NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ 0942909480

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập Tự do Hạnh phúc NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Văn Long Giang SINH VIÊN THỰC HIỆN 1 Võ Anh Vũ MSSV 15145182 2 Nguyễn Tấn Trung MSSV 15145165 I Nội dung • Tìm hiểu bản chất của cơ điện tử • Nghiên cứu về cấu trấu của cơ điện tử • Nghiên cứu về bộ điều khiển trong cơ điện tử • Nghiên cứu về hệ thống mạng lưới t.

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Ts Nguyễn Văn Long Giang.

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

I Nội dung :

• Tìm hiểu bản chất của cơ điện tử

• Nghiên cứu về cấu trấu của cơ điện tử

• Nghiên cứu về bộ điều khiển trong cơ điện tử

• Nghiên cứu về hệ thống mạng lưới trên ô tô

• Nghiên cứu về việc kết nối của các thành phần trên ô tô

• Nghiên cứu về hệ thống mạng CAN trên ô tô

• Tìm hiểu cách chẩn đoán mạng CAN của hãng BMW

• Viết thuyết minh đề tài

II Trình bày :

Thuyết minh đề tài: 01 cuốn thuyết minh

III Thời gian thực hiện :

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2019

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ts Nguyễn Văn Long Giang

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2019

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phó Giáo Sư, Ts Lý Vĩnh Đạt

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn trường Đại học sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cho chúng em một môi trường học tập thật tuyệt vời và ngoài ra nhà trường còn tạo rấtnhiều cơ hội cũng như các cuộc thi để những lứa sinh viên có thể phát huy hết trí và lực của mình

Chúng em lại một lần xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa đào tạo chất Lượngcao nói riêng và trường Đại học sư phạm kỹ thuật nói chung, vì đã truyền đạt những kiến thức khắc cốt ghi tâm cho chúng em Và chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Văn Long Giang, thầy là giảng viên đã hướng dẫn chúng em làm để tài nghiên cứu khoa học “ Nghiên cứu hệ thống mạng CAN trên ô tô”

Chúng em là thế hệ trẻ, thế hệ tiếp nối những truyền thống của cha ông Bác đã nói

“Non sông Việt Nam có trở nên tươi đẹp hay không là phụ thuộc vào thế hệ chúng em” Vì thế chúng em mong rằng mình sẽ nhận được những lời nhận xét và tư vấn thẳng thắng từ quý Thầy

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “Nghiên cứu hệ thống mạng CAN trên ô tô” được soạn thảo nhằm

mục đích hiểu được bản chất của cơ điện tử và bản chất của hệ thống mạng trên ô tô,

qua đó lấy mạng CAN làm đối tượng chuyên sâu

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ x

CHƯƠNG 1 : NHỮNG CƠ BẢN CỦA CƠ ĐIỆN TỬ 1

1.1 NHỮNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA NÓ .1

1.1.1 Các ứng dụng 1

1.1.2 Ví dụ ở cấp hệ thống 1

1.1.3 Ví dụ ở cấp thành phần 3

1.1.4 Ví dụ trong lĩnh vực cơ học vi mô 4

1.2 Phương pháp phát triển 4

1.2.1 Mô phỏng 4

1.2.2 Mô hình V 6

1.3 Góc nhìn 6

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC 9

Tổng Quan 9

2.1.1 Lịch sử 9

2.1.2 Công nghệ ngày nay 9

2.1.3 Xu hướng phát triển 12

2.1.4 Mục tiêu 12

2.2 Cấu trúc hệ thống xe 14

2.2.1 Cấu trúc 14

2.2.2 Cấu trúc chức năng 15

2.2.3 Triển khai cho cấu trúc hệ thống 17

2.2.4 Khái niệm CARTRONIC® 17

2.2.5 Cấu trúc phần mềm 18

2.2.6 Cấu trúc mạng 19

2.2.7 Sáng kiến Autosar 20

2.3 Góc nhìn 22

CHƯƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 23

3.1 Điều kiện hoạt động 23

3.2 Thiết kế 23

3.3 Xử lí dữ liệu 24

3.3.1 Tín hiệu đầu vào 24

3.3.2 Điều áp tín hiệu 25

3.3.3 Xử lí tín hiệu 25

3.3.4 Tín hiệu đầu ra 25

3.3.5 Điều khiển truyền thông nội bộ 26

3.3.6 Lập trình kết thúc ở cuối chuỗi sản xuất.( EOL programming) 27

3.4 Các mô-đun kỹ thuật số trong đơn vị điều khiển 27

3.4.1 Vi điều khiển 27

3.4.2 Bộ nhớ bán dẫn 29

3.5 Phần mềm điều khiển 33

3.5.1 Khả năng thời gian thực 33

3.5.2 Cấu trúc phần mềm 33

3.5.3 Phát triển phần mềm 39

3.5.4 Cấu trúc của phần mềm 47

3.5.5 Hệ thống điều hành: 49

3.5.6 Sự thu các biến đầu vào và đầu ra 53

3.5.7 Lựa chọn sang số và chức năng thích ứng 60

3.5.8 Phương pháp xác định đối tượng 60

3.5.9 Những chức năng chẩn đoán 66

3.5.10 Chức năng giám sát 68

CHƯƠNG 4 : NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA MẠNG LƯỚI 71

4.1 Cấu trúc mạng 71

4.1.1 Cấu trúc mạng hình tuyến 72

4.1.2 Cấu trúc hình sao 73

4.1.3 Cấu trúc vòng 74

4.1.4 Cấu trúc lưới 75

1.3.1 4.1.5 Cấu trúc lai 76

4.2 Tổ chức mạng 77

4.2.1 Địa chỉ 77

4.2.3 Phương pháp truy cập đường truyền 79

4.2.4 Mô hình tham chiếu OSI 81

4.2.5 Lớp vật chất 82

4.2.6 Lớp giao tiếp 85

4.2.7 Lớp ứng dụng 85

4.3 Cơ chế điều khiển 85

4.3.1 Điều khiển biến cố 85

4.3.2 Điều khiển thời gian 88

4.3.3 Khả năng kết hợp 90

CHƯƠNG 5 : SỰ KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN TRÊN Ô TÔ 91

5.1 Chức năng của hệ thống chéo 92

5.2 Yêu cầu đối với hệ thống đường truyền 93

5.2.1 Tốc độ truyền dữ liệu 93

5.2.2 Tránh nhiễu 94

5.2.3 Khả năng tạo thời gian thực 94

5.2.4 Số nút mạng 95

5.3 Phân loại hệ thống đường truyền 95

5.4 Những ứng dụng trong xe 97

5.4.1 Ứng dụng thời gian thực 97

5.4.2 Ứng dụng ghép kênh 98

5.4.3 Mạng đa phương tiện 99

5.5 Khớp nối mạng 99

5.6 Một số ví dụ trong kết nối trong ô tô 100

5.6.1 Cấu trúc liên kết 100

5.6.2 Tín hiệu truyền dẫn 101

5.6.3 Truyền dữ liệu : Ví dụ 104

CHƯƠNG 6 : HỆ THỐNG MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ 116

6.1 Đường truyền CAN 116

6.1.1 Ứng dụng 116

6.1.2 Cấu trúc liên kết 117

6.1.3 Hệ thống truyền dữ liệu 118

1.3.2 6.1.4 Giao thức CAN 124

6.1.5 Phần cứng 133

6.1.6 Trình truyền dữ liệu 137

6.1.7 Tiêu chuẩn hóa 139

6.1.8 Đặc điểm 139

CHƯƠNG 7 : TỔNG QUAN ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ CHẨN ĐOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN CỦA HÃNG BMW 141

7.1 Phân tích hệ thống đường truyền 141

7.1.1 CAN thân xe : CAN Body 141

7.1.2 CAN thân xe 2: K-CAN 2 141

7.1.3 CAN hệ thống động lực 2 : PT-CAN 2 142

7.2 Chẩn đoán CAN 142

7.2.1 Điều kiện để chẩn đoán 142

7.2.2 Đo xung 142

7.2.3 Quy trình đo kiểm điện trở 144

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 : Truy cập phần cứng qua các tế bào RAM toàn cực………….54 Bảng 3.2 : Truy cập phần cứng qua các chức năng……….54 Bảng 3.3 : Tỷ lệ bit như một hàm cho độ dài của cáp (đường truyền )…56 Bảng 3.4 : Giám sát các van điện từ……… 68

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Hệ thống cơ điện tử [1] 2

Hình 1.2 Phương Pháp lặp lại cấp độ 1 [2] 7

Hình 1.3 Tổng quan về mô hình chữ V [3] 8

Hình 2.1 Tỉ lệ điện điện tử trên xe ô tô [4] 10

Hình 2.2 Biểu đồ số lượng vi điều khiển [5] 11

Hình 2.3 Cấp độ trong miền chuyển động ô tô [6] 15

Hình 2.4 Ví dụ về cấu trúc chức năng cho miền chuyển động của xe [7] .16 Hình 2.5 Cấu trúc chức năng [8] 18

Hình 3.1 Thiết kế bộ điều khiển sử dụng ví dụ về ME Motronic (chế độ xem mặt cắt qua vỏ bọc) [9] 24

Hình 3.2 Tín hiệu PWM [10] 26

Hình 3.3 Vi điều khiển [11] 29

Hình 3.4 Tổng quan về bộ nhớ bán dẫn [12] 31

Hình 3.5 Nguyên lí bộ phân phối nguồn CPU [13] 34

Hình 3.6 Vòng cảm biến trục khuỷa với cảm biến tốc độ [14] 35

Hình 3.7 Tính toán thời gian qua bộ đếm thời gian nội bộ [15] 36

Hình 3.8 Kích hoạt ngắt đồng bộ với quá trình đốt [16] 37

Hình 3.9 Thời gian dừng và thời gian đánh lửa [17] 38

Hình 3.10 Mô hình chữ V được đơn giản hóa [18] 39

Hình 3.11 Quá trình phát triển chi tiết [19] 40

Hình 3.12 Các công cụ trong quá trình phát triển [20] 44

Hình 3.13 Trình tự quy trình đơn giản hóa [21] 45

Hình 3.14 Thiết kế chức năng với ASCET-SD [22] 46

Hình 3.15 Kiểm tra thiết lập cho ASCET-SD 46

Hình 3.16 : TCM-simutec( Xe thí nghiệm) [23] 47

Hình 3.17 Mô hình của lớp phần mềm [24] 48

Hình 3.18 : Quy trình và nhiệm vụ [25] 50

Hình 3.19 : Thay đổi thuật toán giúp đỡ [26] 51

Hình 3.20 : Thay đổi thuật toán ưu tiên [27] 51

Hình 3.21 : Phân phối sự ưu tiên [28] 52

Hình 3.22 : Thay đổi chế độ ứng dụng [29] 52

Hình 3.23 : Truy cập phần cứng trong lớp mô hình [30]. 53

Hình 3.24 : Mạng của ECU [31] 56

Hình 3.25 : Giao diện mạng CAN [32] 57

Hình 3.26 : Sử dụng cổng kép RAM với đường truyền CAN [33] 58

Hình 3.27 : Sự phân xử đường truyền –CAN [34] 58

Hình 3.28 : Khung dữ liệu chuẩn CAN [35]. 59

Hình 3.29 : Khung dữ liệu mở rộng CAN [36] 59

Hình 3.30 : Đường cong 1-2 của Mỹ [37] 61

Hình 3 31: Đường cong với một số chương trình lái xe 1-2 [38] 61

Hình 3.32 : Cấu trúc tổng thể của việc điều khiển xe [39] 62

Hình 3.33 : Tổng quan cấu trúc của việc lựa chọn số [40] 63

Hình 3.34: Xác định phong cách lái [41] 64

Hình 3.35: Sự nhận dạng đồi [42] 65

Hình 3.36 : Tình huống lái xe [43] 65

Hình 3.37: Đặc tính của tín hiệu ISIG [44] 69

Hình 4.1 : Hệ thống kết nối trên ô tô [45] 72

Hình 4.2 : Cấu trúc dạng đường tuyến [46] 73

Hình 4.3 : Cấu trúc dạng sao [47] 74

Hình 4.4 : Cấu trúc dạng vòng [48] 75

Hình 4.5 : Cấu trúc dạng lưới [49] 76

Hình 4.6 : Cấu trúc sao lai đường tuyến [50] 77

Hình 4.7 : Cấu trúc sao lai vòng [51] 77

Hình 4.8 : Những mô hình địa chỉ [52] 78

Hình 4.9 : Hệ thống chủ-nô [53] 80

Hình 4.10 : Mô hình tham chiếu OSI [54] 82

Hình 4.11 : Tạo mức độ ưu tiên hoặc thụt lùi [55] 84

Hình 4.12 : Khung truyền dữ liệu giao diện UART [56] 84

Hình 4.13: Điều khiển biến cố [57] 87

Hình 4.14 : Điều khiển thời gian [58] 89

Hình 5.1: Kết nối mạng trong ô tô [59] 91

Hình 5.2 : Số lượng đơn vị điều khiển trong Mercedes S-class được kết nối qua CAN [60] 92

Hình 5.3 : Tên miền tổng thể trong hệ thống xe [61] 98

Hình 5.4 : Cấu trúc cổng [62] 100

Hình 5.5 : Cấu trúc điển hình liên kết mạng cho xe thế hệ mới [63] 101

Hình 5.6 : Truyền báo hiệu trong khi bật tắt các nút báo hiệu [64] 106

Hình 5.7 : Truyền dữ liệu trong quá trình vận hành cần gạt nước [65] 107

Hình 5.8 : Kết nối đa phương tiện [66] 108

Hình 5.9 : Điều khiển cửa sổ trời tự động [67] 111

Hình 5.10 : FlexRay [68] 115

Hình 6.1 : Sự kết nối các bộ điều khiển điện tử bởi CAN [69] 116

Hình 6.2 : Các nút mạng CAN [70] 119

Hình 6.3 : Lọc nhiễu trên hệ thống đường truyền CAN [71] 120

Hình 6.4 : Mức Voltage [72]

122 Hình 6.5: Hệ thống truyền dữ liệu [73]. 123

Hình 6.6 : Các lớp giao thức [74]. 124

Hình 6.7 : Định địa chỉ và lọc tin nhắn [75] 126

Hình 6.8:Việc phân xử Bit [76] 127

Hình 6.9 : Bản mẫu thông điệp CAN [77] 129

Hình 6.10 : Mô hình CAN cơ bản [78] 135

Hình 6.11 : Mô hình CAN đầy đủ [79] 136

Hình 6.12 : Trình tự truyền dữ liệu [80]. 138

Hình 7.1 : Đo đạc CAN thân xe : CH1 CAN [81] 143

Hình 7.2 : Đo đạc CAN hệ thống động lực [82] 144

Những từ viết tắt

CHƯƠNG 1 : NHỮNG CƠ BẢN CỦA CƠ

ĐIỆN TỬ

Thuật ngữ “cơ điện tử” ra đời như một từ được tạo ra từ cơ khí và điện tử,trong đó điện tử là phần cứng và các phần mềm, cơ học là một thuật ngữ chung chonhững quy tắc của ngành kỹ thuật cơ khí và thủy khí nén Vấn đề không phải là thaythế kỹ thuật cơ khí bằng điện tử hóa, mà vấn đề chính là về phương pháp tiếp cận tổnghợp và phương pháp thiết kế Mục đích là đạt được sự tối ưu hóa khi kết hợp kỹ thuật

cơ khí, phần cứng và phần mềm điện tử để cho ra nhiều chức năng hơn với chi phíthấp hơn, trọng lượng ít hơn và không gian lắp đặt và chất lượng tốt hơn Kết hợp cácquy tắc kiểm tra chung góp phần tạo nên sự thành công của việc áp dụng cơ điện tử đểgiải quyết vấn đề

1.1 NHỮNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA NÓ

1.1.1 Các ứng dụng

Các hệ thống và linh kiện cơ điện tử hiện nay được trang bị rất nhiều trên xe:

hệ thống quản lý động cơ và hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ xăng và diesel, hệthống điều khiển hộp số, hệ thống quản lý năng lượng điện và nhiệt, ngoài ra còn các

hệ thống đa dạng như hệ thống phanh và hệ thống lái linh hoạt Nó thậm chí bao gồmcác hệ thống thông tin và liên lạc, với nhiều yêu cầu khác nhau khi nói đến khả nănghoạt động Bên cạnh các hệ thống và linh kiện, cơ điện tử cũng đang đóng một vai tròngày càng quan trọng trong lĩnh vực cơ học vi mô

1.1.2 Ví dụ ở cấp hệ thống

Một xu hướng chung đang thịnh hành đó là phát triển tất cả các hệ thống điềukhiển và hệ thống lái trở thành tự động hoàn toàn : ngày càng nhiều hệ thống cơ khí sẽđược thay thế bằng các hệ thống X-by-wire trong tương lai

áp suất riêng biệt khi phanh cho từng bánh xe và cho các thông số thực tế , do đó nó

có thể điều chỉnh áp lực phanh tới từng bánh xe thông qua bộ điều biến áp suất bánh

xe Bốn bộ điều biến áp suất, mỗi bộ bao gồm một đầu vào và một van đầu ra đượcđiều khiển bởi các mức điện áp, cùng nhau tạo ra một áp suất được đo lường chínhxác

Việc tạo áp suất và việc phun được tách rời trong hệ thống common rail Mộtđường ống với áp suất cao, tức là đường ống chung, đóng vai trò là một bộ tích lũy ápsuất cao, liên tục cung cấp áp suất nhiên liệu cần thiết cho mỗi trạng thái vận hành củađộng cơ Một kim phun được điều khiển bằng điện từ có vòi phun tích hợp sẽ phunnhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt cho mỗi xi lanh Các thiết bị điện tử đó yêu cầu dữliệu về vị trí bàn đạp ga, tốc độ quay, nhiệt độ vận hành, lưu lượng khí nạp sạch và ápsuất đường rail để tối ưu hóa việc kiểm soát đo nhiên liệu

1.1.3 Ví dụ ở cấp thành phần

Tiềm năng của lĩnh vực công nghệ Diesel phụ thuộc rất nhiều vào một thànhphần quan trọng, đó là kim phun nhiên liệu Kim phun của hệ thống common rail làmột ví dụ điển hình trong trong thực tế Tóm lại, muốn đạt được tiêu chí của kháchhàng, phải điều chỉnh tất cả các lĩnh vực vật lý (điện động lực, cơ khí, động lực họcchất lỏng…)

Ổ đĩa chương trình trong xe tiếp xúc với các điều kiện đặc biệt khắc nghiệt.Ngoài khả năng chịu được dải nhiệt độ rộng, chúng phải chịu được các rung động.Các yếu tố này có ảnh hưởng rất lớn đến mức độ xử lý chính xác của hệ thống

Để việc dao động của xe không tác động đến các bộ đọc trong suốt quá trìnhchuyển động, các ổ thường có hệ thống giảm xóc lò xo Đối với việc giảm trọng lượng

và xem xét không gian cho ổ đĩa, chúng ta cần để ý đến hệ thống giảm xóc lò xo.Trong các ổ đĩa chương trình không có hệ thống giảm xóc, do đó nên thiết kế một hệthống cơ học có độ hở bằng không và tạo ra sự gia cố bổ sung cho bộ điều khiển lấynét và theo dõi ở tần số cao

Chỉ bằng cách kết hợp cả hai biện pháp cơ học đó, nó mới có thể đạt được khảnăng chống rung tốt trong chế độ lái xe Cũng như giảm trọng lượng khoảng 15%,chiều cao tổng thể cũng được giảm khoảng 20%

Hệ thống cơ điện tử mới cho máy nén không chổi than, động cơ điện một chiều(BLDC’s) Ban đầu, chúng đắt hơn hơn máy nén có chổi than Tuy nhiên, cách kết

hợp tối ưu hóa đã dần mang lại các lợi ích: Động cơ BLDC’s có thể được sử dụng như

mô tơ với rotor ướt cùng thiết kế đơn giản hơn nhiều Số lượng riêng các bộ phận do

đó được giảm khoảng 60%

Về chi phí tương đương nhau, thiết kế mạnh mẽ hơn này tăng gấp đôi tuổi thọ,giảm gần một nửa trọng lượng và giảm chiều dài tổng thể khoảng 40%

1.1.4 Ví dụ trong lĩnh vực cơ học vi mô

Một ứng dụng khác của cơ điện tử là lĩnh vực cho các hệ thống cảm biến vi cơ,với các ví dụ đáng chú ý như máy đo lưu lượng khí nạp kiểu màng nóng, cảm biếnxoay xe

Do các hệ thống con được kết hợp chặt chẽ, thiết kế hệ thống vi mô cũng đòihỏi một quy trình liên ngành, đưa các quy tắc riêng của các thành phần cơ khí, điện tử,

và có thể phải xem xét luôn cả những quy tắc của tĩnh điện và động lực học chất lỏng

1.2 Phương pháp phát triển.

1.2.1 Mô phỏng

Những thách thức đối với nhà sản xuất là thời gian phát triển công nghệ phảingắn và sự phức tạp của công nghệ ngày càng cao Đồng thời, điều quan trọng là đảmbảo rằng sự phát triển đó sẽ cho ra các sản phẩm hữu ích

Các hệ thống cơ điện tử phức tạp bao gồm một số lượng lớn các thành phần từcác lĩnh vực vật lý khác nhau: thành phần thủy lực, thành phần cơ khí và linh kiệnđiện tử Mức độ tương tác giữa các miền này là một yếu tố quyết định chi phối chứcnăng và hiệu suất của toàn bộ hệ thống Để xem xét các quyết định chính thì phải dựavào các mô hình, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển ban đầu khi không có nguyênmẫu

Các vấn đề cơ bản thường có thể được làm rõ bằng cách tạo ra các mô hìnhtương đối đơn giản cho các thành phần Nếu cần chi tiết hơn, việc tạo ra các mô hìnhtinh xảo hơn là cần thiết Các mô hình chi tiết tập trung chủ yếu vào một miền vật lý

cụ thể:

common rail có sẳn Chúng có thể được mô phỏng bằng các chương trình đặc

thống thủy lực Trong những vấn đề thì hiện tượng xuất hiện bọt phải đượckiểm tra nghiêm ngặt.

điện tử Một lần nữa, điều này liên quan đến việc sử dụng các công cụ môphỏng phải được phát triển đặc biệt để thiết kế các mạch điện tử

Ví dụ với phần mềm điều khiển bơm cao áp và các thiết bị điện tử công suấttrong bộ điều khiển lấy tín hiệu từ các tín hiệu cảm biến, quá trình phát triển và môphỏng của các phần mềm đó cũng sử dụng các công cụ được thiết kế đặc biệt cho lĩnhvực này, các hệ thống khác cũng vậy

Khi các thành phần trong toàn bộ hệ thống tương tác với nhau thì việc đánh giáchi tiết mô hình cho từng linh kiện riêng lẻ là không đủ Giải pháp tối ưu là tạo nêntừng mô hình cho từng linh kiện riêng biệt nhưng phải xem đến sự tương tác đến cáclinh kiện hệ thống khác Trong hầu hết các trường hợp, các thành phần này có thểđược biểu diễn bằng các mô hình đơn giản hơn Ví dụ, tập trung mô phỏng vào cácthành phần thủy lực chỉ cần một mô hình đơn giản của thiết bị điện tử công suất

Việc áp dụng các công cụ mô phỏng đặc thù các miền khác nhau trong quátrình phát triển các hệ thống cơ điện tử chỉ hiệu quả nếu có một số thiết bị loại hỗ trợ

để giao tiếp giữa các mô hình và tham số của công cụ mô phỏng Việc trao đổi trựctiếp các mô hình có nhiều vấn đề do các ngôn ngữ cụ thể được sử dụng để mô tả các

mô hình của từng công cụ

Tuy nhiên, theo một phân tích về các thành phần điển hình trong các hệ thống

cơ điện tử cho thấy chúng có thể bao gồm một vài yếu tố đơn giản dành riêng cho cácmiền Các yếu tố tiêu chuẩn này, ví dụ:

với cơ chế vi mô)

Giải pháp tốt hơn là các yếu tố này nên được lưu trữ trong thư viện mô hìnhtiêu chuẩn trung tâm và có thể được truy cập để phát triển sản phẩm Bản chất của thưviện mô hình chuẩn là một tài liệu của tất cả các yếu tố tiêu chuẩn Đối với mỗi yếu

tố, điều này bao gồm:

Mô tả hành vi vật lý bằng từ ngữ : Các phương trình vật lý, tham số (ví dụ: độdẫn hoặc tính thấm), biến trạng thái (ví dụ: dòng điện, điện áp, từ thông, áp suất) và

mô tả các giao diện liên quan

Nhìn chung, thư viện bao gồm các mô hình tham khảo từ các lĩnh vực cơ khí,thủy lực, điện tử, điện động lực học và phần mềm

1.2.2 Mô hình V

Sự phụ thuộc của các giai đoạn phát triển các sản phẩm khác nhau được minhhọa trong mô hình “V”: từ phân tích yêu cầu đến phát triển, thực hiện, thử nghiệm vàtriển khai hệ thống Một dự án phải thông qua ba cấp độ từ trên xuống trong các giaiđoạn phát triển:

Một yêu cầu kỹ thuật (cái gì) trước tiên phải được sản xuất ở mỗi cấp dướidạng thông số kỹ thuật Dựa vào các nền tảng của quyết định thiết kế mà đưa ra cácthông số kỹ thuật (công việc kỹ thuật sáng tạo thực tế) Các hiệu suất của thông số kỹthuật sẽ thể sự đáp ứng của các yêu cầu Do đó chúng ta có thể dựa trên hiệu suất củacác thông số kỹ thuật để đánh giá (tức là xác nhận) về tính chính xác của từng giaiđoạn thiết kế cùng với các trường hợp thử nghiệm được quy định trước đó Tùy thuộcvào ứng dụng công nghệ nào thì sẽ có các lĩnh vực liên quan đến nó (kỹ thuật cơ khí,thủy lực, động lực học chất lỏng, điện, điện tử và phần mềm)

Việc thu kết quả ở mỗi cấp thiết kế sẽ rút ngắn đáng kể các giai đoạn phát triển.Việc mô phỏng, tạo mẫu nhanh và kết hợp các kỹ thuật là các công cụ cho phép xácminh nhanh và chúng tạo điều kiện để rút ngắn chu kỳ sản phẩm

1.3 Góc nhìn

Hậu thuẫn chính đằng sau cơ điện tử là sự tiến bộ liên tục trong lĩnh vực viđiện tử Cơ điện tử được hưởng lợi từ công nghệ máy tính dưới dạng máy tính tíchhợp, và nó mạnh hơn tất cả các ứng dụng tiêu chuẩn Theo đó, có một tiềm năng lớn

sự tiêu thụ nhiên liệu Mặt khác việc làm chủ kỹ thuật trong hệ thống là một trongnhững thách thức lớn.

Hình 1.2 Phương Pháp lặp lại cấp độ 1

Tuy nhiên, các hệ thống của “X-by-wire” trong tương lai không có mức dựphòng bắt buộc của cơ hay thủy lực cũng như cung cấp các chức năng theo quy địnhtrong trường hợp xảy ra sự cố Để đáp ứng được như vậy thì cần một cấu trúc cơ điện

tử có độ tin cậy cao và tính khả dụng cao, đòi hỏi phải có bằng chứng an toàn cơ bản.Điều này ảnh hưởng đến cả hai thành phần đơn lẻ như truyền năng lượng và tín hiệu

Cũng như các hệ thống của “X-by-wire”, các hệ thống hỗ trợ người lái và trợ lýảo/ giao diện máy đại diện cho từng khu vực khác, việc có thể triển khai nhất quán các

hệ thống cơ điện tử sẽ giúp cho cả người dùng và nhà sản xuất xe đạt được các yêucầu Các phương pháp thiết kế của các hệ thống cơ điện tử nên cố gắng duy trì hướngđến một số khía cạnh:

mục tiêu tối ưu hóa tổng thể, thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn để đạt được

sự hiểu biết chi tiết, và kỹ thuật thiết kế từ dưới lên trên từ thử nghiệm thànhphần đến thử nghiệm hệ thống

 Theo chiều ngang : Sự kết hợp các kỹ thuật phải thông qua cáckhuôn phép, điều đó cần thiết với tất cả các khía cạnh liên quan đến sản phẩmcùng một lúc.

tưởng ảo cơ bản sẽ đến gần với thực tế

Một thách thức khác là đào tạo để tiếp tục tư duy liên ngành và phát triển các

quy trình kỹ thuật phần mền và hình thức của tổ chức, giao tiếp phù hợp.

Hình 1.3 Tổng quan về mô hình chữ V

“K Reif (Ed.), Cơ điện tử ô tô, Thông tin ô tô chuyên nghiệp của Bosch, DOI10.1007 / 978-3-658-03975-2_2, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2015”

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC

Trong ba thập kỷ qua, lĩnh vực ô tô đã gặt hái được nhiều thành công to lớn.Các hệ thống xử lý khí thải hiện đại đã làm giảm đáng kể các chất ô nhiễm trong khíthải, trong khi hệ thống bảo vệ người ngồi và hệ thống ổn định xe cải thiện an toàntrên đường Phần lớn thành công này là do sự ra đời của các hệ thống điều khiển điện

tử Tỷ lệ của các hệ thống được sử dụng trong xe hơi tăng liên tục Chúng ta có thể đạtđược các yêu cầu của an toàn và khả năng bảo vệ môi trường và nhu cầu về các chứcnăng tiện nghi và tiện lợi bằng cách thông qua các thiết bị điện điện tử Lên đếnkhoảng 90% những đổi mới trong xe sẽ được hiện thực hóa bằng hệ thống điều khiểnđiện tử và vi xử lý Sự kết nối của các thiết bị điện tử tạo điều kiện tiên quyết cho việcliên hợp các hệ thống đa dạng trên một chiếc xe để tạo thành một tổng thể hoàn chỉnh.Tuy nhiên, điều này dẫn đến một sự phức tạp chỉ có thể khắc phục với chi phí đángkể

2.1 Tổng Quan

2.1.1 Lịch sử

Vào khoảng năm 1950, mạng lưới điện trên ô tô khoảng 40 đường Về cơ bản,dây điện chỉ được yêu cầu cho ác quy, bộ khởi động, đánh lửa và hệ thống ánh sáng vàtín hiệu

Bắt đầu với hệ thống phun và đánh lửa điện tử, độ phức tạp của dây điện từ đótăng nhanh Các cảm biến được trang bị trong khoang động cơ (ví dụ: cảm biến tốc

độ, cảm biến nhiệt độ động cơ) phải truyền tín hiệu đến bộ phận điều khiển động cơ,trong khi kim phun nhiên liệu yêu cầu tín hiệu kích hoạt từ bộ điều khiển điện tử

Với sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và được nhiều hãng ápdụng, hệ thống dây điện ngày càng phức tạp hơn nữa Trong khi đó, hệ thống tiện nghi

và tiện lợi, ví dụ: các bộ cửa sổ điện , cũng sẽ là một phần của thiết bị tiêu chuẩn Tất

cả các hệ thống này yêu cầu các đường kết nối bổ sung để kết nối các cảm biến, bộphận điều khiển và bộ truyền động với bộ điều khiển

2.1.2 Công nghệ ngày nay.

Trong những năm 1990, hệ thống cáp trong một chiếc xe hạng sang lên tớikhoảng 3 km Con số này cho thấy rõ ràng hệ thống xe đã trở nên phức tạp như thếnào Tỷ lệ gia tăng của thiết bị điện trong ô tô (Hình 2.1) chủ yếu có thể được quy cho

sự gia tăng trong công nghệ vi điện tử và cảm biến

Hình 2.1 Tỉ lệ điện – điện tử trên xe ô tô

Lúc đầu, nhiều hệ thống mới được tích hợp vào xe bằng thiết bị điều khiển điện

tử chuyên dụng của riêng họ Đối với hầu hết các phần, các bộ điều khiển điện tửriêng lẻ hoạt động lẫn nhau độc lập Có một điểm chung là các đường kết nối ngàycàng trở nên cần thiết giữa các bộ điều khiển điện tử để cho phép trao đổi dữ liệu bằngtín hiệu PWM Tùy thuộc vào loại xe nào, có từ 20 đến 80 bộ điều khiển điện tử đượctrang bị trên các xe ngày nay Họ điều khiển các thiết bị như động cơ, hệ thống phanhABS và túi khí… Do đó, số lượng vi điều khiển trong xe đã tăng liên tục trong nhữngnăm gần đây (hình 2.2)

Hình 2.2 : Biểu đồ số lượng vi điều khiển

Các thành phần của các hệ thống riêng lẻ được kết hợp tối ưu với nhau Các hệthống có thể bắt nguồn từ các nhà sản xuất khác nhau sử dụng các giao diện đã đượcthỏa thuận trước đó, mặc dù vẫn là giao diện của riêng họ Cảm biến mưa, ví dụ, làmột cách nói về cảm biến trong hệ thống quản lý động cơ Ví dụ sau đây cho thấycách thức kết nối các chức năng trong một chiếc xe hiện đại: cảm biến radar của hệthống điều khiển hành trình chủ động (ACC) đo khoảng cách đến phương tiện đi phíatrước Nếu khoảng cách này ngắn hơn khoảng cách tối thiểu được chỉ định, bộ điềukhiển điện tử ACC sẽ gửi thông tin này đến ban quản lý động cơ, bộ cân bằng điện tửESP và bộ điều khiển điện tử túi khí Việc quản lý động cơ làm giảm mô-men xoắn vàchủ động tốc độ Nếu điều này là không đủ, chương trình ổn định điện tử (ESP) cũngphải tạo ra áp lực phanh để giảm tốc cho xe Nếu khoảng cách tiếp tục rút ngắn, túikhí và bộ giả bộ dây an toàn được đặt ở chế độ chờ khẩn cấp Giao tiếp giữa các bộđiều khiển điện tử không thể mất nhiều hơn một phần của giây Càng nhiều bộ điềukhiển điện tử tương tác trong một hệ thống hoàn chỉnh thì việc giao tiếp không bị xáotrộn càng trở nên khó khăn hơn

Với số lượng lớn bộ điều khiển điện tử và nhu cầu giao tiếp lẫn nhau, chi phíphát triển hệ thống tăng lên cũng như chi phí thích ứng để làm cho giao diện tươngthích Với mạng CAN (Mạng vùng điều khiển) do Bosch phát triển, đây là hệ thống

mạng đầu tiên trên ô tô, hiện tại là một đường truyền mạnh mẽ và được sử dụng rộngrãi Đường dữ liệu của mạng CAN giúp các bộ điều khiển điện tử có thể trao đổi cácmục thông tin cụ thể liên quan với nhau Khi bắt đầu, mạng chỉ bao gồm một vài bộđiều khiển điện tử, chẳng hạn như hệ thống quản lý, chương trình cân bằng điện tử vàđiều khiển hộp số Dần dần, các hệ thống tiếp theo sẽ mở rộng mạng lưới này, đặc biệt

là trong các lĩnh vực tiện nghi, tiện lợi và thông tin giải trí Đường truyền CAN đãdần dần phát triển thành tiêu chuẩn cho các hệ thống mạng trong xe (ô tô)

Ngày nay, nó là tiêu chuẩn để liên lạc giữa các bộ điều khiển điện tử cho cáclĩnh vực khác nhau của thiết bị điện tử (hệ thống truyền lực, hệ thống treo, thiết bịđiện tử thân xe và thông tin giải trí) và tạo thành một xương sống mạnh mẽ để kết nốicác khu vực này với nhau Các hệ thống đường truyền bổ sung (ví dụ: đường truyềnLIN, đường truyền MOST) được sử dụng làm đường truyền con hoặc để truyền ở tốc

độ dữ liệu cao với yêu cầu thời gian thực tương đối thấp trong ô tô

2.1.3 Xu hướng phát triển

Tỷ lệ điện và điện tử trong xe ô tô sẽ tiếp tục tăng Trong hệ thống truyền động,

số lượng các thành phần trong đường ống xả (ví dụ: cảm biến khí thải) đang tăng lên

do luật khí thải nghiêm ngặt hơn Khi nhu cầu về sự giảm tiêu thụ nhiên liệu, ví dụ, cóthể được đáp ứng bằng các khái niệm thiết bị van mới, thậm chí điều này đòi hỏi cácthành phần điện tử bổ sung Sự gia tăng về các thiết bị điện điện tử chủ yếu là từ sựphát triển của các hệ thống điện tử trong các lĩnh vực an toàn, tiện nghi, tiện lợi vàthông tin giải trí

2.1.4 Mục tiêu

Người lái đòi hỏi một mức độ tin cậy cao từ một chiếc ô tô Trong khi đó, nhàsản xuất xe và nhà cung cấp cho việc lắp ráp bị hạn chế bởi các yêu cầu khác nhưgiảm thiểu chi phí sản xuất, hạn chế không gian và trọng lượng của các bộ phận

Tình hình hiện tại, có hai yếu tố đặc trưng cho cấu trúc và điện tử trên ô tô đó

là sự gia tăng chức năng và tình hình chi phí ngày càng căng thẳng Để đạt được cả haimục tiêu này cùng một lúc, các đối tác phát triển thường xuyên khai thác tài nguyên

đã có sẵn trong các hệ thống con Đây có thể là các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hànhcũng như các chức năng thực tế có sẵn trên hệ thống khác nhau và được liên kết qua

mạng giao tiếp Đối với các hệ thống và chức năng mới, các nhà sản xuất cố gắng để

có được tối thiểu các nguồn lực bổ sung Trong khi đó, các kỹ sư phải đối mặt với mộtthách thức mới dưới dạng tư duy "kết nối" và tích hợp được hệ thống con, đặc biệt làkhi các tổ hợp cho các hệ thống con bắt nguồn từ các đối tác phát triển (nhà cung cấp)khác nhau

Những khiếu nại trong lĩnh vực (tức là với các phương tiện sản xuất hàng loạt)

do lỗi điện hoặc điện tử có thể là hậu quả của việc không xem xét các tương tác củacác hệ thống con Nguyên nhân - hành vi không thể quản lý được của chức năng trảidài giữa các hệ thống được nối mạng và sự liên kết của chúng - có thể tránh đượcthông qua việc áp dụng logic các quy trình phát triển được kiểm tra ngay từ đầu tronggiai đoạn đặc điểm kỹ thuật

Các yêu cầu mở rộng cho một hệ thống ô tô hoàn chỉnh trong tương lai đangdẫn đến việc tăng mạng lưới các thành phần và hệ thống con của xe Về vấn đề này,các chức năng mới đang được phát triển vượt ra ngoài khả năng của các ứng dụngtruyền thống

Sử dụng các phương pháp và công nghệ phát triển mới để đạt được các yêu cầunày Với cách tiếp cận từ trên xuống, các chức năng mới được nhìn từ góc độ củachiếc xe hoàn chỉnh Điều này có nghĩa là, theo phương pháp kỹ thuật hệ thống, cácyêu cầu chức năng và yêu cầu không chức năng (ví dụ: mục tiêu chất lượng, an toàn,chi phí, v.v.) được định hình cho toàn bộ chiếc xe và được lấy làm thông số kỹ thuậtcho các hệ thống con cấp dưới Những yêu cầu này được xây dựng như một mô hình

và do đó có thể được sử dụng như một đặc điểm kỹ thuật cho các hệ thống con và tạo

ra các trường hợp thử nghiệm Ví dụ, đây là một đặc điểm kỹ thuật có thể thực thiđược, giúp chứng minh tính đầy đủ và khả năng truy nguyên của các yêu cầu, hoặcxác định các yêu cầu về tương tác và giao tiếp giữa các hệ thống con Theo cách này,

có thể tạo thành một cấu trúc tối ưu cho chiếc xe hoàn chỉnh và các hệ thống con của

nó và các thành phần Các mối quan hệ chức năng giữa hệ thống ô tô hoàn chỉnh vàcác hệ thống con cấp dưới có thể được khảo sát ở các mức độ chi tiết khác nhau vàgiao diện phù hợp để định nghĩa cho các chức năng Cách tiếp cận này hỗ trợ mở rộngmạng lưới các chức năng Sự phối hợp được khai thác giữa các lĩnh vực của ô tô (cáclĩnh vực như hệ thống truyền lực, nội thất, thông tin giải trí)

Nếu hoạt động theo hướng ngược lại trong quá trình phát triển, thì việc tạo racác chức năng mới từ các nguồn lực sẵn có và các hệ thống hiện có (từ dưới lên) cũngcần được xem xét để giảm thiểu rủi ro khi đổi mới Đây là cách các chức năng mớiđược tích hợp vào các hệ thống hiện có Ví dụ về cách tiếp cận này là các biện pháp

để khắc phục hậu quả của một vụ tai nạn bằng cách chuẩn bị tín hiệu cho các hệ thốngcon cho một vụ tai nạn sắp xảy ra (đóng cửa sổ, đóng cửa sổ trời trượt, kích hoạt túikhí, v.v.) hoặc hỗ trợ người lái trong các tình huống phanh khẩn cấp trong tương laikhi sử dụng ESP Bằng cách này, có thể giảm số lượng bộ điều khiển và giảm thiểucác chi phí

Quá trình phát triển được mô tả đặc trưng cho khái niệm CartrONIC® màBosch đã phát triển vào những năm 1980 Kết quả của khái niệm này đang được đưavào Sáng kiến Autosar (xem Sáng kiến Autosar)

2.2 Cấu trúc hệ thống xe

2.2.1 Cấu trúc

Cấu trúc của một hệ thống đại diện cho kế hoạch xây dựng của nó Nó mô tảcác đặc điểm hệ thống cấu tạo và hệ thống động lực nói chung Cấu trúc thường đượcchỉ định trong một ngôn ngữ mô tả Cơ chế dự thảo đặc biệt được sử dụng cho các yêucầu cụ thể Với cấu trúc là một kế hoạch xây dựng các công nghệ hiện thực hóa khácnhau, ngoài ra cấu trúc còn là một phương tiện để chứng minh rằng các yêu cầu chứcnăng và không chức năng đã được đáp ứng trong dự thảo hệ thống, mặt khác phải cần

có các quan điểm khác nhau về cấu trúc hệ thống Ví dụ về điều này bao gồm:

2.2.2 Cấu trúc chức năng

Miền chuyển động của xe có nhiệm vụ đảm bảo việc kiểm soát chuyển độngcủa xe cũng như sự ổn định hướng của nó Nhiệm vụ này có thể được chia thành nhiềucấp độ khác nhau (Hình 2.3)

Hình 2.3 Cấp độ trong miền chuyển động ô tô

Cấp độ điều hướng là nơi chứa các công cụ lập kế hoạch cho tuyến đường lái

xe Đây chỉ là thông tin trong tự nhiên và không có ảnh hưởng hay can thiệp vàochuyển động của xe

Ở cấp độ hướng dẫn, các quyết định của người lái xe được thực hiện bằng taylái và chân ga nhưng vẫn hiển thị các hệ thống khác nhau để hỗ trợ cho việc lái xe (vídụ: ACC, hệ thống điều khiển chủ động) Ở cấp độ này, tài xế có thể tắt các hệ thống

hỗ trợ bất cứ lúc nào

Ở cấp độ ổn định, nếu các thông số của cấp độ xử lý nằm ngoài phạm vi củacác biến an toàn thì các hệ thống con sẽ thay đổi các quyết định đó (ví dụ: ABS, ESP).Đây có thể là trường hợp khi vào cua hoặc chẳng hạn trên bề mặt đường ướt

Ở mức độ ổn định, khi mà đã điều chỉnh các biến cho đúng cho các hoạt độngcủa bộ chấp hành thì thông tin về môi trường (ví dụ: điều kiện đường xá, nhiệt độkhông khí, tín hiệu cảm biến mưa), các biến vẫn được yêu cầu tại các cấp độ khác

nhau cho các việc thực hiện liên quan đến biến đó.

Các tác vụ này có thể được gán cho các thành phần chức năng, chúng đượchiểu là các yếu tố cấu trúc của cấu trúc chức năng Bằng cách này, thông tin thànhphần trình điều khiển chức năng đại diện cho các nhiệm vụ của cấp độ điều hướng, đểthông báo cho người lái xe về tuyến đường lái xe đã được xác định bằng hệ thống bản

đồ (Hình 2.2) Việc điều khiển ô tô thể hiện mức độ hướng dẫn, và can thiệp ổn địnhcác nhiệm vụ của cấp độ ổn định Việc điều phối chuyển động xe xác định các biếnchính xác cho bộ truyền động, ví dụ: của ổ đĩa và hệ thống cân bằng điện tử (ESP)

(Hình 2.4) Cho thấy rằng khi xe chuyển động thì các thành phần chức năng củacấp độ hướng dẫn, mức độ ổn định và bộ truyền động xe có liên với nhau như thế nào.Ngoài ra, mối quan hệ giao tiếp giữa các thành phần và sự tương tác với các miềnkhác cũng được đặc trưng trong mô hình, ví dụ: thân xe và nội thất

Hình 2.4 Ví dụ về cấu trúc chức năng cho miền chuyển động

của xe

Cũng giống như cách mà chuyển động của xe được tinh chỉnh, các thành phầnchức năng này yêu cầu thêm chi tiết cho đến khi các thành phần tinh chỉnh thể hiệnđược tính có thể quản lý, được phân tách rõ ràng để thực hiện linh hoạt, mô đun hóathông qua các công nghệ hiện thực khác nhau Giao diện phải được xác định giữa các

yêu cầu thông qua hệ thống quản lý động cơ để giảm mô-men xoắn cụ thể là trong quátrình sang số Giá trị này được trao đổi như một biến vật lý thông qua giao diện.

Với sự tích hợp vào một mô hình có phương pháp phù hợp, cấu trúc chức năng

là điểm khởi đầu cho các giai đoạn tiếp theo trong quá trình phát triển

2.2.3 Triển khai cho cấu trúc hệ thống

Để triển khai các chức năng mới thì số lượng đường truyền mạng phải tăngtheo, có thể sử dụng hệ thống hỗ trợ lái xe ACC (điều khiển hành trình chủ động) đểlàm ví dụ minh họa Chủ động, lái cùng làn được thực hiện nhờ kết nối hệ thống kiểmsoát hành trình và kiểm soát khoảng cách kết hợp với hệ thống quản lý động cơ, hệthống phanh, hộp số và buồng lái Ở đây, các hệ thống con từ các miền truyền động,khung gầm và thông tin giải trí (tương tác với trình điều khiển) được sử dụng để hiệnthực hóa chức năng mới với mức chi phí tối thiểu

Quyết định bị ảnh hưởng bởi các yêu cầu phi chức năng như là sự an toàn, chiphí hoặc nguồn có sẵn Ngoài các yêu cầu chức năng, các yêu cầu này chủ yếu xácđịnh “làm thế nào” để chức năng được thực hiện “Làm thế nào” được mô tả bởi cấutrúc hệ thống Yêu cầu khác nhau dẫn đến cấu trúc hệ thống khác nhau

2.2.4 Khái niệm CARTRONIC®

Với khái niệm cấu trúc CARTRONIC®, tất cả các nhiệm vụ điều khiển vòngkín và vòng hở trong xe đã được cấu trúc theo logic, chức năng được mô hình hóadưới dạng cấu trúc chức năng Các chức năng được phân định, thực hiện các yêu cầuchức năng cụ thể đã được thể hiện bằng các yếu tố cấu trúc được xác định Cấu trúcchức năng, tức là mô tả cấu trúc, thể hiện sự phân cấp của các hệ thống con xuốngkích thước có thể quản lý Tương tác giữa các yếu tố của cấu trúc chức năng đã được

mô tả bởi mối quan hệ giao tiếp Sử dụng khái niệm cấu trúc có thể dẫn đến các cấutrúc chức năng khác nhau, nên việc đạt được sự đồng nhất về các nhiệm vụ và giaodiện là điều cần thiết Cần phải chọn các giao diện đã dựa trên các biến vật lý do đócác khía cạnh được hỗ trợ như khả năng sử dụng lại và khả năng thay thế lẫn nhau

Hệ thống ô tô với tất cả các nhiệm vụ vòng mở và khép kín đã được tách rathành các hệ thống con thực hiện các nhiệm vụ được xác định rõ ràng Các hệ thốngcon này bao gồm quản lý động cơ, hệ thống phanh, điều khiển hộp số, ACC, quản lý

ánh sáng, vv Các mức độ khác nhau của chi tiết cấu trúc chức năng có thể được gáncho hệ thống và các cấp hệ thống con (Hình 2.5) Do đó, có thể tạo khung phát triểncho các thành phần chức năng được chọn và các nhóm thành phần để thực hiện cơ sởdưới dạng một phần để hiện thực

Hình 2.5 : Cấu trúc chức năng

Điều này đòi hỏi một quá trình phát triển riêng biệt và khai thác được sự liênkết giữa các hệ thống con Các khung phát triển phải xem xét các sự tương tác và nộidụng giao diện của từng miền riêng lẻ với các thành phần khác của chiếc xe, nhưtrường hợp với một hệ thống được nối mạng như ACC, chẳng hạn

Bosch đã giới thiệu khái niệm này với Sáng kiến Autosar (Workpackage 10.x)

2.2.5.Cấu trúc phần mềm

Sự độc lập của cấu trúc chức năng, hoặc cấu trúc, từ giai đoạn hiện thực saunày dẫn đến việc tách rời chức năng và công nghệ, do đó tạo thành giai đoạn đầu tiêncủa mô hình dựa trên quá trình phát triển Cấu trúc chức năng có thể được sử dụngnhiều lần và được mở rộng làm nền tảng cho việc phác thảo cấu trúc hệ thống Cấutrúc này được đặc trưng bởi trình điều khiển cấu trúc (tiêu chí cụ thể của cấu trúc) mà

về cơ bản là sản phẩm của các yêu cầu không chức năng (ví dụ: chi phí, chất lượng, tái

sử dụng,)

Nhờ vào sự đóng góp của nhiều người tham gia dự án, họ đã tạo được độ chínhxác cao trong khung phát triển từ cấu trúc chức năng và giao diện của họ nói riêng, để

có thể đánh giá một bộ điều khiển điện tử về sự tương đối của các chức năng và sựliên kết giữa phần mềm Trong khi vẫn giữ thông tin độc lập thực hiện từ cấu trúcchức năng - chẳng hạn như giao diện mô-men xoắn , các khung được bổ sung bằngthông tin cụ thể thực hiện như kiểu dữ liệu, lượng tử hóa, hoặc yêu cầu nguồn

Ngày nay các thử thách phải đối mặt ít có liên quan đến tính khả thi của kỹthuật, mà nó liên quan đến việc tìm ra cách phát triển các phương pháp, hơn nữa phải

áp dụng các phương pháp đó một cách có hệ thống và kỷ luật, đặc biệt là phải giữđược bản chất của chúng trong tổ chức Cách tiếp cận dòng sản phẩm trong việc pháttriển phần mềm đã được chuyển sang lĩnh vực xe ô tô với sự tham gia của Bosch, với

sự hỗ trợ về phương pháp từ viện kỹ thuật phần mềm (SEI) Phương pháp này sẽ được

sử dụng một cách có hệ thống trong các thế hệ sản phẩm của Bosch trong tương lai

2.2.6 Cấu trúc mạng

Với sự lan rộng của các tiêu chuẩn mở như đường truyền CAN, việc tích hợpcác chức năng vào các bộ điều khiển điện tử dành riêng cho ứng dụng và các vệ tinhđược liên kết bởi các mạng con, cấu trúc mạng giống như việc quản lý phức tạp củacác hệ thống phân phối Tiện ích mở rộng và các giải pháp đính kèm có thể dễ dàngtích hợp cho đến khi đạt đến giới hạn dung lượng mạng Nếu những các khả năng đãđược khai thác mà không cần kiểm tra dự thảo hệ thống, điều này sẽ dẫn đến sự giatăng không thể kiểm soát được trong sự phức tạp và xung đột hội nhập Tham chiếutheo hệ thống sinh học để giải quyết những điều không thể quản lý, phức tạp thôngqua chuyên môn hóa và tạo ra các mạng con với các hình thức tổ chức mới Mục tiêucủa họ là sự ổn định và khả năng sống sót Mô hình này, ở một mức độ nhất định, tựphát triển trong các hệ thống ô tô thông qua việc chuyển sang lĩnh vực thông thườngcác lĩnh vực ứng dụng hoặc tên miền và sự phát triển tương đối chậm của mạng trongcác miền này

Các hệ thống đường truyền cho các miền riêng lẻ đang trở nên đặc biệt hơn docác yêu cầu đặc thù khác nhau của chúng Với đường truyền CAN trong hệ thốngtruyền được xem là gốc, các hệ thống đường truyền mới như subbus LIN đã bắt đầuxâm nhập vào khu vực điện thân xe hoặc FlexRay trong trường hợp hệ thống x-by-

wire có liên quan đến an toàn Đối với lĩnh vực đa phương tiện, nơi nhu cầu về tốc độ

dữ liệu cao nhưng yêu cầu an toàn thấp chiếm ưu thế, các hệ thống đường truyền nhưBluetooth đã bắt đầu xuất hiện

Việc vượt qua các miền truyền thống này với nhiều ứng dụng hơn dẫn đến hậuquả đã biết, ví dụ: sự gia tăng đáng kể về độ phức tạp, chi phí cao, tăng thời gian vàcông việc đòi hỏi khắt khe hơn trong dịch vụ khách hàng do việc chẩn đoán không còn

có thể quản lý được Một giải pháp cho các nhiệm vụ tối ưu hóa đa chiều này trongquá khứ đã được tìm kiếm được trong lĩnh vực phần mềm Trong trường hợp các hệthống kỹ thuật nói riêng, mô hình vẫn là tối ưu, đặc biệt là trong việc thực hiện phầnmềm, bởi vì không có sự xuất hiện của các trạng thái vật lý nên chúng có thể pháttriển không giới hạn

2.2.7 Sáng kiến Autosar

Sáng kiến Autosar (Cấu trúc hệ thống mở của lĩnh vực ô tô) được thành lập vàotháng 7 năm 2003 bởi một số nhà sản xuất và nhà cung cấp xe - Bosch trong số đó.Mục tiêu toàn cầu của họ là sự phát triển chung của một cấu trúc hệ thống mở rộngcho các ứng dụng ô tô trong tương lai Mục tiêu bao gồm tiêu chuẩn hóa các chứcnăng hệ thống cơ bản (phần mềm cơ bản) và giao diện chức năng; họ sẽ thay thế cácgiải pháp cá nhân, cụ thể của công ty được sử dụng cho đến nay Các khái niệm vàphương pháp dựa trên mô hình nên giảm sự phức tạp mặc dù một loạt các chức năng

mở rộng Nhu cầu chất lượng về độ tin cậy được đáp ứng bằng cách sử dụng nhiềutiêu chuẩn đã được chứng minh

Dựa trên nền tảng điện tử thống nhất, chủ yếu bao gồm các mô-đun phần mềmtiêu chuẩn, mỗi nhà sản xuất xe sau đó được tự do xây dựng nội dung cụ thể của riêngmình Chúng cho phép tích hợp vào mạng điện tử Các chức năng phần mềm này chophép phân biệt với các đối thủ cạnh tranh khác nhau

Phần mềm phải tuân theo tiêu chuẩn Autosar Các bộ điều khiển điện tử phảiđược chế tạo theo cách mà phần mềm Autosar có thể chạy trên chúng Các thành viênAutosar đang hy vọng rằng các phương pháp phát triển mới mang lại lợi ích như thờigian phát triển ngắn hơn và chi phí phát triển thấp hơn

Cho đến nay, thường thì các bộ điều khiển điện tử chuyên dụng sẽ được phát

phanh ABS, điều hòa không khí) Số lượng các bộ điều khiển điện tử được trang bịtrong xe tăng liên tục; ngày nay thế hệ xe được trang bị từ 20 đến 80 bộ điều khiểnđiện tử Trong các thế hệ xe tương lai, dự kiến tất cả các chức năng sẽ được bao phủbởi một mạng lưới gồm 10 đến 20 bộ điều khiển điện tử Một số trong số này sẽ hoạtđộng giống như các máy tính , gộp các nhóm chức năng quan trọng cùng với nhau.Chúng bao gồm hệ thống truyền động, hệ thống quản lý hệ thống treo, thân xe, nộithất và đa phương tiện /viễn thông Trên đường truyền dữ liệu, các cảm biến sẽ đượctích hợp luôn việc xử lý và xác minh các tín hiệu đầu ra điện tử, trong khi đườngtruyền chỉ mang lệnh điều khiển có liên quan đến bộ chấp hành với thiết bị điện tửkích hoạt tích hợp

Trong tương lai, các chức năng mới sẽ có thể thường xuyên sử dụng hết giớihạn hiệu suất của một cấu trúc máy tính và sẽ được hiện thực hóa rộng rãi dưới dạngmột phần mềm bổ trợ Do đó, điều này sẽ khiến cho thiết bị điều khiển điện tử bổ sungngày nay không cần thiết Hệ thống chỉ cần được bổ sung bởi các cảm biến và cơ cấuchấp hành cần thiết

Ngày càng, phần mềm sẽ không còn là một thành phần không thể thiếu củaphần cứng, mà sẽ trở thành một sản phẩm độc lập Các ví dụ đầu tiên về mô hình kinhdoanh và hợp tác giữa nhà cung cấp và nhà sản xuất đã được đưa vào thực tế tạiBosch, ví dụ: trong quản lý hệ thống truyền lực

Ví Dụ

Các bộ phận truyền động được điều khiển riêng lẻ ở mỗi bánh xe với các vị tríbánh xe và tải trọng bánh xe khác nhau cho phép sử dụng tối ưu tiềm năng của lốp.Điều này dẫn đến tăng động lực học và an toàn đồng thời giảm tiêu thụ, hao mòn vàkhí thải Tất cả các yếu tố hoạt động trong hệ thống truyền lực, hệ thống treo và láiphải được kết nối mạng

Một ví dụ về các chức năng siêu cấp được thực hiện bằng việc kết nối là chiếnlược lái xe ASIS (Chiến lược sang số chủ động) để tự động sang số cho ô tô của hànhkhách Dựa trên việc đánh giá các yếu tố kiểm soát khác nhau (ví dụ: bàn đạp ga) vàkết luận rút ra từ thông tin của các hệ thống khác (ví dụ: phát hiện vào cua từ tốc độbánh xe), chiến lược này có thể điều khiển cần số theo cách đáp ứng nhu cầu thời gianthực về sự nhanh nhẹn và sức mạnh thông qua việc lựa chọn thiết bị phù hợp Trong

tương lai, viễn thông sẽ có thể hỗ trợ các chiến lược lái xe bổ sung, được cải thiện, vídụ: thông qua việc sử dụng tín hiệu GPS để điều khiển hộp số ở giai đoạn dự đoántình huống.

2.3 Góc nhìn

Đối với cấu trúc mạng của các phương tiện hiện đại, ngày càng có nhiều nhucầu về an toàn, độ tin cậy và tính khả dụng Đây là nơi cấu trúc mạng năng lượng sẽđóng một vai trò quan trọng Trước các việc chức năng của xe ngày càng được hiệnthực hóa bằng điện tử, cấu trúc này tạo ra nguồn cung cấp năng lượng đáng tin cậycho các hệ thống và tạo cơ sở cho độ tin cậy và an toàn của các hệ thống trong tươnglai Một công nghệ trong tương lai có thể là việc truyền tải điện và thông tin trên cùngđường cung cấp Những lợi ích sau đây phát sinh từ khái niệm truyền thông đườngđiện (PLC) được sử dụng trong lưới điện công cộng

việc cắt riêng dòng truyền dữ liệu

lực cơ học (ví dụ: cửa, gương), các khu vực mà được đặc trưng bởi sự hư hỏngsớm của các đường và tăng nguy cơ thất bại

liên quan đến an toàn

dịch vụ, ví dụ: chẩn đoán

CHƯƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

Công nghệ kỹ thuật số cung cấp một loạt các lựa chọn để điều khiển vòng mở

và khép kín cho các hệ thống điện tử ô tô Một số lượng lớn các tham số có thể đượcbao gồm trong quá trình để hỗ trợ hoạt động tối ưu cho các hệ thống khác nhau Bộđiều khiển nhận các tín hiệu điện từ các cảm biến, đánh giá chúng và sau đó tính toáncác tín hiệu để kích hoạt các bộ chấp hành Chương trình điều khiển, phần mềm đượclưu trữ trong một bộ nhớ đặc biệt và được thực hiện bởi một vi điều khiển Bộ điềukhiển và các thành phần của nó được gọi là phần cứng Bộ điều khiển Motronic chứatất cả các thuật toán cho điều khiển vòng hở và vòng kín cần thiết để chi phối các quytrình quản lý động cơ (đánh lửa, cảm ứng và hình thành hỗn hợp, v.v.)

3.1 Điều kiện hoạt động

Bộ điều khiển phải chịu các yêu cầu rất cao đối:

(-40 đến +60 + 125 ° C)

yếu (ví dụ: khởi động lạnh) hoặc với nguồn điện áp cao (dao động hệ thốngđiện của xe)

Các yêu cầu khác phát sinh từ nhu cầu EMC (khả năng tương thích điện từ).Các yêu cầu nghiêm ngặt khác là yêu cầu về sự liên quan đến việc miễn nhiễm đối vớinhiễu điện từ và giới hạn phát xạ tín hiệu nhiễu tần số cao

3.2 Thiết kế

Bảng mạch in với các thành phần điện (hình 3.1) được lắp đặt trong vỏ bằngnhựa hoặc kim loại Một chui cắm nhiều ổ kết nối bộ điều khiển đến các cảm biến, cơcấu chấp hành và nguồn cung cấp điện Các mạch điều khiển hiệu suất cao mà cungcấp khả năng điều khiển trực tiếp các bộ chấp hành, chúng được tích hợp đặc biệt

trong vỏ để đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả đến vỏ và không khí xung quanh.

Hình 3.1 Thiết kế bộ điều khiển sử dụng ví dụ về ME Motronic (chế độ xem mặt cắt qua vỏ bọc)

Các phiên bản hỗn hợp kết hợp kích thước nhỏ gọn với khả năng chống nhiệtcực cao có sẵn để gắn trực tiếp vào động cơ

3.3 Xử lí dữ liệu

3.3.1 Tín hiệu đầu vào

Thành ngoại vi bao gồm các bộ chấp hành và các cảm biến đại diện cho giaodiện giữa xe và bộ điều khiển, song thành phần xử lý là bộ điều khiển Các tín hiệuđiện của cảm biến được định tuyến đến bộ điều khiển thông qua một dây nối và phíchcắm có đầu nối Những tín hiệu này có thể thuộc loại sau:

Tín hiệu đầu vào Analog

Trong một phạm vi nhất định, tín hiệu đầu vào analog thực tế giả định bất kỳgiá trị điện áp nào Ví dụ về các đại lượng vật lý có sẵn như các giá trị đo được củaanalog là khối lượng khí nạp, điện áp pin, đường ống nạp và áp suất tăng, chất làmmát và nhiệt độ khí nạp Chúng được chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số bằng bộchuyển đổi analog kỹ thuật số trong vi điều khiển của bộ điều khiển và được sử dụng

để tính toán bởi vi điều khiển CPU Độ phân giải tối đa của các tín hiệu analog này là

5 mV Điều này chuyển thành khoảng 1.000 thang độ dựa trên phạm vi đo tổng thể từ

0 đến 5 V

Tín hiệu đầu vào kĩ thuật số

Tín hiệu đầu vào kỹ thuật số chỉ có hai trạng thái Cao và thấp (lần lượt làlogic 1 và logic 0) Ví dụ về tín hiệu đầu vào kỹ thuật số là tín hiệu chuyển đổi bật / tắthoặc tín hiệu cảm biến kỹ thuật số như các xung tốc độ quay từ máy phát hoặc cảmbiến từ tính Các tín hiệu như vậy được xử lý trực tiếp bởi vi điều khiển.

Tín hiệu đầu vào kiểu xung.

Các tín hiệu đầu vào hình xung từ các cảm biến loại cảm ứng có chứa thông tin

về tốc độ luân chuyển và điểm quy chiếu đã được điều chỉnh trong một giai đoạn của

bộ điều khiển riêng Ở đây, các xung giả được triệt tiêu và các tín hiệu hình xung đượcchuyển đổi thành tín hiệu hình chữ nhật kỹ thuật số

3.3.4 Tín hiệu đầu ra

Bộ vi điều khiển sử dụng các tín hiệu đầu ta để điều khiển các mức đầu ra, cácmức này thường chỉ cung cấp đủ điện cho việc kết nối trực tiếp các bộ chấp hành Cácmức điện áp đầu ra cũng có thể dùng cho việc kích hoạt rơ le để điều khiển các thànhphần sử dụng nhiều năng lượng khác ( ví dụ: động cơ của quạt)

Nhờ vào mức điện áp đầu ra mà có thể xác định được chập âm hay chập