ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к области автомобильной электроники и может быть использована для управления электрооборудованием транспортных средств в том числе автомобилей многоцелевого назначения (АМН) производства ОАО «A3 «УРАЛ», ОАР «КАМАЗ».
В устанавливаемых в настоящее время на АМН «УРАЛ», «КАМАЗ» (см. Автомобили КАМАЗ - 4350, 5350, 6350. Руководство по устройству, эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту 4350 - 3902001 РЭ, 358 с.; Автомобили УРАЛ - 4320 - 10, УРАЛ - 4320 - 31 и их модификация. Руководство по эксплуатации 4320 - 3902035 РЭ, 264 с.) системах управления электрооборудованием диагностика неисправностей электрооборудования (выход из строя исполнительных устройств и элементов светотехники) в электрических схемах не реализуется, а наличие большого количества реле, предохранителей, соединительных проводов и непосредственное подключение дискретных и аналоговых датчиков к контрольным лампам и к стрелочным указателям приборной панели отрицательно влияет на надежность этих систем.
Причины, которые препятствует достижению заявляемого технического результата, заключаются в низкой надежности и в отсутствии диагностики неисправностей электрооборудования в данных системах управления.
Известно устройство управления электрооборудованием автомобиля с использованием CAN - шины (см. пат. РФ на полезную модель №28085, МПК 7 B60R 16/00, опубл. 10.03.2003 по заявке №2002107891/20 от 28.03.2002 на «Устройство управления электрооборудованием автомобиля с использованием CAN - шины», патентообладатели: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е.Седакова; Министерство РФ по атомной энергии), содержащее включатели и исполнительные элементы, центральный модуль (управляющий), модуль питания, модули фар, модули дверей.
Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемой полезной модели, следующие: CAN - шина, центральный модуль.
Причины, которые препятствуют достижению заявляемого технического результата, заключаются в том, что подобная конфигурация такого устройства предполагает наличие большого количества соединительных проводов, предохранителей, что отрицательно влияет на надежность таких устройств.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является интерфейсная система управления электрооборудованием автомобиля (см. пат. РФ на полезную модель №30325, МПК 7 B60R 16/02, опубл. 27.06.2003 по заявке №2001131949/20 от 28.11.2001 на «Интерфейсную систему управления электрооборудованием автомобиля», патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Технополис»), содержащая, по крайней мере, группу контроллеров, управляющих исполнительными устройствами, получающая питание преимущественно от аккумулятора, состоящая кроме того из клавиш, рычагов управления, датчиков, причем передача управляющих сигналов осуществляется по шине интерфейса, а группа контроллеров состоит из контроллера двигательного отсека с предохранителями питания системы, контроллера рулевой колонки, контроллера двери водителя, контроллера передней двери пассажира, контроллеров задней двери, центрального контроллера, контроллера багажного отсека.
Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемой полезной модели, следующие: группа контроллеров, шина интерфейса.
Причины, которые препятствуют достижению заявляемого технического результата, заключаются в громоздкости конструкции таких систем (большое количество модулей), а наличие большого количества соединительных проводов и разъемных соединений в цепи от аккумулятора к нагрузке отрицательно влияет на надежность таких систем.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в упрощении конструкции и в повышении надежности электронных систем управления электрооборудованием (ЭСУ Э) для использования их в составе транспортных средств и предназначенных для обеспечения взаимодействия с другими системами в составе бортовых информационно - управляющих систем (БИУС).
Технический результат, обеспечиваемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в упрощении конструкции и в повышении надежности за счет использования в ЭСУ Э электронного блока управления электрооборудованием (ЭБУЭ), который обеспечивает оптимальное управление контрольными лампами и стрелочными указателями приборной панели водителя и электронных блоков управления коммутацией электрооборудования (ЭБУ КЭ), которые обеспечивают коммутацию цепей исполнительных устройств электрооборудования и элементов светотехники транспортного средства.
Для достижения заявляемого технического результата в ЭСУ Э транспортного средства, содержащей CAN - шину, группу контроллеров, управляющих исполнительными устройствами, получающих питание преимущественно от аккумуляторной батареи, группа контроллеров состоит из ЭБУ Э и первого и второго ЭБУ КЭ, соединенных с ЭБУ Э через CAN - шину, причем входы ЭБУ Э соединены с выходами переключателей приборной панели транспортного средства, выходы ЭБУ Э соединены с входами контрольных ламп и стрелочных указателей приборной панели транспортного средства, входы первого и второго ЭБУ КЭ соединены с выходами датчиков транспортного средства, выходы первого и второго ЭБУ КЭ соединены с входами исполнительных устройств и элементов светотехники.
ЭБУ Э содержит микроконтроллер, входы которого соединены с выходом супервизора питания, генератора, выходных ключей с коммутацией на питание и выходами буферных каскадов дискретных входов, выходы микроконтроллера соединены со входами выходных ключей с коммутацией на питание и с коммутацией на общую шину соответственно, входы - выходы микроконтроллера соединены с входом - выходом EEPROM, входами - выходами приемопередатчика CAN и входами - выходами выходных ключей с коммутацией на общую шину соответственно, выход схемы защиты последовательно соединен с входом первого и второго преобразователей напряжения, выход которого соединен с входом микроконтроллера, причем выход первого преобразователя напряжения соединен с входом микроконтроллера, EEPROM, выходных ключей с коммутацией на общую шину, супервизора питания, генератора и приемопередатчика CAN.
ЭБУ КЭ содержит микроконтроллер, входы которого соединены с выходом супервизора питания, генератора, буферного каскада частотного входа и выходами выходных ключей с коммутацией на питание, буферных каскадов аналоговых и дискретных входов соответственно, выходы микроконтроллера соединены со входами выходных ключей с коммутацией на питание, входы - выходы микроконтроллера соединены с входом - выходом EEPROM и входами - выходами приемопередатчика CAN, выход схемы защиты последовательно соединен с входом первого и второго преобразователей напряжения, причем выход первого преобразователя напряжения соединен с входом микроконтроллера, супервизора питания, генератора, EEPROM, приемопередатчика CAN, буферных каскадов аналоговых входов и буферным каскадом частотного входа.
Сущность полезной модели, ее реализуемость и промышленная применимость поясняются чертежами (фиг.1-4), где на фиг.1 представлена схема электронной системы управления электрооборудованием транспортного средства, на фиг.2 представлена примерная схема реализации электронной системы управления электрооборудованием транспортного средства, на фиг.3 представлена структурная схема электронного блока управления электрооборудованием, на фиг.4 представлена структурная схема электронного блока управления коммутацией электрооборудования.
ЭСУ Э 1 содержит группу контроллеров: ЭБУ Э 2, первый и второй ЭБУ КЭ 3, 4, соединенных через CAN - шину (цифровой мультиплексный информационный канал (ЦМИК) 5, получающих питание от аккумуляторной батареи (АКБ) 6 (фиг.2), причем на приборной панели 7, например, кабины водителя 8 расположены переключатели 9, контрольные лампы 10 и стрелочные указатели 11, входы ЭБУ Э 2 соединены с выходами переключателей 9 приборной панели 7 транспортного средства, выходы ЭБУ Э 2 соединены с входами контрольных ламп 10 и стрелочных указателей 11 приборной панели 7 транспортного средства, выходы первого и второго ЭБУ КЭ 3, 4 соединены с входами исполнительных устройств 12, 13 и элементов светотехники 14, 15, входы первого и второго ЭБУ КЭ 3, 4 соединены с выходами датчиков (аналоговые и дискретные) 16, 17, 18, 19 транспортного средства, которые расположены, например, на шасси 20 и кабине водителя 8.
ЭБУ Э 2 (фиг.3) содержит микроконтроллер 21, входы которого соединены с выходом супервизора питания 22, генератора 23, входы-выходы микроконтроллера 21 соединены с входами-выходами EEPROM 24, входами-выходами приемопередатчика CAN 25, выходы буферных каскадов дискретных входов 26 соединены с входами микроконтроллера 21, входы - выходы выходных ключей 27, 28 с коммутацией на питание и с коммутацией на общую шину соединены с входами-выходами микроконтроллера 21 соответственно, выход схемы защиты 29 последовательно соединен с входом первого и второго 30, 31 преобразователей напряжения, причем выход первого 30 преобразователя напряжения соединен с входом микроконтроллера 21, EEPROM 24, выходных ключей 28 с коммутацией на общую шину, супервизора питания 22, генератора 23 и приемопередатчика CAN 25.
ЭБУ КЭ 3 (фиг.4) содержит микроконтроллер 32, супервизор питания 33, генератор 34, EEPROM 35, приемопередатчик CAN 36, буферный каскад 37 частотного входа, буферные каскады 38, 39 дискретных и аналоговых входов соответственно, выходные ключи 40 с коммутацией на питание, схему защиты 41, первый и второй преобразователи напряжения 42, 43, причем входы микроконтроллера 32 соединены с выходом супервизора питания 33 генератора 34, буферного каскада 37 частотного входа и выходами выходных ключей 40 с коммутацией на питание, буферных каскадов 39, 38 аналоговых и дискретных входов соответственно, выходы микроконтроллера 32 соединены со входами выходных ключей 40 с коммутацией на питание, входы - выходы микроконтроллера 32 соединены с входом - выходом EEPROM 35 и входами - выходами приемопередатчика CAN 36, выход схемы защиты 41 последовательно соединен с входом первого и второго преобразователей напряжения 42, 43, причем выход первого преобразователя напряжения 42 соединен с входом микроконтроллера 32, супервизора питания 33, генератора 34, EEPROM 35, приемопередатчика CAN 36, буферных каскадов 39 аналоговых входов и буферным каскадом 37 частотного входа.
Рассмотрим пример реализации электронной системы управления электрооборудованием транспортного средства, изображенной на фиг.1, 2.
ЭСУ Э 1 включает ЭБУ Э 2 и первый, второй ЭБУ КЭ 3, 4, которые соединены между собой через CAN - шину (ЦМИК) 5 и получают питание преимущественно от АКБ 6, ЭБУ Э 2 расположен, например, под приборной панелью 7 кабины водителя 8 и контролирует состояние переключателей 9 приборной панели 7, т.е. ЭБУ Э 2 получает информацию от переключателей (органов управления) 9 транспортного средства и выводит ее на контрольные лампы 10 и стрелочные указатели 11, первый из ЭБУ КЭ 3 расположен, например, под капотом (на чертеже не показано) на кабине водителя 8, второй ЭБУ КЭ 4, например, установлен на шасси 20 справа над задним мостом (на чертеже не показано), состояние дискретных датчиков 17, 19 контролируется ЭБУ КЭ 3, 4 и транслируется по ЦМИК 5 ЭБУ Э 2, который обеспечивает включение контрольных ламп 10 приборной панели 7, сигналы от аналоговых датчиков 16, 18 транспортного средства, подвергаются аналого-цифровому преобразованию в ЭБУ КЭ 3, 4 далее коды физических величин, контролируемых датчиками, транслируются в ЦМИК 5, ЭБУ Э 2 вырабатывает управляющие сигналы для управления стрелочными указателями 11 соответствующих величин (уровень топлива, давления масла, температура охлаждающей жидкости), принятых из ЦМИК 5.
В состав ЭБУ КЭ 3, 4 и ЭБУ Э 2 (см. фиг.3, 4) входят электронные интеллектуальные ключи (выходные ключи с коммутацией на питание и общую шину), с помощью которых осуществляется коммутация исполнительных устройств и элементов светотехники на шины питания и общую шину транспортного средства (на чертеже не показано). Применение электронных интеллектуальных ключей позволяет исключить из состава электрооборудования до 90% реле и предохранителей, также реализовать функции диагностирования неисправностей в цепях управления исполнительными устройствами. Количество ЭБУ КЭ на борту транспортного средства определяется количеством исполнительных устройств, элементов светотехники, количеством датчиков, а также расположением перечисленных компонентов на шасси и кабине транспортного средства. Места установки ЭБУ КЭ на борту транспортного средства выбирают из соображений технологичности монтажа, а также наименьшей длины соединительных кабелей, которые применяются для подключения исполнительных устройств, элементов светотехники и датчиков.
Микроконтроллеры 21 и 32, входящие в состав ЭБУ Э 2 и ЭБУ КЭ 3, 4 обеспечивают хранение и выполнение управляющих программ ЭБУ Э 2 и ЭБУ КЭ 3, 4 соответственно, прием и обработку аналоговых и дискретных сигналов, формирование сигналов электронными ключами и запись и чтение данных из EEPROM 24 и EEPROM 35 соответственно.
Буферные каскады 39 аналоговых входов предназначены для подключения датчиков резистивного типа (датчики уровня топлива в баках, давления масла и температуры охлаждающей жидкости). Сигналы от датчиков поступают на буферные каскады 39, которые обеспечивают питание резистивных датчиков, согласование уровня входного сигнала с диапазоном входного сигнала аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер 32 (на чертеже не показано), защиту входа от перенапряжения и предварительную фильтрацию входного сигнала. С выходов буферных каскадов 39 преобразованный сигнал поступает на вход встроенного АЦП микроконтроллера 32 (на чертеже не показано). Буферные каскады 39 аналоговых входов выполнены на основе операционного усилителя AD8608AR и сдвоенных диодов BAV99.
Буферные каскады 38 дискретных входов предназначены для подключения дискретных датчиков тормозной системы, механизмов трансмиссии, датчиков засоренности воздушного и масляного фильтров. Сигналы от датчиков поступают на буферные каскады 38, которые обеспечивают преобразование уровней сигналов дискретных датчиков 17, 19 в ТТЛ-уровни, а также защиту входов от замыкания на землю или положительную шину питания. С выходов буферных каскадов преобразованный сигнал поступает на вход микроконтроллера 32.
Буферные каскады 26 дискретных входов предназначены для подключения переключателей 9 приборной панели 7 и датчиков 16, 17, 18, 19. Сигналы от переключателей 9 и датчиков 16, 17, 18, 19 поступают на буферные каскады 26, которые обеспечивают преобразование уровней сигналов дискретных датчиков 17, 19 в ТТЛ-уровни, а также защиту входов от замыкания на землю или положительную шину питания. С выходов буферных каскадов 26 преобразованный сигнал поступает на вход микроконтроллера 21.
ЭСУ Э - обеспечивает следующие режимы работы: штатный, технологический и аварийный.
В штатном режиме работы ЭСУ Э обеспечивает управление светотехникой и исполнительными механизмами транспортного средства, управление питанием и подсветкой приборной панели 7, управление стрелочными указателями 11.
Технологический режим работы служит для замены функциональных программ электронных блоков (ЭБУ Э и ЭБУ КЭ) ЭСУ Э. Время ожидания команды перехода в технологический режим составляет 200 мс.
Вход в аварийный режим работы ЭСУ Э происходит в случае обнаружения неисправностей в цепях исполнительных устройств 12, 13 и датчиков. При обнаружении неисправности, например, в цепях исполнительных устройств, ЭБУ КЭ 3, 4 производит отключение выхода, к которому подключена неисправная цепь, фиксирует ошибку и выдает соответствующее сообщение в ЦМИК 5. ЭБУ Э 2 принимает сообщение о неисправности из ЦМИК 5 и включает контрольную лампу (на чертеже не показано) «Неисправность ЭСУ Э». Выход из аварийного режима происходит после устранения неисправности исполнительного устройства, при этом контрольная лампа «Неисправность ЭСУ Э» гаснет (на чертеже не показано).
С целью обеспечения интеграции ЭСУ Э в БИУС информационное взаимодействие выполняется по ЦМИК CAN 2.0. Логико - временные протоколы информационного взаимодействия в составе БИУС соответствуют требованиям комплекта стандартов SAE J 1939 и обеспечивают следующие виды взаимодействия: передачу в ЦМИК команд управления электрооборудованием, прием из ЦМИК и обработка команд управления оборудованием, передача в ЦМИК информации о состоянии аналоговых и дискретных датчиков, прием из ЦМИК данных о параметрах работы двигателя, передача в ЦМИК информации о параметрах работы систем электрооборудования, прием из ЦМИК и передача в ЦМИК (по запросу) данных конфигурации подключенного оборудования, с целью заменяемости электронных блоков при ремонте, передача в ЦМИК информации о неисправностях систем электрооборудования, зафиксированных электронным блоком.