Genel Araştırma

ELEKTRONİK KONTROL ÜNİTELERİ Otomobillerde kullanılan sensörler (algılayıcılar) çevrelerini algılarken aktivatörler (uygulayıcılar) sensörlerden gelen bilgiler doğrultusunda çeşitli eylemleri gerçekleştirir. Bu parçalarıdan sensörleri duyu organlarımıza, aktivatörleri de kaslarımıza benzetmemiz yanlış olmaz. Algılayıcılar ve aktivatörler; konfor, güvenlik, yürüyen aksamlar, motor gibi aracın tüm fonksiyonlarında kullanılır. Sensör (algılayıcı) olarak adlandırdığımız elemanlar; ölçülmesi gereken fiziksel bir miktarı (ısı, dönüş hızı, basınç, debi vb.) gerilim ya da akım gibi kolayca değerlendirilebilen bir elektriksel büyüklüğe çevrilebilen algılama unsurlarıdır. Algılayıcılar bu gerilime çevirmeyi gerçekleştirmek için kullandıkları teknoloji ile belirlenir. Bu teknolojilerden, termistans ya da indüktif devir hızı algılayıcıları gibi bazılarını uygulamaya koymak kolaydır. Hall etkisi veya piezo direnç gibi özellikleri olan algılayıcıları da yararlanılabilir hâle getirmek için karmaşık bir elektronik sisteme (entegre) ihtiyaç duyarız. Aktivatör (uygulayıcı) olarak adlandırdığımız elemanlar, bir düzeneği hareket ettirebilmek için elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren parçalardır. Aktivatörler sıklıkla doğrusal akım motorları, tork motorları ve elektrovanalar gibi elektromanyetik olguları kullanır. Sensörlerle ilgili bilgiler Motor İşletim Sistemleri modülü içerisinde verilmiştir. Bu modül içerisinde ise ECU’nun bilgi aktardığı aktivatörlerle ilgili bilgiler verilecektir. Elektronik Kontrol Ünitesinin (ECU) Bilgi Verdiği Elemanlar Araç yönetim sisteminin çalışması şu şekildedir: ECU, sensörlerden aldığı bilgileri değerlendirerek uygun hareketi yapar. Örneğin; ECU, motor devir sensöründen motor devrini, soğutma suyu sıcaklık sensöründen motor sıcaklığını, lamda sensöründen egzozdan çıkan oksijen miktarını, gaz pedalı konum sensöründen gaz pedalının konumunu, hava kütle ölçerinden motora giren hava miktarını öğrenerek bu verilere göre gerekli yakıtı göndermesi için yakıt ayarlayıcı selenoid valfe sinyal gönderir. Bu valf de elektronik kontrol ünitesinin gönderdiği sinyale göre uygun miktarda açılarak gerekli yakıtı enjektörler vasıtasıyla motora gönderir ve motor istenilen şekilde çalışmış olur. Parçaları ECU, işletme elemanlarıyla motorun çalışmasına müdahale eder. Bu komuta sistemi içinde yer alan elemanlar; Yakıt sistemine (enjektörlerin püskürtme miktarına), Ateşleme sistemine (ateşleme avans miktarına), Karbon kanister ve şalterine (karbon kanisterdeki yakıt buharına), EGR’ye (artan azot oksit emisyonlarının müdahalesine), Çift röleye (bobin, pompa vb. elemanların elektrik yönetimi), Diagnostik ikaz lambasına (olası arızaların sürücüye iletimi), Elektronik gaz kelebeğine (yüke göre hava kontrol yönetimi), Yakıt pompasına (yakıtın sisteme taşınmasının kontrolü) müdahale eder. Analog Dijital (A/D) ve Dijital Analog (D/A) Çeviriciler Günlük hayatta karşımıza çıkan pek çok büyüklük analogdur. Örneğin; ısı, basınç, ağırlık gibi büyüklükler analog değerlerdir. Değerler sadece 0 ve 1 gibi iki değer değil, minimum ile maksimum arasında çok geniş bir yelpazede çeşitli değerlerde olabilir. Yani, herhangi bir cismin ağırlığı 10 gram olabildiği gibi 1 kilo, 10 kilo, 100 kilo veya 1 ton da olabilir. Dünyadaki büyüklüklerin çok büyük bir kısmı analog değerlerden oluşmasına rağmen bilgi işleyen cihazlar (dijital sistemler, mikroişlemciler, bilgisayarlar) dijitaldir. Dijital sistemler bilgiyi daha güvenli, daha hızlı işler ve değerlendirir. Dijital sistemlerde elde edilen bilginin dış dünyaya aktarılması (örneğin görüntülenmesi) analog veya dijital biçimde olabilir. Bütün bu nedenlerle analog değerlerin dijitale, dijital değerlerin de analog değerlere çevrilmesi gerekir. Dış dünyadaki fiziksel değişiklikler (ısı, basınç, ağırlık), sensör (algılayıcı) ve transduserler (çeviriciler) kullanılarak elektrik gerilimine çevrilir. Sensörlerden veya çeviricilerden alınan gerilim analog bir değerdir. Analog değerler Analog/Dijital (A/D) çevirici yardımı ile dijital değerlere çevrilir. Dijital sistem bu bilgiyi istenilen bir biçimde işler ve bir sonuç elde eder. Bu sonuç dijital veya analog olarak değerlendirilebilir. Eğer elde edilen sonuç analog olarak değerlendirilecekse örneğin bir hoparlöre gönderilecekse tekrar analoga çevrilmesi gerekebilir. Dijital değerleri analog değerlere çevirme işlemini Dijital/Analog (D/A) çeviriciler yapar. Yukarıda; analog bir değerin dijitale çevrilmesi, işlendikten sonra tekrar analog değere çevrilme süreci görülmektedir. Girişteki gerilim bir transduser (çevirici) yardımı ile elektriksel büyüklüğe çevrilmiş bir fiziksel büyüklüğü (ısı, basınç, ağırlık vb.) temsil etmektedir. Bu gerilim daha sonra A/D (Analog/Dijital) çevirici vasıtası ile dijitale çevrilir ve dijital olarak işlenir. Elde edilen sonuç D/A (Dijital/Analog) çevirici vasıtası ile tekrar analog bilgiye çevrilir ve çıkışa aktarılır. Çıkışta kullanılan eleman ise elektriksel büyüklüğü (gerilim) fiziksel büyüklüğe (ses, ısı, hareket vb.) çevirir. Örneğin hoparlör elektriksel büyüklüğü sese çeviren bir aygıttır. Mikro Bilgisayarların Çalışma Prensibi Bir mikro bilgisayarın iç mimarisi tahmin edilebileceği gibi çok karmaşıktır. Binler ve milyonlarla ifade edilen transistör ve kompleks pek çok elemandan meydana gelen mikro bilgisayarlar, temel olarak şu birimlerden meydana gelmektedir. Geçici saklama elemanları (Registers): Birkaç bitlik bilgiyi tutan belirli sayıdaki kaydedicinden meydana gelir. Bu kaydediciler 8 bitlik veya 16 bitlik makine komutu, veri ve adres bilgisini saklar. Aritmetik mantık birimi (Arihtmetic lojic unite): Mantıksal karar veren ve aritmetiksel işlemleri yapabilen aritmetik mantık birimidir. Zamanlama ve kontrol devreleri (Counters): Hem mikroişlemcinin iç işlemesini ve hem de dış mikrobilgisayar sisteminin işlemesini kontrol eden zamanlama ve kontrol devreleridir. Bu devreler aritmetik mantık birimi ve kaydedicilerin çalışmasını, bellek ve I/O portlarına dışarıdan yapılan bilgi transferleri ile bu elemanlardan dışarıya doğru yapılan bilgi transferini kontrol eder. Aynı zamanda bu devreler program komutları tarafından belirlenen işlerin yerine getirilmesini temin ederler. Tamponlar (Buffers): Merkezî işlem birimini, çevresel birimlerin olumsuz etkilerinden korur. Tutucuların (Latches) görevi ise merkezî işlem biriminin oluşturduğu adres, veri ve kontrol sinyallerinin bir sonraki değişikliğe kadar saklanmasını sağlamaktır. Mikro bilgisayarların temel fonksiyonu, sensörlerden gelen sinyalleri alarak işler ve daha sonra hareketli parçalara kumanda eder. Ek olarak mikrobilgisayar aynı zamanda mikro denetleyiciyi de kontrol eder. Mikrobilgisayarlar; CPU, Bellek ve I/O (Input/OutputGiriş/Çıkış) portları olmak üzere üç ana kısımdan oluşmaktadır. Mikroişlemcili bir sistemde, Bellek, CPU ve I/O ayrı ayrı kullanılmaktadırlar. Mikroişlemcilerde, bellek ve I/O entegre devreleri üç yol yardımıyla birbirine bağlanmıştır. Bu yollar: Kontrol yolu (CONTROL BUS): Mikroişlemcinin zamanlama ve kontrol devrelerinde üretilen kontrol sinyallerini belleğe ve I/O birimlerine göndermek için kullanılan yoldur. Örneğin oku/yaz sinyallerini belleğe, giriş ve çıkış portlarına taşır. Veri yolu (DATA BUS): Veri yolu, makine komutlarını ve verileri bellekten mikroişlemciye taşır. Aynı zamanda giriş/çıkış transferleri ile ilgili verileri de taşımak için kullanılır. Kontrol ve adres yollarından farklı olarak veri yolu iki yönlüdür. Veri iki yönde de hareket edebilir. Birçok mikroişlemcili sistemde veri yolu sekiz bölümden oluşur. Bu yüzden aynı anda 8 bit veya 1 bayt veri taşıyabilir. Adres yolu (ADRESS BUS): Adres yolu, bellekteki bir yerin veya veri transferinde görev alan giriş / çıkış portunun adresini iletmekte kullanılır. ROM ve RAM bellekte saklanan her komut ve her parça bilginin bir adresi vardır. Daima 16 bitten oluşan bir ikilik sayı programın çalışması sırasında verilen bir yerin içeriği gerekli olduğunda mikroişlemci o yerin adresini adres yoluna koyar. Adres yolu, verinin saklandığı yere ulaşmakta kullanılan adresi iletmede kullanılır. Ulaşılan yerin içeriği daha sonra veri yoluna konulur ve bu yolun içeriği mikroişlemciye okunur. Eğer bir veri RAM belleğe depolanacaksa belirten yeri seçen adres kodu, mikroişlemci tarafından adres yoluna konur. Daha sonra gönderilen yaz komutu sinyali, veri yolundaki bilginin bir kopyasını belirlenen yere yazılmasını sağlar. Mikro Denetleyicilerin Çalışma Prensipleri Sensörler ve aktivatörler ile veri alış verişi I/O (Input/Output) portlardan sağlanmaktadır. Bu portlardan verilen analog sinyaller yapılan programa göre dijital sinyale çevrilebilmekte ve istenildiği gibi işlenebilmektedir. Dışarıdan ölçülen veya içeriden işlemler sonucunda elde edilen veriler hafıza birimlerinde (RAM, ROM) saklanabilmekte ve daha sonra gerektiği zaman kullanılabilmektedir. Elektronik Kontrol Ünitelerinde Bilgi İşleme Otomotiv alanında kullanılan elektronik kontrol ünitelerinde mikrodenetleyiciler tercih edilmektedir. Şekil 1.6’da bir elektronik kontrol ünitesinde bilginin işlenmesi şematik olarak gösterilmiştir. Veri İletim Yöntemleri Bir noktadan diğer bir noktaya dijital (binary) bilgilerin transfer edilmesine “veri iletimi” denir. Veri iletim sistemleri, bilgisayarlar, bilgisayarlar ile terminaller veya bilgisayarlar ile alıcılar (printer, plotter vb.) arasında veri iletimlerini gerçekleştirir. Dijital (binary) hâle dönüştürülebilen ses, görüntü gibi analog bilgilerin iletilmesi de veri iletimi ile gerçekleştirilir. Yüksek verimliliğin yanı sıra maliyetlerinin de düşük olması veri iletiminde dijital tekniklerin kullanılmasının en önemli sebeplerindendir. Dijital sinyallerin iletiminde iki farklı yöntem kullanılır. Bu yöntemler; Paralel veri iletimi, Seri veri iletimidir. Elektronik Kontrol Üniteleri Arasında Haberleşme Yöntemleri Günümüz ve yakın gelecekteki otomobil modellerinde erişilmek istenen hedeflerden biri de arabanın iç ve dış sistemlerle bir ağ aracılığıyla haberleşmesidir. Bu anlamda otomobil teknolojisi, modern uçak teknolojisine ulaşmayı amaçlamaktadır. Elektronik Kontrol Üniteleri Arasında Haberleşme Elektronik kontrol üniteleri, sensörlerden gelen sinyallere göre yönettikleri sistemlerin çalışmasını düzenlemektedir. Elektronik kontrol üniteleri birbirleri ile koordineli bir biçimde çalışmalıdır. Otomobiller üzerindeki elektronik kontrol ünitelerinin birbirleriyle haberleşmelerini sağlamak amacıyla elektronik kontrol üniteleri arasında ağlar kurulmuştur. Motorlu taşıtlar incelendiğinde 3 çeşit haberleşme sisteminin kullanıldığı görülmektedir. Bunlar CAN, LIN ve MOST isimli hatlardır. CAN-BUS Hattının Yapısal Özellikleri Otomobillerde, fonksiyonlara ve kullanım konforuna olan talebin sürekli artmasıyla elektronik parçaların sayıları da artmaktadır. 1990’lı yıllarda kullanılan araçlardaki kontrol ünitelerinin sayısı 15 civarında iken 2000’li yıllarda kontrol ünitelerini sayısı 75’e kadar çıkmıştır. Günümüzde taşıtlarda kullanılan elektronik kontrol sistemlerinin sayısal olarak artması, beraberinde bir takım olumsuzlukları da getirmiştir. Tam elektronik donanımlı bir taşıtta 2 km uzunluğunda kablo ve 40–50 kg civarında bir ekstra ağırlık söz konusu olabilmektedir. Orta büyüklükteki bir taşıtın opsiyonel donanımları 600 farklı kablo kullanılmasını gerektirmektedir Buna diğer sistem elemanlarının ağırlık ve hacimleri de eklendiğinde ortaya tasarım ve üretim problemleri ile karmaşık ve maliyeti yüksek bir yapı çıkmaktadır. Bu olumsuzluklar, tasarım ve üretim problemlerinin yanı sıra arıza teşhis ve giderme açısından da önemlidir. Bugüne kadarki şebeke sistemine, kontrol ünitelerinin sayısı ve bunların dağıtılmış işlevleri ile veri alışverişinin sürekli yükselen oranın eklenmesiyle aktarım teknolojisinin geliştirilmesi kaçınılmaz olmuştur. Ayrıca karmaşık kablo yapısı yeni çözümler aramayı gerektirdi. Bu nedenle Bosch, Intel ile birlikte CAN-BUS protokolünü otomotiv endüstrisi için 1987 yılında geliştirmiştir. CAN kısaltmasının açık yazılısı; ''Controller Area Network'' dür. Görevi ise kontrol ünitelerini birbirlerine bağlayarak bilgi alışverişini sağlamaktır. Standart numarası ISO 11519 ve ISO 11898’dir. CAN-BUS protokolü otomotiv endüstrisinde bilgi değiştirilmesi alanında hemen bir standart olarak kabul edilmiştir. Kontrol ağı “CAN” (Controller Area Network), araçta bulunan elektronik kontrol üniteleri, sistem elemanlarının sayısı ve kablo uzunluğunu azaltarak ortak bir yönetim birimi oluşturmak için geliştirilen bir sistemdir. Sistemin temel mantığı taşıtta bulunan ABS, ESP, ateşleme sistemi, enjeksiyon sistemi gibi 20 ila 40 farklı kontrol sistemlerini (Taşıta göre değişebilmekte ve sayıları hızla artmaktadır.) tek bir kontrol sistemi hâline getirmektir. Bu amaçla öncelikle benzer işi yapan kontrol sistemleri birbirleriyle entegre edilmekte ve daha sonra “CAN” ağ sistemiyle araç bilgisayarı adı verilen merkezî kontrol ünitesine bağlanmaktadır. Taşıtta kullanılan sistemleri alt gruplarda birleştirip sonra da ortak bir kontrol ünitesine (araç bilgisayarı) entegre etmek için kullanılan kontrol ağı “CAN” temel veri iletim hatları olarak adlandırılabilecek bir çift kablo ile diğer veri hatlarından oluşur. Burada tekli kablolar, bükümlü kablolar veya fiber optik kablolar kullanılabilmektedir. Bu sistemde sadece bileşenler CAN-BUS üzerinden kontrol ünitelerine bağlanmıştır. Diğer komponentler; aktörler, sensörler, ampuller, elektrik motorları kontrol ünitelerine geleneksel kablo üzerinden bağlanmıştır. Bilgiler CAN-BUS üzerinden alışveriş yapılırken voltaj sinyallerinin genişlik ve boyları tanımlanmış ve biçimlendirilmiştir. CAN-BUS hattının kullanılmasının avantajlarını söyle sıralayabiliriz: Sensör ve sinyal kablolarını azaltmak için bir sensörün sinyali birçok yerde kullanılmıştır. Kablo demetlerinde daha az kablo kullanılmıştır. Kablo hatlarında ağırlık oldukça azaltılmıştır. Kontrol üniteleri bağlantılarında az sayıda terminal bağlantısı yapılmıştır. Geliştirilmiş güvenirlilik ve teşhis kolaylığı sağlanmıştır. Veriler CAN veri yolu ile iki yönlü iki adet kablo üzerinden transfer edilmektedir. CAN veri yolu Şekil 1.9’da görüldüğü gibi telefon ile yapılan konferans görüşmesine benzetilebilir. Bir abone konuşurken diğer aboneler onu dinler. Abonelerden bazıları bu veri ile ilgilenir. İlgilenen abone bilgiyi değerlendirir, diğerleri ise bu bilgiyi göz önüne almamayı tercih eder. CAN-BUS Bilgisi CAN hattındaki veri bilgisine BUS adı verilir. BUS bir yolcu otobüsü gibi düşünülebilir. Bir yolcu otobüsünün çok sayıda insanı bazı bölgeler arasında taşıması gibi BUS bilgisi de bazı kontrol üniteleri arasında çok miktarda bilgiyi taşır. BUS bilgi aktarımı durumunda göz önünde bulundurulması gereken husus, her BUS kullanıcısının hem bilgi gönderen hem de bilgi alan ünite olabilmesidir. Her bilgi akışı durumunda diğer tüm üniteler bilgiyi alırken sadece bir BUS kullanıcısı bilgiyi aktarır. CAN-BUS sistemi; kontrol üniteleri, alıcı/verici üniteleri ve data-bus kablolarından oluşmaktadır. CAN-BUS kontrol ünitesi: Kumanda cihazı içindeki Mikrocomputer’den (CPU) gönderilmesi gerekli olan verileri alır. Bu verileri (sinyalleri) düzenler ve CAN-Verici/Alıcı ünitesine gönderir. Bu veriler, kontrol ünitesi içinde yüksek frekanslı dört köşe formunda gerilime (yaklaşık 200 kHz) dönüştürülür ve küçük bir doğru-akıma (yaklaşık 5V gibi) modüle edilir. CAN-Kontrol ünitesi, CAN-Verici/Alıcısından da verileri alır, aynı şekilde düzenler ve kumanda cihazındaki Mikrocomputer’e (CPU) iletir. CAN-BUS verici/alıcı ünitesi: CAN-Bus verici/alıcı ünitesi, hem bir verici (Transmitter) ve hem de bir alıcıdır (Receiver). Bu ünite, CAN-kontrol ünitesinden gelen verileri dönüştürür ve Databus kablolarına gönderir. Aynı şekilde Databus kablolarından gelen verileri de CAN-kontrol ünitesi için dönüştürür. CAN-BUS databus kabloları: Veri iletim kabloları çift yönlüdür (her iki yöne veri iletimi özelliği) ve verilerin iletimine yarar. Onlar CAN-High ve CANLow olarak adlandırılır. Çiftli kablo tekniğinde Databus kabloları saç örgüsü şeklinde örülüdür. Kablonun saç örgüsü şeklinde örülü olması, kablonun elektro manyetik etkilere karşı dirençli olmasını sağlar. Her iki kablodaki elektrik gerilimleri zıt yönlüdür. Eğer bu Databus kablolarından birindeki elektrik gerilimi yaklaşık 0 volt ise diğer kablodaki elektrik gerilimi ise 5 volt veya tam tersi olur. CAN-High ve CAN-Low kablolarının kullanılma sebepleri ise şunlardır: Parazite karşı yüksek direnç sağlayabilmeleri için, Yedekleme fonksiyonu olması, diğer bir ifade ile, eğer veri kablolarından birisi pozitif veya negatif kutupla kısa devre yaparak devre dışı kalır ise, CAN-Verileri fonksiyonel olan diğer kablo üzerinden iletebilir. Genel olarak işletme emniyetini yükseltmek CAN-High ve CAN-Low hatlarına aynı anda aynı enformasyonlar gönderilir, sadece salınımları zıt yönlüdür. CAN-Bus kablolarının kontrollerinde iki ölçüm metodu kullanılır: Direnç ölçümü: CAN-H ve CAN-L arasında yapılan direnç ölçümünde ölçülen direnç değeri 60 Ω olmalıdır. Ölçüm yapılırken sistemin gerilimsiz olmasına dikkat edilmelidir. Gerilimi ölçümü: CAN-H-Şasi ve CAN-L-Şasi arasında gerilim ölçümü yapılır. Problemsiz bir sistemde okunan gerilim değeri yaklaşık 2,5 V olmalıdır.