscht.
Deshalb stellt man die tatsächliche Spannungsverstärkung durch externe Widerstände ein. Diese Art
der Reduzierung von Verstärkungsfaktoren heißt Gegenkopplung, weil ein Teil der Ausgangsspannung so auf den Eingang des Verstärkers zurückgeführt wird, daß sie der Eingangsspannung
entgegenwirkt.
Bei einstufigen Verstärkern wird die Gegenkopplung dadurch erreicht, daß der Ausgang des Verstärkers über ein Widerstandsnetzwerk mit dem invertierenden Eingang verbunden wird.
2.2
Orientierung am Arbeitsplatz
Sie arbeiten bei dieser Übung mit einer in einen Koffer eingebauten Versuchsplatte, die unter
anderem mehrere Operationsverstärker mit dazugehörigen Bauelementen enthält. Ganz links oben
sind vier Spannungsversorgungseinheiten mit dazugehörigen Potentiometern eingebaut. Damit
können Sie stufenlos einstellbare Eingangsspannungen erzeugen. Die Stromversorgung der
Operationsverstärker ist bereits intern verdrahtet.
Die Bauelemente werden mit Hilfe der beiliegenden dünnen Kabel oder mittels Steckbrücken
miteinander verbunden. Die Meßgeräte werden über dicke Kabel mit normalen Bananensteckern
angeschlossen. Da diese Stecker nicht in die normalen Buchsen des Versuchskoffers passen, müssen
die Stützpunkte links oder rechts unten auf der Versuchsplatte verwendet werden. In diesen Stützpunkten ist jeweils eine kleine mit einer großen Buchse verbunden. Gleich unter diesen Stützpunkten
ist auch eine Buchse zum Anschließen der Masse an die Meßgeräte eingebaut. Abb. 2 zeigt die
Anordnung aller Bauelmente auf der Versuchsplatte. In den folgenden Versuchen werden Sie nur
einen geringen Teil der vorhandenen Bauteile benötigen.
Achtung:
-
EG05
Stecken Sie die Schaltungen stets bei ausgeschalteter Versorgungsspannung.
Der verwendete Operationsvertärker vom Typ 741 ist zwar kurzschlußfest
gegen Masse, er kann aber zerstört werden, wenn man seinen Ausgang direkt mit
der positiven oder der negativen Versorgungsspannung verbindet.
Deshalb niemals am Ausgang des Verstärkers direkt eine Spannungsquelle anschließen!
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
3
Abb. 2: Übersicht über die Versuchsplatte
Sie benötigen nur die grau unterlegten Baugruppen: 1: Spannungsquellen, 2 Operationsverstärker Nr.
6, 3 Dioden und Zenerdioden, 4 Potentiometer zur Belastung, 5 und 6: Stützpunkte zum Anschluß der
Meßgeräte.
2
Grundschaltungen des Operationsverstärkers
2.1
Invertierender Verstärker (Umkehrverstärker)
Abb. 3 zeigt die Grundschaltung eines invertierenden Verstärkers. Bei dieser Schaltung ist der
nichtinvertierende Eingang mit Massepotential verbunden.
Abb. 3: Grundschaltung des invertierenden Verstärkers
EG05
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
4
Für den Verstärkungsfaktor v gilt:
v=
Ua
R
=− R
Ue
RE
Man kann den Verstärker auch als Regelkreis betrachten, der immer versucht, die Ausgangsspannung
Ua so einzustellen, daß die Spannung am invertierenden Eingang gleich der Spannung am nichtinvertierenden Eingang wird. Erst wenn die Spannungen an beiden Eingängen gleich hoch sind, wird
sich die Ausgangsspannung nicht mehr ändern. Da in unserer Schaltung der nichtinvertierende
Eingang fest auf Massepotential liegt, wird der Verstärker auch den invertierenden Eingang auf
Massepotential halten. Der invertiernde Eingang wird virtueller Nullpunkt genannt, da er zwar
Massepotential aufweist, aber nicht fest mit Masse verbunden ist.
Die Wirkungsweise soll an einem Beispiel verdeutlicht werden: RE sei 10 kΩ, RR sei 20 kΩ und Ue sei
+2 V. Damit sich der virtuelle Nullpunkt einstellt, muß Ua negativ sein, und es muß betragsmäßig
doppelt so hoch wie Ue sein, weil sich sein Einfluß auf den virtuellen Nullpunkt über den höheren
Widerstand RR nur halb so stark auswirkt wie der von Ue. Also muß die Spannung Ua = -4 V betragen.
Bei jedem anderen Wert von Ua würde eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen
entstehen, die vom Differenzverstärker wieder verstärkt würde, und zwar so lange, bis die oben
geschilderte Kompensation auftritt. Der Verstärkungsfaktor beträgt in unserem Beispiel also v = -2.
Der Eingangswiderstand der Schaltung ist leicht zu ermitteln: Da der invertierende Eingang auf
Massepotential gehalten wird, fließt ein Eingangsstrom Ie = Ue/RE. Daraus folgt nach dem Ohmschen
Gesetz, daß der Eingangswiderstand der Schaltung gleich RE ist.
2.2
Invertierender Summierverstärker
Die Schaltung nach Abb. 1.3 kann zu der in Abb. 4
gezeigten erweitert werden.
Abb. 4: Grundschaltung des invertierenden Summier
verstärkers
Es gilt dann die Beziehung:
EG05
U a = −U e1 ⋅
RR
R
R
− U e 2 ⋅ R − L − U en ⋅ R
R E1
RE 2
REn
Stand: 20.09.10
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Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
5
1. Übung: Invertierender Verstärker
a)
Ue/V
Stecken Sie bitte die nebenstehende
Schaltung. Schließen Sie die beiden
Voltmeter (Vielfachmeßinstrumente) V1
und V2 über die Adapterbuchsen auf
der Versuchsplatte (Pos. 5 und6 in
Abb. 2) an. Ermitteln Sie die
Ausgangsspannung Ua für die in der
nachstehenden Tabelle vorgegebenen
Werte von Ue. Berechnen Sie dazu
jeweils die Verstärkung v.
-9
-1,5
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
1,5
9
Ua/V
v
b)
Ue/V
Ersetzen Sie den Gegenkopplungswiderstand RR durch einen 10 kΩ-Widerstand und
vervollständigen Sie für diesen Wert die folgende Tabelle.
-9
-8
-6
-4
-2
-1
0
1
2
4
6
8
9
0
1
2
4
6
8
9
Ua/V
v
c) Erweitern Sie die Schaltung gemäß nebenstehender Abbildung zu einem invertierenden Summierverstärker. Stellen Sie bitte
Ue2 auf einen festen Wert von 2 V ein.
Stecken Sie nun das Instrument V1 zur
Messung von Ue1 um und variieren Sie Ue1
wie in der nachstehenden Tabelle
vorgegeben.
Ue1/V
-9
-8
-6
-4
-2
-1
Ua/V
d)
EG05
Zeichnen Sie die gemessenen Verstärkerkennlinien aus Übung 1a), 1b) und 1c) in das
nachstehende Diagramm ein (evtl. in Hausarbeit).
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG05
EG 05
Operationsverstärker
6
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
2.3
EG 05
Operationsverstärker
7
Nichtinvertierender Verstärker
Abb. 5 zeigt die Grundschaltung eines nichtinvertierenden Verstärkers. Auch hier erfolgt wieder eine
Gegenkopplung eines Teils der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang. Die zu verstärkende Eingangsspannung wird nun aber dem nichtinvertierenden Eingang zugeführt. Da der +Eingang bei dieser Betriebsart nicht mit externen Bauelementen beschaltet wird, ist der
Eingangswiderstand bei dieser Betriebsart extrem hoch (> 105 Ω bei Standard-OP, > 109 Ω bei OP mit
Feldeffekttransistoren in der Eingangsstufe). Für den Verstärkungsfaktor v des nichtinverierenden
Verstärkers gilt:
v=
Abb. 5:
Ua
R
=1 + R .
Ue
R0
Grundschaltung eines nichtinvertierenden Verstärkers
Da nach dieser Formel der Verstärkungsfaktor nicht kleiner als v = 1 werden kann, ist es möglich, den
Verstärker nach Abb. 6 voll gegenzukoppeln. Man erhält dann einen sogenannten Impedanzwandler
mit einem Verstärkungsfaktor v = 1. Solche Impedanzwandler werden häufig eingesetzt, wenn eine
Spannungsquelle, die nicht belastet werden darf, eine Schaltung mit niedrigem Eingangswiderstand
speist.
Abb. 6: Schaltung eines Impedanzwandlers
Auch den nichtinvertierenden Verstärker kann man als Regelkreis auffassen, der die
Ausgangsspannung Ua so einstellt, daß an den beiden Eingängen des Operationsverstärkers die gleiche
Spannung anliegt. Einen virtuellen Nullpunkt gibt es bei dieser Schaltungsart nicht.
EG05
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
8
2. Übung: Nichtinvertierender Verstärker
a)
Ue/V
Stecken Sie bitte die nebenstehende
Schaltung und schließen Sie die beiden
Voltmeter (Vielfachmeßinstrumente) V1
und V2 über die Stützpunkte auf der Versuchsplatte (Pos. 5 und 6 in Abb. 3) an.
Ermitteln Sie die Ausgangsspannungen
Ua für die in der nachstehenden Tabelle
vorgegebenen Werte von Ue. Berechnen
Sie dazu jeweils die Verstärkung v.
-9
-1,5
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
1,5
9
0
1
2
4
6
8
9
Ua/V
v
b) Ändern Sie nun die Schaltung gemäß nebenstehender Abbildung zu einem Impedanzwandler. Ermitteln Sie die Ausgangsspannungen Ua für die in der nachstehenden
Tabelle vorgegebenen Werte von Ue. Berechnen Sie dazu jeweils die Verstärkung v.
Ue/V
-9
-8
-6
-4
-2
-1
Ua/V
v
c)
EG05
Zeichnen Sie die gemessenen Verstärkerkennlinien aus Übung 2a) und 2b) in das nachstehende Diagramm ein (evtl. in Hausarbeit).
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EG 05
Operationsverstärker
9
2. Übung (Fortsetzung)
EG05
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Labor für
Fahrzeugmechatronik
3
EG 05
Operationsverstärker
10
Messschaltungen
Operationsverstärker werden sehr häufig als Messverstärker eingesetzt, weil sie durch geeignete
Beschaltung sehr gut an völlig unterschiedliche Anwendungen angepasst werden können. An dieser
Stelle kann aus der Vielzahl der möglichen Schaltungen nur eine kleine Auswahl getroffen werden.
3.1
Begrenzerschaltungen
Oft müssen Operationsverstärker nachgeschaltete Baugruppen speisen, deren zulässige Eingangsspannungen nicht mit den möglichen Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers übereinstimmen
(z.B. gibt es integrierte Schaltkreise, bei denen keine negativen Spannungen gegen Masse erlaubt sind,
oder bei denen maximal +5 V zugelassen sind). Innerhalb des zulässigen Ausgangsspannungsbereichs
soll der Operationsverstärker normal arbeiten, bei Überschreiten dieses Bereichs soll die
Ausgangsspannung begrenzt werden. In vielen Fällen kann man diese Begrenzung sehr einfach
realisieren, indem man zu den OP-Grundschaltungen Dioden oder Zenerdioden hinzufügt, die bei
Überschreiten der zulässigen Ausgangsspannung den Widerstand im Gegenkopplungszweig
überbrücken. Damit wird der Verstärkungsfaktor zu Null.
3.2
Komparatoren
Komparatoren vergleichen zwei Spannungen miteinander und leiten aus dem Vergleich ein digitales
Ausgangssignal ab (meist +UB und -UB für die beiden Zustände). Man kann einen Komparator als die
einfachste Form eines Analog-Digitalwandlers ansehen.
Der einfachste Komparator ist ein leerlaufender Operationsverstärker, also ein Operationsverstärker
ohne jede Zusatzbeschaltung. Da die Leerlaufverstärkung sehr hoch ist (>105), wird bereits bei sehr
kleinen Unterschieden der Eingangsspanungen (im μV-Bereich) die Ausgangsspannung +UB oder -UB
betragen (Sättigungsspannung). Der lineare Bereich der Verstärkerkennlinie wird also schon bei sehr
kleinen Unterschieden der Eingangsspannungen verlassen.
Will man einen - wenn auch sehr kleinen - linearen Bereich des Verstärkers völlig vermeiden, muß
man den Verstärker mitkoppeln, d.h. man führt einen Teil der Ausgangsspannung auf den nichtinvertierenden Eingang zurück. Dadurch erhält man einen Komparator mit Hysterese, einen SchmittTrigger. Bei dieser Schaltung liegt die Einschaltschwelle höher als die Ausschaltschwelle, was in
vielen Fällen durchaus erwünscht ist.
Komparatoren werden sehr häufig eingesetzt. Typische Anwendungsbeispiele sind: Zweipunkt- und
Dreipunktregler, Umwandlung von Sinus- in Rechteckspannungen, Triggereingänge von Oszilloskopen etc.).
EG05
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
11
3. Übung: Begrenzerschaltungen
a)
Ue/V
Stecken Sie bitte die nebenstehende
Schaltung und schließen Sie die beiden
Voltmeter (Vielfachmeßinstrumente) V1
und V2 über die Stützpunkte (Pos. 5 und
6 in Abb. 3) an. Ermitteln Sie die
Ausgangsspannungen Ua für die in der
nachstehenden Tabelle vorgegebenen
Werte von Ue.
-9
-1,5
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
1,5
9
0
0,5
1
1,5
2
4
9
Ua/V
b) Ändern Sie nun die Schaltung gemäß nebenstehender Abbildung , indem Sie die Diode
durch eine Zenerdiode ersetzen. Ermitteln
Sie die Ausgangsspannungen Ua für die in
der nachstehenden Tabelle vorgegebenen
Werte von Ue.
Ue/V
-9
-4
-2
-1,5
-1
-0,5
Ua/V
c)
EG05
Zeichnen Sie die gemessenen Verstärkerkennlinien aus Übung 3a) und 3b) in das nachstehende Diagramm ein (evtl. in Hausarbeit).
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
12
3. Übung (Fortsetzung)
EG05
Stand: 20.09.10
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Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
13
4. Übung: Komparatoren
a)
Komparator ohne Hysterese
Durch die hohe Leerlaufverstärkung
weist diese Schaltung praktisch ein
Kippverhalten auf. Messen Sie die
Einschalt- und die Ausschaltspannung
(Ue1E und Ue1A, hier praktisch identisch)
und zeichnen Sie die Kennlinie der
Schaltung.
b)
Komparator mit Hysterese (Schmitt-Trigger)
In der nebenstehenden Schaltung liegt
der Referenzeingang wieder auf Masse,
zusätzlich ist der Verstärker über den 100
kΩ-Widerstand mitgekoppelt. Bestimmen
Sie die Einschalt- und die Ausschaltspannung (Ue1E und Ue1A) und
zeichnen Sie die Kennlinie der Schaltung.
c)
EG05
Zeichnen Sie die gemessenen Verstärkerkennlinien aus Übung 4a) und 4b) in das nachstehende Diagramm ein (evtl. in Hausarbeit).
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
EG 05
Operationsverstärker
14
4
Testfragen (zu beantworten in je 5 Minuten ohne Unterlagen)
4.1
Zeichnen Sie die Schaltung eines invertierenden Verstärkers mit einem Verstärkungsfaktor v =
10 und einem Eingangswiderstand von 1 kΩ.
4.2
Zeichnen Sie die Schaltung eines nichtinvertierenden Verstärker mit einer Verstärkung v =
100.
4.3
Zeichnen Sie die Schaltung eines Impedanzwandlers.
4.4
Wozu dienen Impedanzwandler?
4.5
Ergänzen Sie die Schaltung nach 4.1 so, daß negative Ausgangsspannungen auf - 0,7 V
begrenzt werden.
4.6
Ergänzen Sie die Schaltung nach 4.1 so, daß negative Ausgangsspannungen auf - 0,7 V und
positive auf +6,3 V begrenzt werden.
4.7
Ergänzen Sie die Schaltung nach 4.1 so, daß die Ausgangsspannung auf ∀7 V begrenzt wird.
4.8
Wozu dienen Begrenzerschaltungen?
4.9
Warum sind Operationsverstärker so gut als Meßverstärker geeignet?
4.10
Zeichnen Sie das Schaltbild eines Komparators mit und ohne Hysterese.
4.11
Was versteht man unter "Mitkopplung" und "Gegenkopplung"?
4.12
Was ist ein virtueller Nullpunkt? Bei welcher Verstärkerschaltung tritt er auf?
EG05
Stand: 20.09.10
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
1
Anti-Blockiersystem (ABS)
Voraussetzungen:
Inhalte der Lehrveranstaltungen „Grundlagen der Elektrotechnik“, „Hydraulik“,
„Fahrdynamik“, „Regelungstechnik“.
Zielsetzungen:
-
Kennenlernen des Aufbaus des ABS-Systems,
Kennenlernen der Funktionsweise des ABS-Systems,
Untersuchung der Radsensorsignale,
Untersuchung verschiedener zeitlicher Bremsprofile.
Quellen:
Bosch: Technische Unterrichtung, Sicherheits- und Komfortelektronik,
Leybold Didactic GmbH: Dokumentation zum Experimentierstand „Anti-Blockiersystem“,
Sperling: Kraftfahrzeug-Elektronik, Verlag Technik GmbH Berlin.
1
Systembeschreibung
1.1
Allgemeine Grundlagen
Wird in einer Gefahrensituation das Bremspedal eines Kraftfahrzeuges vom Fahrer zu stark
betätigt, so blockieren, je nach Reibwert, eines oder mehrere Räder. Als Folge davon
geht die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs verloren,
geht die Fahrstabilität verloren, das Fahrzeug schleudert,
kann der Bremsweg verlängert werden,
steigt das Unfallrisiko.
Das ABS-System regelt bei Vollbremsungen den Bremsdruck in den einzelnen
Bremszylindern in Abhängigkeit von der gemessenen Radbeschleunigung und verhindert so
das Blockieren der Räder. Als Folge davon
bleibt die Fahrstabilität des Fahrzeugs erhalten,
bleibt das Fahrzeug lenkfähig,
bleiben mehrgliedrige Fahrzeugkombinationen gestreckt,
wird der Bremsweg optimiert,
werden Unfälle vermieden.
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
2
Bei einem freilaufenden Rad ist die Umfangsgeschwindigkeit vU des Rades gleich der
Fahrzeuggeschwindigkeit vF. Beim Bremsen nimmt die Drehzahl des Rades und damit seine
Umfangsgeschwindigkeit ab. Es entsteht ein Schlupf, der folgendermaßen definiert ist:
λ 
vF  vU
100%
vF
Wenn das Rad blockiert, beträgt der Schlupf 100%.
Wird die Bremse betätigt, steigt die
Bremskraft steil an und erreicht
einen Höhepunkt, bevor die Räder
blockieren. Gleichzeitig nimmt die
Lenkfähigkeit ab. Im Arbeitsbereich
des ABS (grau markierter Bereich)
reicht die Lenkfähigkeit noch aus,
um bei voller Bremskraft das
Fahrzeug um ein Hindernis
herumzulenken.
Abb. 1.1: Bremskraft und Lenkfähigkeit in
Abhängigkeit vom Schlupf
1.2
Aufbau eines ABS-Systems
Ein elektronisches ABS-System besteht aus drei Hauptkomponenten:
Den Drehzahlfühlern an den Rädern,
dem elektronischen Steuergerät,
dem Hydroaggregat.
Abb. 1.2 zeigt die Anordnung der Komponenten im Fahrzeug.
Abb. 1.2: Anordnung der ABS-Komponenten
im Fahrzeug (Dreikanal-ABS)
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
1.3
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
3
Ablauf eines Regelzyklus
Ein optimales ABS-System müsste die Fahrzeuggeschwindigkeit vF über Grund unabhängig
von den Radumfangsgeschwindigkeiten messen. Derartige Messsysteme sind verfügbar, aber
für den Einsatz in ABS-Systemen zu teuer. Deshalb muss man sich mit den ABSRadimpulsen behelfen. Die Radumfangsgeschwindigkeit vR jedes Rades wird mit einer
Referenzgeschwindigkeit vref verglichen, die in etwa folgendermaßen gebildet wird: Das
gerade am geringsten verzögernde Rad gibt die Referenzgeschwindigkeit so lange vor bis ein
Maximalwert erreicht wird, welcher der maximal möglichen Fahrzeugverzögerung bei
optimalem Reibwert entspricht. Wird dieser Verzögerungswert von allen Rädern
überschritten, kann man voraussetzen, dass alle Räder blockieren oder zumindest einen
erhöhten Schlupf aufweisen. In diesem Fall wird die Referenzgeschwindigkeit vom ABSSteuergerät berechnet, indem die maximal mögliche Fahrzeugverzögerung zu Grunde gelegt
wird. Sobald die Umfangsgeschwindigkeit vR eines Rades diese errechnete
Referenzgeschwindigkeit vref überschreitet, wird vR als neue Referenzgeschwindigkeit
vorgegeben.
Im Steuergerät werden die Umfangsgeschwindigkeiten vR der Räder (berechnet aus den
Impulsfrequenzen der Im Steuergerät werden die Radimpulsgeber) mit der
Referenzgeschwindigkeit vref verglichen. Liegt die Umfangsgeschwindigkeit eines Rades über
der Referenzgeschwindigkeit, so wird der Bremsdruck entsprechend dem Fahrerwunsch
aufgebaut, das Magnetventil im Hydroaggregat wird nicht angesteuert, es befindet sich in der
Stellung „Druckaufbau“. In dieser Stellung ist der Hauptbremszylinder mit dem
Radbremszylinder verbunden. Die Rückförderpumpe arbeitet nicht (Abb. 1.3a). Unterschreitet
vU den Wert von vR , so schaltet das Magnetventil im Hydroaggregat in die Stellung „Druck
halten“. In dieser Stellung besteht keine Verbindung zwischen Haupt- und Radbremszylinder.
Die Rückförderpumpe arbeitet nicht (Abb. 1.3b). Verzögert das gebremste Rad weiter, so
wird das Magnetventil mit einem höheren Strom beaufschlagt, es geht in die Stellung
„Druckabbau“. Der Radbremszylinder ist nun mit dem Druckspeicher und über die nun
laufende Rückförderpumpe mit dem Hauptbremszylinder verbunden Abb. 1.3c). Der
Bremsdruck wird abgebaut. Dadurch wird die Bremse gelöst; das Rad kann wieder
beschleunigen. Der Wechsel zwischen „Druck halten“ und „Druckabbau“ geschieht mit einer
Frequenz > 10 Hz. Dies ist am Bremspedal als Pulsieren zu spüren. Abb. 1.4 zeigt die
zeitlichen Geschwindigkeits- und Ventilstromverläufe bei einem angenommenen ABSRegelvorgang. Abb. 1.5 zeigt ein Blockschaltbild des ABS-Steuergerätes mit allen Sensoren
und Aktoren.
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
b)
a)
Steuergerät
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
Steuergerät
Hauptbremszylinder
Hauptbremszylinder
Magnetventilspule
Magnetventilspule
Radimpulsgeber
Radbremszylinder
c)
Radimpulsgeber
M
Druckspeicher
Steuerkolben
Rad
4
Druckspeicher
Steuerkolben
Rad
Hydroaggregat
M
Radbremszylinder
Hydroaggregat
Steuergerät
Hauptbremszylinder
Magnetventilspule
Radimpulsgeber
M
Druckspeicher
Steuerkolben
Rad
Radbremszylinder
Hydroaggregat
Abb. 1.3 Stellungen des Magnetventils
a) Druckaufbau
b) Druck halten
c) Druckabbau
Abb. 1.4 Ablauf eines ABS-Regelvorgangs
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
5
Hydroggregat
Versorgungsspannung
Magnetventil VL
Sensor Raddrehzahl VL
Magnetventil VR
Sensor Raddrehzahl VR
Magnetventil HL
Sensor Raddrehzahl HL
Steuergerät
Magnetventil HR
Sensor Raddrehzahl HR
Motor der
Rückförderpumpe
Bremslichtschalter
ABS-Kontrollleuchte
CAN-Bus
Diagnosestecker
Abb. 1.5 Blockschaltbild eines ABS-Steuergerätes mit Sensoren und Aktoren
2
Vorbereitung
2.1
ABS-Varianten
Schildern Sie den Unterschied zwischen 3-Kanal- und 4-Kanal-ABS. Nennen Sie die
Vor- und Nachteile der beiden Varianten.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
2.2
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
6
Hydraulikschema
Benennen Sie die mit Ziffern gekennzeichneten ABS-Bauteile
1 .................................................................. 2 ..............................................................
3 .................................................................. 4 ..............................................................
5 .................................................................. 6 ..............................................................
7 .................................................................. 8 ..............................................................
9 .................................................................. 10 ............................................................
11 ................................................................ 12 ............................................................
Liegt ein 4-Kanal- oder ein 3-Kanal-ABS vor? .............................................................
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
7
3 Versuche
Versuch 1: Darstellung der Radsensorsignale
Aufgabe: Darstellung und Auswertung der Signale eines Radsensors bei unterschiedlichen
Geschwindigkeiten.
Software: Nextview
Frequenz
Messung starten
Anzeigefenster für
Messkurven
Nächste
Signalperiode
anspringen
(positiv)
Berechnen
Abb. 3.1 Nextview-Bedienoberfläche
Versuchsdurchführung:
Verbinden Sie die Messleitung A mit dem Radsensor hinten rechts auf der Experimentierplatte „Steuergerät“ (HR, Klemme 24 am ABS-Steuergerät). Nehmen Sie den Prüfstand
mit Hilfe des Zündschalters in Betrieb (Zündung ein, kurz nach rechts drehen wie beim
Starten eines Fahrzeugs und wieder loslassen). Stellen Sie mit den beiden Drehknöpfen
„Speed“ eine Geschwindigkeit von jeweils 20 km/h ein (der Knopf 2 wirkt nur auf das rechte
Hinterrad). Starten Sie das Messprogramm Nextview, indem Sie auf dem Windows-Desktop
auf „ABS-Versuch“ doppelklicken.
Datei  Projekt öffnen  ABS1 Radsensoren
Messung starten (roter Punkt in der Nextview-Hilfmittelleiste)
Die Datei ... existiert bereits, wollen Sie die Datei wirklich überschreiben?
Ja anklicken
Die Messwerte werden nun gespeichert. Warten Sie, bis das Anzeigefenster aufgebaut wird
(ca. 10 s).
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
8
Positionieren Sie mit dem Button „Nächste Signalperiode anspringen“ (siehe Abb. 3.1) die
beiden Cursor von Nextview im Messfenster. Achten Sie auf die richtige Position der
gestrichelten Cursor (notfalls erneut den Button drücken, bis die Cursor genau eine
Periodendauer anzeigen). Die Frequenz des Sensorsignals (f = 1/dx) wird dann automatisch
korrekt angezeigt (siehe Abb. 3.1). Drücken Sie den Button „Berechnen“, dann werden auch
die Min- und Max-Werte aktualisiert.
Nehmen Sie die Messwerte für die nachfolgende Tabelle auch bei drei weiteren Geschwindigkeiten auf. (Nach jeder Messung müssen Sie erneut die Buttons „Nächste Signalperiode
anspringen“ und dann „Berechnen“ drücken, damit die Messwerte in der Anzeige aktualisiert
werden.)
v [km/h]
20
30
40
50
f [Hz]
Amplitude [V]
(Spitze-Spitze)
Stellen Sie Frequenz und
Amplitude im nebenstehenden
Diagramm dar.
Abb. 3.2
Amplitude und Frequenz der
Impulsgebersignale in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit
U/V f/Hz
7
350
6
300
5
250
4
200
3
150
2
100
1
50
v/(km/h)
10
20
30
40
50
Leiten Sie allgemein eine Formel vR = Fkt.(fp, d, z) für den Zusammenhang zwischen Radumfangsgeschwindigkeit vR und Impulsfrequenz fp in Abhängigkeit vom Raddurchmesser d und
der Zähnezahl z ab.
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Ermitteln mit Hilfe ihrer Messergebnisse den für den Versuchsstand zu Grunde gelegten
Raddurchmesser d, wenn die Zähnezahl z = 54 beträgt.
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
9
Anti-Blockiersystem
ABS
Versuch 2: Einschaltsequenz
Aufgabe: Darstellung der Signale „Spannung eines Hydraulikventils“, „Spannung an der
Rückförderpumpe“ und „Spannung an der ABS-Kontrollleuchte“.
Versuchsdurchführung:
Verbinden Sie Messleitung A mit Klemme 15, Messleitung B mit Ventil HR (Klemme 19 am
ABS-Steuergerät), Messleitung C mit Rückförderpumpe (Klemme 14) und Messleitung D
ABS-Kontrollleuchte (Klemme 29).
Zündschalter AUS
Datei --> Projekt öffnen --> Das aktive Projekt ... ist geändert. Wollen Sie es speichern?
nein.
--> Einschaltsequenz doppelklicken
--> Messung starten (roter Punkt in der Nextview-Hilfsmittelleiste)
Die Datei ... existiert bereits. Wollen Sie die Datei wirklich
überschreiben?
--> Ja
--> Warten bis Anzeige Trigger? erscheint
(roter Punkt blinkt)
Die Messeinrichtung ist nun aufnahmebereit. Die Messung startet aber erst, wenn das
Triggersignal (positive Spannung an Klemme 15) gegeben wird. Dies geschieht mit dem
Einschalten der Zündung.
Zündschalter einschalten und die Anlage einige Sekunden laufen lassen.
Drucken Sie Ihre Messkurve aus: Datei  Drucken  Blatt
Die Ventile und die Kontrollleuchte werden mit einem LowSide-Schalter (siehe nebenstehende Abbildung) angesteuert:
Die Messspannung UM entspricht der Spannung am Transistor
(Schalter).
UB
UM
Welchen Zustand nimmt der Transistor (Schalter) ein, wenn die
Lampe leuchtet? __________________________
Wie hoch ist in diesem Fall etwa die Spannung UM am Transistor (Schalter)? ___________
Skizzieren Sie die Punkte, an denen die Lampe bzw. die Ventile angesteuert werden, in Ihrem
Ausdruck. Erklären Sie die Vorgänge beim Einschalten des ABS.
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
FZE01
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Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
10
Versuch 3: Fahrzeuggeschwindigkeit
Aufgabe: Darstellen der Signale an einem Hydraulikventil während eines ABSRegelvorgangs in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Software: Nextview
Versuchsdurchführung:
Da die Radimpulsgeber ein Wechselspannungssignal abgeben, muß zur analogen Darstellung
der Geschwindigkeit das Messsignal in ein analoges Gleichspannungssignal umgewandelt
werden. Dies geschieht mit Hilfe eines f-U-Wandlers .Verbinden
Sie nun Messleitung A mit dem Ausgang des f-U-Wandlers
und Messleitung B mit dem Ventil hinten rechts (HR, Klemme
19 am ABS-Steuergerät). Verbinden Sie den Radsensor hinten
rechts mit dem Eingang des F-U-Wandlers ( 0...10kHz ).
-
-
„SPEED“-Knöpfe in Mittelstellung bringen.
Zündstartschalter in Stellung „ZÜNDUNG EIN“ bringen und kurz in Position
„STARTEN“ drehen.
Selbstcheck der Anlage abwarten, die ABS-Kontrollleuchte muss erlöschen.
Stellen Sie mit dem oberen Knopf „SPEED“ die Geschwindigkeit von 3
Rädern (VL,VR und HL) mit Hilfe der Tachometer auf 45 km/h.
Mit dem unteren Knopf „SPEED“ stellen Sie die Geschwindigkeit des 4. Rades
(HR) auf 45 km/h. Drehen Sie den Drehknopf v auf Linksanschlag. Damit
wird beim Betätigen des darüber liegenden Tasters ein Blockieren des rechten
Hinterrades simuliert.
Testen Sie das Ansprechen des ABS-Systems durch Drücken des Tasters. Das
Ventil muss schalten und die Rückförderpumpe muss anlaufen.
Schalten Sie die Anlage mit dem Zündschlüssel wieder aus.
Datei --> Projekt öffnen --> Das aktive Projekt ... ist geändert. Wollen Sie es speichern?
nein.
--> Fahrzeuggeschwindigkeit doppelklicken
--> Messung starten (roter Punkt in der Nextview-Hilfsmittelleiste)
Die Datei ... existiert bereits. Wollen Sie die Datei wirklich
überschreiben?
--> Ja
--> Warten bis Anzeige Trigger? erscheint
Starten Sie die Anlage mit dem Zündschlüssel (--> Triggersignal).
Ermitteln Sie zunächst den Übertragungsfaktor des Wandlers, indem Sie an allen Rädern eine
Geschwindigkeit v = 45 km/h einstellen. Berechnen Sie aus der Ausgangsspannung des f-UWandlers den Faktor k = UWandler/v. Diesen Wert können Sie zur Kalibrierung Ihrer
Messkurven verwenden.
k = .............. V/(km/h).
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Anti-Blockiersystem
ABS
11
Starten Sie die Anlage wieder mit dem Zündschlüssel (--> Triggersignal). Betätigen Sie den
Taster v für etwa 2 sec. Lassen Sie den Taster wieder los und betätigen Sie den Taster v
erneut für etwa 3 sec. Sie haben ab dem Triggersignal insgesamt 10 s Zeit. Warten Sie, bis
Nextview die Messkurven dargestellt hat. Drucken Sie die Messkurven aus. Kennzeichnen Sie
die Phasen „Druckaufbau“, „Druck halten“ und „Druckabbau“.
Welchen Einfluss hat die Dauer der Tastenbetätigung auf den Stelleingriff ?
Markieren Sie die Zeitpunkte, zu denen der Taster gedrückt und wieder losgelassen wurde,
auf Ihrem Ausdruck.
Wann ist der Stelleingriff beendet?
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Lassen Sie die jetzigen Verbindungen bitte stehen.
Versuch 4: Simulierter ABS-Regelvorgang
Aufgabe: Darstellen eines simulierten ABS-Regelvorgangs durch Rückführung der ABSStellsignale auf den Antriebsmotor eines ABS-Raddrehzahlgebers.
Software: Nextview
Versuchsdurchführung:
Verbinden Sie das Ansteuersignal des ABS-Ventils HR (Klemme 19 am ABS-Steuergerät)
mit der schwarzen Buchse neben dem Taster v. Damit löst das Signal am Ventil HR
während der Druckabbau-Phase die simulierte Bremse und das Rad kann wieder
beschleunigen.
--> Messung starten (roter Punkt in der Nextview-Hilfsmittelleiste)
Die Datei ... existiert bereits. Wollen Sie die Datei wirklich
überschreiben?
--> Ja
--> Warten bis Anzeige Trigger? erscheint
Starten Sie die Anlage wieder mit dem Zündschlüssel (--> Triggersignal).
Betätigen Sie den Taster v und zeichnen Sie den Regelvorgang auf.
Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen:
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
FZE01
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FZE 01
Anti-Blockiersystem
ABS
12
Versuch 5: Drei Räder blockieren
Aufgabe: Darstellen der Signale an drei Hydraulikventilen während eines ABSRegelvorgangs.
Software: Nextview
Versuchsdurchführung:
Verbinden Sie Messleitung A mit Klemme 15, Messleitung B mit Ventil VL ( ABS Kl. 2 ),
Messleitung C mit Ventil VR ( ABS Kl. 35 ) und Messleitung D mit Ventil HL ( ABS Kl.18 ).
„SPEED“-Knöpfe in Mittelstellung bringen.
Zündstartschalter in Stellung „ZÜNDUNG EIN“ bringen und kurz in Position
„STARTEN“ drehen.
Selbstcheck der Anlage abwarten, die ABS-Kontrollleuchte muss erlöschen.
Stellen Sie mit dem oberen Knopf „SPEED“ die Geschwindigkeit von 3
Rädern (VL,VR und HL) mit Hilfe der Tachometer auf 45 km/h.
Mit dem unteren Knopf „SPEED“ stellen Sie die Geschwindigkeit des 4. Rades
(HR) auf 45 km/h.
Schalten Sie die Anlage mit dem Zündschlüssel wieder aus.
Datei --> Projekt öffnen --> Das aktive Projekt ... ist geändert. Wollen Sie es speichern?
nein.
--> Drei Räder blockieren doppelklicken
--> Messung starten (roter Punkt in der Nextview-Hilfsmittelleiste)
Die Datei ... existiert bereits. Wollen Sie die Datei wirklich
überschreiben?
--> Ja
--> Warten bis Anzeige Trigger? erscheint
Starten Sie die Anlage wieder mit dem Zündschlüssel (--> Triggersignal). Simulieren Sie ein
Blockieren von drei Rädern durch schnelles Verdrehen des oberen Speed-Potentiometers nach
links. Sie haben insgesamt ab dem Triggersignal maximal 10 s Zeit. Warten Sie, bis Nextview
die Messkurven dargestellt hat. Drucken Sie die Messkurven aus. Kennzeichnen Sie die
Phasen „Druckaufbau“, „Druck halten“ und „Druckabbau“ für die einzelnen Ventile.
Was fällt Ihnen beim Vergleich der Messkurven untereinander auf?
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
FZE01
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
1
Motronic
Voraussetzungen:
Inhalte der Lehrveranstaltungen „Grundlagen
„Fahrdynamik“, „Regelungstechnik“.
der
Elektrotechnik“,
„Hydraulik“,
Zielsetzungen:
-
Kennenlernen des Aufbaus elektronischer Motorsteuerungssysteme,
Verstehen der Anpassung elektronischer Motorsteuerungen an die Betriebszustände
des Motors,
Kennenlernen und Verstehen der Lambda-Regelung.
Quellen:
[1] Bosch: Technische Unterrichtung, Motronic,
[2] Leybold Didactic GmbH: Dokumentation zum Experimentierstandstand „Motronic“,
[3] Sperling: Kraftfahrzeug-Elektronik, Verlag Technik GmbH Berlin.
1
Systembeschreibung
1.1 Übersicht
Die Motronic vereinigt Zündsystem und Benzineinspritzung in einem gemeinsamen
elektronischen System. Damit ist es möglich, Steuergerät, Spannungsversorgung und
Sensoren für beide Funktionseinheiten gemeinsam zu verwenden, was einen geringeren
Aufwand gegenüber zwei getrennten Systemen ergibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß
Kraftstoffzumessung und Zündungssteuerung in gegenseitiger Abhängigkeit gemeinsam
optimiert werden können. Die bekannten Vorteile elektronisch gesteuerter
Kraftstoffeinspritzung und elektronischer Zündungssteuerung bleiben bei der Motronic voll
erhalten. An die Stelle der mechanisch durch Fliehkraft und Saugrohrunterdruck gesteuerten
Zündzeitpunktverstellung tritt ein elektronisch gespeichertes Zündkennfeld, das für alle
Drehzahl- und Lastzustände den optimalen Zündwinkel vorgibt. Zusätzlich kann der
Zündwinkel in Abhängigkeit von der Motor- und der Ansauglufttemperatur sowie von der
Drosselklappenstellung beeinflußt werden. Die intermittierende Benzineinspritzung basiert
auf dem System „L-Jetronic“. Abb. 1.1 zeigt eine Übersicht über das Gesamtsystem
„Motronic“. Modernere Systeme, wie auch in unserem Prüfstand, haben statt des
Luftmengenmessers (16) einen Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM) und statt des rotierenden
Hochspannungsverteilers (7) eine ruhende Zündspannungsverteilung mit mehreren
Zündspulen oder mit Mehrfunken-Zündspulen.
FZE02
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FZE02
Motronic
2
Abb. 1.1: Systemübersicht der Motronic (nach [1])
1.2 Grundfunktionen der Motronic
1.2.1 Elektronische Zündungssteuerung
Zündwinkelsteuerung
Der Mikrocomputer im Motronic-Steuergerät berechnet den optimalen Zündwinkel aus den
Eingangsgrößen „Drehzahl“ und „Last“. Dazu ist im Steuergerät ein Zündkennfeld
gespeichert, das eine optimale Einstellung des Zündwinkels für jeden Betriebszustand des
Motors erlaubt. Dadurch kann man näher an die Klopfgrenze gehen und somit Wirkungsgrad
und Kraftstoffverbrauch des Motors verbessern. Zusätzlich wird der Zündwinkel noch an die
besonderen Betriebzustände „Start“, „Leerlauf“, „Schub“ und „Vollast“ angepaßt. Abb. 1.2
zeigt ein typische Kennfeld einer Motronic.
FZE02
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FZE02
Motronic
3
Abb. 1.2: Zündkennfeld einer Motronic
Die Erfassung der Motordrehzahl und des Kurbelwellenwinkels erfolgen über einen
Drehzahl- und Bezugsmarkengeber, der direkt auf der Kurbelwelle angebracht ist. Bei älteren
Systemen wurde die Drehzahlinformation durch einen induktiven Sensor gewonnen, der ein
auf der Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad abtastete, während der Kurbelwellenwinkel
anhand einer Bezugsmarke (induktiv abgetasteter Stift am Zahnrad oder an der
Schwungscheibe) berechnet wurde. Moderne System verzichten auf den zusätzlichen
Bezugsmarkengeber. Statt dessen fehlen in dem Zahnrad zur Drehzahlerfassung, das meist
etwa 60 Zähne aufweist, zwei dieser Zähne. Diese fehlenden Zähne führen zu einer
Veränderung der Impulsfolge des induktiven Sensors, woraus die Bezugsmarke abgeleitet
werden kann.
Die Motorlast wird im wesentlichen aus der angesaugten Luftmasse (bzw. Luftmenge)
abgeleitet. Hierzu dient der Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM), dessen Signal auch für die
richtige Kraftstoffzumessung benötigt wird. Zusätzlich ist an der Drosselklappe ein
Potentiometer angebracht, welches die besonderen Betriebszustände „Leerlauf“, „Teillast“
und „Vollast“ signalisiert. Abb. 1.3 zeigt ein Blockschaltbild eines HFM-Luftmassenmessers.
Abb. 1.3: Blockschaltbild eines Luftmassenmessers.
FZE02
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Motronic
4
Zur Messung wird die vom Motor angesaugte Luftmasse an einem dünnen, elektrisch
beheizten Heißfilmwiderstand RH vorbeigeleitet. Der Heizstrom IH wird durch die
Steuerelektronik so geregelt, daß die Temperatur des Heißfilms immer um einen bestimmten
Betrag (z.B. 160 °C) über der Temperatur der Ansaugluft liegt. Die Ansauglufttemperatur
wird mit RL, die Heißfilmtemperatur mit RS gemessen. Der benötigte Heizstrom IH ist ein Maß
für die angesaugte Luftmasse.
Schließwinkelsteuerung
Die im Magnetfeld der Zündspule gespeicherte Zündenergie nimmt bei konstantem
Schließwinkel mit steigender Funkenfrequenz ab. Um unnötige Verlustleistungen zu
vermeiden, wird in der Motronic der Schließwinkel so gesteuert, daß im Zündzeitpunkt der
Primärstrom der Zündspule gerade den optimalen Wert erreicht. Dazu ist im MotronicSteuergerät ein Schließwinkel-Kennfeld in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der
Batteriespannung abgelegt.
Erzeugung der Zündfunken
Die Erzeugung des Zündfunkens geschieht in der klassischen Art, daß der Primärstrom einer
Zündspule ein Magnetfeld in deren Eisenkern aufbaut, welches beim schlagartigen
Unterbrechen des Primärstroms entsprechend dem Induktionsgesetz in der Sekundärwicklung
eine hohe Induktionsspannung erzeugt. Die Schaltung des Primärstroms erfolgt über
Leistungstransistoren (oft in „Darlington-Schaltung“) oder über Leistungs-MOSFETs.
Klassische Zündanlagen enthalten einen rotierenden Zündspannungsverteiler. In Motoren mit
Motronic-Steuerung
wird
heute
aber
meist
das
Prinzip
der
ruhenden
Hochspannungsverteilung angewandt. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine besteht
darin, für jeden Zylinder eine Einfunken-Zündspule (EFS) zu verwenden. Oft ist die EFS
direkt auf der Zündkerze angebracht. Die Zündverteilung geschieht primärseitig, indem vom
Motronic-Steuergerät die jeweiligen Endstufentransistoren auf der Primärseite angesteuert
werden.
Bei Motoren mit gerader Zylinderzahl kann man Doppelfunken-Zündspulen (DFS)
einsetzen. Die DFS ist eine Zündspule mit zwei Sekundärwicklungen oder mit einer
Sekundärwicklung und zwei Ausgängen, die von einer einzigen Endstufe angesteuert werden.
In jedem Fall zünden beide angeschlossenen Zündkerzen gleichzeitig, was aber unschädlich
ist, wenn eine in den Arbeitstakt des einen Zylinders und die andere in den Auspufftakt des
um 360° (Kurbelwinkel) versetzten anderen Zylinders zündet. In der Praxis werden oft
mehrere Zweifunken-Zündspulen mit den zugehörigen Endstufen zu einem gemeinsamen
Leistungsblock zusammengefaßt, was den Komponenten-Verdrahtungsaufwand erheblich
verringert.
Ein Doppelfunken-Zündung kann man auf zwei Arten realisieren:
Durch Steuerung von Doppelfunken-Zündspulen über die Nockenwelle,
Durch Steuerung von Einzelfunken-Zündspulen über die Kurbelwelle. Diese Lösung
wird häufig bei Motorrädern eingesetzt.
Meist ist in der Motronic auch eine Klopfregelung implementiert. Hierbei erfaßt ein am
Motorblock angebrachter Klopfsensor mit Hilfe eines Piezokristalls (und einer geeigneten
Filterung des elektrischen Signals) das für klopfende Verbrennung charakteristische
Frequenzspektrum. Sobald klopfende Verbrennung erkannt wird, nimmt das Steuergerät den
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FZE02
Motronic
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Zündzeitpunkt etwas zurück. Dadurch kann man den Sicherheitsabstand zur „Klopfgrenze“
verkleinern, was den Wirkungsgrad und den Kraftstoffverbrauch des Motors optimiert. Man
benötigt nicht für jeden Zylinder einen eigenen Klopfsensor, da das Steuergerät ja den
Kurbelwinkel kennt, also die klopfende Verbrennung dem gerade im Arbeitstakt befindlichen
Zylinder zuordnen und deshalb für jeden Zylinder den Zündwinkel selektiv regeln kann.
1.2.2 Kraftstoffversorgung
Das Kraftstoffversorgungssystem besteht aus Elektro-Kraftstoffpumpe, Kraftstoffilter,
Verteilerrohr, Druckregler und Einspritzventilen. Als Kraftsstoffpumpe dient eine elektrisch
angetriebene Rollenzellenpumpe. Pumpe und Elektromotor befinden sich in einem
gemeinsamen Gehäuse und werden vollständig vom Kraftstoff umspült. Bei neueren
Systemen ist die Kraftstoffpumpe im Tank eingebaut.
Ein Kraftstoffilter soll Verunreinigungen von den empfindlichen Einspritzventilen
fernhalten. Dazu dienen ein Papiereinsatz mit einer mittleren Porengröße von 10 µm und ein
nachgeschaltetes Fusselsieb.
Das Verteilerrohr führt den Kraftstoff gleichmäßig allen Einspritzventilen zu. Da sein
Volumen im Verhältnis zur pro Arbeitszyklus eingespritzten Kraftstoffmenge sehr groß ist,
filtert es Druckschwankungen heraus.
Der Druckregler hält die Differenz zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohrdruck konstant.
Dadurch hängt die eingespritzte Kraftstoffmenge nicht mehr vom Kraftstoffdruck, sondern
ausschließlich von der Öffnungszeit der Einspritzventile ab. Der eingeregelte Kraftstoffdruck
liegt zwischen 2,5 und 3 bar. Abb. 1.4 zeigt einen Schnitt durch einen Druckregler.
Die Einspritzventile sitzen vor den Einlaßventilen der jeweiligen Zylinder im Ansaugkanal.
Sie werden elektromagnetisch betätigt, wobei die Dauer der Ansteuerimpulse vom MotronicSteuergerät vorgegeben wird. Abb. 1.5 zeigt einen Schnitt durch ein Einspritzventil.
Abb. 1.4: Schnitt durch einen Kraftstoff-Druckregler
Abb. 1.5: Schnitt durch ein Einspritzventil
Ein Einspritzventil besteht aus einem Ventilkörper mit aufgesetztem Magnetanker. Der
Ventilkörper enthält die Magnetwicklung und die Führung für die Düsennadel. Bei stromloser
Magnetwicklung wird die Düsennadel durch eine Schraubenfeder auf ihren Ventildichtsitz
gedrückt. Wird der Magnet erregt, wird die Düsennadel um etwa 0,1 mm vom Sitz
abgehoben, wodurch der Kraftstoff durch einen Ringspalt austreten kann. Das vordere Ende
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Motronic
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der Düsennadel enthält zur feineren Zerstäubung des Kraftstoffs einen angeschliffenen
Spritzzapfen. Anzugs- und Abfallzeiten des Ventils liegen bei 1 bis 1,5 ms.
1.2.3 Kraftstoffzumessung
Grund-Einspritzzeit
Die Luftmassenmessung wurde bereits bei der Zündungssteuerung beschrieben. Auch zur
Kraftstoffzumessung ist sie neben der Drehzahl eine wichtige Meßgröße, da sie den
Lastzustand des Motors beschreibt. Aus den beiden Hauptmeßgrößen Last und Drehzahl wird
eine Grund-Einspritzzeit errechnet. Korrekturfaktoren für Warmlauf, Leerlauf, Vollast,
Schiebebetrieb, Beschleunigung und Schwankungen der Betriebsspannung verändern diese
Grund-Einspritzzeit ensprechend dem Betriebszustand des Motors.
Kaltstart
Beim Kaltstart verarmt das angesaugte Kraftstoff-Luftgemisch wegen der geringen
Verdampfung des Kraftstoffes und Kondensationsverlusten an den kalten Wänden des
Ansaugkanals. Um dies auszugleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern,
muß im Augenblick des Startens zusätzlich Kraftstoff eingespritzt werden. Dies erfolgt
entweder über ein zusätzliches Kaltstartventil oder, moderner, über eine Kaltstartsteuerung im
Motronic-Steuergerät, bei dem die Mehrmenge über die normalen Einspritzventile
zugemessen wird. Letzteres geschieht aber nicht einfach durch längeres Öffnen der
Einspritzventile, sondern es wird pro Kurbelwellenumdrehung mehrmals eingespritzt. Das
Reduzieren der hohen Anfangs-Einpritzmenge erfolgt abhängig von der Motordrehzahl und
der Anzahl der Motorumdrehungen seit Startbeginn. Neben der Einspritzmenge wird auch der
Zündzeitpunkt dem Startvorgang angepaßt. Bei sehr kaltem Motor liegt der günstigste
Zündwinkel nahe OT, bei wärmerem Motor und damit höheren Startdrehzahlen liegt er
früher, beim Start eines heißen Motors muß er aber wieder zurückgenommen werden.
Nachstartanreicherung
Nach einem Start bei tiefen Temperaturen ist für eine gewisse Zeit noch ein Betrieb mit
Kraftstoffanreicherung nötig. Damit gleicht man schlechtere Gemischbildung und
Kondensationsverluste aus. Ein temperaturabhängiger Anfangwert wird zeitlich annähernd
linear abgeregelt, wobei die Abregelzeit ebenfalls von der Anfangstemperatur
abhängt.Unterstützt wird die Nachstartanreicherung durch ein Verschieben des Zündwinkels
in Richtung früh, um einen besseren Rundlauf des Motors zu erzielen.
Warmlauf
An den Kaltstart schließt sich die Warmlaufphase des Motors an, in der der Motor ebenfalls
noch eine Kraftstoffanreicherung benötigt. Das Anpassen von Einspritzmenge und
Zündzeitpunkt erfolgt abhängig von Motortemperatur, Drehzahl und Last während der
Warmlaufphase entsprechend der Vorgaben, die in einem Warmlauf-Kennfeld gespeichert
sind.
Leerlauf
Im Leerlauf sorgt eine Leerlauf-Füllungsregelung für einen stabilen Leerlauf des Motors.
Dazu öffnet ein Leerlauf-Drehsteller einen Bypass zur Drosselklappe, was zu einer Erhöhung
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FZE02
Motronic
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der angesaugten Luftmenge führt. Da der Luftmassenmesser diese Luftmenge mit erfaßt,
erhöht sich auch die Einspritzmenge entsprechend. Unterstützt wird die Leerlaufregelung
durch einen mit fallender Leerlaufdrehzahl nach früh verschobenen Zündwinkel. Dadurch
erhöht sich das Drehmoment des Motors, so daß man ohne Kraftstoff-Mehrverbrauch die
Drehzahl stabilisieren kann. Der Betriebzustand „Leerlauf“ wird über einen Schalter an der
Drosselklappe an das Steuergerät gemeldet.
Vollast
Bei Vollast gibt der Motor seine höchste Leistung ab. Gegenüber Teillast, bei der ein
Einhalten der vorgegebenen Emissionswerte im Vordergrund steht, fettet die Motronic bei
Vollast das Kraftstoff-Luft-Gemisch an. Diese Anreicherung ist drehzahlabhängig
programmiert, um auch bei Vollast den Kraftstoffverbrauch nicht unnötig zu erhöhen. Das
maximale Drehmoment eines Motors liegt bei einem Lambda-Wert von 0,9 bis 0,95. Auch
der Zündwinkel wird bei Vollast durch die Motronic so optimiert, daß er möglichst nah an der
Klopfgrenze liegt. Der Betriebszustand „Vollast“ wird über einen Schalter an der
Drosselklappe an das Steuergerät gemeldet.
Beschleunigung
Öffnet sich aufgrund des Fahrerwunsches zur Beschleunigung die Drosselklappe plötzlich bei
konstanter Drehzahl, so magert ohne Beschleunigungsanreicherung das KraftstoffLuftgemisch kurzzeitig ab. Das Steuergerät erkennt aus der Änderung des Lastsignals den
Beschleunigungsvorgang und steuert das Kraftstoff-Luftgemisch auf „fett“. Damit vermeidet
man das gefürchtete „Beschleunigungsloch“. Während eines Beschleunigungsvorgangs in der
Warmlaufphase muß noch ein zusätzlicher, temperaturabhängiger Anreicherungsfaktor
eingerechnet werden, der zeitlich etwa linear abgeregelt wird, wobei die Steigung wiederum
von der Temperatur abhängt.
Schiebebetrieb
Erkennt das Steuergerät einen Schiebebetrieb (geringe Last bei hoher Drehzahl oder Leerlauf
bei mittlerer Drehzahl), so unterbricht es die Kraftstoffzuführung vollständig, d.h. die
Einspritzventile spritzen nicht mehr ein (Schubabschaltung). Nach Unterschreiten der
Wiedereinsetzdrehzahl, die knapp über der Leerlaufdrehzahl liegt, wird die Einspritzmenge
gemäß einer vorgegebenen Zeitfunktion über einige Arbeitszyklen des Motors wieder auf den
erforderlichen Wert gesetzt. Unterstützt wird dieses weiche Einsetzen durch eine Rücknahme
des Zündzeitpunktes während der Schubabschaltung mit einem allmählichen Verstellen in
Richtung früh beim Wiedereinsetzen der Einspritzung. Dadurch wird ein Ruckeln vermieden.
Lambda-Regelung
Ist ein Fahrzeug mit einem Dreiwege-Katalysator ausgerüstet, so ergibt sich eine optimale
Schadstoffreduzierung nur dann, wenn die stöchiometrische Zusammensetzung des LuftKraftstoff-Gemisches bei  = 1 liegt. Die -Sonde, die im Abgasstrom liegt, mißt den
Restsauerstoffgehalt des Abgases. Ihr Ausgangssignal gehorcht in Abhängigkeit von  einer
Sprungfunktion, die in Abb. 1.6. dargestellt ist. Bei Werten von  unter 1,0 gibt sie etwa 1 V
ab, während die Ausgangsspannung bei Werten von  über 1,0 unter 100 mV liegt. Mit dieser
Sprungfunktion kann man einen Zweipunktregler realisieren, was für die Anforderungen in
der Motronic ausreicht. Da die -Sonde erst bei Temperaturen über 350 °C ein auswertbares
Signal abgibt, werden heute meist Ausführungen eingesetzt, die in der Start- und
Warmlaufphase elektrisch beheizt werden.
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FZE02
Motronic
8
Die -Regelung sorgt für eine optimale Katalysatorwirkung unabhängig von den
Motortoleranzen und Alterungserscheinungen des Motors.
Abb. 1.6: Verlauf der Sondenspannung
in Abhängigkeit von 
Schwankungen der Betriebsspannung
Die Anzugs- und Abfallzeiten der magnetisch gesteuerten Einspritzventile hängen von der
Betriebsspannung ab. Ohne entsprechende Korrektur würden sich Spannungsschwankungen
im Bordnetz in einer Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmenge bemerkbar machen.
Deshalb mißt das Steuergerät der Motronic die Betriebsspannung und gleicht ein deren
Absinken durch eine Verlängerung der Ansteuerimpulse an die Einspritzventile aus.
1.2.4 Ergänzende Funktionen
Drehzahlbegrenzung
Bei Überschreiten einer programmierten Höchstdrehzahl des Motors werden die
Einspritzsignale unterdrückt. Dadurch kann die Drehzahl nicht mehr steigen (außer im
extremen Schiebebetrieb). Der Fahrer merkt zwar die Drehzahlbegrenzung, muß aber keine
erheblichen Einbußen im Fahrkomfort hinnehmen. Der Schutz des Motors vor Überdrehen hat
hier die höchste Priorität.
Abgasrückführung
Die Stickoxid-Emission eines Motors läßt sich wirkungsvoll reduzieren, wenn ein Teil des
Abgases dem angesaugten Frischgemisch zugegeben wird. Die Motronic kann diese
Zuführung kennfeldgesteuert über ein Abgasrückführungsventil dosieren, so daß sich die oft
erheblichen Komforteinbußen bei permanenter, ungesteuerter Abgasrückführung vermeiden
lassen.
Tankentlüftung
In den USA werden alle Emissionen des Fahrzeugs während der Fahrt überwacht (OnboardDiagnose OBDII). Diese gesetzliche Vorschrift wird auch in der EU als Euro-OBD (EOBD)
eingeführt. Dabei darf der Kraftstofftank nicht mehr ins Freie entlüftet werden, sondern die
Benzindämpfe werden in einem mit Aktivkohle gefüllten Speichervolumen festgehalten. Das
Entlüften des Tanks oder des Speichers in das Saugrohr, wo die Dämpfe ja der Verbrennung
FZE02
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FZE02
Motronic
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zugeführt werden, wird durch die Motronic über ein Magnetventil abhängig vom
Betriebszustand des Motors gesteuert.
Kraftstoffpumpen-Ansteuerung
Um ein Weiterlaufen der Kraftstoffpumpe bei Unfällen zu vermeiden (Feuergefahr), wird die
Pumpe über ein Kraftstoffpumpenrelais durch die Motronic nur dann angesteuert, wenn
entweder Klemme 50 an Plus liegt (Startvorgang) oder die Motordrehzahl über einem
vorgegebenen Mindestwert liegt.
Ruhestromabschaltung
Bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor könnten sich die Endstufen der Zündung
und die Zündspulen unzulässig erwärmen. Deshalb schaltet die Motronic die Endstufen ab,
wenn die Drehzahl des Motors unter einen vorgegebenen Mindestwert sinkt.
2 Vorbereitung
2.1 Systemübersicht
Benennen Sie die Bauteile der Motronic im umseitigen Blockdiagramm.
2.2 Gemischbildung
Benennen Sie die Bauteile eines Einspritzventils
Schildern Sie in Stichworten das Grundprinzip der intermittierenden Einspritzung
Wie wird beim Kaltstart das Gemisch angefettet?
2.3 Sensorik
Wie wird in der Motronic der momentane Kurbelwellenwinkel ermittelt?
Wie wird in der Motronic der momentane Lastzustand erfaßt?
Welche Aufgabe hat der Drosselklappenschalter?
Benötigt man zur zylinderselektiven Klopfregelung für jeden Zylinder einen Klopfsensor
(Begründung)?
Welche physikalische Größe wird von der Lambdasonde gemessen?
Wie werden die Motortemperatur und die Temperatur der Ansaugluft gemessen.
2.4 Zündung
Welche Parameter sind in einem Zündkennfeld gespeichert (Angabe der Abhängigkeiten)
Mit welchen Maßnahmen kann man eine ruhende Zündspannungsverteilung erreichen?
Welche Unterschiede ergeben sich, wenn die Zündung über die Kurbelwelle oder über die
Nockenwelle gesteuert wird?
Unter welchen Bedingungen ist eine Doppel-Funken-Zündspule einsetzbar?
2.5 Lastzustände
Wie funktioniert die Leerlauf-Drehzahlregelung bei der Motronic?
Unter welchen Betriebsbedingungen setzt die Schubabschaltung ein und wie wird sie in der
Motronic realisiert?
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
10
Benennen Sie die Bauteile, die zu folgenden Nummern gehören:
2
.............................................................
3
5
.............................................................
7 ............................................................
9
.............................................................
11 ..........................................................
12
..........................................................
16 ..........................................................
18
..........................................................
20 ..........................................................
23
..........................................................
24 ............................................................
FZE02
...........................................................
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
11
3 Versuche
Allgemeiner Hinweis :
Vor den jeweiligen Versuchen müssen die in den entsprechenden Abbildungen „ Aufbauplan“ zusätzlichen Verbindungen herstellt werden. ( bei Versuch 1 z.B. : Die Verbindung
von Klemme 34 des Steuergerätes auf Klemme Q2 des Cassy-Interfaces )
Versuch 1: Darstellung des Einspritzsignals
Stellen Sie das Einspritzsignal, d.h. die elektrische Ansteuerung eines Einspritzventils auf
einem Oszilloskop (Cassy-Funktion auf dem Computerbildschirm) dar.
Cassy-Software:
AUTO, Testprogramm für Kfz-Modul, Version 9.01
(Auf dem Windows-Desktop das Symbol „Auto“ anklicken)
Programmauswahl: Oszilloskop (1Kanal)
Geben Sie die oben dargestellten Cassy-Einstellwerte ein, und stellen Sie (mit „F3“) die
Messzeit auf 10 ms.
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
12
Versuchsdurchführung:
Schalten Sie den Antrieb des Kurbelwellen-Impulsgebers ein, indem Sie zunächst den
Kippschalter links oberhalb des Zahnrades auf „ON“ stellen. Stellen Sie nun den Kippschalter
rechts oberhalb des Zahnrades auf „man“. Falls der Antrieb nicht anläuft, helfen Sie manuell
etwas nach. Sobald die LED oberhalb dieses Kippschalters Dauerlicht abgibt, schalten Sie den
Kippschalter auf „Auto“. Damit ist die Drehzahlregelung aktiviert.
Lassen Sie die Anlage zunächst mit einer Drehzahl von ca. 2500 min-1 und einer Last >45°
Drosselklappenwinkel laufen. Dann stellen Sie folgende Einstellwerte ein:
Drehzahl:
Motortemperatur:
Lufttemperatur:
Last:
Drosselklappe:
Lambda-Regelung:
1500 min-1,
80 °C (am Drehschalter einstellen, Kippschalter auf „simuliert“),
Umgebung (20°C, Kippschalter auf „simuliert“)
Simulation, 2. Teilstrich,
45 ° (2. Teilstrich),
real (in der Anzeige links „-Sensor“).
-
Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf des Einspritzsignals im obigen Diagramm.
-
Messen Sie mit dem Cursor (F9) die aktuelle Einspritzdauer.
Hinweis: das Einspritzventil wird über ein Relais geschaltet, welches
mit einem Transistor (Low-Side-Schalter) angesteuert wird (siehe
nebenstehende Abbildung). Die gemessene Spannung entspricht der
Spannung am Transistor UM. Eingespritzt wird, wenn Strom durch
das Relais fließt. Welchen Wert nimmt dann UM an?
Ergebnis: ti =
FZE02
UB
Relais
UM
ms.
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
13
Versuch 2: Einfluss von Drehzahl und Last auf die Einspritzzeit
Aufgabe:
Messen Sie bei konstanter Drehzahl die Einspritzzeit ti in Abhängigkeit von der
Last und bei konstanter Last die Einspritzzeit in Abhängigkeit von der
Drehzahl.
Verbindungen an Q1, ti und nTD
Cassy-Software:
3.2.5 Einspritzsysteme 728 351, Version 1.99
(Programm „Auto“ beenden, auf dem Windows-Desktop „Jet“ anklicken)
Programmauswahl: Motronik
Messzeit: 30 s
Buchsen auswählen (mit Enter auswählen, es werden die Größen angezeigt, die mit „ >>“ markiert sind):
Wählen Sie nur die folgenden Größen aus: Drehzahl (nTd), Lastsignal, Einspritzzeit.
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
14
Versuchsdurchführung:
2.1
Messen Sie bei konstanter Luftmenge die Einspritzzeit in Abhängigkeit von der
Drehzahl.
Einstellwerte:
Drehzahl:
Motortemperatur:
Lufttemperatur:
Last:
Drosselklappe:
Lambda-Regelung:
1000 min-1 bis max. Drehzahl,
80 °C ,
60 °C ,
Simulation, 2. Teilstrich,
45° (2. Teilstrich),
real.
Durchführung:
Lassen Sie die Anlage zunächst 30 s im Leerlauf laufen. Starten Sie danach die
Messung und erhöhen Sie dann die Drehzahl bei gleichbleibender Last von 1000 min-1
bis zur Maximaldrehzahl und gehen Sie dann mit der Drehzahl wieder etwas zurück.
Zeichnen Sie die Signalverläufe in obiges Diagramm ein.
Begründen Sie das Ergebnis dieser Messung:
(Hinweis: die Einspritzung erfolgt drehzahlsynchron, d.h. mit steigender Drehzahl wird häufiger
eingespritzt).
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.....................................................................................................................................................
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FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
2.2
FZE02
Motronic
15
Messen Sie bei konstanter Drehzahl die Einspritzzeit in Abhängigkeit von der Last.
Einstellwerte:
Drehzahl:
Motortemperatur:
Lufttemperatur:
Last:
Drosselklappe:
Lambda-Regelung:
1500 min-1,
80 °C ,
60 °C ,
Simulation, von Teilstrich 0 bis 8,
45° (2. Teilstrich),
real.
Durchführung:
Lassen Sie die Anlage zunächst 30 s im Leerlauf laufen. Starten Sie dann die Messung
und erhöhen Sie die Last bei gleichbleibender Drehzahl von Skalenwert 0 bis 8.
Zeichnen Sie die Signalverläufe in obiges Diagramm ein und halten Sie Minimal- und
Maximalwert der Einspritzzeit ti fest.
timin = .......... ms,
timax = ............... ms.
Begründen Sie das Ergebnis dieser Messung:
(Hinweis ab der Lastsignalstufe 4: die Lastsignale lassen sich hier am Prüfstand durch Simulation
beliebig hoch einstellen. Dadurch wird nicht berücksichtigt, dass der Motor bei einer kleinen Drehzahl
n=1500 min-1 nicht beliebig viel Luft ansaugen kann. Nicht fahrbare Betriebspunkte sind im
Einspritzkennfeld der Motorsteuerung entsprechend bedatet, so dass die Einspritzzeit ab dem letzten
noch fahrbaren Punkt konstant gehalten wird.)
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FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
16
Versuch 3: Warmlauf, Einfluss der Motortemperatur
Aufgabe:
Ermitteln Sie die Anreicherung in der Warmlaufphase, indem Sie das
Ansteigen der Motortemperatur mittels eines Trimmpotentiometers simulieren.
Cassy-Software:
FZE02
CBM 3.2.5: Einspritzsysteme 728 351, Version 1.99
Programmauswahl: Motronik (Jet).
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
17
Versuchsdurchführung:
Lassen Sie die Anlage zunächst ca. 1 min mit n = 2000 min-1 laufen. Dadurch wird der
Einfluss der Nachstartsteuerung ausgeschaltet. Simulieren Sie nun die Erhöhung der Motortemperatur während des Warmlaufs durch Verdrehen des Drehschalters „Motortemperatur“.
Last: 4. Teilstrich, Schalter: „Simulation“.
Motortemperatur/°C
-10
0
10
20
40
60
80
100
ti /ms
Begründen Sie Ihr Messergebnis:
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......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
18
Versuch 4: Lambda-Regelung
Aufgabe:
Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen der Lambda-Sondenspannung
und der Einspritzmenge.
Cassy-Software:
CBM 3.2.5 Einspritzsysteme 728 351, Version 1.99
Programmauswahl: Motronik
Messzeit: 60 s.
0
10
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
Einstellwerte:
Drehzahl:
Lufttemperatur:
Motortemperatur:
Last:
Drosselklappe:
Lambda-Regelung:
FZE02
Motronic
19
1500 min-1,
Umgebung (20°C),
80 °C,
Simulation, 2. Teilstrich,
45 ° (2. Teilstrich),
Simulation.
Versuchsdurchführung:
Stellen Sie den Betriebsartenschalter für die Sondenspannung auf „Simulation/Periode“. Die
Sondenspannung wird dann periodisch von niedrig (mager) auf hoch (fett) geändert.
Zeichnen Sie ihr Messergebnis in obiges Diagramm ein und ergänzen Sie die folgende
Übersicht, indem Sie das qualitative Verhalten in die Spalten eintragen:
Gemisch
mager
fett
Sondenspannung
Einspritzzeit
Einspritzmenge
Gemischzusammensetzung
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE02
Motronic
20
Versuch 5: Teillastkennfeld der Zündung
Aufgabe:
Nehmen Sie das Zündkennfeld im Teillastbereich auf.
Cassy-Software:
CBM 3.2.4 Zündsysteme 728381, ab Version 2.11
Programmauswahl: DIS-Zündung
(Auf dem Windows-Desktop „DIS“ anklicken)
F1 drücken, damit der Menüpunkt erscheint
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
Einstellwerte:
Drehzahl:
Motortemperatur:
Last:
Lufttemperatur:
Drosselklappe:
Lambda-Regelung:
FZE02
Motronic
21
nach Vorgabe.
80 °C ,
Simulation, nach Vorgabe,
Umgebung (20°C),
nach Vorgabe,
real.
Versuchsdurchführung:
Stellen Sie zuerst eine Last als Simulation von 1 Teilstrich und eine Drosselklappenstellung
von 1 Teilstrich ein (Drehzahl-Wahlschalter < 4000 min-1). Ermitteln Sie das Kennfeld bei der
vorgegebenen Last, indem Sie die Drehzahl bis ca. 4000 min-1 erhöhen. Mit dem Cursor (F9)
können Sie die in der nachstehenden Tabelle vorgegebenen Drehzahlen anfahren und die
dazugehörigen Zündwinkel notieren. Wiederholen Sie diese Messung mit den in der Tabelle
vorgegebenen anderen Lastzuständen (Drosselklappe und Simulation der Last gleichzeitig
verändern!).
Hinweis: Bei Drehzahlen oberhalb von 3500 min-1 und gleichzeitiger geringer Last erkennt
das Steuergerät eine Schubabschaltung und schaltet die Einspritzung ab. Deshalb wurden nur
Umdrehungszahlen bis 3500 min-1 gewählt.
Zündwinkel in °KW
Last in Teilstrichen (Last)
Drosselklappenstellung in Teilstrichen (DK
Last 0
Last 1
Last 2
Last 3
DK 0
DK 1
DK 2
DK 3
Last 4
DK 4
Drehzahl/min-1 1000
1500
2000
2500
3000
3500
FZE02
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
1
mit Labcar
Versuch: Kennfeldapplikation mit LabCar
(Virtueller Motorprüfstand)
Voraussetzungen:
Inhalte der Lehrveranstaltungen „Verbrennungsmotoren“, „Bordnetze“, „Regelungstechnik“.
Zielsetzungen:
-
Einführung in das Applizieren von Motorkenndaten,
Kennenlernen von Optimierungskriterien,
Untersuchung von Drehmomentkennlinien bei unterschiedlichen Applikationsdaten,
Untersuchung instationärer Vorgänge.
Quellen:
ETAS: Handbuch zu LabCar Real Time Connector, Handbuch zu LabCar Operator Version
3.2, Handbuch zu Gasoline Engine Vehicle Model Version 4.1.
1
Systembeschreibung
1.1
Allgemeine Grundlagen
Bei der Entwicklung von Fahrzeugsteuergeräten ist es wünschenswert, Steuergerätehardware
und Software zu testen lange bevor die zu steuernden Komponenten zur Verfügung stehen.
Dabei bedient man sich in zunehmendem Maße der Simulation der noch nicht vorhandenen
Komponenten auf einem Rechner. Dadurch wird dem Steuergerät vorgetäuscht, es würde eine
Fahrzeugkomponente oder ein Fahrzeugsystem steuern, obgleich die Stellbefehle lediglich an
den Simulationsrechner gehen und dieser daraus die Sensorsignale generiert, die dann wieder
in das Steuergerät eingespeist werden. Das Steuergerät wird also in einer geschlossenen Regelschleife betrieben, die der im realen Fahrzeug ziemlich genau gleicht. Man kann auf diese
Weise die Softwarealgorithmen und die Schnittstellen des Steuergerätes bereits im Vorfeld
unabhängig vom Entwicklungsstand des eigentlichen Fahrzeugs testen. Der Fachausdruck für
dieses Vorgehen heißt „Hardware-in-the-Loop-Simulation“ oder abgekürzt „HIL“.
Eine Vorstufe der HIL-Simulation ist die „Software-in-the-Loop-Simulation“ (SIL), bei der
auch noch keine Steuergeräte-Hardware vorhanden ist. In diesem Fall läuft die Software auf
einem Steuerrechner (kann auch eine PC sein). Will man die Simulation in Echtzeit laufen lassen (d.h. alle simulierten Vorgänge dauern genau so lange wie sie auch im realen Fahrzeug
dauern würden) benötigt man meist einen speziellen Rechner mit einem Echtzeitbetriebssystem (Microsoft Windows ist kein Echtzeitbetriebssystem).
In diesem Praktikumsversuch werden Sie mit einer derartigen Hardware mit dem Echtzeitbetriebssystem ERCOS „Software-in-the-Loop“-Versuche durchführen. Dabei werden Sie an einem virtuellen Motorprüfstand Parameter während des Betriebs verstellen und verschiedene
Betriebswerte messtechnisch erfassen.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
FZE03
Kennfeldapplikation
Fahrzeugmechatronik
2
mit Labcar
Die Firma ETAS stellt für die Steuergeräteentwicklung verschiedene Werkzeuge (Tools) bereit:
-
ASCET SD zur Entwicklung von Steuergerätesoftware. ASCET ermöglicht das Programmieren von Steuergerätefunktionen (aber auch die Simulation von Fahrzeugbaugruppen) in verschiedenen Modelliersprachen.
-
INCA zur Applikation, d.h. zum Einstellen der Betriebsparameter. INCA ermöglicht die
Veränderung der Steuergeräteparameter (z.B. Kennfelder) während des laufenden Betriebs.
-
LABCAR als komplettes Fahrzeugmodell einschließlich Umgebung. In LABCAR sind
speziell die Funktionen des Antriebsstrangs sehr detailliert modelliert.
-
LABCAR DEVELOPER zur Entwicklung eigener Fahrzeugmodelle oder zur Modifizierung der vorhandenen. LABCAR DEVELOPER ist im wesentlichen eine Kombination
von ASCET zum Erstellen von Modellen, INCA zum Verändern von Parametern und
LABCAR OPERATOR (zur Durchführung von Experimenten).
Unsere Versuchsumgebung besteht aus LabCar Developer und einem modifizierten Fahrzeugmodell
mit Ottomotor. Das von ETAS bereitgestellte komplette Fahrzeugmodell wurde in einen Motorprüfstand „umgebaut“, indem Fahrermodell und Antriebsstrang entfernt und dafür ein einfaches Steuergerät und eine elektrische Vierquadrantenmaschine hinzugefügt wurden.
1.2
Virtueller Motorprüfstand
Abb. 1.1 zeigt das Blockschaltbild des virtuellen Motorprüfstandes. Sie werden beim
Experimentieren nur den virtuellen Leitstand zu sehen bekommen.
Virtueller Motorprüfstand
Virtueller Leitstand
Umgebungsmodell
Prüfstandsmodell
Steuergerät
Motormodell
4-QuadrantenMaschine
Abb. 1.1: Blockdiagramm des virtuellen Motorprüfstandes
Die Benutzeroberfläche wird vom LabCar Operator bereitgestellt. Diese erlaubt das
Verstellen aller Steuergeräteparameter während des laufenden Betriebs des Motors.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
3
mit Labcar
Abb. 1.2 zeigt das Blockschaltbild des extra für diesen Versuch modellierten Steuergerätes.
Abb. 1.2: Blockdiagramm des virtuellen Steuergerätes
Dieses „virtuelle Steuergerät“ ist gegenüber einem echten extrem vereinfacht. Moderne Steuergeräte enthalten Hunderte von Kennlinien und Kennfeldern zur Anpassung
der Betriebsparameter. In unserem Steuergerät wurden nur die beiden wichtigsten
Kennfelder, nämlich das Einspritzkennfeld und das Zündkennfeld modelliert. Beide
Kennfelder sind dreidimensional, mit den Eingangsgrößen „Motordrehzahl“ (n_mot)
und „Luftmasse“ (md_air). Ausgegeben werden die in den Kennfeldern gespeicherten
Werte „Einspritzzeit“ (t_inj_out) und „Zündwinkel“ (phi_ign_out), und zwar jeweils
für alle Zylinder gleich. Zur einfacheren Eingabe während des Praktikumsbetriebs
kann man mittels des Signals „Notbetrieb“ zwischen den Kennfeldern und der manuellen Eingabe (phi_ign_default und t_inj_default) umschalten (Das Signal „Notbetrieb“
heißt in der Benutzeroberfläche „manuell“). Diese Funktion ist in echten Steuergeräten
normalerweise nicht implementiert.
Beide Kennfelder wurden wegen der begrenzten Arbeitszeit im Praktikumsbetrieb auf
6 Drehzahlwerte x 6 Luftmassenwerte beschränkt. Die Zwischenwerte werden automatisch linear interpoliert. Echte Kennfelder sind deutlich größer, z.B. 64 x 64.
Als Motor ist ein 2,8 l Sechszylinder-Ottomotor mit einem Verdichtungsverhältnis
von 10:1 modelliert.
In echten Motorprüfständen wird die mechanische Belastung durch Elektromotoren,
sog. Vier-Quadranten-Maschinen, dargestellt. Damit kann der Verbrennungsmotor abgebremst, aber auch angetrieben werden (Schiebebetrieb). Für diesen Praktikumsversuch wurde kein Wert auf eine exakte Nachbildung eines Elektromotors gelegt. Deshalb ist auch dieses Modell sehr einfach. Abb. 1.3 zeigt das Blockschaltbild der virtuellen Vierquadrantenmaschine.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
4
mit Labcar
Abb. 1.3: Blockdiagramm der Vierquadranten-Maschine
Mit dem digitalen Signal n_Regler_Ein kann die Belastungsmaschine zu- oder abgeschaltet werden. Ein P-Regler (in der neuesten Version ein PI-Regler) vergleicht die
Motordrehzahl n_ist mit einer vorgegebenen Solldrehzahl n_soll und erzeugt aus der
Differenz ein Drehmoment, das dem Moment des Verbrennungsmotors (M_in) überlagert wird. In dem Block „Traege_Masse“ sind die Differentialgleichungen zur Beschleunigung rotierender Körper programmiert. In diesen Block werden die Trägheitsmomente vorangeschalteter Bauteile (Schwungscheibe und Antriebswellen) eingespeist (J_in). Das Eigenträgheitsmoment der Vierquadrantenmaschine wird durch
den Paramter J_4Q dargestellt. Der Block liefert als Ausgangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit w_out und die Winkelbeschleunigung wd_out. Abb. 1.4 veranschaulicht, warum die Vierquadrantenmaschine drehzahlgeregelt werden muss.
stabile Lastkurve
(Drehzahlregelung)
gewünschter
Arbeitspunkt
instabile Lastkurve
(konstantes
Lastmoment)
M
n
Abb. 1.4: Drehmomentkurven von Verbrennungsmotor und Vierquadranten-Maschine
Würde der Verbrennungsmotor mit konstantem Lastmoment belastet, ergäbe sich links
vom Maximum der Motorkennlinie ein instabiles Verhalten, weil die Lastkurve die
Motorkurve von oben her schneidet. Der Motor bleibt entweder stehen oder es stellt
sich der stabile Schnittpunkt rechts vom Maximum ein. Eine Drehzahlregelung (senkrechte Lastkurve) ist optimal, da damit jeder Arbeitspunkt exakt einstellbar ist.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
1.3
FZE03
Kennfeldapplikation
5
mit Labcar
Virtuelles Bedienpult
Abb. 1.5 zeigt das virtuelle Bedienpult wie es auf dem Bildschirm des PC dargestellt
wird.
Abb. 1.5: Virtuelles Bedienpult
In der oberen Hälfte werden die erforderlichen Messwerte dargestellt, und zwar Motormoment und Motordrehzahl mittels Rundinstrumenten; Lambdawert, Luftmasse
und Motortemperatur in horizontalen Balkenanzeigen. Auf einem Oszilloskop werden
die zeitlichen Verläufe von Motormoment, Motordrehzahl und Lambda aufgezeichnet.
Rechts oben sind die Bedienelemente angebracht („Motor“ dunkelgrün und „Prüfstand“ violett hinterlegt). Für den Motor die Schalter „Zündung“, „Starter“, „Leerlaufregler“ und „manuell“. Normalerweise wird der Leerlaufregler im Steuergerät modelliert. Da aber LabCar ohne Steuergerät ausgeliefert wird, enthält das Fahrzeugmodell
bereits einen eigenen Leerlaufregler, der mit dem Schalter „Leerlaufregler“ aktiviert
wird. Ist der Schalter „manuell“ auf „True“ (Buttonfarbe Grün), kommen die Einstellwerte nicht aus den Kennfeldern, sondern von den Bedienelementen „t_inj_default“
und „phi_ign_default“ unten im Motorbedienfeld. Darüber befindet sich ein Schieberegler, der das Gaspedal darstellt. Es können Werte zwischen Null (Leerlauf) und 1
(Volllast) eingestellt werden.
Die Bedienelemente für den Prüfstand sind: Der Schalter „n-Regler“ (damit wird die
Belastungsmaschine angekoppelt), der Schieberegler „n-soll“ (damit wird die Drehzahl des Aggregates vorgewählt) und das Einstellelement für das Trägheitsmoment der
Belastungsmaschine.
Darunter befinden sich die beiden Kennfelder für Einspritzzeit und Zündwinkel. Im
Ausgangszustand sind alle Werte in den Kennfeldern gleich. Damit läuft der virtuelle
Motor zwar, aber nicht optimal. Sie werden im Laufe des Versuchs die optimalen
Werte selbst eingeben.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
2
FZE03
FZE03
Kennfeldapplikation
6
mit Labcar
Vorbereitung
-
Was versteht man unter „LabCar“, „ASCET-SD“, „INCA“ und „LabCar Developer“?
-
Skizzieren Sie ein Blockschaltbild des virtuellen Motorprüfstands.
-
Mit welcher Einrichtung wird auf einem Motorprüfstand der Verbrennungsmotor
belastet?
-
Warum ist es auf einem Motorprüfstand besser, statt mit konstantem Lastmoment
mit einer Drehzahlregelung zu arbeiten?
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
3
FZE03
Kennfeldapplikation
7
mit Labcar
Versuche
Versuch 1: Inbetriebnahme des virtuellen Motorprüfstands
-
-
-
-
-
Schalten Sie das ES 4100 mit dem grünen Kippschalter ein.
Doppelklicken Sie auf dem Windows-Desktop auf das Icon „LabCar Operator
V3.2“. Das Programm wird geladen, es öffnet sich das Hauptfenster.
Klicken Sie auf die Schaltfläche „File → Open“. Es öffnet sich das Data-BrowserFenster.
Öffnen Sie durch Doppelklicken auf „Kennfeld_Project.lca“ (unter dem Verzeichnis „D:\ETASData\Kennfeld_Project“) die Experimentierumgebung. Warten Sie,
bis das Experiment vollständig geladen ist. Sie sehen nun die Experimentierumgebung mit virtuellen Bedienpult und Oszilloskop wie in Abb. 1.5 gezeigt. Die Experimentierumgebung stellt in der Menüleiste oberhalb des virtuellen Bedienpultes
Befehle zur Experimentsteuerung bereit und links neben dem virtuellen Bedienpult
u.a. den „Projekt Explorer“, den wir zum Laden von kpl. Parameterdatensätzen
verwenden.
Laden von Parameterdatensätzen: Zum Experimentbeginn benötigen wir den
Default-Parametersatz. Erweitern Sie durch Klick auf das „+“-Zeichen den Eintrag
„Parameters“ unter „Experiment control“ im „Project Explorer“. Es werden die
beiden Parametersätze „default.pac“ und „optimiert_sec.pac“ angezeigt. Zu Beginn sollte „default.pac“ mit einem Häckchen aktiviert sein. Zum Aktivieren klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Parametersatz und wählen aus dem
Kontextmenü „Set as Active“ aus. Bestätigen Sie die anschließende Frage mit
„Ja“. Der Parametersatz wird geladen. Beachten Sie, dass die angezeigten Werte
des virtuellen Bedienfeldes, z.B. die der Kennfeldtabellen, erst nach dem Starten
des Experiments aktualisiert werden!
Stellen Sie „Zündung“, „Leerlaufregler“, „manuell“, „Starter“ und „n-Regler“ auf
„False“ (also alle Schalter „rot“). Schieben Sie den Schieberegler „Gas“ in die
Stellung „0.0“.
Starten Sie das Experiment mit Messung durch Anklicken des blauen Dreiecks in
der Symbolleiste oberhalb des virtuellen Bedienpults. Am Oszilloskop müssen nun
die Messungen anlaufen, die Werte für Drehzahl und Drehmoment sind allerdings
auf Null.
Schalten Sie „Zündung“, „Leerlaufregler“ und „manuell“ ein (Schalter auf
„True“). Starten Sie den Motor mit „Starter“. Der Motor muß anspringen und
nach Ausschalten des Starters („False“) weiterlaufen. Wenn der Leerlauf etwas
instabil wird, liegt dies an der Unzulänglichkeit des Leerlaufreglers im Fahrzeugmodell.
Machen Sie sich nun mit der Bedienung des Prüfstandes vertraut, indem Sie z.B. Gas geben.
Beobachten Sie die Messwerte auf dem Oszilloskop und versuchen Sie, die Verläufe zu interpretieren.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
8
mit Labcar
Abb. 1.6: Vollständige Experimentierumgebung mit virtuellem Bedienpult und Oszilloskop
Auswertung (Beschreiben Sie die Verläufe qualitativ):
Gas geben:
n ...............................................................................................................
M ..............................................................................................................
 ...............................................................................................................
Gas wegnehmen:
n ................................................................................................................
M................................................................................................................
.................................................................................................................
Schalten Sie nun die Lastmaschine zu, indem Sie einen Wert für Drehzahl vorgeben (z.B.
2000 1/min) und n_Regler auf „True“ setzen. Verändern Sie die Solldrehzahl bei konstanter
Gasstellung und die Gasstellung bei konstanter Solldrehzahl und beobachten Sie die Messwerte. Versuchen Sie in Stellung „manuell“ die Einspritzzeit so zu verändern, dass  zu 1
wird. Stellen Sie nun den Zündwinkel so ein, dass das Drehmoment bei dieser Einspritzzeit
maximal wird. Dieses Vorgehen werden Sie beim Applizieren der Kennfelder wieder benötigen.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
9
mit Labcar
Versuch 2: Aufnahme einer Teillastkurve bei konstanten Einstellwerten
Stellen Sie manuell (Schalter „manuell“ = „True“) die Einspritzzeit auf 10 ms und den Zündwinkel auf 20° (vor OT). Stellen Sie das Gas auf den Wert 0.4. Warten Sie, bis die Motortemperatur über 350 K beträgt. Nehmen Sie nun das Drehmoment und die Luftzahl  in Abhängigkeit von der Drehzahl auf und zeichnen Sie Ihre Messwerte in die Diagramme 1 und 2 ein.
N/min-1
M/Nm

1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
300
250
200
150
M/Nm
100
50
0
4000
2000
n/min-1
6000
8000
Diagramm 1: Drehmomentkurven (Teillast)
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
10
mit Labcar
Zeichnen Sie den Verlauf von Lambda in das folgende Diagramm ein.
1 ,5
1,4
1 ,3
1 ,2
1,1

1 ,0
0 ,9
0 ,8
0 ,7
2000
n /m in -1
4000
6000
8000
Diagramm 2: Verlauf der Luftzahl  (Teillast)
Wie bewerten Sie den Verlauf der Luftzahl ?
(Hinweis: die Einspritzung erfolgt drehzahlsynchron: wenn konstant mit der Einspritzzeit t_inj = 10ms
eingespritzt wird, dann wird diese Einspritzmenge mit steigender Drehzahl häufiger zugeführt.)
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
11
mit Labcar
Versuch 3: Aufnahme einer Volllastkurve bei konstanten Einstellwerten
Stellen Sie manuell (Schalter „manuell“ = „True“) die Einspritzzeit auf 10 ms und den Zündwinkel auf 20° (vor OT). Stellen Sie das Gas auf den Wert 1.0. Warten Sie, bis die Motortemperatur über 350 K beträgt. Nehmen Sie nun das Drehmoment und  in Abhängigkeit von der
Drehzahl auf und zeichnen Sie Ihre Messwerte in die Diagramme 3 und 4 ein.
N/min-1
M/Nm

1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
300
250
200
150
M/Nm
100
50
0
4000
2000
-1
n/min
6000
8000
Diagramm 3: Drehmomentkurven (Volllast)
In welchem Bereich der Drehzahl tritt ein Einbruch des Drehmoments auf? Erklärt werden
kann dieser Einbruch des Moments mit Hilfe der Lambdakurve, die Sie in das Diagramm 4
einzeichnen.
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
12
mit Labcar
Zeichnen Sie den Verlauf von Lambda in das folgende Diagramm ein.
1 ,5
1 ,4
1 ,3

1 ,2
1 ,1
1 ,0
0 ,9
2000
n /m in -1
4000
6000
8000
Diagramm 4: Verlauf der Luftzahl  (Volllast)
Bewerten Sie den Verlauf der Luftzahl  auch bei Volllast.
(Hinweis: im Vergleich zum Versuch 2 „Aufnahme einer Teillastkurve“ haben Sie lediglich die Gaspedalstellung geändert. Durch das Einstellen des Gaspedalwertes auf „1.0“ (Vollgas) öffnet sich die
Drosselklappe vollständig und es kann – zumindest bei höheren Drehzahlen - mehr Luft vom Motor
angesaugt werden. Welchen Lambdaverlauf würden Sie – ausgehend vom Versuch 2 - zunächst erwarten? In welcher Hinsicht unterscheidet sich der gemessene Verlauf von dem zu erwarteten Lambdaverlauf? Um diese Abweichung zu erklären, muss man wissen, dass im Motormodell die Saugrohrlänge bei diesem Versuch für alle Messungen auf einen konstanten Wert eingestellt ist (anders wie im
realen Betrieb, bei dem vom Steuergerät betriebspunktabhängig die Saugrohrlänge variiert wird). Bei
voll geöffneter Drosselklappe und dieser eingestellten Saugrohrlänge treten im mittleren Drehzahlbereich Resonanzen auf, wodurch mit einer Druckwelle zusätzlich Luft in den Zylinder gepresst wird.)
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
13
mit Labcar
Versuch 4: Applizieren der Kennfelder
Um die Ergebnisse des Momenten- und Lambdaverlaufes aus den Versuchen 2 und 3 zu verbessern, erfolgt die Einspritzung und Zündung nun aus den Kennfeldern, die zunächst appliziert werden sollen (x-Stützstelle: Drehzahl n, y-Stützstelle: Lastsignal md_Airflow). Gehen
Sie bei der Applikation nach folgendem Schema vor:
-
-
Warten Sie, bis die Motortemperatur über 350 K beträgt.
Wählen Sie zunächst einen Punkt im Kennfeld aus, den Sie applizieren möchten,
z.B. n=3000 1/min, md_Airflow = 0,06 g/s
Stellen Sie die Drehzahl auf n = 3000 1/min.
Stellen Sie mit Hilfe des Gaspedals den Wert des Lastsignals auf md_Airflow=
0.06 g/s ein.
Nun fahren Sie stationär den gewählten Betriebspunkt im Kennfeld.
Stellen Sie in der manuellen Betriebsart (Schalter manuell = true) den -Wert
möglichst auf 1.0, indem Sie die Einspritzzeit t_inj_default variieren. Die so ermittelte Einspritzzeit ist der optimale Wert für den Lambda = 1 Betrieb, den Sie in ihr
Einspritzkennfeld eintragen.
Variieren Sie den Zündwinkel phi_ign_default, bis Sie maximales Drehmoment
erzielen. Diesen Wert übertragen Sie in das Zündkennfeld.
Jeder Teilnehmer sollte nach diesem Prinzip zumindest einen Punkt in den Kennfeldern optimiert haben. Sie brauchen nicht die ganzen Kennfelder optimieren, sondern
können die optimierten Parameterdatensätze wie folgt laden:
Erweitern Sie durch Klick auf das „+“-Zeichen den Eintrag „Parameters“ unter „Experiment control“ im „Project Explorer“ (links oben). Es werden die beiden Parametersätze „default.pac“ und „optimiert_sec.pac“ angezeigt. Momentan sollte noch der
Parametersatz „default.pac“ mit einem Häckchen aktiviert sein. Zum Aktivieren des
optimierten Parametersatzes klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Parametersatz „optimiert_sec.pac“ und wählen aus dem Kontextmenü „Set as Active“ aus. Bestätigen Sie die anschließende Frage mit „Ja“. Der Parametersatz wird geladen. Beachten Sie, dass die angezeigten Werte des virtuellen Bedienfeldes, z.B. die der Kennfeldtabellen, erst nach dem Starten des Experiments (durch Anklicken des blauen
Dreiecks in der Symbolleiste) aktualisiert werden!
Schalten Sie nun auf Kennfeldbetrieb um (Schalter „manuell“ auf „False“), überprüfen Sie
die Korrektheit Ihrer Applikation (die Werte kommen nun aus den Kennfeldern) und korrigieren Sie, wenn die Luftzahl  zu sehr von 1 abweicht.
Verändern Sie die Drehzahl mit dem Schiebregler schlagartig (simuliertes Instationärverhalten) und beobachten Sie den Wert von .
Bewerten Sie Ihre Beobachtung:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE03
Kennfeldapplikation
14
mit Labcar
Versuch 5: Aufnahme einer Teillastkennlinie mit optimierten Parametern
Stellen Sie auf Kennfeldbetrieb um (Schalter „manuell“ = „False“). Stellen Sie das Gas auf
den Wert 0.4. Warten Sie, bis die Motortemperatur über 350 K beträgt. Nehmen Sie nun das
Drehmoment und die Luftzahl  in Abhängigkeit von der Drehzahl auf und zeichnen Sie Ihre
Messwerte in die Diagramme 1 und 2 mit ein.
N/min-1
M/Nm

1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Versuch 6: Aufnahme der Volllastkennlinie mit optimierten Parametern
Stellen Sie auf Kennfeldbetrieb um (Schalter „manuell“ = „False“). Stellen Sie das Gas auf
den Wert 1.0. Warten Sie, bis die Motortemperatur über 350 K beträgt. Nehmen Sie nun das
Drehmoment und die Luftzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl auf und zeichnen Sie Ihre
Messwerte in die Diagramme 3 und 4 mit ein.
N/min-1
M/Nm

1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Vergleichen und bewerten Sie die Verläufe der Kennlinien aus den Versuchen 2, 3 ,5 und 6.
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
Beenden des Versuchs:
Beenden Sie die Simulation mit Messung, indem Sie auf das blaue Quadrat in der Symbolleiste der Experimentierumgebung klicken („Stop Experiment“). Klicken Sie anschließend auf
File → Exit. Es erscheint das Abfragefenster „Exit Experiment“. Achten Sie unbedingt darauf, dass die Option „Save the current GUI Configuration“ deaktiviert ist (Häckchen ggf.
wegklicken) und bestätigen Sie mit Klick auf „OK“. Die Abfrage „Save changes to Kennfeld_Project.lca?“ mit „Nein“ bestätigen. LabCar Operator wird daraufhin beendet.
FZE03
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE04
Valvetronic von
BMW
1
Versuch: Valvetronic-System von BMW
Zielsetzungen:
-
Inbetriebnahme eines mechatronischen Systems
Grundverständnis des Valvetronic-Systems von BMW
Aufbau und kennen lernen einer CAN-Kommunikation
Zusammenspiel von Hardware, Software, Elektronik
Teil 1: Grundlagen
1.1
Drosselfreie Laststeuerung:
Beim konventionellen Ottomotor geschieht die Steuerung der Motorleistung und damit die
Steuerung des Motormoments über die Drosselklappe, die den vom Motor angesaugten Luftstrom beeinflusst. Ist die Drosselklappe nicht vollständig geöffnet, so wird die vom Motor
angesaugte Luft gedrosselt und damit das erzeugte Drehmoment reduziert. Die Drosselung
bewirkt, dass der Motor die benötigte Luftmenge gegen den im Ansaugkanal herrschenden
Unterdruck ansaugen muss. Je größer diese Drosselung, besonders im Teillastbetrieb und im
Leerlauf, desto mehr sinkt der Druck im Ansaugkanal. Die Ladungswechselarbeit (Austausch
von Frischgas und Restgas) vergrößert sich bei zunehmender Drosselung.
Abbildung 1.1: Ladungswechselschleife der gedrosselten und drosselfreien Laststeuerung
FZE04
Stand: 06.03.14
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Fahrzeugmechatronik
FZE04
Valvetronic von
BMW
2
Das System Valvetronic wurde von BMW mit dem Ziel entwickelt, diese Ladungswechselverluste durch „Entfall“ der Drosselklappe zu minimieren und somit den Wirkungsgrad zu
erhöhen. Die Valvetronic setzt das Prinzip des „frühen Einlassschließens (frühes ES)“ um.
Das bedeutet, dass bei voll geöffneter Drosselklappe der Druck im Ansaugkanal auf Umgebungsniveau ist. Die Einlassventile schließen während des Einlasshubes genau dann, wenn die
gewünschte Gemischmasse im Zylinder ist (Abb.1).
Die Laststeuerung bzw. die Drosselung der Luftmenge erfolgt durch Steuerung von Ventilhub und Ventilöffnungszeit. Durch einen reduzierten Ventilhub (Teillastbetrieb) vergrößert
sich die Einströmgeschwindigkeit in den Brennraum und fördert somit eine bessere Gemischaufbereitung und damit auch die Verbrennung.
Abbildung 1.2: Komponenten des Valvetronic-Systems von BMW
FZE04
Stand: 06.03.14
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Fahrzeugmechatronik
FZE04
Valvetronic von
BMW
3
In Abbildung 1.2 sind die Komponenten des Valvetronic-Systems dargestellt, wie es derzeit
in den BMW 4- und 8-Zylinder Motoren verwendet wird.
Die Kontaktfläche zwischen Rollenschlepphebel und Zwischenhebel bildet die Arbeitskurve
und ermöglicht eine dem Lastfall angepasste variable Ventilerhebung. Über die Exzenterwelle
wird der obere Anlenkpunkt des Zwischenhebels so verstellt, dass diese Kurve unterschiedlich weit in Eingriff geht. Die Verstellung der Exzenterwelle erfolgt mit einem Gleichstrommotor über ein Schneckengetriebe mit dem Übersetzungsverhältnis von i = 51. Damit kann
der Ventilhub von Nullhub zu Vollhub verstellt werden. Die Rückstellfeder sorgt für die nötige Kontaktkraft zwischen Nocke und Zwischenhebel. Der Zwischenhebel stützt sich vollständig an der Exzenterwelle ab und wird bei Stellvorgängen um diesen Punkt verdreht. Mit diesem System wird die Drosselklappe als Laststeuerorgan ersetzt.
1.2 CAN-Bus
Eine CAN-Botschaft enthält folgende Felder (Frames):
t
Startbit
KenntnisnahmeBotschaftsende
Feld
CRC-Feld
Kontrollfeld
Vermittlungsfeld
Datenfeld
Abb. 1.3: Aufbau eine CAN-Botschaft
Der Benutzer muss im wesentlichen davon nur zwei Felder mit Daten versehen: Das Vermittlungsfeld mit dem Identifier (11 Bit) und das Datenfeld (8 Byte = 64 Bit) mit den zu übertragenden Daten. Die anderen Felder werden vom CAN-Controller automatisch gefüllt. Ein Datenfeld kann untergliedert sein in Signale. Ein Signal ist die kleinste Einheit im Datenfeld. So
könnte z.B. ein Datenfeld für die gleichzeitige Übertragung der vier Raddrehzahlen (Signale:
n_VR, n_VL, n_HR und n_HL) mit einer Auflösung von je 16 Bit folgendermaßen aufgebaut
sein:
Byte 7
7
6
5
4
3
2
1
Byte 6
0
7
6
n_HR
5
4
3
2
1
Byte 5
0
7
6
5
4
3
2
1
Byte 4
0
7
6
5
n_HL
4
3
2
1
Byte 3
0
7
6
5
4
3
2
Byte 2
1
0
7
6
5
n_VR
4
3
2
Byte 1
1
0
7
6
5
4
3
2
1
Byte 0
0
7
6
5
4
3
2
1
n_VL
Abb. 1.4: Beispiel einer CAN-Botschaft mit Radsensorsignalen
Ein Typisches Beispiel soll das Programmieren des CAN-Busses mit dem Tool ASCET verdeutlichen:
FZE04
Stand: 06.03.14
0
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE04
Valvetronic von
BMW
4
In einem ASCET-Programm existieren drei Send-Messages x_send, y_send und z_send (in
ASCET heißen die Ein- und Ausgabevariablen Receive-Messages bzw. Send-Messages, diese
Bezeichnung darf nicht mit den CAN-Botschaften selbst verwechselt werden, da es sich in
ASCET um Variable handelt). x_send sei 8 Bit lang und soll in Byte 0 einer CAN-Botschaft
übertragen werden, y_send sei vier Bit lang und soll in Byte 1 übertragen werden und z_send
sei ein 16-Bit-Wort und soll die Bytes 3 und 4 der Botschaft belegen. Diese Werte sollen der
CAN-Botschaft mit dem Namen Test und dem Identifier 1F3hex zugeordnet werden, wobei sie
auf dem Bus unter den Namen x_bus, y_bus und z_bus „reisen“. Diese Reisenamen heißen in
ASCET „Signals“, weil ja auch die CAN-Spezifikation ein Datenfeld in „Signale“ untergliedert. Folgende Werte müssen in der Hardwarekonfiguration (HWC-Editor) von ASCET eingegeben werden:
Groups:
Name der CAN-Botschaft
No.
Group
Identifier
dec
Identifier
hex
1
Test
499
1F3
hier hex-Wert eintragen
Unter “Groups” spezifiziert man also die Identifier der einzelnen CAN-Botschaften und ordnet ihnen Namen zu. Für den Menschen, und nur für ihn, ist es sehr schwierig, sich die verschiedenen CAN-Botschaften als duale oder hexadezimale Zahlen zu merken. Deshalb gibt
man ihnen leicht zu merkende Namen, z.B. DME_VVT (lies: Übertragung von der DME zum
VVT-Steuergerät). Das System selbst arbeitet aber nur mit den mit Identifiern im Vermittlungsfeld, z.B. 1F3hex = 001 1111 0011dual = 499dec, die meist im Hexadezimalcode eingegeben werden. In unserem Beispiel gilt also: Die Botschaft Test hat den Identifier 1F3hex.
Signals:
Name der CAN-Botschaft
Signalname
No.
1
2
3
Bytenummer
Bitnummer
Byte 4
Byte 3
Byte2
Byte 1
Byte 0
77777777666 66666555555554444 4444333333332222 22221111111100000 000
Group Signal
76543210765 43210765432107654 3210765432107654 32107654321076543 210
Test x_bus
11111 111
Test y_bus
1111
Test z_bus
1111 111111111111
Belegung (1 = belegt)
Unter „Signals“ legt man die genaue Lage der Signale in den 8 Byte (64 Bit) eines Datenfeldes fest. Dies geschieht, indem man an der richtigen Stelle „1“ als Platzhalter einträgt. Lässt
man Felder leer, so werden diese in einer Botschaft nicht mit Daten belegt. Die oben gezeichnete Tabelle heißt im HWC-Editor von ASCET „Bitmatrix“. Der Signalname, der unter Signals festgelegt wird, muss nicht mit dem Variablennamen im ASCET-Programm identisch
sein.
FZE04
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5
Mappings:
No.
Signal
ASD Message
1
2
3
x_bus
y_bus
z_bus
x_send
y_send
z_send
Unter ’Mappings’ wird schließlich festgelegt, welcher Variablenname (Name der Receivebzw. Send-Message) im ASCET-Programm dem Signalnamen auf dem CAN-Bus entspricht.
Im vorliegenden Praktikumsversuch sind Signalname und Name der zugehörigen ASCETMessage (= ASD-Message) zur einfacheren Handhabung identisch gewählt worden, was aber
sonst nicht unbedingt der Fall ist. Der Sender gibt also die Inhalte von Variablen (ASDMessages) als Signale auf den Bus. Der Empfänger speichert die Signale wieder in internen
Variablen ab.
Teil 2:Versuchsaufbau
Die Abbildung 2.1 zeigt den strukturellen Aufbau des Valvetronic-Systems. In den Valvetronic-Systemen der ersten Generation von BMW (4- und 8-Zylinder Motoren) wurden die Regelungs-, Ansteuerungs- und Diagnosefunktionen des Vollvariablen Ventiltriebs (VVT) nicht
mit in die Motorsteuerung (DME) integriert, sondern es wurde ein eigenes Steuergerät verwendet.
VALVETRONIC-Steuergerät
Motorsteuerung
CAN-Bus
Leistungsendstufe
Mikrokontroller
Winkelsensor
Stellmotor
Exzenterwelle
Abbildung 2.1: Struktureller Aufbau des Valvetronic-Systems
FZE04
Stand: 06.03.14
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FZE04
Valvetronic von
BMW
6
Da sowohl der Motorsteuerung als auch dem Valvetronic-Steuergerät wichtige Aufgaben in
der Momentenbildung des Motors zukommen, müssen diese beiden Steuergeräte in ständiger
Kommunikation zueinander stehen. Diese Kommunikation erfolgt über den im Automobilbereich häufig eingesetzten CAN-Bus. Hierbei handelt es sich um eine serielle Datenübertragung, die nach dem Multi-Master-Prinzip arbeitet. Bei diesem Prinzip sind mehrere gleichberechtigte Steuereinheiten durch eine lineare Busstruktur miteinander verbunden. Diese Struktur hat den Vorteil, dass das Bussystem bei Ausfall eines Teilnehmers für alle anderen weiterhin voll verfügbar ist.
Das Bussystem CAN adressiert Informationen bezüglich ihres Inhalts. Dazu wird jeder Botschaft ein fester Identifier zugeordnet. Der Identifier kennzeichnet den Inhalt der Botschaft.
Eine Station verwertet ausschließlich diejenigen Daten, deren zugehörige Identifier in der
Liste entgegenzunehmender Botschaften gespeichert sind. Dadurch benötigt CAN keine Stationsadressen für die Datenübertragung.
Der Sollwert der Exzenterwelle wird in den Laststeuerungsfunktionen der Motorsteuerung
(DME) ermittelt und über den CAN-Bus an das Valvetronic-Steuergerät (VVT-SG) weitergeleitet. Der im Mikrocontroller implementierte Regler ermittelt aus der Regeldifferenz des Exzenterwellenwinkels (Differenz zwischen Soll- und Istwert) ein Stellsignal für die Leistungsendstufe, welche den Stellmotor des Valvetronic-Systems ansteuert. Die Kräfte, die zwischen
Stellmotor und Exzenterwelle wirken, sind in diesem Versuchsaufbau durch eine Federkraft
dargestellt.
Der Winkelsensor ermittelt die Istposition der Exzenterwelle in Form eines analogen Wertes.
Dieser Analogwert wird digitalisert und an den Mikrocontroller des Steuergeräts weitergeleitet. Eine Auswertelogik ermittelt daraus einen quantisierten, zeitdiskreten Digitalwert, der
sowohl für den Regler benötigt wird als auch über den CAN-Bus in der Motorsteuerung für
Überwachungsfunktionen zur Verfügung steht.
In der folgenden Versuchsdurchführung wollen wir uns u.a. mit der Kommunikation und dem
Datenaustausch zwischen Motorsteuerung und Valvetronic-Steuergerät beschäftigen. Da wir
auf die aufwändige Inbetriebnahme einer Motorsteuerung verzichten wollen, werden wir die
Signale, die das Valvetronic-Steuergerät für die Funktionsfähigkeit der Motorsteuerung benötigt, auf dem CAN-Bus simulieren.
FZE04
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE04
Valvetronic von
BMW
7
Teil 3: Versuche
Um die Valvetronic Stelleinheit in Betrieb zu nehmen, wartet das VVT-Steuergerät vor der
Freigabe der Stelleinheit auf einige wichtige Botschaften von der DME. Diese werden in diesem Versuch mit Hilfe des ETAS-Tools ’LabcarDeveloper (ASCET-SD) ’ simuliert. Im ersten
Schritt soll die CAN-Kommuniktaion aufgebaut werden.
3.1 Aufbau der CAN-Kommunikation

Doppelklicken Sie auf dem Windows-Desktop auf das Icon „Real Time Execution
Connector RTC V1.8“. Das Programm wird geladen, es öffnet sich das Hauptfenster.

Öffnen Sie im Database Browser den Ordner (Topfolder) ’Valvetronic’. (Topfolder
sind durch ausgefüllte Dreiecke gekennzeichnet und können durch Klicken auf das
Dreieck geöffnet bzw. geschlossen werden).

In diesem Ordner befindet sich das Projekt ’Valvetronic’. Durch Doppelklicken auf
das Projekt ’Valvetronic’ öffnen Sie es.

In diesem Projekt sind bereits die Module ’VVT_Ansteuerung’ und ’HWC’ eingebunden. Das Modul ’VVT_Ansteuerung’ simuliert die notwendigen Botschaften für das
VVT-SG. Das HWC-Modul (Hardware-Konfiguration) ist für die Kommuniktion und
Konfiguration der Hardware (hier: des CAN-Buses) zuständig. Wir werden nun dieses
Modul spezifizieren:

Öffnen Sie hierzu im Projekt unter ’ RTIO’ (RealTime-Input-Output)  ‚OpenEditor‘ in der Kopfzeile den HWC-Editor.

Öffnen Sie unter ’ File  Open’ das File hwc_vvt.HWC. Die Meldung ’There are
errors detected in the HWC’ erscheint, da das HWC-File noch nicht fertig konfiguriert
ist und insoweit noch nicht mit der bestehenden Hardware übereinstimmt. Sie kann
mit ’OK’ ignoriert werden.

Bevor Sie etwas an dem HWC-File ändern, speichern Sie Ihr File bitte mit ’ File 
SaveAs. ’.. unter ’hwc_IhrName’. Auch hier erscheint obige Fehlermeldung ’There are
errors detected in the HWC. Do you want to cancel saving?’, die Sie mit ’Nein’ ignorieren können.

Unter ’Items’ sind bereits die notwendigen Hardware-Karten eingebunden. Wählen
Sie das Item ’CAN-IO’ an. (Falls dieses nicht angezeigt wird, werden mit einem Klick
auf das graue Dreieck die darunterliegenden Items angezeigt. Das Item ’CAN-IO’ befindet sich in der untersten Ebene). Hier wird der CAN-Bus spezifiziert und die send-/
und receive-Botschaften angelegt:
FZE04
Stand: 06.03.14
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
FZE04
Valvetronic von
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8
Unter ’Groups’ sind bereits die folgenden CAN-Botschaften eingetragen, die für die
Inbetriebnahme des Systems notwendig sind:
(1)
(2)
(3)
(4)
DME_VVT
Status_DME
Status_VVT
Dia_VVT
Im Lastenheft von BMW finden Sie zu diesen Botschaften folgende Informationen:
CAN-Botschaften des Valvetronic-Systems:
(aus Geheimhaltungsgründen werden nur Teile einzelner weniger Botschaften angegeben)
1.) DME_VVT
Identifier:
Länge:
Sender:
Empfänger:
105 (Hex)
8 Datenbytes
DME
VVT-SG
Byte-/Bitbelegung:
Bit7
Byte7
Byte6
Byte5
Byte4
Byte3
Byte2
Byte1
Byte0
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
Sollwert_VVT (Länge: 2Byte!)
Alive_DME
Checksum
Hinweise:
Checksum: die Checksumme wird von der DME berechnet und an das VVT-SG gesendet.
(wird im Versuch im Modul ’VVT_Ansteuerung’ simuliert).
Alive_DME: Alive-Zähler wird im Online-Betrieb der DME hochgezählt und ermöglicht erst
zusammen mit der Checksumme eine Freischaltung des Valvetronic-Systems.
(wird im Versuch im Modul ’VVT_Ansteuerung’ simuliert).
Sollwert_VVT:
FZE04
der Sollwert wird in der Momentenberechnung in der DME aufgrund des
Fahrerwunsches ermittelt und gibt den für den aktuellen Betriebspunkt nötigen
Exzenterwellenwinkel an.
Quanisierung:
Darstellbarerer Bereich: 0% (Nullhub) bis 99,6% (Vollhub) mit 16 Bit
Umrechnung: Physikalisch = 0.00152 * Integer-Wert [%]
Integer-Wert = 656 * Physikalischer Wert in [%]
Ungültigkeitsbezeichnung: FFFF (HEX-Wert)
Stand: 06.03.14
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FZE04
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BMW
9
2.) Status_DME
Identifier:
Länge:
Sender:
Empfänger:
1FF (Hex)
8 Datenbytes
DME
VVT-SG
Byte-/Bitbelegung:
Bit7
Bit6
Byte7
Byte6
Byte5
Byte4
Byte3
Byte2
Byte1
Byte0
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
Status_Kl15
Hinweise:
Status_Kl15 :gibt an ob im Fahrzeug Klemme 15 eingeschaltet ist. Nur bei KL 15 EIN ist
eine vollständige Inbetriebnahme des Valvetronic-Systems möglich.
Status_Kl15=0: Klemme 15 ist AUS
Status_Kl15=1: Klemme 15 ist EIN
Status_Kl15=3: Signal ungültig
3.) Status_VVT
Identifier:
Länge:
Sender:
Empfänger:
185 (Hex)
8 Datenbytes
VVT-SG
DME
Byte-/Bitbelegung:
Bit7
Bit6
Byte7
Byte6
Byte5
Byte4
Byte3
Byte2
Byte1
Byte0
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
Istwert_VVT (Länge: 2Byte!)
Alive_VVT
Hinweise:
Alive_VVT: der Alive-Zähler wird im Online-Betrieb des VVT-SGs hochgezählt und ist
Voraussetzung für einen einen funktionfähigen Betrieb des Motors mit Valvetronic.
Istwert_VVT:
FZE04
der Istwert des Exzenterwellenwinkels wird vom Sensor erfasst und im VVT_SG
ausgewertet.
Quanisierung:
Darstellbarerer Bereich: 0% (Nullhub) bis 99,6% (Vollhub) mit 16 Bit
Umrechnung: Physikalisch = 0.00152 * Integer-Wert [%]
Integer-Wert = 656 * Physikalischer Wert in [%]
Ungültigkeitsbezeichnung: FFFF (HEX-Wert)
Stand: 06.03.14
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FZE04
Valvetronic von
BMW
10
4.) Dia_VVT
Identifier:
Länge:
Sender:
Empfänger:
184 (Hex)
8 Datenbytes
VVT-SG
DME
Byte-/Bitbelegung:
Bit7
Bit6
Bit5
Byte7
Byte6
Byte5
Byte4
Byte3
Byte2
Byte1
Dia_Spg_VVT
Byte0
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
Dia_CAN_Kom
Dia_Sensor
Hinweise:
Die Botschaft Dia_VVT wird von der DME empfangen und enthält wichtige Diagnoseinformationen
über das Valvetronic-System. Je nach Fehlerzustand werden die entsprechnenden Ersatz- und Notlaufmassnahmen des Motors von der Motorsteuerung eingeleitet. Im weiteren Versuch werden wir
uns detaillierter mit dieser Diagnosebotschaft beschäftigen.
___________________________________________________________________________

Ergänzen Sie mit Hilfe obiger Angaben aus dem Lastenheft unter ’ Groups’ die entsprechenden Identifier (wie auf S. 4 beschrieben). Speichern Sie unter ’ File  Save’ Ihr HWC-File.

Ergänzen Sie unter ’ Signals’ die entsprechende Byte-/Bitbelegung für die dort angegebenen Signale (wie auf S. 4 beschrieben). In der ersten Zeile ist die Bytenummer
(Byte 0 bis 7) angegeben und in der zweiten Zeile das entsprechende Bit des o.a.
Bytes. Speichern Sie unter ’ File  Save’ Ihr HWC-File.

Bilden Sie unter ’ Mappings’ die Signale aus den CAN-Botschaften auf die im Projekt bereits angelegten ASCET-SD-Messages ab. (Hier wurde zur Vereinfachung Namensgleichheit zwischen den CAN-Botschaften und den Variablennamen im ASCETSD Modul gewählt, so dass beim Klick in das Fenster der ASD Message automatisch
die richtige Variable vorgeschlagen wird, und sie diese nur durch OK bestätigen
muss). Speichern Sie unter ’ File  Save’ Ihr HWC-File.

Nun ist die Spezifizierung des CAN-Buses beendet. Mit Hilfe des Buttons ’Generate
Code for current Experiment’ (drei blaue Sterne) können Sie automatisch C-Code generieren, der ins HWC-Modul des Projekts geschrieben wird.

Schliessen Sie unter ’ File  Close’ den HWC-Editor und kehren Sie zum Projekt
zurück.
FZE04
Stand: 06.03.14
Labor für
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FZE04
Valvetronic von
BMW
11
3.2 Inbetriebnahme des Valvetronic-Systems

Schalten Sie das Netzteil ein, welches das VVT-SG, den Valvetronic-Stellmotor und
den Sensor speist. Die Spannungsversorgung sollte etwa 12 V betragen.

Übersetzen Sie das vollständige Projekt, indem Sie den Button  ’Online Experiment’ (rechts oben in der Symbolleiste) anwählen. Eine Experimentierumgebung öffnet sich.

Mit dem blauen run-Button ’Start Ercos’ starten Sie das Echtzeit-Betriebssystem,
mit dem roten run-Button ’Start Measurement’ starten Sie die Messungen.

Um evtl. Fehlereinträge und Fehlerzähler zurückzusetzten, betätigen Sie kurz den Reset-Schalter.

Simulieren Sie ein Einschalten des Motors, indem Sie mit dem Parameter ’PARA_STATUS_KL15’ das Signal der CAN-Botschaft auf den entsprechenden Wert für
’Klemme 15 ein’ setzen (vgl. Lastenheft CAN-Botschaften S.9).

Sie wollen nun einen Exzenterwellenwinkel von 50 % anfahren. Rechnen Sie diesen
physikalischen Exzenterwellenwinkel in den entsprechenden dezimalen Integer-Wert
um. Die Umrechnungsformel finden Sie im Ausschnitt des Lastenheftes der CANBotschaften auf S. 8. Geben Sie diesen berechneten Wert im Applikationsparameter
PARA_SOLLWERT an. Mit diesem Parameter wird die Variable Sollwert_VVT überschrieben. Fahren Sie ebenso die Exzenterwellenwinkel von 25 % und 80 % an. Nehmen Sie die jeweiligen Istwerte des Sensors auf und schauen Sie sich die Regelabweichung an.
Umrechnung: Physikalischer Wert: 50 %  _______ Integer-Wert
25 %  _______ Integer-Wert
80 %  _______ Integer-Wert
Welche Istwerte messen Sie?
Sollwert: 50%  Istwert: (Integer-Wert):________  Istwert in %: _______
Sollwert: 25%  Istwert: (Integer-Wert):________  Istwert in %: _______
Sollwert: 80%  Istwert: (Integer-Wert):________  Istwert in %: _______
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3.3 Ermittlung der Verstellgeschwindigkeit des Valvetronic-Systems:
Die Dynamik des Motors ist u.a. durch die Verstellgeschwindigkeit der Exzenterwelle begrenzt. Im Folgenden wollen wir untersuchen, wie schnell das System vom Leerlauf (Nullhub) in die Vollast (Vollhub) fahren kann.
Fahren Sie dazu zunächst einen kleinen Exzenterwellenwinkel entsprechend dem Leerlauf
von 3% (Integer-Wert: 1968) an. Danach erhöhen Sie sprunghaft den Sollwert auf 94% (Integer-Wert: 61664). Lesen Sie im Oscilloscope 2 die dazu benötigte Verstellzeit des Exzenterwellenwinkels ab. (Geben Sie den Sollwertsprung unmittelbar zu Beginn des Messfensters im
Oscilloscope 2 vor und stoppen Sie die Messung unmittelbar vor Ende des Messfensters um
die Ablesung durchführen zu können).
Die Vertsellzeit beträgt etwa: ________ ms.
3.4 Alive-Zähler der DME und des VVT-SGs:
Die Alive-Zähler im Oszilloscope 1 geben die Betriebsbereitschaft des jeweiligen Steuergeräts an. Sobald das Steuergerät im Online-Modus ist, wird dieser Alive-Zähler hochgezählt
und auf dem CAN übertragen. Damit erhalten alle anderen Steuergeräte die Information über
die Betriebsbereitschaft des sendenen Steuergeräts. Für den Fall, dass der Alive-Zähler des
Valvetronic-Steuergeräts nicht aktiv ist, d.h. dass das Steuergerät nicht betriebsbereit ist, wird
eine entsprechende Ersatzmaßnahme eingeleitet.
Bei einem Ausfall des Valvetronic-Systems wird versucht, die Exzenterwelle auf Vollhub zu
fahren und über die Drosselklappe (die beim Valvetronic-System der ersten Generation noch
weiterhin verbaut ist) einen normalen Motorbetrieb zu gewährleisten. Diese Ersatzmaßnahme
sehen Sie hier im Versuchsaufbau allerdings nicht, da wir keine reale DME verbaut haben,
von der sie eingeleitet wird.
Wie verhalten sich die Alive-Zähler der DME (wird hier im Versuchsaufbau im LabcarDeveloper simuliert) und des Valvetronic-Steuergerätes (wird im Online-Modus vom VVTSteuergerät erzeugt)? Schauen Sie im Lastenheft nach, durch wie viele Bit diese Alive-Zähler
dargestellt werden und beschreiben Sie deren Verlauf:
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FZE04
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Was passiert mit dem Alive-Zähler des VVT-Steuergeräts, wenn die Spannungsversorgung
ausfällt (Bordspannung auf 0V drehen)?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Welche Mindestspannung benötigt das VVT-Steuergerät? (Diese können Sie bestimmen, indem Sie die Bordspannung von 12 V langsam verringern und schauen, bis zu welchem Spannungswert der Prozessor des VVT-Steuergeräts noch arbeitet).
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
3.5 Diagnosebotschaften des Valvetronic-Systems:
Nachdem Sie die Versorgungsspannung wieder auf etwa 12 V eingestellt haben, betätigen Sie
den Reset-Schalter um den vorher simulierten CAN-Bus-Fehler zurückzusetzen.
Die Diagnose läuft im VVT-Steuergerät. Hier werden Fehler des Valvetronic-Systems erkannt
und der DME in einer Botschaft mitgeteilt (Dia_VVT). Schauen Sie sich die Diagnosebotschaft im Lastenheft auf S. 10 an. Für die einzelnen Komponenten werden 4 Bit reserviert,
mit der eine ausführliche Beschreibung des Fehlers ermöglicht wird. (Um nur anzuzeigen, ob
eine Komponente funktionsfähig ist, würde ein Bit pro Komponente ausreichen. Mit 4 Bit
sind 16 Zahlenwerte darstellbar, wobei jeder mögliche Fehler durch einen eigenen Zahlenwert
gekennzeichnet werden kann).
Welche Werte nehmen die Diagnosebotschaften im fehlerfreien Zustand an?
Dia_Sensor:
Dia_Spg_VVT:
Dia_CAN_Kom:
________
________
________
Nun soll ein Sensor-Fehler erzeugt werden. Betätigen Sie hierzu kurz den Schalter „Störung“
(dadurch wird die Unterbrechung einer Sensorleitung simuliert) und beobachten Sie dabei die
vom VVT-Steuergerät gesendete Diagnosebotschaft.
Wie verändert sich das Dia_Sensor-Signal der Diagnosebotschaft?
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Alle Diagnosebotschaften werden von der Motorsteuerung ausgewertet und bei Fehlererkennung ein Fehlereintrag im Fehlerspeicher vorgenommen. Dieser kann in der Werkstatt ausgelesen. So kann auf einfache Weise der Fehler diagnostiziert werden.
Um einen CAN-Kommunikationsfehler zu erzeugen, simulieren wir einen falschen AliveZähler der DME. Bei sonst korrekten CAN-Signalen der DME (Checksum, Status_Kl15,...)
geht das Valvetronic-Steuergerät davon aus, dass die CAN-Verbindung nicht korrekt arbeitet.
Um den Alive-Zähler der DME auszuschalten, setzen Sie den Schalter ’BED_ALIVE_DME’
auf ’false’. Dadurch wird die Variable Alive_DME konstant zu Null gesetzt. Wie verändert
sich die Diagnosebotschaft Dia_CAN_Kom?
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CANalyzer
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Versuch: CANalyzer
Zielsetzungen:
-
Inbetriebnahme eines CAN-Bussystems
Grundverständnis des CAN-Bussystems
Erzeugen von CAN-Botschaften
Auflistung des Busdatenverkehrs (Tracing)
Statistische Auswertung von Botschaften und Busstörungen
Aufzeichnung von CAN-Botschaften
Teil 1: Grundlagen
1.1
CAN-Botschaften
Eine CAN-Botschaft enthält folgende Felder (Frames):
t
Startbit
KenntnisnahmeBotschaftsende
Feld
CRC-Feld
Kontrollfeld
Vermittlungsfeld
Datenfeld
Abb. 1.1: Aufbau eine CAN-Botschaft
Der Benutzer muss im wesentlichen davon nur zwei Felder mit Daten versehen: Das Vermittlungsfeld mit dem Identifier (11 Bit) und das Datenfeld (8 Byte = 64 Bit) mit den zu übertragenden Daten. Ein Datenfeld kann untergliedert sein in Signale. Ein Signal ist die kleinste
Einheit im Datenfeld. So könnte z.B. ein Datenfeld für die gleichzeitige Übertragung der vier
Raddrehzahlen (Signale: n_VR, n_VL, n_HR und n_HL) mit einer Auflösung von je 16 Bit
folgendermaßen aufgebaut sein:
Byte 7
7
6
5
4
3
2
1
Byte 6
0
7
6
5
4
3
2
n_HR
1
Byte 5
0
7
6
5
4
3
2
1
Byte 4
0
7
6
5
n_HL
4
3
2
1
Byte 3
0
7
6
5
4
3
2
Byte 2
1
0
7
6
5
n_VR
4
3
2
Byte 0
Byte 1
1
0
7
6
5
4
3
2
1
0
7
6
5
4
3
2
1
n_VL
Abb. 1.2: Beispiel einer CAN-Botschaft mit Radsensorsignalen
1.2
CANalyzer
Der CANalyzer ist ein universelles Entwicklungswerkzeug für Bussysteme, mit dessen
Hilfe der Datenverkehr auf der Busleitung beobachtet, analysiert und ergänzt werden kann.
Durch freie Programmierbarkeit kann das Programm auf die Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden.
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Mausbedienung
Alle Blöcke und einige Sinnbilder im aktiven Messaufbaufenster sind maussensitiv. Werden
sie durch Klicken mit der linken Maustaste ausgewählt, so wird das so vorgewählte Element
durch einen Rahmen als aktives Element gekennzeichnet. Durch Klicken mit der rechten
Maustaste erscheint dann ein Kontextmenü, über das nach den oben beschriebenen Methoden
das Objekt konfiguriert wird. Alternativ dazu kann durch doppeltes Klicken mit der linken
Maustaste auch direkt der Konfigurationsdialog des aktiven Blockes aufgerufen werden.
Tastenbedienung
Wird bei aktivem Messaufbaufenster <Tab>, <Shift-Tab> oder eine der Cursortasten
betätigt, so wird der Vorwahlrahmen um das gerade aktive Element weitergeschaltet. <Tab>
bewirkt ein Weiterschalten in (<Shift-Tab>: entgegen) der internen Abarbeitungsreihenfolge.
Die Cursortasten schalten zum geometrisch nächstliegenden Element in Pfeilrichtung weiter.
Durch Betätigen von <F10> erscheint das Kontextmenü des aktiven Elements. Alternativ dazu kann mit der Eingabetaste auch direkt der Konfigurationsdialog des aktiven Blockes aufgerufen werden. Mit der Leertaste können Sie den vorausgewählten Funktionsblock im Messaufbau deaktivieren, bzw. nach erneuten Drücken wieder aktivieren. Mit <Ctrl-F6> und <CtrlShift-F6> können Sie jedes geöffnete Fenster des CANalyzer in den Vordergrund holen und
aktivieren.
Alle Fenster der Applikation lassen sich jederzeit, d.h. auch während der Messung, verschieben, vergrößern, verkleinern, öffnen und wieder schließen. Zum Verschieben ziehen (= linke
Maustaste drücken und während des Verschiebens gedrückt halten) Sie die Titelleiste des
betreffenden Fensters einfach an die neue Position. Um die Größe des Fensters zu verändern,
ziehen Sie an den Seiten bzw. Ecken des Fensters. Alternativ können Sie diese Aktionen auch
mit der Tastatur nach Aufruf des Systemmenüs (Drücken von <Alt>-<SPACE> bzw. <Alt><->) vornehmen.
Menüs
Wichtige Grundfunktionen des CANalyzers rufen Sie über das Hauptmenü auf. Die einzelnen
Menüpunkte werden in der Online Hilfe ausführlich beschrieben. Daneben gibt es in den oben
beschriebenen Auswertefenstern und im Datenflussplan im Messaufbaufenster weitere kontextsensitive Menüs, die es ermöglichen, bestimmte Objekte gezielt zu konfigurieren. Diese
Menüs werden durch Klicken mit der rechten Maustaste im aktiven Fenster bzw. im Messaufbaufenster auf den aktiven Block geöffnet. Über die Tastatur lässt sich dies durch Drücken
von <F10> erreichen. Die meisten Blöcke im Messaufbaufenster lassen sich durch Auswählen
des ersten Eintrags im Kontextmenü Konfiguration parametrieren. Dazu wird der Konfigurationsdialog des Blocks geöffnet. Sie können diesen Dialog auch ohne Umweg über das Kontextmenü ausführen, indem Sie auf den aktiven Block doppelklicken oder die Eingabetaste
drücken.
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Dialoge
Neben der Kommandoeingabe, die in der Regel über Menüeinträge erfolgt, gibt es noch Parametereingaben. Parameter werden in der Regel über Dialoge vorgegeben. Ein Dialog besteht im allgemeinen aus sechs Feldtypen, die jeweils mehrfach auftreten können: Alle Dialoge besitzen Schaltflächen mit der Bezeichnung [OK], [Abbrechen] und [Hilfe]. Wenn Sie
[OK] drücken, werden die Einstellungen, die Sie im Dialog vorgenommen haben, in die Konfiguration des jeweiligen Blocks übernommen. Drücken Sie [Abbrechen], so gehen alle Einstellungen verloren, die Sie seit dem letzten Öffnen des Dialogs vorgenommen haben. Abb.
1.1 zeigt ein typisches Dialogfeld.
Abb. 1.3: Typisches Dialogfeld des CANalyzers
Durch die Programmierbarkeit ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten:
Emulation einer Busstation:
Dazu kann der CANalyzer die für den Datenverkehr relevanten Funktionen einer Busstation nachbilden, z.B. Senden von Botschaften als Folge bestimmter Ereignisse.
Emulation der Systemumgebung für den Test einer Busstation:
Bei der Entwicklung von Geräten mit Busanschluss entsteht das Problem,
dass für Tests die restlichen Busteilnehmer noch nicht verfügbar sind.
Zur Emulation der Systemumgebung kann mit Hilfe des CANalyzers der
Datenverkehr aller restlichen Stationen nachgebildet werden.
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Verbindungselement zwischen zwei Bussen:
Damit können Daten zwischen verschiedenen, evtl.
unterschiedlich schnellen CAN Bussen ausgetauscht
werden. Eine andere Zielanwendung ist die Zwischenschaltung des CANalyzers zwischen eine zu
testende Busstation und den eigentlichen Bus zur
Beobachtung und testweisen Manipulation des Datentransfers.
Testgenerator zur Untersuchung des Physical Layers:
Es ist möglich, die Botschaften gezielt auf die beiden Busanschlüsse des CANalyzers zu verteilen und eine echte (lange) Busleitung
anzuschließen. Dadurch lassen sich auch sehr einfach Versuche mit
der Arbitrierung oder mit Leitungsreflexionen durchführen.
Die Konfigurierung von Messungen und Auswertungen erfolgt vorwiegend im Messaufbaufenster, das den Datenflussplan des CANalyzers für den jeweiligen Betriebsmodus darstellt.
Abb. 1.4: Datenflussplan (Messaufbau) des CANalyzers
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5
Teil 2: Versuchsaufbau
2.1
Einrichten und Starten des CANalyzers
Bitte nehmen Sie den CANalyzer nach der folgenden Anleitung in Betrieb.
In allen folgenden Übungen werden Sie einen Messaufbau verwenden, bei dem ein Netzknoten aus den beiden auf der CAN-Karte vorhandenen CAN-Controllern aufgebaut wird. Verbinden Sie dazu die Ausgänge der beiden CAN-Controller wie in Abb. 2.1 gezeichnet. Da
beide Controller absolut unabhängig voneinander sind, erhält man auf diese Weise ein CANBussystem mit zwei Teilnehmern.
Anschlusskabel
Verbindungskabel
PCMCIAKarte
Abb. 2.1: Verbindung der beiden CAN-Controller
Zum Start des CANalyzers rufen Sie CANW32.EXE durch Doppelklicken auf das entsprechende Symbol in der CANalyzer Programmgruppe auf. CANalyzer verfügt über verschiedene Auswertefenster (Trace Fenster, Daten Fenster, Grafik Fenster, Statistik und Busstatistik
Fenster) sowie ein Messaufbaufenster, das Ihnen den Datenfluss im CANalyzer anzeigt und
über das Sie den CANalyzer gleichzeitig konfigurieren können. Sie erreichen alle Fenster des
CANalyzers über das Menü Ansicht in der Hauptmenüzeile.
Abb. 2.2: Menü Ansicht – Hauptmenüzeile
Das Datenflussdiagramm des CANalyzer Messaufbaus (Abb. 1.4) enthält links die Datenquelle – symbolisiert durch das Symbol einer PC Einsteckkarte – und rechts verschiedene Auswerteblöcke als Datensenken. Die Daten fließen also von rechts nach links. Zur Veranschaulichung des Datenflusses sind zwischen den einzelnen Elementen Verbindungsleitungen und
Verzweigungen eingezeichnet. Die Informationen die in jedem Auswerteblock eintreffen,
werden im zugehörigen Auswertefenster dargestellt. So stellt z.B. das Trace-Fenster alle Informationen dar, die im Traceblock ankommen, während das Grafik-Fenster die Informationen anzeigt, die im Grafikblock eintreffen.
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Einzige Ausnahme ist der Logging-Block, dem kein Fenster, sondern eine Datei zugeordnet
ist, in der die am Block eintreffenden Daten aufgezeichnet werden. Auf der linken Seite des
Messaufbaus zweigt hinter dem Kartensymbol der Sendezweig des CANalyzers ab. Von hier
aus können Sie Daten auf den Bus senden. Der Datenfluss verläuft im Sendezweig stets von
oben nach unten. Im Datenflussdiagramm erkennen Sie ferner kleine schwarze Quadrate:
An diesen Einfügepunkten (Hot-Spots) können Sie weitere Funktionsblöcke zur Manipulation des Datenflusses (Filter, Replay, Generatorblock, CAPL Programmblock mit benutzerdefinierbaren Funktionen) einfügen. Stellen Sie sicher, dass Sie diesen Versuch mit einer neuen
Konfiguration beginnen, indem Sie den Menüpunkt Datei ¦Konfiguration neu auswählen.
Wählen Sie die Vorlage Default Template.
Zuerst müssen die Busparameter festgelegt werden (Übertragungsgeschwindigkeit, Abtastzeitpunk), die an jedem der beiden beteiligten Controller eingestellt werden müssen. Holen
Sie zu diesem Zweck den Messaufbau über das Menü Ansicht in den Vordergrund, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das PC Kartensymbol links in diesem Fenster. Im sich
öffnenden Kontextmenü klicken Sie auf Kanal Konfiguration.
Wählen Sie im Kontextmenü die Busparameter zunächst für den ersten Controller CAN 1
über Klicken auf „+“ und danach auf Setup und stellen Sie im Konfigurationsdialog zunächst
die Baudrate ein. Tragen Sie den Wert 500 kBaud ein.
Abb. 2.3: Fenster zur Konfiguration der Busparameter
Der CANalyzer schlägt Ihnen Standardwerte für die Controller Register vor. Damit haben Sie
neben der Übertragungsgeschwindigkeit von 500 kBaud implizit auch die anderen ControllerParameter (Abtastzeitpunkt, BTL Zyklen und Synchronisationssprungweite) festgelegt. Damit
das Gesamtsystem funktionieren kann, müssen diese Werte genau so für den zweiten Controller CAN 2 übernommen werden. Bestätigen Sie die Werte mit [OK].
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Teil 3: Versuche
1. Übung: Erzeugen und Empfangen einer CAN-Botschaft
Der CAN-Controller 1 soll so konfiguriert werden, dass er alle 100 ms eine Botschaft mit
dem Identifier 64 (hex) aussendet. Die Botschaft soll dabei acht unveränderliche Datenbytes mit den Werten 40 (hex), 2 (hex), 46 (hex), 2 (hex), 48 (hex), 2 (hex), 49 (hex) und
2 (hex) enthalten (später werden Sie sehen, dass dies die Frequenzen von vier Raddrehzahlgebern sind, allerdings rein stationär). Die vom Controller 1 gesendeten und vom
Controller 2 empfangenen Daten sind im Trace-Fenster darzustellen.
Öffnen Sie im Menü Ansicht das Fenster Messaufbau. Fügen Sie im Sendezweig des CANalyzers einen Generatorblock ein, der die zu sendende Botschaft generiert. Klicken Sie dazu
mit der rechten Maus auf den Hot-Spot im Sendezweig direkt über dem Block mit der Aufschrift Senden und fügen Sie über das Kontextmenü des Hot-Spots einen Generatorblock in
den Sendezweig ein.
Abb. 3.1: Kontextmenü des Hot-Spot im Sendezweig
Dieser erscheint danach im Datenflussplan als quadratischer Block mit der Aufschrift G. Sie
konfigurieren ihn wiederum über sein Kontextmenü, das Sie über die rechte Maustaste erhalten. Füllen Sie zunächst die Sendeliste aus. Als Identifier tragen Sie 64 ein. (Überprüfen Sie
über die Schaltfläche [Optionen], ob das Zahlenformat Hex eingestellt ist.) Als Datenlängenangabe tragen Sie danach im Feld DLC den Wert 8 ein. Die Werte der Datenbytes legen Sie
schließlich in den folgenden acht Datenfeldern fest, indem Sie dort die Werte 40, 2, 46, 2, 48,
2, 49 und 2 eintragen.
Damit haben Sie neben dem dynamischen Verhalten (Baudrate) folgenden Felder der CANBotschaft Werte zugewiesen:
Vermittlungsfeld  Identifier,
Kontrollfeld  Anzahl der Datenbytes,
Datenfeld  Werte der Datenbytes.
Um die restlichen Felder der CAN-Botschaft müssen Sie sich als Anwender nicht kümmern,
deren Inhalte werden vom CAN-Controller automatisch generiert.
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Abbildung 3.2: Sendeliste Generatorblock
Verlassen Sie die Sendeliste mit [OK], um die Werte in die Konfiguration zu übernehmen. Im
Kontextmenü des Generatorblocks müssen Sie nun noch die Auslösung für den Sendevorgang
konfigurieren. In der zweiten Zeile aktivieren Sie das Kontrollfeld Mit Periode, wobei Sie
anschließend im Eingabefeld rechts daneben den Wert 100 eintragen.
Abbildung 3.3: Auslösung Generatorblock
Mit [OK] werden auch diese Werte in die Konfiguration übernommen. Bevor Sie die Messung starten, sollten Sie Ihre bis hierhin vorbereitete Konfiguration mit dem Menüeintrag Datei|Konfiguration speichern abspeichern. Sie können die Konfiguration dann jederzeit wieder
laden und Ihre Arbeit genau an diesem Punkt fortführen.
Starten Sie die Messung, indem Sie den Startknopf in der Symbolleiste anklicken. Der
CANalyzer beginnt unmittelbar mit dem periodischen Senden der Botschaft, die Sie im Generatorblock konfiguriert haben. Sie erkennen dies im Trace-Fenster, das nach Messungsstart
automatisch in den Vordergrund springt und nun rechts unten im CANalyzer zu sehen ist: In
der ersten Zeile sehen Sie die Botschaft, die vom Generatorblock gesendet wird, wobei in der
ersten Spalte der Sendezeitpunkt relativ zum Messungsstart angezeigt wird. Abb. 3.4 zeigt ein
typisches Trace-Fenster.
Abb. 3.4: Trace-Fenster
Die Daten im Trace-Fenster lassen sich auf unterschiedliche Weise darstellen. Klicken Sie mit
der rechten Maustaste auf das Trace-Fenster und dann auf Konfiguration. Es öffnet sich ein
Kontextmenü (Abb. 3.5).
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Abb. 3.5: Konfigurationsfenster
Führen Sie die eben jeweils eine Messung mit den Einstellungen
- Zeitlich folgend
- Zeitlich folgend, zyklischer Update
- Feststehend
- Feststehend, zyklischer Update
durch und beobachten Sie die Unterschiede.
Hinweis: Das Umschalten von Feststehend auf Zeitlich folgend und zurück lässt sich auch
durch Anklicken des Symbols
in der Kopfzeile erreichen.
Unterschiede:
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
Die zweite Spalte (Chn) zeigt Ihnen an, über welchen der beiden CAN Controller gesendet
wird. Vom zweiten CAN-Controller, dem Empfänger, ist im Moment noch nichts im TraceFenster zu sehen.
Die Botschaften gelangen sehr wohl zum zweiten CAN-Controller, aber er akzeptiert sie noch
nicht. Die Akzeptanzfiltereinstellungen bestimmen die hardwareseitige Filterung der Botschaften. Die Standardeinstellungen sperren den Botschaftsempfang weitgehend. Sie öffnen
diesen Dialog wiederum über das Kontextmenü des PC Kartensymbols im Messaufbau
(Rechtsklick) unter dem Eintrag Kanal Konfiguration|CAN-2 |Filter.
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Abb. 3.6: Konfiguration des Akzeptanzfilters
Füllen Sie im Akzeptanzfilter für Standardbotschaften das Feld ID mit xxxxxxxxxxx (11 Zeichen). Unter Code und Maske muss jeweils 000 stehen. Nach erneutem Messungsstart können
Sie nun auch erkennen, dass die über Kanal 1 gesendete Botschaft (Sendeattribut Tx [=
Transmit] im Trace Fenster) vom zweiten Controller empfangen wird (Empfangsattribut Rx
[= Receive] im Trace Fenster). Auch hier kann man wieder die verschiedenen Darstellungsarten des Trace-Fensters wie oben beschrieben umstellen.
2. Übung: Statistische Auswertungen
Zusätzlich zu der vorhandenen Botschaft soll durch den CAN-Controller 1 eine weitere mit
dem Identifier 39a (hex) im 200-ms-Raster generiert werden. Dabei soll das erste und einzige Datenbyte zyklisch den Wert 1 bis 5 annehmen. Es werden die statistischen Anzeigemöglichkeiten des CANalyzers untersucht.
Fügen Sie einen weiteren Datengeneratorblock vor oder hinter dem ersten ein. Als Wert für
die periodische Auslösung wählen Sie 200 ms.
Abb. 3.7 Generator-Sendeliste
Starten Sie die Messung und sehen Sie sich das Trace-Fenster im Modus Zeitlich folgend,
zyklischer Update an.
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Neben dem Trace-Fenster bietet auch das Statistikfenster wichtige Informationen über den
Busverkehr. Öffnen Sie mit Ansicht|Statistik das Statistikfenster.
Abb. 3.8: Statistik-Fenster
Für CAN 1 werden 10 Botschaften pro Sekunde mit Identifier 64(hex) und 5 Botschaften pro
Sekunde mit dem Identifier 39a (hex) ermittelt, was ja genau den eingegebenen Zeitabständen
von 100 ms bzw. von 200 ms entspricht. Die blaue Farbe kennzeichnet gesendete Botschaften. Unter CAN 2 findet man dieselben Werte, aber hier in Rot (empfangene Botschaften).
Beachten Sie bitte, dass auf der Abszisse die Identifier als Hex-Werte dargestellt sind.
Über diese grafische Anzeige hinaus bietet Ihnen das Statistikfenster des CANalyzers eine
exaktere Statistik in Textform. Dazu rechtsklicken Sie bei gestoppter Messung auf das Statistikfenster und aktivieren die automatische Ausgabe des Statistikprotokolls.
Abb 3.9: Konfiguration des Statistikprotokolls
Nach erneutem Start der Messung wird nun im Hintergrund die Messung ausgewertet. Die
Ergebnisse werden in das Write-Fenster (Ansicht|Write) geschrieben.
Abb. 3.10: Statistikprotokoll
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Weitere statistische Informationen bietet Ihnen das Fenster Busstatistik (Anzeige|Busstatistik).
Abb. 3.11: Busstatistik-Fenster
Besonders interessant sind hier die durchschnittliche Last des Busses (Busload) und die Spitzenlast (Peakload).
3. Übung: Arbeiten mit symbolischen Daten
Den Identifiern der CAN-Botschaften sollen symbolische Namen zugeordnet werden.
Signale mit symbolischen Namen sind in CAN-Botschaften einzufügen.
Eine CAN-Botschaft ist durch ihren Identifier eindeutig gekennzeichnet. Der Bus benötigt
und verwendet darüber hinaus keine weiteren Namen. Für den Menschen sind aber mehrstellige Dual-, Hexadezimal- oder Dezimalzahlen sehr schlecht zu merken und mit ihrer Bedeutung zu verknüpfen. Deshalb ist es üblich, den Botschaften symbolische Namen wie z.B. für
die Raddrehzahlen n_Rad zuzuordnen. Der CANalyzer bietet diese Möglichkeit, indem er die
Zuordnung der symbolischen Namen zu den Identifiern in einer Datenbank verwaltet.
Das Datenfeld einer CAN-Botschaft enthält 8 Byte = 64 Bit. Es liegt nahe, zur besseren Ausnutzung der Übertragungskapazität dieses Datenfeld mit mehreren Messwerten zu belegen.
Deshalb gibt es noch eine kleinere Einheit, das Signal. Eine Botschaft kann mehrere Signale
enthalten, die im Empfänger der Botschaft wieder getrennt werden müssen. Auch für Signale
gibt es im Rahmen einer festgelegten Syntax frei wählbare Namen, die ebenfalls in der o.g.
Datenbank verwaltet werden.
Die Datenbank kann man sich als „Reisebüro“ vorstellen, das in einem Bus mit 64 Sitzplätzen
(Datenfeld) für verschiedene „Reisegruppen“ (Signale) Sitzplätze reserviert. Die Reisegruppen müssen die reservierten Sitzplätze, und nur diese, belegen. Der Empfänger kann die Reisegruppen dann anhand der nummerierten Sitzplätze identifizieren.
In dieser Übung sollen einfache Grundbegriffe der CANalyzer-Datenbank vermittelt werden.
Die wirkliche Leistungsfähigkeit der Datenbank geht weit über diese Grundlagen hinaus.
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Öffnen Sie den Datenbankeditor mit Datei|CANdb Editor öffnen. Erstellen Sie eine neue Datenbank mit Datenbank erstellen. Wählen Sie eine leere Vorlage EmptyTemplate.dbc. Geben
Sie Ihrer Datenbank einen Dateinamen (z.B. Wheelspeed) und speichern Sie die Datenbank
ab. Es öffnet sich das Übersichtsfenster.
Abb. 3.12: Übersichtsfenster der CAN-Datenbank
Generieren Sie eine neue Botschaft namens Speed durch Rechtsklick auf Botschaften. Weisen Sie im Eingabefenster den Identifier (ID) 64 (hex) zu und unter DLC (Anzahl der Datenbytes) den Wert 8. Sie ahnen sicher schon, dass Sie damit unserer Botschaft aus Übung 1 den
Namen Speed zugeordnet haben. Identifier und Länge müssen natürlich übereinstimmen.
Abb. 3.13: Spezifikation der Botschaft Speed
Spezifizieren Sie analog dazu eine zweite Botschaft Ramp mit ID 39a (hex) und DLC 1 (nur
ein Byte belegt, wie in Übung 1).
Generieren Sie je ein Signal f_VL, f_VR, f_HL und f_HR durch Rechtsklick auf Signale und
Eingabe des Signalnamens und der Länge von 16 Bit. Spezifizieren Sie ein weiteres Signal
Rampsignal mit einer Länge von 8 Bit. Nun müssen die Signale den Botschaften in der richtigen Lage und Anordnung zugeordnet werden. Markieren Sie dazu im linken Teil des Fensters Signale und ziehen Sie die Radsignale f_VL, f_VR, f_HL und f_HR auf die Botschaft
Signale im rechten Teil mit der Maus auf die Botschaft Speed. Das Signal Rampsignal ziehen
Sie auf die Botschaft Ramp. Im linken Fensterteil müssen unter den Botschaften nach Klicken
auf das +-Zeichen die Signale eingetragen sein.
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Abb. 3.14: Zuordnung der Signale zu den Botschaften
Durch Doppelklicken auf den Signalnamen im linken Fensterteil können Sie sich nun überzeugen, dass die Startbits richtig eingetragen sind (0 für f_Vl, 16 für f_VR, 32 für f_HL und
48 für f_HR sowie 0 für Rampsignal). Speichern Sie nun die Datenbank ab und beenden Sie
den Datenbankeditor.
Im CANalyzer müssen Sie nun die Datenbank Ihren Botschaften zuordnen, indem Sie Datei|Datenbasis zuordnen ... anklicken. Nach Hinzufügen und Auswahl Ihrer eben erstellten
Datenbank sehen Sie nun im Trace-Fenster unter Name die in der Datenbank spezifizierten
Botschaftsnamen.
Die einzelnen Signale kann man sich nun ebenfalls darstellen. Doppelklicken Sie hierzu im
Messaufbaufenster den Block Daten. Es öffnet sich ein leeres Fenster. Rechtsklicken Sie in
das Fenster und dann auf Konfiguration. Im sich öffnenden Fenster Datenfenster Konfiguration können Sie nun Ihre Signale eintragen. Tragen Sie alle oben spezifizierten Signale nach
dem Schema Neues Signal, Signal im Fenster Auswahl von Signalen doppelklicken, Anzeigetyp Physikalisch ein. Wenn Sie nun die Messung starten, sehen Sie im Datenfenster die
konstanten Frequenzen der simulierten Raddrehzahlgeber und das Rampsignal, welches von
zyklisch von 1 bis 5 durchzählt.
Abb 3.15: Datenfenster mit angezeigten Signalen
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Fahrzeugmechatronik
FZE05
CANalyzer
15
4. Übung: Fortgeschrittene Darstellungsarten
Es sollen physikalische Werte in andere umgerechnet und im Datenfenster ausgegeben
werden. Der zeitliche Verlauf eines Signals ist grafisch darzustellen.
In Abb. 3.15 werden die Frequenzen der Raddrehzahlgeber in Hz angezeigt. Es könnte aber
auch interessant sein, die Umfangsgeschwindigkeiten der Räder anzuzeigen. Dazu bietet der
CANalyzer eine Umrechnungsmöglichkeit.
Rechtsklicken Sie in das Datenfenster, dann auf Konfiguration. Klicken Sie auf f_VL und
geben Sie nach Definieren... den Faktor 0,15 ein. Dieser Faktor entspricht einem Rad mit 2m
Umfang und einem Impulsgeber mit 48 Zähnen. Geben Sie als Einheit km/h ein.
Abb. 3.16: Botschafts- und Signalparameter
Auch eine grafische Anzeige des zeitlichen Verlaufs der Signale ist möglich. Dies können Sie
am Beispiel des Signals Rampsignal ausprobieren (bei den konstanten Radsignalen ist die
grafische Darstellung uninteressant). Doppelklicken Sie im Messaufbaufenster auf den Block
Grafik. Es öffnet sich das Grafikfenster. Rechtsklick auf dieses Fenster und Signale auswählen anklicken. Signal neu, dann Rampsignal auswählen. Nach dem Start der Messung kann
man den Signalverlauf beobachten. Ein Rechtsklick auf das Grafikfenster bietet vielfältige
Einstellmöglichkeiten. So kann man z.B. mit Einpassen eine automatische Skalierung der
Achsen erreichen und mit Y-Achse ein/ausschalten die Y-Achse beschriften.
Abb. 3.17: Grafische Darstellung eines Signals
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Stand: 06.03.14
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FZE06
Direkteinspritzender Ottomotor
1
Versuch: DI (Direkteinspritzender Ottomotor)
Voraussetzungen:
-
Grundkenntnisse der Vorlesungen Verbrennungsmotoren, Elektrotechnik, Elektronik
und Messtechnik
Zielsetzungen:
-
Inbetriebnahme einer FSI-Einspritzanlage
Vertiefung des Grundverständnisses eines Benzin-Direkteinspritzsystems
Funktionsweise elektronischer Komponenten
Teil 1: Grundlagen
Benzin-Direkteinspritzung Motronic MED 7
1.1 Systemübersicht mit den wesentlichen Komponenten
In Abbildung 1.1 ist eine Systemübersicht zu sehen, in der die wesentlichen Komponenten der
Benzin-Direkteinspritzung Motronic MED 7 aufgezeigt sind.
Abb. 1.1: Systemübersicht mit Bauteilen
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FZE06
Direkteinspritzender Ottomotor
2
Das Hochdruck-Einspritzsystem für Ottomotoren basiert auf dem Rail, einem Kraftstoffverteiler, den eine Hochdruckpumpe auf einen geregelten Druck bis zu 120 bar auflädt. Der
Kraftstoff kann deshalb zu jedem Zeitpunkt über elektromagnetische Einspritzventile direkt in
den Brennraum eingespritzt werden.
Die angesaugte Luftmasse ist über die elektronisch gesteuerte Drosselklappe (E-GAS) frei
einstellbar und wird mit Hilfe eines Luftmassenmessers ermittelt. Zur Gemischkontrolle dient
die Breitband-Lambda-Sonde LSU im Abgasstrom vor den Katalysatoren, die einen Bereich
zwischen Lambda = 0,8 und unendlich erfassen kann.
Gesteuert von ihren Messwerten regelt das elektronische Motorsteuergerät MED 7 die beiden
hauptsächlichen Betriebsarten des Ottomotors mit Direkteinspritzung:


"Schichtladebetrieb" mit Lambda-Werten größer als 1 und
"Homogenbetrieb" bei Lambda = 1
Besonderes Know-how steckt auch in dem Hochdruck-Einspritzventil der Motronic MED 7.
Verglichen mit der herkömmlichen Saugrohr-Einspritzung muss im Volllastbetrieb die gesamte Kraftstoffmenge in viel kürzerer Zeit eingespritzt werden.
Abb. 1.2: Einspritzung im Brennraum bei den verschiedenen Betriebsarten
Bei Schichtladebetrieb in der Teillast ist die verfügbare Zeit deutlich kürzer; insbesondere im
Leerlauf müssen durch den niedrigeren Kraftstoffverbrauch Einspritzzeiten von weniger als
0,5 Millisekunden realisiert werden. Das ist nur ein Fünftel der verfügbaren Zeit bei Saugrohreinspritzung. Trotzdem ist der Kraftstoff sehr fein zu zerstäuben, um in dem kurzen Augenblick zwischen Einspritzung und Zündung ein optimales Gemisch erzeugen zu können. So
sind die Kraftstofftröpfchen bei Direkteinspritzung im Durchmesser kleiner als 20 TausendsFZE06
Stand: 06.03.14
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FZE06
Direkteinspritzender Ottomotor
3
tel mm. Das ist nur ein Fünftel der Tröpfchengröße, die bei herkömmlicher Saugrohreinspritzung erreicht wird, und ein Drittel des Durchmessers eines Menschenhaares.
Wichtiger noch als die feine Zerstäubung ist die gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Einspritzstrahl, um eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung zu erzielen. Diese Anforderungen an die Einspritzventile können heute nur mit neuester und extrem präziser Fertigungstechnik erfüllt werden.
1.2 Funktion und Betriebsstrategie der Motronic MED
Während konventionelle Ottomotoren auf ein homogenes Luft/Kraftstoffgemisch im Verhältnis 14,7:1, entsprechend dem Wert Lambda = 1, angewiesen sind, können nach dem Schichtladekonzept arbeitende direkteinspritzende Motoren im Teillastbereich durch gezielte Ladungsschichtung mit hohem Luftüberschuss betrieben werden. Dabei erzielt man einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch.
Schichtladebetrieb:
Bei dieser Betriebsart wird das Gemisch um die zentral im Brennraum positionierte Zündkerze konzentriert, in den Randbereichen des Brennraums befindet sich reine Luft. Die damit
verbundene Verbrauchseinsparung resultiert zum einen aus der Entdrosselung des Motors (die
Drossenklappe ist nahezu vollständig geöffnet), zum anderen in nicht unerheblichem Maße
aus den minimierten Wärmeverlusten, die durch die zentral im Brennraum ablaufende Verbrennung mit umgebender isolierender Lufthülle ermöglicht werden. Beim FSI-Motor von
Volkswagen wird zur Darstellung einer gezielten Luftströmung ein schaltbares TumbleSystem eingesetzt. Das sogenannte "Tumble-Blech" (eine vorgeschaltete Klappe im Lufteinlasskanal) erlaubt die Luftführung entweder nur über den oberen Teil oder über den gesamten
Querschnitt des Lufteinlasskanals. Im Schichtlademodus wird die Klappe geschlossen,
wodurch sich im Brennraum eine intensive, walzenförmige Strömung einstellt. Der Kraftstoff
wird in diesem Modus erst im letzten Drittel der Kolbenaufwärtsbewegung eingespritzt.
Durch die Kombination von gezielter Luftströmung und spezieller Geometrie des Kolbens,
der über eine ausgeprägte Kraftstoff- und Strömungsmulde verfügt, wird der besonders fein
zerstäubte Kraftstoff in einem sogenannten "Gemischballen" optimal um die Zündkerze konzentriert und sicher entflammt. Für die jeweils optimale Anpassung der Einspritzparameter
(Einspritzzeitpunkt, Kraftstoffdruck) sorgt die Motorsteuerung. Beim Schichtladebetrieb liegt
der Lambda-Wert im Brennraum etwa zwischen 1,5 und 3. Im Teillastbereich erreicht die
Benzin-Direkteinspritzung die größte Kraftstoffeinsparung gegenüber herkömmlichen Benzineinspritzverfahren
Homogener Magerbetrieb:
Im Übergangsbereich erfolgt die Einspritzung früher die Tumbleklappe ist zu. Der Lambdawert liegt bei 1,4. In diesem Bereich ist keine Abgasrückführung (siehe Abschnitt 1.6) zugelassen.
Homogenbetrieb bei höherer Last:
Mit wachsender Motorlast und damit steigenden Einspritzmengen wird die Schichtladewolke
zunehmend fetter und das Abgasverhalten ungünstiger. Wie bei der dieselmotorischen Verbrennung kann es zur Rußbildung kommen. Um dies zu verhindern, schaltet die Motorsteuerung der Motronic MED 7 bei größeren Motorlasten und höheren Drehzahlen auf homogene
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Direkteinspritzender Ottomotor
4
Zylinderladung um. Das System spritzt nun sehr früh ein - während des Ansaugvorgangs -,
um eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft im Verhältnis Lambda = 1 zu erreichen.
Wie bei der herkömmlichen Saugrohreinspritzung wird die angesaugte Luftmenge in dieser
Betriebsart entsprechend dem Drehmomentwunsch des Fahrers über die Drosselklappe eingestellt. Aus der angesaugten Luftmasse errechnet die Motronic die einzuspritzende Kraftstoffmenge und korrigiert sie zusätzlich über die Lambda-Regelung. Um dem Motor ein Höchstmaß an Luft anbieten zu können, wird die Tumbleklappe geöffnet. Damit steht der gesamte
Querschnitt des Lufteinlasskanals zur Verfügung. In dieser Betriebsweise ist eine Drehmomentsteigerung um bis zu fünf Prozent erzielbar. Das ist zum einen auf den thermodynamisch
günstigen Kühleffekt des direkt im Brennraum verdampfenden Kraftstoffs, zum anderen auf
die generell höhere Verdichtung des Motors mit Benzin-Direkteinspritzung zurückzuführen.
Für diese verschiedenen Betriebsarten stellen sich der Motorsteuerung zwei zentrale Anforderungen:
 Der Einspritzzeitpunkt muss betriebspunktabhängig zwischen "spät" während der
Kompressionsphase und "früh" während der Ansaugphase verstellbar sein.
 Die Einstellung der angesaugten Luftmasse muss von der Fahrpedalstellung entkoppelt sein, um im unteren Lastbereich einen entdrosselten Motorbetrieb und im oberen
eine Drosselsteuerung zu erlauben.
Bei optimaler Nutzung der Vorteile der Benzin-Direkteinspritzung wird mit dieser Technik,
bezogen auf den europäischen Fahrzyklus, eine mittlere Einsparung bis zu 15 Prozent erreicht
1.3 Die Schnittstellen der Motronic
Abb. 1.3: Aufbau und Schnittstellen der Motronic.
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Stand: 06.03.14
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Direkteinspritzender Ottomotor
5
In Abb. 1.3 sind der Aufbau und die Schnittstellen der Motornic zu sehen. Das Steuergerät
ermittelt aus den Informationen, die es von den Sensoren erhält, die Ausgangssignale für die
Aktoren.
1.4 Die elektrische Stromversorgung
Alle elektrischen Verbraucher im Fahrzeug sind über Masse (elektrisch leitende Teile der
Karosserie) mit dem Minuspol der Batterie (Klemme 31) verbunden.
Ein Teil der Verbraucher im Kraftfahrzeug ist ständig mit dem Pluspol des Bordnetzes
(Klemme 30), eine anderer Teil der Verbraucher mit geschaltetem Plus über Klemme 15
(Zündung) verbunden, je nachdem, ob sie auch bei ausgeschalteter Zündung oder nur bei eingeschalteter Zündung betrieben werden sollen.
Um das Fahrzeug vor Diebstahl zu sichern, wird eine elektronische Wegfahrsperre verwendet.
Nach Abschaltung der Zündung wird diese automatisch aktiviert. Beim Einschalten der Zündung erteilt die Wegfahrsperre über eine elektronische Kommunikation (CAN-Bus) dem Motorsteuergerät eine Freigabe und das Hauptrelais wird über Pin 64 vom Steuergerät an Masse
gelegt. Dadurch verbindet der Schliesskontakt (Klemme 30/87) auch die Steuergeräte-Pins 3
und 5 mit dem Pluspol des Bordnetzes (Klemme 30).
B+
(30)
KL30
Zündstartschalter
KL15
30
86
86
30
STG
Wegfahrsperre
J17
J271
87
CAN L CAN H
81
8
10
62
3
5
85
85
64
31
TK
87
G6
2
Motorsteuergerät
Hauptrelais
Kraftstoffpumpenrelais
Kraftstoffpumpe
Türkontakt
7
J220
1
J220
J271
J17
G6
TK
M
TK
B(31)
Abb. 1.4: Elektrische Schaltung
FZE06
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Direkteinspritzender Ottomotor
6
1.5 Die Klopfregelung
Die elektronische Steuerung des Zündzeitpunktes bietet die Möglichkeit, den Zündwinkel drehzahl-,
last- und temperaturabhängig sehr genau zu steuern. Trotzdem ist ein deutlicher Sicherheitsabstand zur
Klopfgrenze erforderlich, falls keine Klopfregelung eingesetzt wird. Dieser Abstand ist notwendig,
damit auch im klopfempfindlichsten Fall bezüglich Motortoleranzen, -alterung, Umgebungsbedingungen und Kraftstoffqualität kein Zylinder die Klopfgrenze erreicht oder überschreitet. Die daraus resultierende Motorauslegung führt zu einer niedrigen Verdichtung mit spätem Zündzeitpunkt und somit zu
Einbußen bei Kraftstoffverbrauch und beim Drehmoment.
Diese Nachteile lassen sich durch Verwendung einer Klopfregelung vermeiden. Erfahrungsgemäß
kann dadurch die Verdichtung des Motors angehoben sowie der Kraftstoffverbrauch und das Drehmoment deutlich verbessert werden. Der Vorsteuerzündwinkel muss jetzt allerdings nicht mehr für die
klopfempfindlichsten Bedingungen (z.B. Motorverdichtung an Toleranzuntergrenze, bestmögliche
Kraftstoffqualität, klopfunempfindlichster Zylinder) bestimmt werden. Nun kann jeder einzelne Zylinder des Motors während seiner gesamten Nutzungsdauer in nahezu allen Betriebsbereichen an seiner
Klopfgrenze und damit mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden.
Für die elektronische Klopfregelung wird ein Klopfsensor eingesetzt. Es handelt sich dabei um einen
Körperschallsensor, der Motorschwingungen bzw. Vibrationen von Verbrennungsmotoren aufnimmt
und diese als Eingangssignale in Form von elektrischer Spannung an das Motorsteuergerät liefert, das
diese wiederum mit vorgegebenen Werten vergleicht. Registriert der Klopfsensor ein Klopfen des
Motors, wird der Zündzeitpunkt automatisch in Richtung „spät“ verstellt, bis keinerlei Klopfgeräusche
mehr festgestellt werden. Danach wird der Zündzeitpunkt wieder schrittweise in Richtung „früh“ verstellt, bis wieder Klopfen registriert wird. Ein früher Zündzeitpunkt führt zu einer besseren Ausnutzung der Verbrennungsenergie und damit zu erhöhter Leistung und einem besseren Wirkungsgrad des
Motors. Der Motor wird durch diese Regelung permanent in der Nähe der sogenannten Klopfgrenze
gehalten. So werden eine möglichst hohe Leistungsausbeute und damit eine optimale Betriebsweise
des Motors bezüglich des Wirkungsgrades erreicht. Außerdem werden dadurch Schwankungen in der
Kraftstoffqualität ausgeglichen und so Motorschäden verhindert.
1.6 Die Abgasrückführung
Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung von Stickoxiden (NOx) verwendet, welche bei der
Verbrennung entsteht. Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen im Motor zunehmend umweltschädliche Stickoxide. Um diese zu reduzieren, muss die Verbrennungstemperatur gesenkt werden.
Ein Teil des Abgases wird deshalb im Teillastbereich über ein Rohr der angesaugten Frischluft zugemischt. Die Regelung hierzu übernimmt ein außerhalb des Motors angebrachtes Abgasrückführventil.
Das Hinzufügen nicht brennbaren Gemisches ermöglicht es, bei gleicher gewünschter Motorleistung
die Drosselklappe weiter zu öffnen und die Strömungsverluste an dieser Stelle zu verringern. Bei vernünftigem Einsatz einer Abgasrückführung kann der Verbrauch in der Teillast ohne Nachteile in der
Fahrbarkeit um bis zu 5 % abgesenkt werden. Die maximalen Abgasrückführungsraten beträgt bei
Direkteinspritzer-Otto-Motoren etwa 50%.
Die MED 7 steuert den Elektromotor kennfeldabhängig an und betätig dadurch die Ventilklappe des
Abgasrückführventils. Ja nach Position der Ventilklappe strömt eine bestimme Menge Abgas in das
Saugrohr und vermischt sich mit dem Frischgas. Über ein Potentiometer erkennt das Steuergerät die
Lage der Ventilklappe. Die Abgasrückführung erfolgt nur im Teillastbereich (Homogen- und Schichtbetrieb) im betriebswarmen Zustand. Im Leerlauf und bei Drehzahlen über 4000 /min wird keine Abgasrückführung eingesetzt.
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Stand: 06.03.14
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Direkteinspritzender Ottomotor
7
Teil 2: Versuchsaufbau
33
34
35
36
37
38
39
19
18
17
16
15
14
13
12
9
10
11
7
8
6
5
4
3
2
1
20
21
22
23
24
25
56
26
27
55
28
29
54
30
31
53
52
32
51
50
40
48
49
Der Lehr- und Funktionsstand ist als Kompaktanlage funktionsfähig mit Originalbauteilen des VW Ottomotors BAD (Golf/Bora 1,6L, ab 2002) fahrbar aufgebaut.
Abb. 2.1: Versuchsaufbau Fronttafel (Teil A)
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Direkteinspritzender Ottomotor
8
Die eloxierte, siebdruckbeschriftete, kratz- und lösungsmittelfeste Aluminiumfronttafel, übersichtlich aufgeteilt im E-V-A-Prinzip (Eingänge-Verarbeitung-Ausgänge),
ist mit folgenden Bauteilen bestückt: (die Abbildungen xx zeigen - durch Nummern
gekennzeichnet - die Lage der Bauteile auf der Fronttafel/am Prüfstand)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Zündstartschalter mit Wegfahrsperresteuergerät
Geber Kraftstoffdruck
Einstellknopf für Spannungssignal Luftmassenmesser
Anzeige Spannungssignal Luftmassenmesser
Temperaturwahlschalter Ansauglufttemperatur
Anzeige Saugrohrdruck
Einstellknopf Saugrohrdruck
Einstellknopf Kühlmitteltemperatur Eingang / Ausgang
Pedalwertgeber
Anzeige Lambdasonde
Einstellknopf für Lambdawert
Wahlschalter Lambdawert,
Schalterstellung links = Wert einstellbar,
Schalterstellung rechts = Wert pulsierend
Geber NOx mit Steuergerät NOx
Temperaturwahlschalter Abgastemperatur
Geber Nockenwellenstellung und Geber Motordrehzahl
Schalter Bremspedalpedal und Bremslicht
Klopfsensor
Schalter Türkontakt
Sicherungen
Diagnose Anschlussstecker Steuergerät FSI
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
Mech. Verstelleinrichtung zur Nockenwellenverstellung
Regelventil Kraftstoffdruck
40
Ventil Saugrohrklappenstellung
Entlüfterventil Sichtglas Einspritzung
Zündkerze
45
Saugrohrunterteil mit Saugrohrklappen
Geberrad Motordrehzahl, Kurbelwelle
Anzeigegerät Eingespritzte Kraftstoffmenge
46
Regelventil Kraftstoffdruck
Magnetventil Aktivkohlebehälter
38
Thermostat, Kennfeldgesteuerte Motorkühlung
Ventil Nockenwellenverstellung
Ventil Kraftstoffdosierung
31
Steuergerät FSI
Drehzahlsteller
Anzeigegerät Motordrehzahl
34
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Winkelgeber Drosselklappenstellung
Geber Saugrohrklappenstellung
Potentiometer Abgasrückführung
Wahlschalter Unterdruck Bremskraftverstärker
Schalter Klimakompressor und Klimabereitschaft
EIN /AUS
Drosselklappeneinheit
Ventil Saugrohrklappenstellung
Ventil Abgasrückführung
Steuergerät Lüfter Kühlmittel 1.Stufe / 2. Stufe
Antriebsmotor
Sichtglas Einspritzung
Hochdruckpumpe
Geber Motordrehzahl
Ventil Kraftstoffdosierung
Geber Nockenwellenstellung
Geber Kraftstoffdruck
Saugrohrklappen/Tumbleblech
Einspritzventil
Unterdruck – Stellelement Saugrohrklappenstellung
Zündspule mit Endstufe
44
39
43
42
36
35
32
41
47
33
Abb. 2.2: Versuchsaufbau (Teil B)
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Stand: 06.03.14
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Direkteinspritzender Ottomotor
9
Teil 3: Vorbereitende Übungen (Hausarbeit)
Ordnen Sie die Kennziffern den Bauteilbezeichnungen zu:
(Die Nummern in Klammer entsprechen der Legende vom Gesamtübersichtsplan).
(50)
(32)
(35)
(40)
(3)
(26)
(7)
(36)
(46)
(35)
(11)
(28)
(38)
(17)
FZE06
Aktivkohlebehälter
Regenerierventil
Hochdruckpumpe
Aktoren und Sensoren für
Nockenwellenverstellung
Zündspule mit Zündkerze
Heißfilm-Luftmassenmesser
Drosselklappeneinheit
Saugrohrdrucksensor
Kraftstoffdrucksensor
Kraftstoffverteiler (Rail)
Nockenwellensensor
Lambdasonde vor Katalysator
Abgasrückführventil
Hochdruck-Einspritzventil
Klopfsensor
(8)
(33)
(54)
(56)
(20)
(9)
(14)
(13)
Motortemperatursensor
Vokat
Lambdasonde nach Vorkat (Option)
Drehzahlsensor
Motorsteuergerät
CAN-Schnittstelle
Fehlerlampe
Diagnoseschnittstelle
Schnittstelle Imobilizer
Pedalwegsensor
Kraftstoffbehälter
Kraftstofffördereinheit
Abgastemperatursensor
Hauptkat
NOx Sensor
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Direkteinspritzender Ottomotor
10
Teil 4:Versuche
Versuch 4.1. Stromversorgung
In diesem Versuch soll die Stromversorgung des Motorsteuergeräts, des Hauptrelais, des
Kraftstoffpumpenrelais und der Kraftstoffpumpe beim Startvorgang näher untersucht werden.
Die elektrische Schaltung ist in Abb. 4.1 dargestellt.
B+
(30)
KL30
Zündstartschalter
KL15
30
86
86
30
STG
Wegfahrsperre
J17
J271
87
CAN L CAN H
85
85
31
TK
87
J220
J271
J17
G6
TK
Motorsteuergerät
Hauptrelais
Kraftstoffpumpenrelais
Kraftstoffpumpe
Türkontakt
Klemme 1 und 2: Masse
81
8
10
62
3
5
64
7
G6
J220
1
2
M
TK
B(31)
Abb. 4.1: Elektrische Schaltung
Versuch 4.1.1.
Verhalten der Kraftstoffpumpe beim Öffnen der Tür:
Bevor Sie die Messungen durchführen, sollte der Prüfstand kurz stromlos geschaltet werden
(Netzschalter kurz ausschalten). Die Zündung bleibt während des ganzen Versuches 4.1.1.
ausgeschaltet. Der Türkontakt signalisiert der Motosteuerung das Öffnen der Fahrertür,
wodurch von einem zeitnahen Motorstart ausgegangen werden kann. Schauen Sie sich bei den
verschiedenen Zuständen (Zündung aus, Türkontakt erstmalig betätigt, Türkontakt wiederholt
betätigt) das Verhalten der Kraftstoffpumpe an. Dieses Verhalten kann akustisch wahrgeFZE06
Stand: 06.03.14
Labor für
Fahrzeugmechatronik
FZE06
Direkteinspritzender Ottomotor
11
nommen werden, wird durch die Kontrollleuchte am Prüfstand angezeigt und kann durch
Messung am Elektromotor nachgewiesen werden).
Messung am Motor:
M zu Masse
Kraftstoffpumpe aktiv?
(Beobachtung)
Zündung aus
Türkontakt bestätigt
Türkontakt wiederholt betätigt
Versuch 4.1.2.
Stromversorgung des Steuergeräts:
Die Stromversorgung des Steuergeräts und das Schalten des Hauptrelais sollen in diesem Versuch näher untersucht werden. Führen Sie folgende Spannungsmessungen mit dem Voltmeter
bei den vier verschiedenen Schaltzuständen durch (spaltenweises Vorgehen):
Zustand 1:
die Zündung ist und war beliebig lange ausgeschaltet. Dieser Zustand kann erreicht werden,
indem Sie das Steuergerät bei ausgeschalteter Zündung kurz stromlos schalten (Netzschalter
kurz aus- und wieder einschalten).
Zustand 2:
Zündung wird eingeschaltet
Zustand 3:
Zustand unmittelbar nach dem Ausschalten der Zündung
Zustand 4:
Zustand mehr als 15 Minuten nach dem Ausschalten der Zündung. Um die Wartezeit zu vermeiden, können Sie alternativ das Steuergerät nach dem Ausschalten der Zündung kurz stromlos schalten (Netzschalter kurz aus- und wieder einschalten). Dieser Zustand entspricht Zustand 1.
Messen Sie bei den verschiedenen Zuständen die Spannung zwischen den angegebenen Pins:
Zustand 1
Zustand 2
Zustand 3
Zustand 4
(wie Zustand 1)
Pin 62 zu 1
Pin 64 zu 1
Pin 81 zu 1
Pin 5 zu 1
Auswertung:
Beschreiben Sie die Stromversorgung des Steuergeräts, indem Sie den folgenden Text vervollständigen:
Das Steuergerät liegt mit Pin __ an Masse. Es erhält Plus über Klemme 30 an Pin ___, geschaltetes Plus über Klemme 15 an Pin ___. Nach Freischaltung der Wegfahrsperre wird das
Hauptrelais über Pin ___ vom Steuergerät an Masse gelegt. Dadurch verbindet der Schließkontakt auch den Pin___ mit dem Plus des Bordnetztes (Klemme 30). Beim Ausschalten der
Zündung schaltet das Hauptrelais erst nach ca. 15 Minuten Haltezeit aus.
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Direkteinspritzender Ottomotor
12
Hinweis zu den Versuchen 4.2-4.5:
Bevor mit der Durchführung der einzelnen Versuche gestartet wird, werden zunächst die
Grundeinstellungen einiger Sensorsignal angegeben und danach die folgenden drei Grundfunktionen vorgestellt:
-
Fehlerfreier Startvorgang
Löschen des Fehlerspeichers
Messwerterfassung über das Diagnosetool
Grundeinstellungen des Prüfstandes:
Im Versuch werden für die verschiedenen Betriebspunkte die einzustellenden Werte für die
Drehzahl, den Luftmassenmesser, den Saugrohrdruck und den Pedalwertgeber jeweils angegeben. Soweit nichts anderes vorgegeben wird, sollten für die weiteren Sensoren folgende
Einstellwerte gewählt sein (bitte überprüfen):
-
Kühlmitteltemperatur Eingang: 75°C
Ausgang: 75°C
Lambdasensor: Schalterstellung auf links und Strom auf 0 mA einstellen
Abgastemperatur: 400°C
Bremsdruck: 200mbar
Schalter Klimakompressor und Klimabereitschaft auf aus (Linksposition)
Fehlerfreier Startvorgang:
Um den Prüfstand ohne Fehlererkennung in Betrieb nehmen zu können, ist es wichtig, dass
Sie die Reihenfolge der folgenden Schritte beim Startvorgang einhalten:
-
Zündung einschalten (nicht starten!)
Luftmassenmesser auf 1 V stellen
Saugrohrdruck auf 1050 mbar stellen (Rechtsanschlag)
Pedalwertgeber auf 0% einstellen (Linksanschlag)
Drehzahl auf 0 /min stellen (Linksanschlag)
Starten (d.h. Zündschlüssel bis zum Anschlag drehen)
Danach kann der Betriebspunk angefahren werden:
-
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Gewünschte Drehzahl einstellen
Luftmassenmesser auf den gewünschten Wert einstellen
Saugrohrdruck auf den gewünschten Wert einstellen
Pedalwertgeber auf den gewünschten Wert einstellen
Stand: 06.03.14
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Direkteinspritzender Ottomotor
13
Löschen des Fehlerspeichers:
Durch die manuelle Einstellung einiger Sensorwerte (keine geschlossene Regelschleife für
Luftmasse, Saugrohrdruck und Lambdasensor) kann es passieren, dass unplausible Messwerte
eingestellt werden. Diese werden von Diagnosefunktionen erkannt und als Fehler im Fehlerspeicher abgelegt. Dadurch kann die Funktion einzelner Komponenten eingeschränkt sein.
Mit Hilfe des Diagnosetools kann in den Fehlerspeicher geschaut und ggfs. Fehler gelöscht
werden. Gehen Sie dabei folgendermaßen vor:
-
Prüfstand kurz stromlos schalten und danach die Zündung einschalten (nicht starten!)
Aufruf des Programms „VCDS PCI 805“
(entsprechendes Icon auf dem Display mit Doppelklick anklicken)
Im Menü unter Steuergeräteauswahl „Auswahl“ anklicken
Im sich öffnenden Fenster „01-Motorelektronik“ anklicken
Die Steuergerät-Information im sich öffnenden Fenster wird automatisch geladen
Als Grundfunktion „Fehlerspeicher-02“ anwählen
Die Fehlercodes werden aufgelistet
Über „Codes löschen-05“ kann der Fehlerspeicher gelöscht werden
Über „Fertig, Zurück“ kann in die Übersicht der Steuergerätefunktionen gewechselt
werden
Einige Fehler werden - vom Prüfstandsaufbau bedingt- immer wieder auftreten (z.B. fehlende
Botschaften vom ABS- und vom Airbag-Steuergerät, da diese Steuergeräte nicht verbaut
sind). Diese sind aber für die Funktionalität des Prüfstandes nicht von Bedeutung.
Messwerterfassung über das Diagnosetool:
Über das Diagnosetool können auch Motorgrößen mitgemessen werden. Führen Sie dazu folgende Schritte durch:
-
-
FZE06
Aufruf des Programms „VCDS PCI 805“
(entsprechendes Icon auf dem Display mit Doppelklick anklicken)
Im Menü unter Steuergeräteauswahl „Auswahl“ anklicken
Im sich öffnenden Fenster „01-Motorelektronik“ anklicken
(Achtung: dazu muss die Zündung am Fahrzeug an sein, damit das Steuergerät ansprechbar ist)
Die Steuergerät-Information im sich öffnenden Fenster wird automatisch geladen
Als Grundfunktion „Erw. Messblöcke“ anwählen
Es öffnet sich ein Fenster, in dem die zu messenden Größen ausgewählt werden können. Bei der Angabe im Praktikumsversuch wird für die jeweilige Messgröße die Loc.
(letzte Spalte angegeben). Für die Auswahl muss die entsprechende Messgröße angewählt werden (Häkchen vor der entsprechenden Größe ist gesetzt).
Stand: 06.03.14
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Fahrzeugmechatronik
FZE06
Direkteinspritzender Ottomotor
14
Versuch 4.2. Betriebsmodi des FSI
In diesem Versuch sollen verschiedene Betriebspunkte angefahren werden und entschieden
werden, in welchem Betriebszustand sich der Motor befindet.
Löschen Sie den Fehlerspeicher, so wie auf Seite 13 angegeben.
Starten Sie danach den Motor, so wie auf Seite 12 angegeben.
Nehmen Sie für alle vier Betriebspunkte die folgenden Messgrößen über das Diagnosetool auf
(so wie auf Seite 13 beschrieben):
-
Einspritzmenge (an der Prüfstandsanzeige abzulesen, nicht über das Diagnosetool!)
Motorlast (Loc. 002-2)
Einspritzzeit (Loc. 002-3)
Drosselklappenwinkel (Loc. 003-3)
Fahren Sie danach die angegebenen vier Betriebspunkte an, indem Sie die entsprechende
Werte für Drehzahl (n), Luftmassenmesser (LMM), Saugrohrdruck (SGD), Pedalwertgeber
(PWG) (in angegebener Reihenfolge!) einstellen:
Drehzahl
[1/min]
Luftmassenmesser
[V]
Saugrohrdruck
[mbar]
Pedalwertgeber
[%]
1. Messung
800
2. Messung
1000
3. Messung
3000
4. Messung
5000
0,9
1,5
2,2
1,9
500
1020
400
1020
0
70 (von oben,
d.h. 100%, ansteuern)
40 (von unten,
d.h. 0%, ansteuern)
0
Einspritzmenge
[ml/s]
Motorlast
[%]
Einspritzzeit
[ms]
Drosselklappenwinkel
[%]
Auswertung:
Betriebsmodus
Bestimmen Sie die verschiedenen Betriebsmodi (Leerlauf, Schicht, Schub, Homogen) für die
entsprechenden Arbeitspunkte (letzte Zeile in der Tabelle).
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Versuch 4.3 Abgasrückführung:
Um die Abgasrückführung zu aktivieren, darf kein Fehler des Luftmassenmesser oder des
Saugrohrdrucksensors im Fehlerspeicher eingetragen sein. Daher ist auf die exakte Durchführung der folgenden Schritte in entsprechender Reihenfolge zu achten:
-
Bei Gerätestart:
-> Luftmassenmesser auf 0 V stellen
-> Saugrohrdruck auf 1050 mbar stellen
-> Pedalwertgeber auf 0% stellen
-> Drehzahl auf 0 (Linksanschlag)
-> nach der Einstellung Fehler löschen
-> Zündung kurz ausschalten
-> Prüfstand kurz stromlos schalten
-> Zündung einschalten und starten
-
Motordrehzahl auf 800/min einstellen
Luftmassenmesser auf 1 V einstellen
Saugrohrdruck auf 450 mbar einstellen
Nehmen Sie für die angegebenen Betriebspunkte die folgende Messgrößen über das Diagnosetool auf (so wie auf Seite 13 beschrieben):
-
Luftmassenstrom der der Abgasrückführung (Loc. 075-3)
Fahren Sie die folgenden Betriebspunkt an, indem Sie die entsprechenden Werte für Drehzahl
(n), Luftmassenmesser (LMM), Saugrohrdruck (SGD) und Pedalwertgeber (PWG) (in angebender Reihenfolge!) einstellen:
Die Kühlmitteltemperatur (Ein- und Ausgang gleichzeitig!) ist für die ersten beiden Messungen auf 75°C und für die letzte Messung auf 25°C einzustellen:
n in 1/min
LMM in V
SGD in mbar
PWG in %
Kühlmitteltemperatur
1. Messung
800
1
450
0
75°C
2. Messung
2000
1,5
450
20
75°C
3. Messung
2000
1,5
450
20
25°C
(Ein- und Ausgang
gleichzeitig verstellen)
Loc. 75-3: Luftmassenstrom AGR in g/s
Stellen Sie nach diesem Versuch die Kühlmitteltemperatur (Ein-/Ausgang) wieder auf
75°C ein.
Bewerten Sie das AGR-Verhalten im Leerlauf, Teillast und in Abhängigkeit der Temperatur.
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16
Versuch 4.4 Klopfsensoren und –regelung
Versuch 4.4.1 Spannungssignal des Klopfsensors:
Zunächst wird das Spannungssignal des Klopfsensors mit dem PC-Oszilloskop PicoScope
angeschaut. Messen Sie dazu die Spannung zwischen Pin 110 und 111 (Messkabel vom PicoScope entsprechend anschließen).
Signalverlauf ohne Klopfen:
 Rufen Sie das Programm auf: Doppelklick auf das Icon „PicoScope ohne Klopfen“
 Starten Sie die Messung: Grüner Button am Tool ganz unten links
 Skizzieren Sie den Signalverlauf:
 Schließen Sie das Programm nach erfolgter Messung
Signalverlauf mit Klopfen:
 Rufen Sie das Programm auf: Doppelklick auf das Icon „PicoScope mit Klopfen“
 Starten Sie die Messung: Grüner Button am Tool ganz unten links
 Klopfen Sie mit einem kleinen Gegenstand (z.B. Griff eines Schraubendrehers) an
den Klopfsensor
 Skizzieren Sie den Signalverlauf:
 Schließen Sie das Programm nach erfolgter Messung

FZE06
Entfernen Sie das Oszilloskop PicoScope von den Messbuchsen.
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17
Versuch 4.4.2 Klopfregelung:
Nun soll die Wirkungsweise der Klopfregelung in der Motorsteuerung untersucht werden:

Starten Sie den Motor nach Anleitung auf S. 12

Stellen Sie folgenden Betriebspunkt ein:
Drehzahl 1000 /min
Luftmassenmesser 1,5 V
Saugrohrdruck 450 mbar
Pedalwertgeber 20%

Löschen Sie den Fehlerspeicher so wie auf S. 13 beschrieben

Nehmen Sie die folgenden Messgrößen über das Diagnosetool auf (so wie auf Seite 13
beschrieben):
Zündwinkel (Loc. 003-4)
Zündwinkelrücknahme Zylinder 1 bis 4 (Loc. 020-1 bis Loc. 020-4)
Zündwinkel
[° v OT]
alternativer Betriebspunkt:
Drehzahl: 1500/min
Luftmassenmesser: 2V
Saugrohrdruck: 500 mbar
Pedalwertgeber: 40%
Zündwinkelrücknahme
[° KW]
Ohne Klopfen
Während des Klopfens:
Unmittelbar nach dem Klopfen:
Lange Zeit nach dem Klopfen:
Skizieren Sie den Zündwinkel und die Zündwinkelrücknahme in Abhängigkeit der Zeit nach
dem Auftreten des Klopfens (t = 0s):
Beschreiben Sie die Funktionsweise der Klopfregelung:
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Versuch 4.5 Diagnose des Luftmassenmessers
Das Signal des Luftmassenmessers wird über die Drehzahl und die Drosselklappenstellung
plausibilisiert. Besteht hier eine Unplausibilität, erfolgt ein Eintrag im Fehlerspeicher
Schalten Sie zunächst die Zündung ein und löschen Sie den Fehlerspeicher, so wie auf Seite
12 angegeben. Diese Fehler mit den folgenden P-Codes werden prüfstandsbedingt immer
wieder auftreten:
P 1636: Fehlende Botschaft: Airbag-Steuergerät
P 1649: Fehlende Botschaft: ABS-Steuergerät
P 0501: Fahrzeuggeschwindigkeit: unplausibles Signal
P 3042: Heizungsregelung: unplausibles Signal
Starten Sie den Motor, so wie auf Seite 12 angegeben.
Fahren Sie danach die angegebenen vier Betriebspunkte an, indem Sie die entsprechende
Werte für Drehzahl, Luftmassenmesser, Saugrohrdruck und Pedalwertgeber (in angegebener
Reihenfolge!) einstellen. Lesen Sie nach jeder Einstellung des Betriebspunktes den Fehlerspeicher aus. Dazu muss jedes Mal ein Neuaufruf über die Grundfunktion „Fehlerspeicher02“ erfolgen. Löschen Sie bitte nicht Fehlerspeicher zwischen zwei Messungen!
n in 1/min
LMM in V
SGD in mbar
PWG in %
Angabe im
Fehlerspeicher
1.a Messung
1.b Messung
2a. Messung
2b. Messung
1000
1,5
450
20
1000
3
450
20
5000
3
450
100
5000
1,5
450
100
P-Code
FZE06
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ESP
1
ESP
Voraussetzungen:
Inhalte der Lehrveranstaltungen „Grundlagen der Elektrotechnik“, „Elektrische Bordnetze“,
„Fahrzeugtechnik“.
Zielsetzungen:
-
Kennenlernen des Aufbaus Elektronisches Stabilitätsprogramm
Kennenlernen und Verstehen der wichtigen Sensoren in einem ESP-System
Kennenlernen des Hardware-in-the-loop (HiL) Prüfstands
Quellen:
[1]
[2]
[3]
[4]
Isermann (Hsg.): Fahrdynamik-Regelung. Vieweg-Verlag
Winner (Hsg.): Fahrerassistenzsysteme. Vieweg-Verlag
Bosch: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. Vieweg-Verlag
v. Zanten u.a. : „FDR – Die Fahrdynamikregelung von Bosch“, Automobiltechnische
Zeitschrift ATZ, 96 (1994) 11
1
Systembeschreibung
1.1 Übersicht
Wenn ein Straßenfahrzeug in einen instabilen Fahrzustand geraten ist und wenn der Fahrer
mit einer unangemessenen Panikreaktion die Kontrolle des Fahrzeugs verlieren wird, versucht
das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) dem Fahrer zu helfen, um das Fahrzeug wieder
in einen stabilen Fahrzustand zu bringen.
Das ESP ist ein Fahrdynamikregelsystem, das eine Weiterentwicklung vom AntiblockierSystem (ABS) und Antriebsschlupfregelsystem (ASR) ist. Das ESP-System enthält zahlreiche
Sensoren, die die Informationen über den Fahrzeugzustand ständig bereitstellen. Die
Informationen werden meistens durch BUS-Systeme (wie z.B. CAN und Flexray) an das
elektronische Steuergerät zugesendet, in dem die Signalverarbeitung und das Regelsystem
implementiert sind. Der Eingriff des ESPs an das Fahrzeug, was das Fahrzeug wieder
stabilisieren soll, ist durch Bremsen und Antrieb realisiert. Es gibt noch andere
Eingriffsmöglichkeiten, z.B. Lenkeingriff, um ein Fahrzeug zu stabilisieren. Sie werden
jedoch nicht in diesem Praktikum behandelt. Bei unterschiedlichen Automobilherstellern wird
das Fahrdynamikregelsystem unterschiedlich genannt. Bei BMW z.B. wird es als Dynamische
Stabilitäts Control (DSC), bei Porsche als Porsche Stability Management (PSM) bezeichnet.
Der Name ESP wird jedoch von den meisten Herstellern und Zulieferern verwendet.
In Bild 1.1 ist das Regelkonzept eines ESP-Systems mit wesentlichen Komponenten
aufgezeichnet.
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FZE 07
ESP
2
Bild 1.1: Regelkonzept eines Elektronischen Stabilitätsprogramms ESP [4]
Über die 4 Raddrehzahlsensoren (1) wird die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit geschätzt.
Um den Fahrzustand richtig beobachten zu können, sind noch der Lenkwinkelsensor (3), der
Gierratesensor (4) und der Querbeschleunigungssensor (5) notwendig. Alle Regelalgorithmen
und Signalverarbeitungen werden im Steuergerät, dessen wesentlicher Bestandteil ein
Mikrocontroller ist, implementiert. Im Bild werden die Funktionen in Blöcke Beobachter,
Fahrdynamikregler und Schlupfregler dargestellt. Der Bremseingriff geschieht durch die
Druckmodulation (6), die im Bild 1.2 noch detaillierter dargestellt wird. Der Vordrucksensor
(2) ist für die Druckmodulation zu verwenden. Der Antriebsmomenteingriff wird mittels
Motormanagement (7) realisiert.
1.2 Grundfunktionen des ESP
1.2.1 Längsdynamik
ABS-Funktion
Werden die vorderen Räder eines Fahrzeugs beim Bremsen blockiert, ist das Fahrzeug nicht
mehr lenkbar. Werden die hinteren Räder blockiert, wird das Fahrzeug sogar seine Stabilität
verlieren und es ist nicht mehr vom Fahrer beherrschbar. Die Blockierung der Räder ist somit
zu vermeiden. Ein Blockierverhinderer zu entwickeln war stets ein Thema in der
Automobilbranche (aber auch für Schienenfahrzeuge und für Luftfahrzeuge bei Landung)
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Stand: 16.08.13
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FZE 07
ESP
3
bereits seit Anfang des letzten Jahrhunderts. Das erste Patent datiert im Jahr 1908. Erst als die
Elektronik eingesetzt war, gibt es brauchbare ABS-Systeme, genauer gesagt, erst als die
digitale Technik verwendet ist, arbeitet ein ABS-System erwartungsgemäß und zuverlässig.
Bei einem ABS werden die Signale aus Raddrehzahlsensoren ständig bewertet. Die heute
meist verwendeten Drehzahlsensoren sind Hall-Sensoren. Sollte das Steuergerät feststellen,
dass ein Rad wegen Bremsen blockiert, wird der Bremsdruck entsprechend angepasst, man
spricht von Druckmodulation. Das hydraulische Schaltungsbild ist in Bild 1.2 zu sehen. Droht
z.B. das Rad hinten links (HL) zu blockieren, wird das Einlassventil hinten links (EVHL)
geschlossen, so dass der Bremsdruck am Rad nicht mehr erhöht werden kann. Wird das
Auslassventil hinten links (AVHL) gleichzeitig geschlossen, wird der Druck im Radzylinder
erhalten. Wird das AVHL aber gleichzeitig geöffnet, wird der Druck im Radzylinder
abgebaut. Die Rückförderpumpe fördert die Bremsflüssigkeit zum Hauptkreis I zurück. In
Bild 1.3 ist die Modulationseinheit explodiert dargestellt. Im Prüfstand ist diese Einheit durch
ein hydraulisches Modell simuliert.
Bild 1.2: Hydraulisches Schaltungsbild eines ABS-Systems [3]
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FZE 07
ESP
4
Bild 1.3: Hydro-Aggregat eines ESP-Bremssystems [3]
Blockiergefahr wird meistens bei einer glatten Fahrbahn auftreten. Bei einer asynchronen
Fahrbahn ist die Gefahr noch größer. In dieser Situation ist die Fahrbahnbeschaffenheit links
und rechts unterschiedlich (auch -Split), z.B. auf der linken Fahrspur ist der Reibwert hoch,
auf der rechten niedrig. Sollte ein normaler Fahrer sein Fahrzeug bei solcher Situation stark
bremsen, so entstehen auf die linken Rädern größerer Kräfte als auf die rechten Rädern. Das
Fahrzeug wird wegen der schief-ziehenden resultierenden Kraft nicht mehr wie gehofft
geradeaus fahren. Das Problem ist, dass dies sehr schnell geschehen kann und ein normaler
Fahrer wegen langer Reaktionszeit erst zu spät in die Gegenrichtung lenken kann. Beim ABS
wird der Bremsdruck bei jedem Rad individuell moduliert, so dass die Situationen wie
Bremsen bei -split oder „Schachbrett“-Fahrbahn gemeistert werden können.
ASR-Funktion
Während das ABS bei Bremsaktion eines Fahrers
nützlich ist, regelt das ASR bei Antrieb. Bei einem
ASR-System wird der Antriebsschlupf ständig
beobachtet, so dass das Durchdrehen der
Antriebsräder verhindert werden kann. Neben dem
Antriebsmomenteingriff
ist
noch
der
Bremsmomenteingriff für ASR auch möglich, der
nicht in diesem Praktikum behandelt wird.
Bild 1.4: Regelkonzept eines ASR-Systems [3]
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Für ABS und ASR sind die Lenkwinkel-, Giergeschwindigkeits- und Querbeschleunigungssensoren nicht unbedingt notwendig.
1.2.2
Querdynamik
ESP-Funktion
Ein ESP-System enthält die ABS- und ASR-Funktionen. Zusätzlich wird die Querdynamik
berücksichtigt, die die Stabilität eines Fahrzeuges entscheidend beeinflusst. Um den
Fahrzustand eines Fahrzeuges ständig zu überwachen werden verschiedene zusätzliche
Sensoren angewandt. Die wichtigsten sind Gierrate-, Querbeschleunigung und
Lenkradwinkelsensor. Um die wichtige Funktionalität zu erläutern, wird ein Beispiel im Bild
1.5 gezeigt. Ein Fahrzeug befährt eine Kurve. Wegen zu schnell Geschwindigkeit wird der
Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug verlieren. Das Fahrzeug droht zu schleudern. Sobald
die tatsächliche Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges einen Schwellwert (Sollwert)
überschreitet, oder wenn die Querbeschleunigung einen Schwellwert überschreitet, greift das
ESP-System das Fahrzeug aktiv ein, indem das System durch Bremsen ein Drehmoment
erzeugt, das gegen das Schleudern wirkt. Beim ESP-Eingriff wird auch eine andere
Fahrzeugzustandsgröße, der Schwimmwinkel, stets einbezogen.
Giermoment
Bild 1.5. Giermoment durch ESP-Eingriff
2
Versuchsvorbereitung
2.1 Systemüberblick
Benennen Sie die wichtigen Komponenten eines ESP-Systems:

Sensoren: Radgeschwindigkeitssensor, Lenkradsensor, Gierratesensor,
Querbeschleunigungssensor, Drucksensor

Bremssystem: 4 Einlassventile, 4 Auslassventile, 2 Umschaltventile, 2
Hochdruckventile, Rückförderpumpe, Elektromotor
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6
2.2 HiL-Prüfstand
In diesem Praktikum handelt sich um einen Hardware-in-the-Loop (HiL) Prüfstand, bei dem
das elektronische Steuergerät (Hardware) in dem simulierten Kreis Fahrer-Fahrzeug-Umwelt
(loop) mit echten elektrischen Signalen getestet und gemessen wird, Bild 2.1. Der Prüfstand
heißt CarMaker HiL und wird von der Firma IPG Automotive entwickelt.
Bild 2.1. CarMaker HiL-Prüfstand
Die Fahrer-, Fahrzeug- und Umweltmodelle werden im Echtzeitrechner (1) simuliert. Die
sämtlichen elektrischen Signalen werden der Simulation entsprechend generiert (2) und mit
dem Steuergerät (3) angeschlossen. Der PC (4) dient als Home-PC (Host PC) mit graphischer
Oberfläche und anderen Bedienmöglichkeiten. Da das Gesamtfahrzeug simuliert wird, stehen
alle Daten des Fahrzeugs, einschließlich solchen von Sensoren und Aktoren, im HiLPrüfstand zur Verfügung. In der Praxis kann ein Teil der Fahrerprobungen durch Simulation
im HiL-Prüfstand ersetzt werden.
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3
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Versuche
Starten Sie das CarMaker-Programm „CarMaker HIL xeno“. Das CarMaker-Hauptfenster
wird geöffnet, Bild 3.1.
Bild 3.1. CarMaker Hauptfenster
Im Hauptmenü Realtime System -> Connect starten. Es kann sein, dass eine Fehlermeldung
auftritt, Bild 3.2:
Bild 3.2. Fehlermeldung
Da die letzte log-Datei nach jedem Systemherunterfahren öfters gelöscht wird (es wäre zu
viel, wenn alle log-Dateien beibehalten würden), merkt das System, dass das File nicht zu
finden ist. Mit Ok schließt man dieses Fehlermeldungsfenster.
Unter File -> IPGControl wird das Auswertungsfenster für die Simulationsergebnisse
geöffnet, Bild 3.3. Es handelt sich eigentlich um zwei Fenster. Bei einem (IPGControl)
können Messgrößen ausgewählt werden. Bei dem anderen (Data Window) werden die
ausgewählten Größen graphisch dargestellt. Es ist möglich, mehrere Data Windows zu öffnen,
indem man im Fenster IPGControl unter Window -> New Window wählt.
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Bild 3.3. CarMaker Control mit Data Window
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9
Auswahl der Messgrößen:
Im Fenster IPGControl – DataWindow unter Quantity können die Messgrößen ausgewählt
werden.
Die Größen, die in diesem Praktikum betrachtet werden, sind folgende:
Car.v – Fahrzeuggeschwindigkeit;
Car.WheelSpd.xx – Radgeschwindigkeit, wobei xx für die Position des Rades ist. fl: vorne
links; fr: vorne rechts; rl: hinten links; rr: hinten rechts;
Car.ay – Querbeschleunigung des Fahrzeugs;
Steer.WhlAng – Lenkradwinkel;
Car.YawRate – Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges;
DM.Brake – Index für die Bremsaktion;
Brake.pMC – Bremsdruck im Hauptzylinder;
Brake.pWh.xx – Radbremsdruck, wobei xx für die Position des Rades ist.
Um die Animation des Fahrmanövers zu starten, wird das Animationsfenster unter File ->
IPGMovie geöffnet, Bild 3.4. Der unterschiedliche Prospekt kann unter Camera realisiert
werden.
Bild 3.4. IPGMovie.
In diesem Praktikum wird ein Pkw-Modell der Komfortklasse simuliert. Das Steuergerät ist
ein ESP 8 Seriensteuergerät der Firma Bosch.
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Versuch 3.1 Vollbremsung auf trockener Fahrbahn ohne ABS
 Modellauswahl: im CarMaker Hauptfenster unter File  Open  Übungen 
V3_1_BremsTrocken_ohne_ABS öffnen. Die folgende Fahrsituation wird damit
gewählt: trockene Fahrbahn mit Asphalt (= 1,0), Fahrgeschwindigkeit 100 km/h.
Insgesamt wird 35 s simuliert.
 Ausschalten des Fahrdynamikregelsystems: im CarMaker Hauptfenster unter Realtime
System  Direct Variable Access wählen. Das Fenster Direct Variable Access wird
angezeigt, Bild 3.5.
3.5 Direct Variable Access
Unter Quantity wählt man jeweils User.ABS_Active, User.ASR_Active und
User.ESP_Active aus. Die Value soll jeweils 1 sein. Mit Anklicken auf set werden die Werte
eingesetzt. Damit werden die Funktion von ABS, ASR und ESP im Steuergerät ausgeschaltet.
Auswahl der Messgrößen: man wählt im IPGControl Data Window die 4 Radgeschwindigkeiten, die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Index für die Bremsaktion. Während der Simulation
werden die ausgewählten Daten echtzeitig dargestellt. Unter Online Display Mode stehen die
Darstellungsmodi Floating und Fitting zur Verfügung. Man öffnet ein neues Data Window
und wählt die 4 Radbremsdrücke, den Index für die Bremsaktion und den Druck im
Hauptbremszylinder.
Nach Anklicken auf Start im CarMaker Hauptfenster wird die HiL-Simulation gestartet.
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Zeichnen Sie den Verlauf aus den Data Window in den Diagrammen ein.
Zeit [s]
Zeit [s]
Woher erkennt man, dass die Räder blockiert sind?
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12
Versuch 3.2 Vollbremsung auf trockener Fahrbahn mit ABS
 Modellauswahl: im CarMaker Hauptfenster unter File  Open  Übungen 
V3_4_BremsTrocken_mit_ABS öffnen. Die folgende Fahrsituation wird damit
gewählt: trockene Fahrbahn mit Asphalt (= 1,0), Fahrgeschwindigkeit 100 km/h.
Insgesamt wird 35 s simuliert.
 Einschalten des Fahrdynamikregelsystems: im CarMaker Hauptfenster unter Realtime
System  Direct Variable Access wählen. Das Fenster Direct Variable Access wird
angezeigt, Bild 3.5. Die Value soll jeweils 0 sein. Mit Anklicken auf set werden die
Werte eingesetzt. Damit werden die Funktion von ABS, ASR und ESP im Steuergerät
wieder eingeschaltet.
 Auswahl der Messgrößen: wie beim Versuch 3.1.
Anklicken auf Start im CarMaker Hauptfenster wird die HiL-Simulation gestartet.
Zeichnen Sie den Verlauf aus den Data Window in den Diagrammen ein.
Zeit [s]
Zeit [s]
Wie erkennt man, dass die Räder nicht blockiert sind?
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13
Versuch 3.3 ISO-Spurwechsel ohne ESP
 Modellauswahl: im CarMaker Hauptfenster unter File  Open  Übungen 
V3_3_LaneChange_ISO_low__ohne_ESP öffnen. Hierbei handelt sich um ein
modifiziertes ISO Spurwechsel-Fahrmanöver mit ausgeschalteter ESP-Funktion.
 Ausschalten des Fahrdynamikregelsystems: im CarMaker Hauptfenster unter Realtime
System  Direct Variable Access wählen. Das Fenster Direct Variable Access wird
angezeigt, Bild 3.5. Die Value soll jeweils 1 sein. Mit Anklicken auf set werden die
Werte eingesetzt. Damit werden die Funktion von ABS, ASR und ESP im Steuergerät
ausgeschaltet.
 Auswahl der Messgrößen: man wählt im IPGControl Data Window die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Querbeschleunigung des Fahrzeugs, den Lenkradwinkel und die
Giergeschwindigkeit. Man öffnet ein neues Data Window und wählt die 4
Radbremsdrücke, den Index für die Bremsaktion und den Druck im
Hauptbremszylinder.
Nach Anklicken auf Start im CarMaker Hauptfenster wird die HiL-Simulation gestartet.
Skizzieren Sie den Verlauf aus dem Data Window im Diagramm.
Zeit [s]
Zeit [s]
Ist der Fahrerwunsch erfüllt?
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Versuch 3.4 ISO-Spurwechsel mit ESP
 Modellauswahl: im CarMaker Hauptfenster unter File  Open  Übungen 
V3_6_LaneChange_ISO_low_m_mit_ESP öffnen. Hierbei handelt sich um ein
modifiziertes ISO Spurwechsel-Fahrmanöver mit ESP-Funktion.
 Einschalten des Fahrdynamikregelsystems: im CarMaker Hauptfenster unter Realtime
System  Direct Variable Access wählen. Das Fenster Direct Variable Access wird
angezeigt, Bild 3.5. Die Value soll jeweils 0 sein. Mit Anklicken auf set werden die
Werte eingesetzt. Damit werden die Funktion von ABS, ASR und ESP im Steuergerät
wieder eingeschaltet.
 Auswahl der Messgrößen: wie beim Versuch 3.3.
Anklicken auf Start im CarMaker Hauptfenster wird die HiL-Simulation gestartet.
Skizzieren Sie den Verlauf aus dem Data Window im Diagramm.
Zeit [s]
Ist der Fahrerwunsch erfüllt?
FZE07
Zeit [s]
Stand: 16.08.13