22 let na trhu autoopravárenství

Díl druhý: Proč vynechávají impulzy otáčkového signálu?

Vážení čtenáři, v minulém vydání (AE 1+2/2013) jsme otiskli řešení zajímavého diagnostického případu, ve kterém autor Štěpán Jičínský přišel na kloub závadě s problémovými starty vozidla VW LT 35 2.8 TDI. Zároveň jsme v závěru článku slíbili, že uvedeme pokračování ve formě rozboru obecných příčin popisované závady. Svůj slib tedy plníme a zveřejňujeme podrobný popis této problematiky v širších souvislostech. Pro úplnost uvádíme, že číslování obrázků navazuje na předchozí díl.

 

 

 

V textu zmíněného článku se opakovaně mluvilo o nežádoucích mezerách v sérii impulzů, vznikajících po zpracování vstupního otáčkového signálu, v němž se občas vyskytuje nedostatečný napěťový rozkmit. Zatím však nikdo neuvedl žádný důkazní materiál, který by existenci tajemných mezer v signálu potvrzoval. Nyní se tak stane.

Celé „důkazní řízení“ jsem provedl na vozidle Mercedes Benz E 220 CDI z roku 1998, se systémem řízení motoru EDC15C0. K úspěšnému provedení jsem musel zajistit následující: mít možnost sledovat hodnoty otáček motoru, jak je vidí řídicí jednotka. O splnění tohoto úkolu se postaral tester KTS 540. Dále jsem rozpojil vedení mezi snímačem otáček a řídicí jednotkou, abych mohl poslat do jednotky simulovaný signál s nastavitelnými parametry. Nejjednodušší by bylo rozpojit konektor snímače, ten se ale nenachází zrovna „na ráně“. Střihat signálové vedení u konektoru řídicí jednotky se mi nechtělo, tak jsem nakonec použil propojovací box („break-box“). Připojil jsem jej jen na ten jeden ze tří dílčích konektorů na řídicí jednotce, přes který vede signálový vodič otáčkového snímače. Na propojovacím boxu jsou navíc můstky, kterými lze libovolný vodič snadno přerušit. Tak je například možné při startování měřit jen na straně samotného snímače nebo na druhé straně do řídicí jednotky pustit svůj vlastní vygenerovaný signál. Pro získání simulovaného signálu posloužil generátor motortesteru FSA 760. V neposlední řadě bylo třeba „vytáhnout“ z řídicí jednotky onen zpracovaný obdélníkový signál, o němž tu již byla mnohokrát zmínka, ale zatím jej nikdo neviděl. Celé měřicí pracoviště je k vidění v úvodním obrázku.

Detail připojení měřicího vedení osciloskopu do řídicí jednotky je na obrázcích 12 a 13.

 

Zajímavé je, že když jsem se před připájením měřicího vedení zkoušel měřicím hrotem osciloskopu dotknout vývodu integrovaného obvodu a sejmout signál, vždy při dotyku měřicího hrotu motor zhasl. Nevím, zda to bylo náhlým připojením paralelního odporu, představovaného vstupem osciloskopu, nebo nabíjením kapacity vstupu osciloskopu, případně kombinací obojího, ale problém jsem vyřešil tím, že jsem přiletoval pomocný měřicí vodič, připojil jsem k němu měřicí vedení osciloskopu a teprve pak jsem nastartoval motor.

 

Rozhodovací úrovně

Pro správné pochopení následujícího popisu signálů chci ještě upozornit na to, že u systému EDC15C0 není stejnosměrný napěťový posun signálu snímače otáček. To znamená, že jeden vodič snímače je v řídicí jednotce ukostřen a na druhém je signálové napětí v podobě sinusových pulzů, symetricky posazených vůči 0 V.

Nejprve jsem chtěl zjistit rozhodovací úrovně, které musí signál snímače protínat, aby ve vstupním obvodu v řídicí jednotce vznikl výstupní pravoúhlý signál a řídicí jednotka rozpoznávala otáčkový signál. K tomu jsem použil generátor signálu z FSA 760. Odpojením můstku v propojovacím boxu jsem přerušil spojení mezi snímačem a řídicí jednotkou a do řídicí jednotky jsem poslal simulovanou sinusovku s amplitudou 0,5 V. Současně jsem připojil tester KTS 540 do diagnostické zásuvky a ve skutečných hodnotách sledoval simulované otáčky motoru. Motor jsem samozřejmě nestartoval, ale pouze jsem zapnul zapalování, aby byla řídicí jednotka pod napětím. Výsledek vidíte na obrázku 14.

Z provedeného měření vyplývá, že při rozkmitu signálu mezi –0,5 V a +0,5 V již řídicí jednotka otáčkový signál rozpoznává. V dalším kroku jsem snížil amplitudu signálu na 0,4  – viz obrázek 15.

Při amplitudě signálu snížené na 0,4 V již řídicí jednotka signál nerozpoznává. Obdélníkové impulzy zmizely, zbyla z nich jen rovná čára v úrovni 5 V (modrá čára na horním okraji rastru osciloskopu). Otáčky motoru, které vidí řídicí jednotka, se rovnají 0. Zjištění horní rozhodovací úrovně tedy máte za sebou. Při amplitudě signálu 0,4 V řídicí jednotka ještě signál „nevidí“, při 0,5 V už ano. Rozhodovací mez tedy bude někde mezi 0,4 a 0,5 V. Pro jednoduchost to zaokrouhleme na 0,5 V. Spodní rozhodovací mez, kterou musí signál podkročit, aby vznikl opačný pulz ve vstupním obvodu ŘJ, je vyznačena na obrázku 14 a je asi 0,1 V. Pásmo napětí, které musí signál protínat, je v obrázku 14 barevně zvýrazněno. Pro potvrzení spodní rozhodovací úrovně jsem nastavil signál tak, aby neklesal pod 0,1 V. Nastavil jsem mu stejnosměrný posun (offset) +0,5 V a amplitudu 0,4 V, takže se signál nyní pohybuje v mezích +0,1 až +0,9 V, střed signálu leží na úrovni 0,5 V. Horní rozhodovací mez je sice spolehlivě překračována, ale nedochází k poklesu pod dolní mez 0,1 V. Výsledkem je, že řídicí jednotka signál „nevidí“, ignoruje ho, což je jasně zřejmé z hodnoty otáček 0, jak ukazuje obrázek 16. Jen pro úplnost doplním, že v tomto obrázku jsem na kanálu CH1 nesledoval výstupní obdélníkový signál z řídicí jednotky, nýbrž byl monitorován signál generátoru.

Podívejme se nyní, jak vypadají rozhodovací úrovně při větších amplitudách signálu. Na obrázku 17 vidíte stav při amplitudě signálu generátoru 5 V. Horní rozhodovací úroveň se posunula přibližně na 1,8 V a spodní zůstává asi na 0,1 V. Při amplitudě signálu zvýšené na 10 V se horní rozhodovací úroveň (hranice spínání) posouvá cca na 3,6 V a spodní se stále drží na 0,1 V. Tento stav je zdokumentován na obrázku . Rozhodovací úrovně při ještě větších napětích jsem už dále nezjišťoval, neboť generátor neumožňuje vytvářet vyšší napětí. Z provedených měření je zřejmé, že s rostoucí amplitudou signálu se horní rozhodovací úroveň posouvá nahoru, tedy citlivost vstupního obvodu se snižuje. Má to své opodstatnění – vyhodnocení je tím méně citlivé na případné rušení v signálu.

 

Měření na motoru

Nyní již přejdeme od simulovaných signálů, vytvářených generátorem, k signálům skutečného snímače otáček v motoru. Simulace však úplně neopustíme, ale místo signálu generátoru budeme upravovat signál samotného induktivního snímače otáček. Nejprve se ale podíváme na stav signálů, když je vše v pořádku.

Obrázek 19 představuje signál kliky a vačky při volnoběhu. Signál vačky je zde jen pro pořádek, abyste si připomněli časovou souvislost mezi signály. Dále se již signálem otáček vačky nebudeme zabývat, neboť tentokrát pro nás pro účely výkladu není zajímavý.

Proveďte nyní zásah do motoru, spočívající v odpojení snímače vačky. Bez něj motor nenastartuje. Potřebujeme to však proto, aby bylo možné déle startovat a nasnímat otáčky motoru při startování, viděné řídicí jednotkou, a dále signál snímače otáček a zpracovaný obdélníkový signál za vstupním obvodem v řídicí jednotce. Vše vidíte na obrázku 20. Všechny zobrazené signály jsou v naprostém pořádku, pokud byste připojili chybějící snímač vačky, motor by okamžitě chytil. Modrá křivka obdélníkového signálu za výstupním obvodem v ŘJ nevykazuje žádné mezery, s výjimkou mezery vznikající od referenční značky na klice. Pravidelné impulzy vznikají i při nejmenší amplitudě signálu snímače otáček (červená křivka), která v nejnižším místě dosahuje 1,7 V, což však s rezervou překračuje rozhodovací úroveň. Spodní graf ukazuje časový průběh otáček motoru, jak to vidí řídicí jednotka. Střední otáčky jsou okolo 220 min-1, špičky nahoru a dolů od střední hodnoty odpovídají přirozenému kolísání otáček motoru při startování. Po provedení tohoto pokusu jsem snímač vačky zapojil zpět a už zůstal zapojený po celou dobu dalších experimentů.

Nastal čas nasimulovat stav, který může vzniknout v běžném provozu, tedy z jakéhokoliv důvodu snížená indukce napětí na snímači. Zda by to bylo v důsledku mezizávitového zkratu, silného znečistění snímače, či poškození kabeláže, to teď nechme stranou. Nejjednodušším způsobem, jak snížit indukované napětí, je zatlumit signál paralelním odporem. Mezi signálový a kostřicí vodič snímače jsem připojil potenciometr 500 ohmů a jeho odpor naladil tak, aby se při startování snížilo indukované napětí v okamžiku nejmenšího rozkmitu pod hranici 0,5 V. Jak to dopadlo, to vidíte na obrázku 21. Ze záznamu otáček motoru je patrné, že na počátku startování motor na okamžik naskočil, ale vzápětí zhasl. Klíček jsem držel stále ve startovací poloze, ale motor už znovu nenaskočil. Z obrazu signálů zatím žádný problém není vidět, amplituda signálu se drží i v nejnižším místě na hranici 0,5 V. Při prolistovávání paměti osciloskopu jsem však vzápětí odhalil výpadek obdélníkového signálu za vstupním obvodem řídicí jednotky, neboť signál snímače klesl těsně pod hranici 0,5 V. Důkaz je na obrázku 22. Důležitým poznatkem je ta skutečnost, že i jediný vynechaný impulz ve výstupním obdélníkovém signálu vede ke ztrátě synchronizace řídicí jednotky.

V dalším kroku jsem ještě nepatrně snížil hodnotu odporu potenciometru, aby se signál snímače častěji dostával pod hranici 0,5 V. Výsledek dalšího startování je na obrázku 23. V modré křivce obdélníkového signálu z řídicí jednotky jsou jasně patrné mezery v okamžicích, kdy amplituda signálu snímače otáček klesá pod 0,5 V. Motor nevykazoval ani sebemenší náznaky toho, že by chtěl chytit. Ani nemohl, neboť za těchto podmínek je možnost synchronizace řídicí jednotky s otáčením motoru zcela vyloučena. Na obrázku 24 je signál snímače a obdélníkový signál z řídicí jednotky v lepším časovém rozlišení.

Odpověď řídicí jednotky na chybné signály otáček

Zcela na závěr se podívejme, jak reagovala paměť závad řídicí jednotky při simulovaných zásazích v obvodech snímačů.

Nejprve jsem vyčetl paměť po pokusném startování s odpojeným snímačem vačky. Řídicí jednotka hlásí problém se synchronizací mezi klikou a vačkou, samotný snímač vačky však za vadný či přerušený prohlášen není.

Dále jsem provedl pokusné startování s odpojeným snímačem kliky. V paměti závad byla závada se stejným číslem, ale s jiným podtextem – viz obrázek 26. Tentokrát poukazuje řídicí jednotka na závadu snímače vačky, ačkoliv byl řádně zapojen a žádnou chybu při měření osciloskopem nevykazoval.

Nakonec jsem provedl start se zatlumeným snímačem kliky, kdy se při startování signál snímače dostával občas pod hranici vyhodnocení – viz předchozí pokusy se zatlumeným snímačem. Při opakovaných startech se zatlumeným signálem snímače kliky se někdy závada uložila, někdy nikoliv. Při podrobnějším zkoumání se ukázalo, že dost záleží na tom, jak často se signál snímače kliky dostává pod rozhodovací úroveň a rovněž jak dlouho probíhalo startování. Při delším startování došlo k uložení závady, zdokumentované na obrázku 27. Je shodná se závadou uloženou při startování s odpojeným snímačem kliky – opět hlášení o závadě Hallova snímače vačky, přestože mu ve skutečnosti nic není.

Pro ověření podmínek, za jakých dojde k uložení závady do paměti, jsem provedl několik startování s různě zatlumeným signálem snímače a s různou dobou startování. Několik příkladů je na dalších obrázcích.

Na obrázku 28 je uveden průběh signálu snímače kliky, zatlumeného tak, že značná část pulzů nedosahuje úrovně 0,5 V.

Po 15sekundovém startování s takto zatlumeným snímačem se do paměti zapsala závada – viz obrázek 27. Pokud jsem startoval kratší dobu, závada se nezapsala. Na obrázku 29 je zachycen stav, kdy byl signál snímače otáček méně zatlumen. Většina pulzů překračuje rozhodovací úroveň 0,5 V. Řídicí jednotka viděla startování tak, jak ukazuje obrázek 30.

 

Celková doba startování byla asi 18 sekund. Skutečné otáčky, jak lze spočítat z periody impulzů referenční značky z obrázku , jsou 245 min-1, avšak řídicí jednotka vidí otáčky v širokém pásmu okolo střední hodnoty asi 120 min-1. Za těchto podmínek nedošlo k zápisu žádné závady do paměti. Poslední pokusy ukazují obrázky 31 a 32.

Při tomto startování byl signál o něco více zatlumen než v předchozím případě. Signál se tak častěji dostával pod rozhodovací úroveň 0,5 V. Grafický průběh hodnoty otáček při startování, jak jej poskytla komunikace s řídicí jednotkou, je na obrázku 32. V tomto případě viděla řídicí jednotka zpočátku otáčky okolo 60 min-1, postupně se snižující až na 40 min-1. Bylo to způsobeno rychlým poklesem napětí již dost vybitého akumulátoru. Jak se postupně snižovaly startovací otáčky, snižovalo se i indukované napětí snímače a čím dál častěji se dostávalo pod hranici 0,5 V. Skutečné otáčky při startování však byly, alespoň na počátku startování, okolo 250 min-1. To, že řídicí jednotka viděla jen zlomek skutečných otáček, bylo způsobeno častými výpadky pulzů v řídicí jednotce z důvodu poklesu amplitudy signálu pod 0,5 V.

 

 

Všechna výše popsaná měření jsem prováděl na jediném vozidle, tudíž z nich nelze vyvozovat obecné závěry. Přesto si lze udělat jistý obrázek o chování řídicích jednotek, pokud jde o zpracování signálů otáčkových snímačů. Z uvedených příkladů je vidět, že informace řídicí jednotky ohledně závad otáčkových snímačů je třeba brát s rezervou. Jediným spolehlivým způsobem zjištění skutečného stavu snímačů je měření jejich signálů osciloskopem. Potřebnou výbavou kromě osciloskopu je samozřejmě i znalost vzorových signálů a principů činnosti měřených snímačů.

 

Závěr

Cílem článku bylo vnést trochu světla do problematiky vyhodnocení signálů snímačů otáček a jejich zpracování v řídicí jednotce motoru. Vzhledem k tomu, že otáčkové snímače patří k nejdůležitějším součástem systémů řízení motorů, a platí to obecně pro motory vznětové i zážehové, myslím, že si naši zvýšenou pozornost zaslouží. ■