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Elektrik

Steuern und Regeln 1 - EVA Prinzip

Sensoren CAN-Bus Grundlagen Datenübertragung Bits und Bytes

Jeder Kfz-Mechatroniker wird in seiner Ausbildung mit dem EVA-Prinzip konfrontiert:

Allen elektronischen Systemen gemeinsam ist, dass sie nach dem EVA-Prinzip der Informationsverarbeitung arbeiten.

So auch die elektronischen Systeme im Kraftfahrzeug.

Übersicht EVA-Prinzip:

Eingabe Verarbeitung Ausbgabe
EVA-Prinzip
Information   Ansteuerung

Bei der Eingabe handelt es sich um Signalglieder (Sensoren), die auch als Geber oder Fühler bezeichnet werden.

Die Verarbeitung der elektrischen Signale erfolgt üblicherweise durch Steuerglieder (Steuergerät), also einen zentralen Mikrocomputerder (CPU), der mit Hilfe von einprogrammierten mathematischen Formeln und Kennfeldern (Datenbanken) die Entscheidungen trifft und die Aktoren ansteuert.

Auf der Ausgabe befinden sich die Stellglieder (Aktoren), die die Befehle des Steuergerätes umsetzen.

Sensoren und Aktoren können, je nach Einsatz analog, binär oder digital arbeiten. Bei den Sensoren unterscheidet man aktive und passive Sensoren.

Da hier von Eingabe (E), Verarbeitung (V) und Ausgabe (A) gesprochen wird, nennt man dieses Prinzip auch E-V-A Prinzip.

EVA-Prinzip am Beispiel der Leerlaufregelung

Begriff

Signalglied

Steuerglied

Stellglied

gehört zu

 

Eingabe 

Verarbeitung 

Ausgabe 

Bauteil

Sensor, Geber, Fühler

Steuergerät (ECU, CPU)

Aktor, Aktuator, Steller

Kurz-

beschreibung

Die Sensoren erfassen aktuelle Prozessdaten. Dies können analoge Daten (z.B. Temperaturfühler), digitale Daten (z.B. Türschalter) oder Frequenzen (z.B. Drehzahlfühler) sein.

Das Steuergerät wertet die Daten aus. Wenn erforderlich, veranlasst es aufgrund der eingegangenen Daten eine Anpassung der angeschlossenen Aktoren.

Die Aktorik nimmt digitale (z.B. Glühlampe) oder analoge Steuerbefehle (z.B. Stellmotor) entgegen.

am Beispiel Leerlaufregelung

Drehzahlgeber Kurbelwelle, Temperaturfühler

Motorsteuergerät

Leerlaufstellmotor

Die Signalglieder (Sensoren) Temperaturfühler (NTC) des Kühlwassers und Induktivgeber der Kurbelwelle nehmen die physikalische Größen Temperatur und Drehzahl auf und wandeln diese in brauchbare Eingangssignale für die Steuerglieder in Form von Spannungen um.

Da diese Signale in das Steuergerät hineingehen, spricht man auch von der Eingabe.

Vergleichbar mit einem Computer wäre das die Tastatur oder die Maus. 

Im Steuergerät müssen diese Informationen zunächst aufbereitet und verstärkt werden, d.h. aus den analogen Drehzahl- und Temperatursignalen müssen digitale Signale geformt werden. Danach werden diese Signale (Istwerte) auf Plausibilität geprüft und mit abgespeicherten Sollwerten verglichen (Verarbeitung). Die Werte für die Drehzahl und die Temperatur sind in sogenannten Kennfeldern abgelegt, was einer Datenbank gleichkommt.  Aus den beiden Informationen Drehzahl und Temperatur wird nun die richtige Drehzahl mit Hilfe des Kennfeldes ermittelt.

Das Steuergerät gibt ein Signal an das Stellglied oder anders gesagt an den Aktor (Ausgabe). In unserem Fall ist dies ein Leerlaufsteller. Das Motorsteuergerät  taktet diesen Schrittmotor in einem bestimmten prozentualen Verhältnis an (einschalten und ausschalten).  Der Motor lässt nun ein bisschen mehr Luft um die Drosselklappe herum strömen, was eine höhere Drehzahl bewirkt.

 

 

 

Grundsätzlicher Aufbau des EVA-Prinzips mit Busanbindung

E-V-A-Prinzip Busanbindung

E-V-A Prinzip Busanbindung

In den Fahrzeugen erfolgt die Verarbeitung der Daten im Prinzip nur noch digital. Ein Mikroprozessor (CPU = Central Processing Unit) arbeitet die eingehenden Daten ab und schaltet die angeschlossenen Aktoren.

Damit der Mikrocontroller die Eingangssignale richtig verstehen kann, müssen diese in digitale Spannungen und/oder Frequenzen übersetzt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein vorgeschalteter Signalwandler.

Genauso müssen die von der CPU veranlassten Steuerbefehle zu Signalen aufbereitet werden, die von den Aktoren verstanden werden können.

Dazu dient eine Endstufe, die zwischen CPU und Aktorik geschaltet ist. Diese muss genügend Leistung für die angeschlossenen Aktoren (z.B. Stellmotoren) liefern können.

Moderne Kraftfahrzeuge besitzen ein Vielzahl an Steuergeräten für die unterschiedlichsten Zwecke (z.B. für ABS, Zentralverriegelung, Motormanagement usw.). Der Einsatz von Bussystemen  wurde erforderlich. Auf diese Weise kann ein Steuergerät mit jedem anderen angeschlossenen Steuergerät bedarfsgerecht über nur einen Bus mit zwei Leitungen kommunizieren.

>>weitere Infos zum CAN-Bus

Der Informationsfluss geht meist wie folgt vonstatten:

  1. Signalerzeugung durch Sensoren
  2. Signalumformung durch Impulsumformer (IF), Analog-Digitalwandler (A/D)
  3. Daten- bzw. Signalverarbeitung durch Mikrocomputer
  4. Datenübertragung durch Multiplexer, CAN-Bus
  5. Leistungsverstärkung der Ausgangssignale durch Endstufen
  6. Informationsumsetzung durch Aktoren

näher erklärt:

Signalerzeugung

Sensoren erfassen Informationen wie z.B. Kühlwassertemperatur, Kurbelwellendrehzahl, Drosselklappenstellung und erzeugen elektrische Signale (häufig in analoger oder binärer Form)

 

Signalumformung

Analoge Signale müssen erst "passend" für das Steuergerät gemacht werden: aus dem Induktivgebersignal wird ein digitales Rechtecksignal geformt; im Steuergerät befinden sich die elektronischen Bauteile Impulsumformer und A/D-Wandler

 

Daten- bzw. Signalverarbeitung

die vorliegenden binären Ist-Daten werden mit Soll-Daten, die in sogenannten Kennfeldern gespeichert sind verglichen und ausgewertet

 

Datenübertragung

Datenaustausch zwischen verschiedenen Steuergeräten über CAN-Bus und Multiplexer; Datentransport zur Leistungsstufe über normale Leitungen

 

Leistungsverstärkung

die Schaltsignale müssen durch Leistungstransistoren (Endstufen) für die Aktoren (Einspritzventil, Stellmotor) erst entsprechend verstärkt werden

 

Informationsumsetzung

die Aktoren setzen die Befehle des Steuergeräts um (längeres Einspritzen, früher zünden)

 

CAN-Bus (Controller Area Network)

Eine Bus-Verbindung ist eine Verdrahtung, bei der Daten übertragen werden. Alle Stationen sind gleichzeitig über eine Leitung angeschlossen und gleichberechtigt. Der Aufwand an Kontakten und Kabeln wird erheblich reduziert. Zusätzlich können die Funktionen ohne wesentliche Mehrkosten umfassend überwacht und neue Systemkonfigurationen gestaltet werden.

Das Buskonzept ermöglicht die serielle Verbindung von Komponenten der Karosserie-, Komfort-, Getriebe- und Motorelektronik. Diese Komponenten können zu einem Gesamtsystem verdrahtet werden. Es können aber auch Teilsysteme realisiert werden, die lediglich kritische Bereiche wie lnstrumententafel oder Türen umfassen. Bus-Systeme lassen sich in ihrem Datenaustausch sehr leistungsfähig und flexibel gestalten.

Außerdem bieten seriell aufgebaute Bus-Systeme gegenüber konventioneller Verdrahtung zwei wesentliche Vorteile  höhere Übertragungssicherheit und geringere Kosten.

mehr bei:

CAN-Bus Grundlagen Datenübertragung Sensoren Bits und Bytes
zum Nachlesen:
Quellen: Fachbuch, Günter Hensel (Opel)


Johannes Wiesinger
bearbeitet: 19.02.2015
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