diseÑo de ecu

7/31/2019 DISEO DE ECU

1/39

Memoria

DESARROLLO DE UNAUNIDAD DE CONTROLELECTRNICO (ECU)

DEDICADA AL GOBIERNO

DE MOTORES DECOMBUSTIN INTERNAPFC presentado para optar al ttulo de Ingeniero

Tcnico Industrial especialidad ELECTRNICApor Joan Mendoza Equiza

Barcelona, 14 de Junio de 2010

Tutor proyecto: Manuel Manzanares BrotonsDepartamento de Ingeniera Electrnica (D710)

Universitat Politcnica de Catalunya (UPC)


2/39

2

NDICE

ndice memoria 2

3

4

5

3.1. Especificaciones tcnicas 6

3.1.1. Sensores 6

3.1.2. Actuadores 7

8

15

5.1. Soluciones para puesta a punto del prototipo 15

5.2. Soluciones escogidas para la ECU comercial 15

17

6.1. Microcontrolador 17

6.2. Diagrama de bloques general 22

6.3. Esquemas de detalle 23

6.3.1. Esquema de control de inyeccin 23

6.3.2. Esquema de control del encendido 24

6.3.3. Circuito optoacoplador 25

26

27

28

9.1. USB 28

9.2. LCD 29

30

32

33

34


3/39

3

Captulo 1Objeto del proyecto

El presente proyecto se centra en el campo de la electrnica aplicada a la automocin.La finalidad es el desarrollo de una centralita que fuera til en el mercado actual de laautomocin. Debido al gran desarrollo de la industria en el campo de los coches y a lamanifiesta facilidad de implementacin respecto a un coche, se ha decidido escogercomo aplicacin principal la moto.

El proyecto abordar el problema que se plantea de controlar la inyeccin desde lasdiversas soluciones que se presentan as como la finalmente escogida teniendo encuenta los criterios de ambicin y medios de que se dispone para realizar el mismo.


4/39

4

Captulo 2Motivacin y justificacin

Existen dos motivaciones fundamentales para la realizacin de este proyecto:

La situacin actual, en la que se han endurecido los impuestos y normativas poremisiones, sobretodo en los vehculos, con la finalidad de reducir las emisiones yaumentar la eficiencia da pie al desarrollo de proyectos como el presente.

Una combustin eficiente implica el total aprovechamiento del carburante y, por tanto, unahorro muy importante frente a los motores alimentados por carburacin, que en sectorde la motocicleta de 125cc son la mayora.

Por otro lado tambin se consigue hacer trabajar el motor en un punto ms adecuado locual alarga la vida del mismo.


5/39

5

Captulo 3Especificaciones bsicas

Parmetros a controlar electrnicamente en un motor (planteamiento del problema):

Tal y como el titulo del trabajo indica, nos planteamos controlar de forma electrnica lainyeccin y el encendido de un motor de combustin interna de 4T.

Por extensin se trata de realizar una unidad de control que sea capaz de recibir datosdel estado de diversas variables y actuar en consecuencia para que el motor funcionecorrectamente y de la forma ms eficiente posible.

Los parmetros que se tienen en cuenta hoy en da en las unidades de control de loscoches son muchsimas. De echo, toda la industria del automvil esta muy avanzada en

este campo. Por este motivo y por el endurecimiento de la normativa europea deemisiones, hemos decidido enfocar nuestro trabajo hacia el mundo de la motocicleta.

Hoy en da la mayora de motocicletas de 125cc y de ciclomotores son de carburacin,cosa que las deja al lmite para cumplir la normativa de emisiones en vigor (Euro 3). Estprevisto que en breve se obligue a los fabricantes a cumplir unos niveles ms bajos en lanueva norma Euro 5. Para optimizar en este aspecto ser necesaria la inclusin de unmicrocontrolador que gobierne de una forma mucho ms adecuada todo lo referente a lacombustin.

Segn se cita en la legislacin europea:La presente propuesta fija un lmite medio de emisin de CO2 aplicable a los fabricantes de

automviles, a fin de alcanzar de aqu a 2012 el objetivo de 130 g de CO2/km para los vehculos

nuevos matriculados en la Unin Europea (UE).

Este lmite de emisin se aplica a los turismos nuevos (vehculos de categora M1) de cada

fabricante. El lmite de emisin se calcula segn la masa de un vehculo. El nivel de emisin de

CO2 se mide de conformidad con el Reglamento (CE) n 715/2007 sobre homologacin de

vehculos por lo que se refiere a las emisiones contaminantes. El valor lmite de emisin no se

aplica a cada vehculo de forma individual, sino a la media de todos los vehculos fabricados por

un fabricante registrado en la UE durante un ao.

[1]


6/39

6

La razn de la inclusin de la electrnica en este campo es para optimizar al mximo laenerga que se genera en la explosin de la gasolina. Esto se consigue ajustando larelacin aire/combustible (AFR: Air Fuel Ratio) estequiomtrica, que idealmente deberaser de 14.7/1.

Debido a la velocidad limitada del frente de llama en la combustin, es necesario avanzarel instante de inicio de la combustin antes de que el pistn alcance el punto muertosuperior, con objeto de que coincidan la combustin y la posicin del cilindro en el PMS,obtenindose as un mejor rendimiento.

De esta manera buscamos tambin economizar el gasto de combustible, tanto por laparte econmica en s como por la repercusin que tiene en el medio ambiente.


7/39

7

3.1. Especificaciones tcnicas

3.1.1. SensoresEn un automvil se monitorizan muchas variables a fin de ajustar todos los parmetros almximo.

A continuacin se explica que seales darn los sensores que intervienen en el ajuste delencendido y la inyeccin. Estas vendrn de sus respectivos sensores pero ahora eltrabajo se centra en la seal que proporcionan los mismos.

Temperatura del motor

Se trata de una seal continua proporcional a la temperatura del motor, que normalmentese toma como referencia la temperatura del lquido refrigerante.El rango de lectura debe ser de -40 a 120C. Se considera que la temperatura defuncionamiento ptimo va de los 70 a los 95C.

Temperatura de la gasolinaEs una seal continua que se toma en el depsito de combustible. Esta temperaturadifiere un poco con la ambiente, pero se mantiene en un rango cercano. Esta seal setoma para calcular la densidad de la gasolina segn a la temperatura a la que est.

Temperatura del aireSe obtiene la temperatura del aire que pasa por la tobera de admisin. Coincide con latemperatura ambiente; es utilizada junto con la seal de caudal de aire para calcular sudensidad. Es una seal continua, as como las otras temperaturas.

Caudal de aireSe mide en la tobera de admisin y la seal que obtenemos a la salida del caudalmetroes una tensin continua que depende del valor del caudal.

Presin de la gasolinaEs la presin de la gasolina a la entrada del inyector que permite calcular con precisin lacantidad de gasolina que inyectamos en cada admisin. Esta seal tambin es continua yprcticamente constante.

Sensor de oxgeno (sonda lambda)Es un dispositivo capaz de medir la relacin Lambda de los gases de escape en funcinde la cantidad de oxigeno que posean. La medida de la sonda Lambda es una seal devoltaje de entre 0 y 1 V.

Posicin del mando del gasPara detectar la posicin del mando de gas se utiliza un potencimetro en un puente deWheatstone. Al accionar el acelerador, este potencimetro vara su valor hmicoprovocando una diferencia de potencial que es tratada por la ECU, sabiendo as en queposicin est realmente.


8/39

8

Posicin del cigealLa medicin se efecta en el cigeal o en el rbol de levas, el mecanismo consiste enuna rueda dentada y un sensor Hall. Esta rueda dentada debe marcar el PMS del cilindrocon un pulso de doble duracin con el fin de ajustar el encendido.

RPM del motorEl mecanismo es similar al de posicin del cigeal, utilizando la misma seal, pero encambio esta vez es tratada para saber el ngulo descrito por unidad de tiempo del motor.Las revoluciones varan entre 0 y 12000, siendo este el punto de corte.

3.1.2. Actuadores

Para ejercer control sobre el motor, la ECU deber actuar sobre la inyeccin y elencendido.

Control de la inyeccin

Desde un punto de vista elctrico, el inyector presenta un valor hmico de resistenciacomprendido entre 2 y 16 Ohm, asociado en serie a un valor de inductancia que puedealcanzar un valor de 15 mH. Dicha inductancia es debida a la bobina que tiene la misinde que al circular corriente por ella, debe retirar la aguja del asiento situado a la salida delinyector, asiento que impide la salida del combustible sometido a presin hacia elconducto de admisin o hacia la cmara de combustin, en el caso de inyeccin directa.

Se acta sobre el inyector con una seal digital cuadrada cuyo 1 lgico implica laapertura de la aguja de inyeccin y el 0 el cierre. Esta seal digital ha de pasar por unaetapa de potencia, que adapte las seales de control provenientes del microcontroladora los niveles adecuados para gobernar al inyector.

Encendido

La generacin de la chispa en la buja se basa en la interrupcin de la corriente en elprimario de un transformador de relacin 100:1, conocido como bobina del encendido,

que provoca unas sobretensiones de un valor de 10 a 45 kV, que permiten que seproduzca el arco elctrico en la buja.

Se ha de disear la correspondiente etapa de potencia, que adapte las seales decontrol provenientes del microcontrolador a los niveles adecuados de corrientenecesarios. Para esto se utilizan transistores IGBT que soportan elevadas intensidades.


9/39

9

Captulo 4Posibles soluciones

Temperaturas

La medicin de la temperatura en el automvil se efecta de modo casi exclusivomediante termmetros de contacto constituidos por materiales resistivos de coeficientede temperatura positivo (PTC) o negativo (NTC), aprovechando su dependencia de latemperatura. La conversin de la resistencia elctrica en una tensin analgica se realizacasi siempre mediante el complemento de una resistencia trmicamente neutra o desentido opuesto, formando un divisor de tensin (efecto linealizador).

Caudal de aire

Como ejemplos de medidores de caudal de aire tenemos de la marca BOSCH lossiguientes:

Sonda volumtrica de aire por plato sonda LMM

Se encuentra entre el filtro de aire y la mariposa. Tiene la funcin de detectar el flujovolmico de aire Q aspirado por el motor, a fin de determinar la carga segn el principiode la presin dinmica.

El plato sonda mvil de la sonda volumtrica de aire desempea el papel de un diafragmavariable. El flujo del aire de admisin QL desplaza el plato sonda contra la fuerzaconstante de un muelle antagonista, de manera que la seccin de paso libre se vuelvemayor a medida que aumenta el volumen de aire. Esto nos da una gran sensibilidad de lasonda volumtrica de aire para pequeos caudales de aire que exigen una alta precisinde medicin.


10/39

10

Figura 1. Sonda volumtrica.

Medidor de masa de aire por hilo caliente HLM

Est montado como sensor de carga trmico entre el filtro de aire y la mariposa.Detecta el flujo msico de aire QM para determinar la carga del motor. El HLM es elmedidor de caudal de aire ms rpido de los que se encuentran en funcionamiento, pues

es capaz de seguir oscilaciones del promedio de hasta 1 kHz.

El HLM consiste en un cuerpo tubular protegido en cada extremo por una reja y a travsdel cual circula el flujo de aire de admisin. Un delgado hilo calefactable de 70 m, deplatino, est tendido en forma de trapecio sobre toda la seccin de este tubo demedicin y detecta as, con una buena aproximacin, toda la seccin de flujo.

La resistencia de compensacin mide primero la temperatura del aire de admisinentrante, que enfra a continuacin el hilo calefactado. Un circuito de regulacin reajustala corriente de calefaccin de tal manera que el hilo caliente adopta una temperaturaconstante superior a la del aire de admisin.

Este principio de medicin tiene en cuenta la masa volumtrica del aire en lasproporciones correctas. La corriente de calefaccin genera en una resistencia deprecisin una tensin UM que es proporcional al flujo de masa de aire y que se transmitea la unidad de control.


11/39

11

Figura 2. Hilo caliente.

Medidor de masa de aire de pelcula caliente HFM

Trabaja segn el siguiente principio:

Una resistencia calefactora dispuesta en el centro sobre la clula de medicin calientauna membrana sensible micromecnica y la mantiene a una temperatura constante.Fuera de esta zona de calefaccin regulada disminuye la temperatura a ambos lados.

Dos resistencias dependientes de la temperatura montadas simtricamente respecto a la

resistencia calefactora flujo arriba y flujo abajo sobre la membrana (puntos de medicinMI, M2) detectan la distribucin de la temperatura sobre sta. Cuando no pasa aire, elperfil de temperaturas es igual en ambos lados (T1 = T2).


12/39

12

Figura 3. Pelcula caliente.

Cuando pasa aire por encima de la clula de medicin, el perfil uniforme de temperaturassobre la membrana sufre un cambio. En el lado de aspiracin la variacin de latemperatura es ms pronunciada, pues la corriente de aire enfra esta parte.

En el lado opuesto, orientado hacia el motor, se enfra primero la clula de medicin delsensor. Luego, el aire calentado por el elemento de calefaccin caldea la clula demedicin. La variacin de la distribucin de temperaturas ocasiona una diferencia detemperatura (AT) entre los puntos de medicin M1 y M2.

La diferencia de resistencia en los puntos de medicin M1 y M2 la convierte el sistemaelectrnico evaluador integrado en el sensor en una seal de tensin analgica entre 0...5V, adecuada a la unidad de control.


13/39

13

Presin de la gasolina

El sensor de presin del combustible se encuentra atornillado en la rampa de inyeccinde combustible. Tiene la funcin de medir la presin del combustible en la rampa deinyeccin. Con esta medida la unidad de control del motor regula la presin delcombustible en el sistema de alta presin, en funcin de una familia de curvascaractersticas.

A partir de la rampa de inyeccin f luye combustible hacia el sensor de presin.

A baja presin del combustible slo se deforma levemente la membrana de acero. Deesa forma es alta la resistencia elctrica que oponen las resistencias extensiomtricas y latensin de la seal es baja.

Si la presin del combustible es de alta magnitud, la membrana de acero se deforma enuna medida intensa. Debido a ello es baja la resistencia elctrica en las resistencias

extensiomtricas y la tensin de la seal es correspondientemente alta.

Figura 4. Medido de presin de gasolina.

La tensin de las seales se intensifica en el circuito electrnico y se transmite a la unidadde control del motor. La regulacin de la presin del combustible se lleva a cabo conayuda de la vlvula reguladora de presin del combustible.


14/39

14

Posicin del mando del gas

Existen varios mtodos explicados a continuacin:

Sensor de mariposa

Este sensor detecta el ngulo de giro de la vlvula de mariposa de aire.Para el empleo del sensor de mariposa como sensor de carga principal se consigue laprecisin necesaria mediante dos potencimetros para dos campos angulares.

Figura 5. Sensor de mariposa.

Los cursores fijados en el brazo detector sujeto al rbol de la mariposa se deslizan a lolargo de las pistas resistivas correspondientes. El ngulo de giro de la mariposa esconvertido as en una relacin de tensiones UA/Uv proporcional a este ngulo, siendo latensin de funcionamiento Uv = 5 V. La conexin del cursor se efecta generalmente atravs de una segunda pista de contacto de igual superficie, que tiene debajo una capade material conductor de baja impedancia.


15/39

15

Potencimetro de plato sonda

El potencimetro de la sonda volumtrica de aire est construido segn la tcnicamulticapa sobre un substrato cermico. Se trata de un sensor angular potenciomtricoque aprovecha para la medicin la proporcionalidad existente entre la longitud de unaresistencia de capas (pista conductora) y su valor hmico. La curva caracterstica delpotencimetro no es lineal, a causa de la variacin del ancho de la pista. Por ello la sealde aceleracin presenta su amplitud mxima en el caso de un movimiento partiendo de laposicin de ralent. Ella disminuye a medida que aumenta la potencia del motor.

Un cursor de escobilla se desliza sobre la pista del potencimetro. La escobilla secompone de varios alambres muy finos soldados a una palanca. Los diversos alambresejercen una presin reducida sobre la pista resistiva, siendo el desgaste por tantoextremamente bajo.

La tensin del cursor la toma un segundo cursor de escobilla, que est unido

elctricamente con el cursor principal. Una resistencia elctrica fija, realizada asimismo entcnica multicapa, est conectada en serie al cursor para proteger el potencimetrocontra cortocircuitos.

Figura 6. Plato Sonda.

Posicin del cigeal y RPM del motor

El sensor de ngulo del cigeal (CAS) o el sensor de posicin del cigeal (CPS) puedencolocarse en diferentes ubicaciones, como: en la parte trasera del motor, en el volantemotor, en el lado del bloque motor o en el rbol de levas.La seal de salida producida se utiliza por parte del mdulo de control del motor (ECM)para determinar la posicin exacta del motor.


16/39

16

El sensor de cigeal de efecto Hall es un sencillo interruptor digital on/off que produceuna salida digital reconocida y procesada por la ECU. El sensor se activa con un discometlico giratorio con aberturas o dientes; este disco pasa entre el electroimn y elsemiconductor.El campo magntico se activa y desactiva a travs del disco giratorio que pasa junto a losdos objetos. El efecto de un campo magntico capaz de pasar a travs de una de lasventanas detendr el flujo de tensin. Cuando la ventana se cierra, el flujo se restaura.Esta accin producir una onda cuadrada digital que ser reconocida por el ECM o elamplificador y no necesitar ningn trigger de Schmitt para convertir la seal analgica enuna seal digital.Para saber cuando el cilindro se encuentra en el PMS se sincroniza la seal de un dientede doble anchura que produce un pulso de doble duracin del disco y de esta manera seinforma a la ECU que el cilindro se encuentra en ese punto.

El mtodo de sensor Hall es mejor respecto al sensor inductivo puesto que el mtodoinductivo da en su salida una seal senoidal que ha de ser tratada, en cambio el sensor

hall da una seal continua cuadrada que no necesita ser tratada.

Figura 7. Sensor inductivo y Hall


17/39

17

Captulo 5Soluciones escogidas

5.1. Soluciones para puesta a punto del prototipo

TemperaturasA la hora de hacer las simulaciones, se simularn todas las temperaturas conpotencimetros o directamente se dar un valor constante.

Caudal de aireSe utilizarn potencimetros para simular el caudal de aire.

Presin de la gasolinaSe dar un valor constante a de presin de gasolina.

Posicin del mando del gasUn potencimetro har de puo de acelerador

Posicin del cigealCon el generador de funciones se simular una seal cuadrada que imitar al discodentado.

RPM del motorSe generar una seal cuadrada con el generador de funciones para regular la velocidaddel motor.


18/39

18

5.2. Soluciones escogidas para la ECU comercial

Temperatura

Para medir las distintas temperaturas se utilizarn sensores resistivos de coeficiente detemperatura negativo (NTC). Al cual se le acoplar una resistencia trmicamente neutra ode sentido opuesto, formando un divisor de tensin.

Caudal de aire

Para medir el caudal de aire se utilizar un medidor de masa de aire de pelcula caliente

HFM de la casa BOSCH, puesto que es uno de los ms desarrollados y exactoscomercializados actualmente.

Presin de la gasolina

Se utilizar un sensor de deformacin de membrana, puesto que es prcticamente elms utilizado y fiable.

Posicin del mando del gas

Para detectar la posicin del mando de gas se utilizar el sensor de mariposa quedetecta el ngulo de giro en la vlvula de mariposa de aire. Es el ms utilizado enmotocicletas de inyeccin.

Posicin del cigeal y RPM del motor

Como sensor de posicin del cigeal y RPM se utilizar el sensor Hall, puesto que laseal a su salida es continua, limpia; y es el sensor ms utilizado en el campo de la

automocin.


19/39

19

Captulo 6HARDWARE

6.1. Microcontrolador

A continuacin estudiamos el mercado actual en el rango que ms se ajusta a nuestraaplicacin:

Microcontroladores de Microchip

Los microcontroladores ms famosos de este fabricante son los que se desarrollaron amediados de los setenta, conocidos con el nombre de PIC. Dentro de toda la gamaofrecida nos fijaremos primero en los microcontroladores de gama media, ya que son losque ms se adaptan a las necesidades requeridas. De esta familia de microcontroladoresdestaca:

- Coste inferior comparado con sus competidores- Tienen una velocidad elevada de funcionamiento de 40 MHz, mnimo.- Disponen de una pila de 8 niveles.

- Capacidad para gestionar interrupciones.- Disponen de diferentes tipos de puertos serie, segn el modelo.- Podemos encontrar modelos con memoria tipo ROM o FLASH.- Disponen de entre 4 y 12 tipos de interrupciones diferentes

Tambin destacar que estos dispositivos disponen de muchas herramientas software quepueden ser descargadas gratuitamente desde la web de Microchip.


20/39

20

5 canalesde 8 bits

OTP8192 words -14,3 KB

- 256 24 4,35 5,25

USART 22

5 canalesde 8 bits

Flash 8192words - 14,3KB

- 368 20 2-5,5USART I2CCompatibleSPI

22

8 canalesde 8 bits

Flash 8192words - 14,3KB

256 b 368 20 2-5,5USART I2CCompatibleSPI

33

5 canalesde 10 bits

EnhancedFlash 8192words - 14,3KB

256 b 368 20 2-5,5USART I2CCompatibleSPI

22

Adems, el fabricante Microchip tambin dispone de una gama alta demicrocontroladores de 8 bits, la familia PIC18F. Sus caractersticas principales son:

- Compilador de C eficiente- Disponible en packages (encapsulados) de 40 a 80 pins.- Disponibles con memoria tipo EEPROM programable on-chip- Memoria de programa tipo Flash.- Espacio de memoria lineal de hasta 2 MBytes.- Puede operar hasta 10 MIPS.- Soporta protocolos adelantados de comunicaciones (CAN, USB y TCP/IP).- Dispone de uno o varios conversorses A/D.- Dispone de una pila de 32 niveles con soporte para interrupciones tanto internas

como externas.- Palabras de instrucciones de 6 bits y 8 bits por datos.- Dispone de un total de 79 instrucciones disponibles (reducido juego de

instrucciones).- Alimentacin entre 2 y 5.5V


21/39

21

4 canalesde 10 bits

EnhancedFlash 2Kwords - 4KB

128 256 40 EUSART 16

10 canalesde 12 bits

Flash8Kwords 18 KB

256 768 40

EUSART,MIA2CCompatible /SPI

25


EnhancedFlash 32 Kwords 64KB

1024 396864

EUSART,MIA2C 25


Enhanced

Flash 16 Kwords 32KB

256 2048 48 EUSART,MIa2C 34


StandardFlash 16 Kwords- 32KB

- 2048 40

2 EUSART, 2MIA2CCompatible /SPI

50


StandardFlash 4 Kwords- 8KB

- 768 40

AUSART,EUSART,MIA2Ccompatible/SPI

70

Microcontroladores de Intel

A destacar la familia de microcontroladores basados en la estructura 8051. Suscaractersticas principales son:

- CPU de 8 bits optimizado para el control de aplicaciones.- 64K de espacio de direcciones de memoria de programa.- 64K de espacio de direcciones de memoria de datos.- 4 K Bytes de memoria de programa integrada en el chip.- 128 bytes de RAM integrada en el chip.- 32 I/O lneas accesibles individualmente y bidireccionales- Dos contadores de 16 bits.- 6 fuentes / 5 vectores de interrupcin con dos niveles de prioridad.- Osciladores integrados en el chip.

A continuacin tenemos algunos de modelos basados en la estructura 8051 y restringidoa los que usan una memoria EPROM:


22/39

22

4K 128 12 32 2 0

4K 128 12 32 2 0

8K 256 12 32 3 04K 128 12,16,20,24* 32 2 0

8K 256 12,16,20,24* 32 3 0

16K 256 12,16,20,24* 32 3 0

32K 256 12,16,20,24* 32 3 0

8K 256 12,16,20,24* 32 3 0

16K 256 12,16,20,24* 32 3 0

32K 256 12,16,20,24* 32 3 0

8K 256 12,16 48 3 8

16K 256 16 24 2 416K 256 16 24 2 4

Velocidad (MHz): 24* = 24MHz solo para operaciones internas

Microcontroladores de Atmel

El fabricante ATMEL Corporation dispone de una familia de microcontroladores de 8 bitscompatibles con la arquitectura MCS-51 de Intel con mucha diversidad de modelos. Delos microcontroladores analizados cabra destacar las siguientes caractersticas:

- Memoria interna tipo Flash para programas de entre 2 y 128 KB.- Memoria RAM de 128 hasta 2048 Bytes.- Frecuencia de reloj de hasta 60MHz.- Varios temporizadores de 16 bits.- Consumo mximo de hasta 5,5 o 6 V dependiendo del modelo.


23/39

23

16 2 512 40 20 1

32 2 1280 40 34 1

64 2 2304 60 32 1 Si

64 2 2048 60 32 1 Si

32 - 1280 60 34 1 Si

64 2 2048 60 32 1 Si

16 - 1280 60 32 1 Si

32 - 512 33 32 1 Si

32 - 1280 60 32 1 Si

64 - 2048 60 32 1 Si

128 - 2048 60 34 2 Si

20 - 256 33 32 1 Si

2 - 256 20 15 1 Si

2 - 128 20 14 - Si

2 - 128 20 12 1 Si

2 - 128 20 14 Si Si

4 - 256 20 15 1 Si

4 - 128 16 32 1 Si

8 - 256 33 32 1 Si

4 - 128 33 32 1 Si

8 - 256 33 32 1 Si

12 2 256 24 32 1 Si

Atmel Corporation adems, tambin dispone de un otra familia de microcontroladores, laAVR de 8bits- Riesc caracterizados por:

- 32 registros de propsito general.

- Bajo consumo- Diferentes tipos de estados de latencia (sleep modes).- Comparador analgico- Rpida recuperacin del modo de latencia- Varios canales de salida de modulador de pulsos.- Alimentacin mxima de hasta 5.5 V- Posibilidad de disponer de diferentes timers o contadores de 16 o 8 bits

dependiendo del modelo.- Todos los modelos incorporan ISP (In System Programming: Metodologa a travs

de la cual un circuito programable complejo (microcontroladores) puede serreprogramado estando soldado o conectado al sistema del usuario.)


24/39

24

El microcontrolador elegido es el microchip PIC18F4550, que se adapta a nuestras

necesidades y tiene los canales y la resolucin adecuada en los convertidores A/Dintegrados para capturar las seales provenientes de los sensores.

Un factor a tener en cuenta es que existe una amplia informacin disponible sobre estemicrocontrolador por parte del fabricante y en Internet.

El PIC18F4550 tiene 13 entradas A/D con una resolucin de 10 bits, precisin suficientepara esta aplicacin, y a su vez no necesita convertidor AC/DC externo.

El programador utilizado con los microcontroladores PIC de la casa Microchip es muchoms econmico y manejable que el resto de marcas, dato que refuerza la eleccin pordicho microcontrolador.

Otro punto a favor y muy importante es la opcin integrada que lleva el PIC18F4550 quepermite la comunicacin con el PC mediante el puerto USB, ya que es totalmentecompatible e incluso se puede alimentar a travs del mismo puerto sin necesidad de unafuente de alimentacin externa.

A continuacin se muestran los parmetros ms importantes caractersticos:

Program Memory Type Flash

Program Memory (KB) 32

CPU Speed (MIPS) 12

RAM Bytes 2,048

Data EEPROM (bytes) 256

Digital Communication Peripherals 1-A/E/USART, 1-MSSP(SPI/I2C)

Capture/Compare/PWM Peripherals 1 CCP, 1 ECCP

Timers 1 x 8-bit, 3 x 16-bit

ADC 13 ch, 10-bit

Comparators 2

USB (ch, speed, compliance) 1, Full Speed, USB 2.0

Temperature Range (C) -40 to 85

Operating Voltage Range (V) 2 to 5.5

Pin Count 40


25/39

25

6.2. Diagrama de bloques general

El diagrama de bloques de hardware es muy parecido a los diagramas de los sistemasde control y adquisicin de datos. Est compuesto de los siguientes elementos:

Figura 8. Bloques hardware.

- : es el encargado de acondicionar las seales que provienende los sensores, aislarlas galvnicamente y adecuarlas a los niveles delmicrocontrolador. Estas seales se aslan galvnicamente mediante optoacopladores para prevenir sobre tensiones que puedan daar el uC, y tambinpara que las interferencias electromagnticas no afecten puesto que un motor decombustin interna se producen muchos transitorios.

- : es donde se implementarn los algoritmos de control delmotor. El microcontrolador elegido es el PIC18F4550, que se adapta a nuestrasnecesidades y tiene los canales y la resolucin adecuada en los convertidoresA/D integrados para capturar las seales provenientes de los sensores.

El microcontrolador se comunicar con el PC mediante el puerto USB para visualizar elestado de las variables a tiempo real mediante el software LabView.

- : se encarga de adaptar las seales de salida delmicrocontrolador al nivel requerido para actuar sobre el inyector y sobre la bobina

del sistema de encendido. Tambin se encarga de proteger las etapas depotencia contra sobrecargas.


26/39

26

6.3.Esquemas de detalle

Para el control del inyector utilizamos un transistor MOSFET IRFZ48N, puesto que es fcilde controlar, es compatible con niveles TTL y tiene un margen de tensin y corrienteelevado.

Figura 9. Control de inyeccin.

Caractersticas principales del MOSFET IRFZ48N obtenidas del datasheet:

- Advanced Process Technology- Ultra Low On-Resistance- Dynamic dv/dt Rating- 175C Operating Temperature- Fast Switching- Fully Avalanche Rated

VDS Drain-source voltage 55 V

ID Drain current (DC) 64 A

Ptot Total power dissipation 140 W

Tj Junction temperature 175 C

RDS(ON)Drain-source on-stateresistance VGS = 10 V

16 m!


27/39

27

Para el control del encendido utilizamos un transistor IGBT ISL9V5036, ya que ha sidofabricado para aplicaciones en automviles, soporta elevadas sobretensiones y escompatible con seales de control TTL.

Figura 10. Control encendido.

Caractersticas destacables del IGBT ISL9V5036:

- Industry Standard D2 Pak package- SCIS Energy = 500mJ at Tj = 25C- Logic Level Gate Drive- Qualified to AEC Q101- RoHS Compliant- Designed specifically for automotive Ignition Coil Driver Circuits- Coil-On Plug Applications


28/39

28

Para proteger el microcontrolador y perifricos de la parte de alta tensin, utilizamosoptoacopladores 6N137, ya que tienen un retardo de conmutacin muy bajo y soncompatibles con TTL.

Dado que los optoacopladores trabajan con lgica negativa, es necesario poner a lasalida una puerta NAND para transformar a lgica positiva y de esta manera actuar sinproblema sobre el inyector y la bobina de encendido.

Figura 11. Optoacoplador.

Algunas caractersticas destacables del optoacoplador obtenidas del datasheet:

Very high speed 10 MBit/s

Superior CMR 10 kV/s

Double working voltage-480V

Fan-out of 8 over -40C to +85C

Logic gate output

Strobable output

Wired OR-open collector

U.L. recognized (File # E90700)

Aplicaciones ms comunes del 6n137:

- Ground loop elimination- LSTTL to TTL, LSTTL or 5-volt CMOS- Line receiver, data transmission- Data multiplexing- Switching power supplies- Pulse transformer replacement- Computer-peripheral interface


29/39

29

Captulo 7Software

La funcin principal del programa es tomar los valores de todos los sensores, e ir a lamatriz de tiempo base de inyeccin y avance de encendido para calcular el tiempo totalde inyeccin y el avance total de encendido.

Una vez hecho esto se envan los datos a travs del puerto USB al PC para servisualizados en tiempo real, y a un display LCD por el que tambin se podr ver el estadode las variables de manera rpida y simplificada.

Figura 12. Programa.

En la grfica se muestra un diagrama de flujo del programa general, sin entrar en detallede programacin, puesto que es el objetivo del PFC2.


30/39

30

Como software compilador y programador se utilizar el CCS puesto que es el msadecuado para este tipo de microcontroladores, contiene las libreras especficas paracada microcontrolador PIC y su programacin es en entorno C.

Otro punto a favor de este software es que tiene la posibilidad de funcionar en paralelocon PROTEUS, otro software de simulacin, que sin la necesidad de tener el !Cconectado se puede simular de manera virtual el programa antes de introducirlo en elPIC.

Una vez compilado se obtiene el programa en formato .hex, el cual se introducir en el!C mediante el programador PICKIT2 de la casa Microchip.


31/39

31

Captulo 8Simulaciones

Las simulaciones previstas para el PFC2 son las siguientes:

- Seal de posicin del cigeal: se mostrar la seal de sincronizacin, con eldoble diente de la rueda dentada que indica el punto PMS.

- Seal de RPM: seal de todos los dientes de la rueda dentada.

- Seal de control del inyector: seal de salida del microcontrolador antes de laetapa de control.

- Seal real de apertura del inyector: seal tomada directamente del inyector.

- Seal de control del encendido: seal a la salida del microcontrolador antes de laetapa de control.

- Seal real del encendido: seal tomada en el IGBT que controla el avance de

encendido.


32/39

32

Captulo 9Comunicaciones

9.1. USB

Para la comunicacin entre el PC y el microcontrolador PIC18F4550 se utiliza la interfazUSB (Universal Serial Bus), puesto que actualmente los puertos serie y paralelo estndesapareciendo en los nuevos ordenadores, debido al uso masivo del USB.

Como software de visualizacin, se utilizar LabView para observar en todo momento y atiempo real, el estado de las variables a controlar de manera grfica y sencilla deentender.

El microcontrolador PIC18F4550 posee la interfaz de comunicacin mediante USBintegrada, por eso no se ha de utilizar ningn circuito integrado adicional. Simplemente sedestinan los bits de un puerto especfico para esta funcin puesto que es compatible. Acontinuacin caractersticas destacables del PIC:

Full Speed USB 2.0 (12Mbit/s) interface

1K byte Dual Port RAM + 1K byte GP RAM

Full Speed Transceiver

16 Endpoints (IN/OUT)Streaming Port

Internal Pull Up resistors (D+/D-)

48 MHz performance (12 MIPS)

Pin-to-pin compatible with PIC16C7X5


33/39

33

Esquema de conexin al microcontrolador:

Figura 13. Esquema conexin USB.

El puerto USB, adems de servir para comunicar el !C con el PC, tambin puede hacerde fuente de alimentacin, en este caso todos los pines que debieran ir conectados a laalimentacin positiva se debern conectar en el pin VCC del conector USB.


34/39

34

9.2. LCD

Para visualizar las variables en tiempo real, adems de por ordenador se visualizarn por

una pantalla LCD grfica LGM12641-BS1R con controladora KS0108 de 128x64.

Otra opcin sera visualizar los datos por una pantalla LCD 4x20, sin controladoraintegrada, puesto que es ms econmico y directo que el LCD grfico.

Esquema de conexin del LCD al microcontrolador:

Figura 14. Esquema conexin LCD.

Para conectar el LCD se utilizan los puertos RB y RD dejando libre la mayora del RC

destinado a comunicacin USB y actuadores, y el RA destinado a entradas analgicas.

Existen varios valores de cristal de cuarzo a elegir, pero se ha de especificar en elprograma que valor se esta utilizando, puesto que el !C trabaja a 4 MHz, y este cristal hade ser mltiplo de este valor.


35/39

35

Captulo 10Normativa

La norma europea sobre emisiones es un conjunto de requisitos que regulan los lmitesaceptables para las emisiones de gases de combustin de los vehculos nuevos vendidosen los Estados Miembros de la Unin Europea. Las normas de emisin se definen en unaserie de directivas de la Unin Europea con implantacin progresiva que son cada vezms restrictivas.

Al ver que los fabricantes no reducen voluntariamente las emisiones, la comisin europeadecidi en 2009 obligar a una reduccin de emisiones progresiva que persigue alcanzarlos 95 g/km de media por coche fabricado por cada fabricante. Este valor se acerca a lasemisiones medias de algunos fabricantes de vehculos de gama media-baja. Algunospasos de la regulacin 443/2009 son:

El porcentaje de vehculos de cada fabricante que debern estar por debajo de lamedia ir creciendo progresivamente: 65% en 2012, 75% en 2013, 80% en 2014y 100% a partir de 2015.

Si la media de emisiones de la flota fabricada por una empresa aumenta respecto a2012 deber pagar una penalizacin. Hasta 2018 ser de 5, 15, 25 por losprimeros gramos excedidos y de 95 " a partir del cuarto. Desde 2019, todos sepenalizarn con 95 ".

En 2020, el objetivo es que las emisiones sean de 95 g/km. A partir de 2013 secomenzar a debatir las medidas necesarias para ello.

Las etapas son normalmente denominadas Euro 1, Euro 2, Euro 3, Euro 4 y Euro 5 paravehculos ligeros.

El marco jurdico consiste en una serie de directivas, cada una es una modificacin de laDirectiva 70/220/CEE.Se presenta aqu una lista resumida de las normas, cundo entranen vigor, qu se aplicar en cada una de ellas, y qu directivas de la UE proporcionanuna definicin de cada norma.


36/39

36

Euro 1 (1993):

Para turismos - 91/441/CEE.

Tambin para turismos y para camiones l igeros - 93/59/CEE.

Euro 2 (1996) para turismos - 94/12/CE (& 96/69/CE)

Euro 3 (2000) para cualquier vehculo - 98/69/CE

Euro 4 (2005) para cualquier vehculo - 98/69/CE (& 2002/80/CE)

Euro 5 (2008/9) para cualquier vehculo - (COM(2005) 683 - propuesto)

Estos lmites sustituyen a la directiva original 70/220/CEE sobre lmites de emisin.

Figura 15. Normativa Europea.

Las clasificaciones de los tipos de vehculos estn definidas por:

Directiva 2001/116/CE de la Comisin, de 20 de diciembre de 2001, por la que seadapta al progreso tcnico la Directiva 70/156/CEE del Consejo relativa a laaproximacin de las legislaciones de los Estados miembros sobre la

homologacin de vehculos de motor y de sus remolques.

Directiva 2002/24/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 18 de marzo de 2002,relativa a la homologacin de los vehculos de motor de dos o tres ruedas y por laque se deroga la Directiva 92/61/CEE del Consejo.


37/39

37

Captulo 11Estudio econmico

Horas directas de diseo de ingeniero tcnico 70"/hNmero de horas invertidas 60 horas

Costes indirectos de ingeniero tcnico (dietas, desplazamientos)15% de la suma de costes de horas directas

Costes indirectos (material, oficina, fotocopias, encuadernaciones,toners..) 2% de las sumas anteriores.

Costes de ingeniera 4927"16% IVA 789"

7% Beneficio Industrial 400"5% Imprevistos 286"


38/39

38

Captulo12

Planificacin

Figura16.DiagramadeGanttdelPFC1.


39/39

Captulo 13Bibliografa

13.1. Referencias bibliogrficas

[1] http://europa.eu/legislation_summaries/environment/air_pollution/l28186_es.htm

[2] http://europa.eu/legislation_summaries/internal_market/single_market_for_goods/

motor_vehicles/interactions_industry_policies/l28186_es.htm

13.2. Bibliografa de consulta

- Mecnica virtual. http://www.mecanicavirtual.org/sensores5.htm

-Todo mecnica. http://www.todomecanica.com/inicio.html

- Microchip. www.microchip.com

- RS online. http://es.rs-online.com

- Analog Devices. http://www.analog.com/en/index.html

- Compilador C CCS y simulador PROTEUS para controladores PIC Eduardo Garca

Breijo. Ed. Alfaomega. 2008

- Datasheet catalog. www.datasheetcatalog.com

- All datasheet. www.alldatasheet.com

diseÑo de ecu

Documents