1. Tổng quan về ECU
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình, bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ. Một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết, để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ. ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chuẩn đoán động cơ một cách hệ thống khi có sự cố xảy ra.
Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động, ...
Bộ điều khiển, máy tính, ECU hay hộp đen là những tên gọi khác nhau của mạch điều khiển điện tử. Nhìn chung, đó là bộ tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu thích hợp.
Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối – nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được lắp với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong mạch điều khiển (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.
2. Cấu tạo của bộ điều khiển điện tử
a) Bộ nhớ: Bộ nhớ trong ECU chia làm 4 loại:
- ROM (Read Only Memory): Dùng trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý.
- RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. RAM có hai loại:
Loại RAM xóa được: Bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp.
Loại RAM không xóa được: Vẫn giữ duy trì bộ nhớ cho dù khi tháo nguồn cung cấp. RAM lưu trữ những thông tin về hoạt động của các cảm biến dùng cho hệ thống tự chuẩn đoán.
- PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép sữa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau.
- KAM (Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) cung cấp đến bộ vi xử lý. KAM vẫn duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất.
b) Bộ vi xử lý (Microprocessor)
Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là “bộ não” của ECU.
Ở những thế hệ đầu tiên, máy tính điều khiển động cơ dùng loại 4, 8, hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit. Máy tính 4 bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn. Tuy nhiên, máy tính 8 bit làm việc tốt hơn với các phép đại số, và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit. Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ôtô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, người ta sử dụng máy tính 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit.
3. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử
Cấu trúc của ECU được trình bày trên hình 2.
Sơ đồ cấu trúc của CPU trên hình 3. Nó bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau. Ở các CPU thế hệ mới, người ta thường chế tạo CPU, ROM, RAM trong một IC, gọi là bộ vi điều khiển (Microcontroller).
Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ (Word). Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin.
a) Bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital Converter)
Dùng để chuyển các tín hiệu tương tự từ đầu vào, với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến nhiệt độ, cảm biến bướm ga, …thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được.
Dùng để đếm xung, ví dụ như từ cảm biến vị trí piston rồi gửi lượng đếm về bộ vi xử lý.
Chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một transistor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều.
Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên trong ECU có thêm bộ khuếch đại tín hiệu.
Trong ECU thường có hai bộ ổn áp 5V và 12V.
Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các transistor công suất điều khiển relay, solenoid, motor,…Các transistor này có thể được bố trí bên trong hoặc bên ngoài ECU.
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình, bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ. Một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết, để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ. ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chuẩn đoán động cơ một cách hệ thống khi có sự cố xảy ra.
Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động, ...
Bộ điều khiển, máy tính, ECU hay hộp đen là những tên gọi khác nhau của mạch điều khiển điện tử. Nhìn chung, đó là bộ tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu thích hợp.
Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối – nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được lắp với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong mạch điều khiển (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.
2. Cấu tạo của bộ điều khiển điện tử
a) Bộ nhớ: Bộ nhớ trong ECU chia làm 4 loại:
- ROM (Read Only Memory): Dùng trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý.
- RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. RAM có hai loại:
Loại RAM xóa được: Bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp.
Loại RAM không xóa được: Vẫn giữ duy trì bộ nhớ cho dù khi tháo nguồn cung cấp. RAM lưu trữ những thông tin về hoạt động của các cảm biến dùng cho hệ thống tự chuẩn đoán.
- PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép sữa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau.
- KAM (Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) cung cấp đến bộ vi xử lý. KAM vẫn duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất.
b) Bộ vi xử lý (Microprocessor)
Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là “bộ não” của ECU.
Hình 1: Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý
c) Đường truyền – BUS: Dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU.
Ở những thế hệ đầu tiên, máy tính điều khiển động cơ dùng loại 4, 8, hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit. Máy tính 4 bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn. Tuy nhiên, máy tính 8 bit làm việc tốt hơn với các phép đại số, và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit. Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ôtô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, người ta sử dụng máy tính 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit.
3. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử
Cấu trúc của ECU được trình bày trên hình 2.
Hình 2: Sơ đồ khối cấu trúc của ECU
Bộ phận chủ yếu của nó là bộ vi xử lý (Microprocessor) hay còn gọi là CPU (Control Processing Unit), CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ ROM và RAM, chứa các chương trình và dữ liệu đã xử lý đến các cơ cấu thực hiện.Sơ đồ cấu trúc của CPU trên hình 3. Nó bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau. Ở các CPU thế hệ mới, người ta thường chế tạo CPU, ROM, RAM trong một IC, gọi là bộ vi điều khiển (Microcontroller).
Hình 3: Cấu trúc của CPU
Bộ điều khiển ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0.Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ (Word). Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin.
Hình 4: Chuỗi tín hiệu nhị phân
4. Mạch giao tiếp vào/ra (I/O)
a) Bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital Converter)
Dùng để chuyển các tín hiệu tương tự từ đầu vào, với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến nhiệt độ, cảm biến bướm ga, …thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được.
Hình 5: Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D
b) Bộ đếm (Counter)
Dùng để đếm xung, ví dụ như từ cảm biến vị trí piston rồi gửi lượng đếm về bộ vi xử lý.
Hình 6: Mạch điện của bộ đếm
c) Bộ nhớ trung gian (Buffer)
Chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một transistor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều.
Hình 7:Mạch điện của bộ nhớ trung gian
d) Bộ khuếch đại (Amplifier)
Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên trong ECU có thêm bộ khuếch đại tín hiệu.
Hình 8: Mạch điện của bộ khuếch đại
e) Bộ ổn áp (Voltage regulator)
Trong ECU thường có hai bộ ổn áp 5V và 12V.
Hình 9: Mạch điện bộ ổn áp
f) Mạch giao tiếp ngõ ra
Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các transistor công suất điều khiển relay, solenoid, motor,…Các transistor này có thể được bố trí bên trong hoặc bên ngoài ECU.
Hình 10: Mạch điện giao tiếp ngõ ra
