Привет, коллеги! 
Сегодня я немножко отклонюсь от традиционных для меня тем информационной безопасности и расскажу про электронику, с которой я работаю в свободное время: системы управления двигателем гоночных автомобилей.
Но начнем с описания ситуации в целом. В автоспорте, как собственно и во многих других технических видах спорта, довольно часто результат зависит не только от спортсмена, но и от «снаряда» который он использует. Поэтому требуется профессиональный подход к подготовке и настройке болида. Конечно же, нюансов очень много. Но если грубо разделить его на части, то это будет настройка шасси и настройка двигателя. Сегодня хотелось бы рассказать вам, какая электроника используются при работе с «сердцем» гоночных автомобилей.
Современный гоночный двигатель (как и двигатели в ваших автомобилях) управляется специфичным компьютером: Electronic Control Unit. Он отвечает за все процессы происходящие с ним и управляет всей бортовой электроникой. Наиболее популярные решения производят такие компании как Motec и Pectel. Я использую в своем автомобиле Motec M800, на примере которого я расскажу как это устроено.
По сути дела, ECU представляет собой компьютер, в котором заложены алгоритмы управления двигателем, инструменты для сбора информации и возможность управлять внешними устройствами. С точки зрения алгоритмов работы 4-х тактный бензиновый двигатель очень простое устройство, и для управления им требуется не так и много. Нам понадобятся знания о положении коленчатого вала (speed and reference mark sensor), положении дросcельной заслонки и/или педали газа ( throttle position sensor). Так же нам нужно знать количество поступающего в двигатель воздуха. Для этого нужно использовать MAF (Air Flow) или MAP (Air Pressure) датчики. В качестве же управляющих элементов мы будем использовать форсунки для подачи топлива (injectors) и управлять зажиганием (ignition coils). В целом, перечисленного мною списка уже достаточно, что бы запустить мотор. Собранные данные позволяют ECU понять, когда необходимо подать топливо и произвести его поджиг. Но остается вопрос, сколько подать топлива и когда именно произвести поджиг? А вот эти данные уже представляют собой то, что на жаргоне называется «прошивкой».
Для внешнего управления компьютеры Motec используют CAN шину. Для подсоединения ноутбука к нему используются специальные адаптеры CAN-to-USB. В качестве программы для редактирования используется ECU Manager, доступный для загрузки и «тренировок» бесплатно на сайте производителя. Если вам хочется посмотреть как выглядит мэнеджмент работающего двигателя, то запустите WinEMP.exe с параметром «demo».
Данное ПО позволяет вносить коррективы почти во все аспекты работы мотора. Один из основных алгоритмов контроля параметров это PID-регулирование. С его помощью описываются все динамические процессы. Оставшаяся же часть реализуется функциями, которые описываются таблицами. Главной особенностью является возможность создать табличную зависимость между любыми доступными элементами. Таким образом программист практически не ограничен в возможностях задания алгоритмов поведения. Оперируя входящими параметрами и управляя внешними устройствами вы можете описать поведение двигателя практически в любых условиях.
Но следить за работой двигателя «на лету» невозможно. Поэтому сопутствующим процессом становится сбор и анализ системного журнала ECU. Настройки логирования достаточно богаты и позволяют контролировать все необходимые параметры. Для этого используется программа i2 Manager от того же производителя. С ее помощью уже в «спокойной» обстановке анализируются показания датчиков. Эта бесценная информация позволяет максимально точно настроить все параметры.
Для связи с внешним миром ECU обладает набором входящих портов и «управляющими» выходами. В качестве входной информации он может как принимать цифровые сигналы по CAN, так и аналоговую информацию в диапазоне 0-12V посредством встроенных программируемых АЦП. Богатая палитра настроек позволяет при помощи GUI настроить ECU практически под любой внешний датчик. Выходные же порты подразумевают под собой «логическое» управление внешними устройствами. Но их выбор не настолько широк и заранее распределен на «инжекторы», «зажигание» и «переферию» в зависимости от выходных характеристик. Но в итоге такой набор возможностей позволяет подключать ECU к любому автомобилю.
В целом же, именно этот процесс калибровки и настройки двигателя является коммерческой тайной тюнинг-ателье и гоночных команд. Вокруг него умышленно создается ареол «загадочности» и «сложности». Но не стоит считать, что этот процесс настолько проблемен: любой мало-мальски грамотный программист справится с ним, разобравшись как работает двигатель. Просто не стоит бросаться с места в карьер и менять углы зажигания, не понимая что это такое.
Надеюсь, я рассказал вам что-то новое. Спасибо за внимание.
Если данная тематика будет интересна, я могу детальнее описать процесс настройки двигателя в новой статье.
Автор: isox
