دانلود مقاله بررسی سیستم های الکترونیکی خودروهای جدید

این مقاله در مورد سیستم های الکترونیکی موجود در خودرو های جدید است، اگرچه از زمان فراگیر شدن میکروکنترلر ها که حدود بیست سال از آن می گذرد، در خودرو های پیشرفته ی دنیا از سیستم های کنترل الکترونیکی استفاده می شود اما چند سالی است که در خودرو های ساخت داخل کشور هم از این امکانات استفاده می شود. به عنوان مثال اگر شما به سیستم برق پژو 206 آشنا باشید می بینید که این خودرو از لحاظ سیستم های الکترونیکی در سطح پیشرفته ای قرار دارد و یا در مدل هایی از خودروی فورد از حدود 50 میکروپروسسور استفاده شده است. اگرچه این سیستم ها باعث می شوند تعمیر این نوع خودروها نیاز به دانش فنی ویژه ای داشته باشد اما دارای مزایایی است که ارزش زیادی دارند. به طور کلی هدف از استفاده از کامپیوتر های الکترونیکی در خودرو ها عبارتند از:

- نیاز به کنترل دقیق مقدار سوخت مصرفی در خودرو برای رسیدن به استاندارهای اقتصادی و زیست محیطی
- عیب یابی پیشرفته
- کاهش مقدار سیم های استفاده شده در خودرو (با استفاده از روش های مالتی پلکسینگ)
- افزایش امنیت (در برابر سوانح رانندگی و سرقت)
- افزایش امکانات رفاهی در خودرو

به طور کلی کنترل موتور مهمترین وظیفه ی سیستم کامپیوتری موجود در خودرو است. از این رو واحد کنترل موتور یا ECU قدرتمندترین کامپیوتر موجود در خودرو است. (لازم به ذکر است که واژه ی "کامپیوتر"ی که در اینجا از آن استفاده می کنیم به معنای آن کامپیوتری که الان شما از آن این مطالب را می خوانید نیست بلکه از این کامپیوتر ها در فرهنگ الکترونیک به Embedded System یا سیستم های جاسازی شده یاد می شود.) روش کنترلی که ECU از آن استفاده می کند، Closed Loop Control نام دارد. در مورد این روش کنترل کافی است بدانید که به سیستم هایی که از خروجی خود برای کنترل سیستم نمونه برداری می کنند، کنترل حلقه بسته یا Closed Loop Control می گویند. ECU برای استفاده از این روش کنترل، از طریق تعداد زیادی سنسور، اطلاعات زیادی از وضعیت قسمت های مختلف (مثل دمای سیستم خنک کننده یا مقدار اکسیژن در اگزوز) بدست می آورد. ECU با استفاده از این اطلاعات بدست آمده و قرار دادن آن در تعداد زیادی فرمول، بهترین زمان جرقه در موتور و مدت زمان باز بودن پاشنده ی سوخت (Fuel Injector) را تعیین می کند. در واقع ECU این کار را برای به کمینه رساندن مقدار مصرف سوخت انجام می دهد.
در یک ECU مدرن ممکن است از یک پردازنده ی 32 بیتی و 40 مگاهرتزی استفاده شود. (اگر با این مفاهیم آشنا نیستید به پست های 2/11/2005 و 2/20/2005 مراجعه کنید.) اگرچه در نگاه اول ممکن است این مقادیر را با پردازنده ی 2 یا 3 گیگاهرتزی
کامپوتر خود مقایسه کنید ولی این مقایسه ی درستی نیست زیرا در سیستم های جاسازی شده یا Embedded System حجم کدهایی که مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب کمتر از حجم نرم افزارهایی است که شما در کامپیوتر خود اجرا می کنید.
به عنوان مثال حافظه های مورد استفاده در ECU ها در حدود 1 مگابایت هستند در حالی که شما ممکن است نرم افزاری با حجم 300 مگابایت را در کامپیوتر خود اجرا کنید، یعنی 300 برابر! پس ECU ها خیلی هم قدرتمند هستند!
در شکل زیر تصویر یک ECU استفاده شده در خودروی فورد را مشاهده می کنید:

در این مدار، پردازنده به همراه صدها قطعه ی الکترونیکی دیگر بر روی یک برد چند لایه قرار گرفته است. تعدادی از اجزای الکترونیکی که به همراه پردازنده در این مدار قرار دارند عبارتند از:
- Analog-to-digital converters یا مبدل آنالوگ به دیجیتال
- High-level digital outputs یا خروجی دیجیتال سطح بالا
- Signal conditioners یا متناسب کننده ی سیگنال
- Communication chips یا تراشه های ارتباطی
1- Analog-to-digital converters یا مبدل آنالوگ به دیجیتال
اصولا پدیده های فیزیکی در دنیای اطراف ما پدیده هایی آنالوگ (پیوسته یا قیاسی) هستند، یعنی این کمیات هر مقداری از یک بازه ی مشخص را می توانند به خود اختصاص دهند. به عنوان مثال دمای هوای تهران در شرایط عادی می تواند هر مقداری بین -10 درجه تا 40 درجه ی سانتیگراد را داشته باشد. به عنوان مثال دمای هوای امروز می تواند 21.7 درجه ی سانتیگراد باشد. همین طور است در مورد کمیاتی مثل فشار، ارتفاع، وزن و غیره. اما سیستمهای دیجیتال و کامپیوتری فقط با مقادیر گسسته کار می کنند. به عنوان مثال ما فقط می توانیم مجموعه ای از اعداد گسسته مثل 27، 27.1 27.2 ... را به عنوان ورودی به یک سیستم دیجیتال وارد کنیم و اگر دمای مورد نظر ما چیزی بین یکی از این دو مقدار باشد برای این سیستم مفهومی نخواهد داشت. پس برای اینکه یک دستگاه آنالوگ (مثل یک سنسور دما) بتواند با یک دستگاه دیجیتال (مثل یک میکروپروسسور) ارتباط برقرار کند باید این دو دستگاه با یکدیگر سازگار شوند. این کار به عهده ی مبدل آنالوگ به دیجیتال است. اصول کار این مبدل ها تا حدودی مفصل است و بررسی مداری آن در اینجا چندان مناسب نیست اما بد نیست بدانید که فرایند تبدیل یک سیگنال آنالوگ به دیجیتال شامل مرحله ای به نام Quantizing یا پله ای کردن است که هر چه فواصل پله ای شدن یک سیگنال آنالوگ کمتر باشد اطلاعات کمتری در حین تبدیل از بین می رود. این کیفیت را با عنوانی به نام تعداد بیت مبدل می سنجند. به عنوان مثال یک مبدل 16 بیتی از یک مبدل 8 بیتی اطلاعات بیشتری را منتقل می کند. مبدل ها ی آنالوگ به دیجیتال ECU معمولا یک مبدل 10 بیتی هستند. 10 بیت، امکان 2 به توان 10 یا 1024 حالت را دارا می باشد پس اطلاعات آنالوگ یک سنسور می تواند به صورت 1024 عدد باینری کد شود. مبدل های آنالوگ به دیجیتال به نام ADC "ای تو دی" معروف هستند و معمولا به صورت مدارات مجتمع (IC) در دسترس هستند به عنوان نمونه آی سی با شماره ی ADC0808 یک ADC هشت بیتی معروف است که معمولا 28 پایه دارد. در زیر تصویر این IC را مشاهده می کنید.

2- High-level digital outputs یا خروجی دیجیتال سطح بالا
معمولا خروجی های ECU باید وسایلی را راه اندازی کند که نیاز به جریان بالایی دارند به عنوان مثال: کولر خودرو یا سیستم جرقه زنی. اما خروجی پردازنده می تواند جریان پایینی در حد میلی آمپر را تامین کند در حالی که مثلا ممکن است رله ی کولر خودرو در حالت روشن نیاز به 12 ولت و 0.5 آمپر جریان داشته باشد. برای حل این مشکل از سوییچ های ترانزیستوری استفاده می شود. همان طور که می دانید با یک سوییچ ترانزیستوری می توان با یک جریان کوچک در بیس (یا گیت در سوییچ های FET) جریان بزرگی را در کلکتور (یا درین در سوییچ های FET) کنترل کرد. به عنوان مثال فرض کنیم یک ترانزیستور نیمه قدرت می تواند با جریان 20 میلی آمپر در بیس خود، جریان 0.5 میلی آمپر را در کلکتور خود سوییچ کند و این جریان رله ی کولر خودرو را راه اندازی می کند.
3- Digital-to-analog converters یا مبدل دیجیتال به آنالوگ
فلسفه ی وجودی این واحد مثل مبدل آنالوگ به دیجیتال است که قبلا بررسی شد، با این تفاوت که این مبدل، خروجی پردازنده ی ECU را که یک سیگنال دیجیتال یا گسسته است به یک سیگنال آنالوگ یا پیوسته تبدیل می کند زیرا بعضی از اجزا خودرو برای راه اندازی نیاز به سیگنال آنالوگ دارند.
4 - Signal conditioners یا متناسب کننده ی سیگنال
گاهی اوقات ورودی و خروجی ECU قبل از اینکه مورد استفاده قرار بگیرد با تنظیم شود. به عنوان مثال مبدل آنالوگ به دیجیتالی که اطلاعات را از سنسور اکسیژن دریافت می کند باید ورودی آن در محدوده ای بین 0-5 ولت قرار داشته باشد در حالی که ممکن است خروجی این سنسور بین 0-1.1 ولت باشد. متناسب کننده ی سیگنال با ضرب کردن خروجی سنسور اکسیژن در چهار موجب دریافت دقیقتر اطلاعات این سیگنال می شود.
5 - Communication chips یا تراشه های ارتباطی
این تراشه ها استاندارهای ارتباطی موجود در بخشهای مختلف را مهیا می کنند. در خودرو های محتلف از استادهای مختلفی استفاده می شود اما استاندارد حاکم فعلی CAN (controller-area networking) نامیده می شود. این استاندارد اجازه ی ارتباط بخش های مختلف تا 500 کیلو بیت در ثانیه (500 Kbps) را می دهد. این سرعت لازم است زیرا برخی اجزا اطلاعات را صدها بار در ثانیه بر روی گذرگاه (BUS) قرار می دهند. این استاندار از دو سیم استفاده می کند.
تا اینجا فقط ECU یا کامپیوتر کنترل موتور را مورد مطالعه قرار دادیم. در ادامه مباحث دیگری نیز وجود دارد، مثل: عیب یابی پیشرفته، سنسورهای هوشمند، وایرینگ مالتی پلکس شده، امکانات امنیتی - رفاهی و غیره که بررسی آن ها نیازمند چندین پست است. اما از آنجایی که متاسفانه بازدید کننده های این وبلاگ نظرات خودشون رو از من دریغ می کنند و وبلاگ رسانه ای متقابل و پویا است، این کم لطفی شما باعث دلسردی من می شود. شمارنده ی این وبلاگ به طور متوسط 30 تا 40 بازدید در روز را نشان می دهد در حالیکه نظرات داده شده بسیار کم است.
ژنراتورها وموتورهای الکتریکی :

مقدمه: ژنراتورها و موتورهای الکتریکی گروه از وسایل استفاده شده جهت تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی یا برعکس . توسط وسایل الکترومغناطیس هستند . یک ماشینی که انرژی الکتریکی به مکانیکی تبدیل می کند موتورنام دارد.
وماشینی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند ژنراتور یا آلترناتور یامتناوب کننده یا دینام نامیده می شود .
دو اصل فیزیکی مرتبط با عملکردموتورهاوژنراتور ها
وجود دارد. اولین اصل فیزیکی اصل القایی الکترومغناطیسی کشف شده توسط مایکل فارادی دانشمند بریتانیایی است.
اگر یک هادی در میان یک میدان مغناطیسی حرکت کند یا اگر طول یک حلقه ی القایی ساکنی جهت تغییر استفاده شود. یک جریان ایجاد می شود یا القا می شود در کنتاکنتور بحث این اصل این است که در مورد واکنش الکترومغناطیسی بحث می کند و این که این واکنش در ابتدا توسط آندر مری آمپر در سال 1820 که دانشمند فرانسوی است کشف شد.اگر یک جریان از میان یک کنتاکتور که در میدان مغناطیسی قرار گرفتند عبور کند . میدان نیروی مکانیکی بر آن وارد می کند .
(1)
ساده ترین ماشینی های دیناموالکتریک دیسک دینامیکی است که توسعه یافته توسط افرادی است که آن شامل یک صفحه ی مسی پیچیده شده است. که این پیچش از مرکز تالبه وجود دارد .و بین قطبهای یک آهنربای سمبر اسبی است .
وقتی دیسک می چرخد یک جریان بین مرکز دیسک ولبه ی آن توسط عملکرد میدان آهنربا القا می شود
که دیسک یا صفحه میتواند ساخته شود. جهت عمل کردن به عنوان یک موتور توسط بکار بردن یک ولتاژ
بین لبه ی دیسک و مرکزش که این به علت چرخش
دیسک به دنده بدلیل نیروی تولید شده توسط واکنش مغناطیس است . میدان مغناطیسی آهن ربای دائم به اندازه ی کافی برای کار کردن کافی است . که حتی به عنوان یک موتور یا دینام کوچک بکار می رود ( کار می کند). در نتیجه برای ماشین های بزرگتر آهنربای بزرگتری بکار می رود. هم موتور ها وهم ژنراتورها دارای دو اصل هستند : قسمتها ومیدان که آهنربای الکترومغناطیسی با سیم پیچ هایش و آرمیچر و ساختاری که از کنتاکتور حمایت می کند و کار قطع میدان مغناطیسی وحمل جریان القا شده ژنراتور یا جریان ناگهانی به موتور را دارد است. آرمیچر معموﻸ هسته ی نرم آهنی اطراف سیم های القایی که دور سیم پیچ ها پیچیده شده اند است.
(2)
موتور های AC:
دو نوع اساسی موتور ها طراحی شده اند برای عمل کردن بر روی جریان متناوب پولی فاز موتور های سنکرون و موتور های القایی موتور های سنکرون اساسآ یک تناوب گر(آلترناتور) سه فاز است که بصورت معکوس کار می کند. آهنربا های میدان روی رتور پیچیده شده اند توسط جریان مستقیم تحریک شده اند و سیم پیچ آرمیچر به سه قسمت تقسیم می شود و با جریان متناوب سه فاز تغذیه می شوند . تغییر موج های سه فاز جریاندر آرمیچر واکنش متغییر مغناطیس را با قطبهای آهنربا های میدان سبب می شوند. و چرخش میدان با یک سرعت ثابت که ای سرعت ثابت توسط فرکانس جریان در خط قدرت AC تعیین می شود را سبب می گردند سرعت موتور سنکرون در وسایل خاصی سودمند است. همچنین در کاربدهایی که بار مکانیکی روی موتور خیلی زیاد می شود و نیز موتور های سنکرون نمی توانند استفاده شوند. بخاطر اینکه اگر موتور سرعتش کاسته شود تحت بار آن یک مرحله عقب می ماند . در واقع یک پله کاسته می شود با فرکانس جریان و منجر به توقف موتور می شود موتور های سنکرون می توانند ساخته شوند برای عملکرد از یک منبع قدرت تک فاز توسط با شاکل شدن عناصر مدار مناسب که یک میدان مغناطیسی چرخش را سبب می شود ساده ترین موتور های الکتریکی نوع قفس سنجابی موتور های القایی استفاده شده باید یک تغذیه سه فاز می باشد استاتور یا ارمیچر ساکن از موتور قفس سنجابی شامل سه سیم پیچ ثابت مشابه با آرمیچر موتور سنکرون می باشد عصر چرخشی متشکل از یک هسته: در قسمتی که یک سری از کنتاکتور ها سنگین نظم داده ومنظم شده اند وقرار گرفته اند بصورت یک دایره در اطراف شافت (میله) و موازی با آن برداشتنی هستند کنتاکتور های روتور به شکل قفسه ای استوانه ای و مشابه به ان استفاده می شوند بصورت سنجابی (کار می کنند) جریان سه فاز در سیم پیچ های استاتور جاری می شوند و یک میدان مغناطیسی چرخشی تولید می کند. این میدان یک جریان در کنتاکتور های نوع قفسه ای القا می کند . واکنش مغناطیسی بین میدان چرخشی و کنتاکتور های حامل جریان روتور روتور را به حرکت در می اورند. اگر روتور دقیقآ با سرعت یکسانی به مانند میدان مغناطیسی بچرخد هیچ جریانی در آن القا نخواهد شد. و از این رو روتور با سرعت سنکرون نباید به حرکت دراید. در عمل سرعتهای چرخش روتور و میدان در حدود 2 تا 5 درصد با هم تفاوت دارند. این تفا وت سرعت بعنوان لغزش معروف است. متور ها با روتور های قفس سنجابی می توانند استفاده شوند روی جریان متناوب تکفاز بوسیله نظم های مختلفی از القا و ظرفیت و بر اساس این دو مورد که ولتاژ تکفاز را اصلاح می کند و تغییر می دهد و آن را به ولتاژ فاز تبدیل می کند چنین موتور هایی بعنوان موتور های فاز شکاف (Spelat Phase) مشخص و معروفند یا موتور های تعدیل کننده یا کند از سر(متور های خازنی) بر اساس نظم و ترتیب آن ها استفاده می شوند.
4و3
موتور های قفس سنجابی تکفاز گشتاور شروع(راه اندازی) زیادی ندارند. و برای به کار انداختن در حالی که گشتاور زیاد است موتور های خنثی القایی استفاده می شود . یک موتور خنثی القایی ممکن است از نوع فاز شکاف باشد. یا از نوع تعدیل کننده اما یک سوئیچ یا اتو ماتیک یا دستی دارد که اجازه می دهد جریان بین جاروبک های کموتاتور وقتی موتور شروع به حرکت می کند. جاری شود و اتصالات کوتاه همه اجزای کموتاتور بعد از اینکه موتور به یک سرعت تقسیم می شوند . موتور های دفع القایی یا خنثی القایی به ای خاطر نامیده شده اند . که گشتاور راه اندازیشان وابسته است به دفع بین روتور و استاتور و گشتاورشان در زمان راه اندازی وابسته است به القا موتورهای سیم پیچی شده ی سری با کموتاتور ها که بر روی جریان متناوب با جریان مستقیم عمل می کنند. موتور های یونیورسال نامیده می شوند. آن ها معمولآ فقط در اندازه های کوچک ساخته می شوند و معمولآ در مصارف خانگی کاربرد دارند.
آلتر ناتور های جریان متناوب(AC)(آلتر ناتور ها) ژنراتوها:
همانتور که در بالا گفته شد یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور تولید خواهد کرد که یک جریان الکتریکی که متناوب می شوند.در مسیر همانطور که آرمیچر می چرخد چنین جریان متناوبی مزیت زیادی دارد . برای اتقال توان الکتریکی و از این رو بشترین ژنراتور های اللتریکی بزرگ از نوع AC هستند.در ساده ترین شکلش یک ژنراتور AC فقط در دو حالت خاص فرق می کند با ژنراتور DC پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند. برای حلقه های لغزان جزئی شده جامد روی شافت(میله)ژنراتو بجای کموتاتور و سیم پیچ های میذان توسط یک منبع DC خارجی تغذیه انرژی می شوند. تا اینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام می شود. ژنراتور های AC سرعت پایینی با تعداد زیادی در حدود 100 قطب ساخته می شوند. هم برای بهبود بازده شان و هم برای دست یافتن به فرکانس دلخواه به آسانی. آلترناتور ها با توربین های سرعت بالا راه اندازی می شوند. همچنین اغلب ماشین های دو قطبی هستند. فرکانس جریان گرفته شده توسط ژنراتو AC مساوی است با نیمی از تعداد قطبها و تعداد چرخش آرمیچر در هر ثانیه. اغلب مطلوب است در مورد ژنراتور که واتژ بالایی وجود داشته باشد و آرمیچر های در حال چرخش در چنین کاربرد هایی صرف عمل نمی کنند. بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبکها و حلقه های لغزان و خطر شکستهای مکانیکی که ممکن است سبب اتصال کوتاه شود . آلترناتور ها بنا بر این با یک سیم پیچ ساکن که بدور یک روتور می چرخد . و این روتور شامل تعدادی اهنربای مغناطیسی میدان هستندساخته می شوند