Racing technologies: Electronic Control Unit

    Привет, коллеги! image
    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.

    imageПо 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 всех компонентов двигателя «на лету» довольно сложно. 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.
    Share post

    Similar posts

    Comments 52

      +7
      Интересная статья, я вроде и программист, а вот устройство электроники в моей машине для меня — темный лес. Было бы интересно почитать что-нибудь еще на эту тему.
      +3
      Спасибо за статью! Хочется продолжения!!!

      P.S. Я правильно понял, что на вашем личном автомобиле стоит Electronic Control Unit? Интересно было бы подробнее также узнать об установке данного устройства.
        +2
        У меня на машине стоит Motec M800
        Процесс установки не особо сложен и описан в документации к «мозгу».
        Данные документы предоставляются покупателю по запросу.
        Ввиду высокой цены такие устройства поддерживаются очень неплохо.
        Отзыв по email не более 2 дней.
          +3
          На каждом автомобиле с инжекторным впрыском (а это почти все машины выпуска после 90го года)стоит ECU.
          +2
          Нам понадобятся знания о положении коленчатого вала (speed and reference mark sensor), положении дросcельной заслонки и/или педали газа ( throttle position sensor).


          А как же ДАД или ДМРВ? По одному только положению дроссельной заслонки особо не нарегулируешь…

          Но следить за работой двигателя «на лету» невозможно.


          Как-то категорично у вас получилось. Сильно зависит от мозгов. Не только следить, но и корректировать можно во время работы. Не везде — да.

          Получилось как-то слишком уж сжато и несколько однобоко.
            0
            Конечно, обычно MAP или MAF датчики используются. Мой косяк, сейчас добавлю. Упустил.

            Мотек относится к так называемым «он-лайн» ECU. Он позволяет корректировать все на работающем движке.
            Но анализ, к примеру, смеси возможен только «по логам».

            Спасибо за конструктивную критику.
              0
              Конечно, обычно MAP или MAF датчики используются.

              Не только используются, но и очень важны.

              Он позволяет корректировать все на работающем движке.
              Но анализ, к примеру, смеси возможен только «по логам».


              Т.е. следить за показаниями лямбды онлайн нельзя? Хм. Так можно внешнюю широкополосную лямбду повесить и по ней прямо во время движения контролировать смесь.

              На скриншоте показания RPM, MAP и температуры поступающего воздуха — эти параметры доступны только в режиме анализа?
                0
                Конечно можно наблюдать любой параметр онлайн.
                Но настройка смеси требует точных значений с довольной мелкой сеткой карты.
                Обычно «грубо» настраивается на лету, а точно потом по логам.

                В мотек обычно подключается напрямую ШП лямбда.
                В алгоритмы заложен лямбда-контроль.

                Любой параметр доступен онлайн.
                Но тонкая настройка трудна на ходу.
                  +3
                  Чего-то я тогда не понимаю что вы имели ввиду когда написали, что «следить за работой двигателя «на лету» невозможно». Если значения датчиков доступны онлайн (я именно это понимаю за слежением за работой двигателя), да еще и изменять настройки можно онлайн. Если все можно, то чего же тогда нельзя? :)
                    0
                    Слишком резкая у меня формулировка :) Спасибо, сейчас поправлю :)

                    Имелось ввиду «невозможно уследить за всем» )
            +3
            Спасибо! Давно ждал статьи по этой теме!

            С радостью почитаю более подробное описание настройки и использования ECU,
            в т.ч. с какими сложностями придется столкнуться.

            И сразу же: возможно ли изменять какие-либо параметры «на лету» и стоит ли это делать?
              0
              Возмоно и иногда стоит.
              Но такую возможность дают только «онлайн» устройства (Мотек, пектель, випек точно)
              Например холостой ход или кривая целевого значения наддува настраиваются «на лету» под конкретную задачу.
              +2
              Оочень интересно. Да. Реквестирую стать про установку и более подробное описание настройки и программирования)
                0
                Спасибо :)
                Многие процессы настройки нетривиальны и их стоит описать :)
                К примеру настройка ХХ это целая битва :)
                  0
                  Поддерживаю. Требую продолжения банкета!
                  0
                  Люблю всё сначала сломать… Что будет с «очень простым устройством» в случае выхода из строя ECU? Например, в результате воздействия мощного (но не слишком, чтоб «бронепровода „не сплавились) ЭМИ?
                    0
                    Гоночные ECU создаются изначально в «защищенном» исполнении.
                    Ему не страшны вибрации, вода и удары.
                    Его довольно сложно сломать :)

                    Но, при выходе из строя ECU, двигатель просто заглохнет.
                    +1
                    вообще достаточно интересно было бы почитать о таких устройствах, процессе установки, настройки, о характеристиках, что если ставить дополнительное оборудование как будет работать… я понимаю, что для обычного водителя это и не нужно, но уж очень интересно.

                    а вспоминая фильм «Форсаж» всегда хотел узнать что там в начале за программа на ноутбуке работала и показывала параметры.

                    хотя это наверное уже тематика Автофорума :)
                      0
                      :) Я надеюсь, в следующей своей статье постараюсь показать вам на фото, как это происходит :)
                      +1
                      Почему motec? А не например haltech, аутроник, аем, апекси, корвет, январь, вемс?
                      Я почти решился взять вемс для управления 1uz-fe, куда более бюджетный вариант мне кажется.
                      p.s. очень интересная тема, пишите дальше более подробно :)
                        +1
                        Основная причина, — это то, что Мотек это проверенное временем и профессиональным автоспортом решение.
                        Оно уже много лет применяется на Subaru STI и их EJ.
                        Поэтому ненужно начинать «from scratch», а можно поучиться на чужих конфигурациях: базовые настройки для раллийной группы Н доступны на сайте мотека.

                        Вторая же причина, это гарантия того, что алгоритмы Мотека не подведут. Их релизные версии идеально отшлифованы.

                        Третья это то, что Мотек имеет полный набор гоночных приблуд, примеры настройки которых опять же можно узнать у Мотековцев. А настраивать анти-лаг «на ощущениях»… ммм… небюджетно :)

                          0
                          Под АЕМ, Апекси, Январь тоже очень много всего найти.
                          Антилаг на городской машине или что-то интересное строите? Расскажите)
                            0
                            Тайм-аттак.
                            Если сложатся финансовые звезды, — то МПК в этом году.
                            А так, — боевая машинка :)
                            TD06-20G, фитинги, противоотливы, вся расперта, мотек на лямбде, олинзы в подвеске ,)

                            Антилаг на городской машине это… ммм… Ненадолго :)
                              0
                              Очень ненадолго) Почитал на Д2, красавец выходит. Удачи на гонках. И очень хотелось бы увидеть полностью увидеть описание всей прошивки (конкретно вашей) со всеми цифрами и деталями здесь. Расчеты/формулы/подводные камни
                        0
                        Этой статьей вы отобрали большое количество потенциальных клиентов «Тюнинг-Ателье» :)
                        Огромное спасибо, очень интересно!
                        Главное, как говориться, двигатель не испортить таковыми настройками)
                          +1
                          Я надеюсь, люди задумаются о том, что на самом деле все не так сложно :)
                          Пожалуйста :)

                          Двигатель испортить можно. Но если подходить к вопросу аккуратно, то все получится :)
                          Главное отдавать себе отчет в том, что ты делаешь ,)
                          0
                          Где можно почитать подробно про Вашу машину?
                            0
                            Спецификацию моей Subaru WRX STI можно посмотреть на Драйв2
                            0
                            Продолжение приветствую
                              0
                              Истребитель )
                                0
                                Ваш ECU стоит пол моей машины )
                                По этому продолжайте!
                                  +2
                                  К сожалению, цена таких игрушек действительно большая.
                                  И по моему мнению завышенная.

                                  Что интересно, — это далеко не вся стоимость ECU. Дополнительные функции все платные, и стоят порой серьезных денег. Реальный бюджет мозга процентов на 50 больше выходит.
                                    +1
                                    Жесть. Я думал Мотек от силы пару кусков стоит.
                                    А что нельзя было на стоковом компе это все замутить? Ведь ездят же 400-сильные на стоковых?
                                      0
                                      Можно :)

                                      Но мотек с точки зрения гибкости настроек интереснее.
                                      Он позволяет за счет прозрачности алгоритмов добиваться от авто поставленных задач.

                                      Штатный же мозг представляет собой закрытую архитектуру.
                                      Мы не знаем его алгоритмов. Поэтому довольно часто внесение определенных изменений в прошивку приводит к абсолютно непредсказуемому результату. (ECU-Flash, RomRaider)
                                        0
                                        О каких изменениях идет речь?
                                        карты и много другое на свежих турбо-субарах меняются весьма успешно.
                                        Или мотек и иже с ними позволяют менять алгоритм гибче чем просто сменой карт? Можно ли на примере?
                                  +2
                                  Очень мало информации. Пишите еще!
                                    +4
                                    Вашу ж мать, господа минусаторы:
                                    >> Если данная тематика будет интересна, я могу детальнее описать процесс настройки двигателя в новой статье.

                                    Тема МНЕ интересна, т.к. со своими «совковыми» мозгами (бош 17.9.7) сделать что-либо сложно, а желание контролировать процесс есть. В машине копаться люблю, программировать люблю, а тема очень «закрытая»\«пропритарная». Опыт человека, который в этом копается мне действительно интересен. С какого хрена Вы с минусами лезете??? Чтобы каммент сереньким стал?

                                    Сорри за тон, но с какого?? — это не Вам писалось — и оценка: ответ, а не минуса, которые коммент нечитаемыми делают.

                                    Чёт а накатило.

                                    P.S. Эпик фейл — isox минусовал ))))

                                    to: isox
                                    Пишите еще!
                                    0
                                    Очень интересно, а какие ECU ставят на обычные автомобили, мазды, тайоты стоковые? Поидее стандартные мозги тоже можно перепрограммировать?
                                      +1
                                      Стоковые ECU инжекторных двигателей содержат точно такие же топливные карты, и карты углов опережения зажигания, которые основываются на той же самой информации что и тюнинг мозги (показания MAF,MAP,lambda, egt и т.п.). Настройка топливных карт, карт зажигания и т.п. требуется если вы внесли дополниетльные конструктивные изменения в автомобиль при которых контролируемые параметры (давление во впускном коллекторе в первую очередь) отличается от заводских (например если на атмосферном моторе дунуть больше воздуха то вы получите бедный AFR (air fuel ratio) что приведет к детонации и разрушению мотора). Формально если выпаять, вытащить считать и тому подобное, и расшифровать стоковую прошивку из стокового ECU, выделить смещения топливных карт и карт опережения зажигания, и нацчится все зашивать обратно — то вы можете произвести теже самые настройки что и на haltech, motec, aem и т.п. Это не всегда целесообразно и иногда экономически выгоднее купить готовый after market ECU с готовыми прошивками под определенные сетапы.
                                      0
                                      А на атмосферники есть смысл ставить кастомные ECU?
                                        0
                                        Конечно, особенно если изменено что-то, например впуск, выпуск, распредвалы и тд.
                                        Даже на **-ge моторе тойоты, на кольце снимали время чуть более лучшее чем на сток мозгах. А ge моторы это типа уже форсированные с завода.
                                        0
                                        Ох, авто у вас отличное!:-) Ну и то, что приложили руку, судя по профилю, к российском sti-клубу и раллийной команде вызывает у меня уважение. Плюсануть не могу — карму не хватает, но в комментах прошу: продолжать тему.
                                          –1
                                          В королеве автоспорта, серии Formula 1, на всех машинах стоят одинаковые «мозги» изготовленные McLaren и, как это не странно, Microsoft
                                            0
                                            Да щас. В ECU машины Формулы-1 имеется только ПО, разработанное McLaren, и даже система, собирающая телеметрию с машин на протяжении гонки, разработана McLaren, и пока нет подтверждений, что она работает на Windows. От Microsoft там только SQL Server 2008 на пит-лейне, хранящий данные телеметрии.

                                            См. www.microsoft.com/casestudies/Case_Study_Detail.aspx?casestudyid=4000001476. Особенно смешна табличка Fast Facts ;-)
                                              0
                                              Я как-то очень удивился надписи Intel на своем стареньком Motronic 1.5 :-)
                                              0
                                              После покупки машины купил себе за $20 китайский программатор к ней и перепрограммировал комп. Получил конфигурацию, которая у дилеров стоит на несколько штук дороже.
                                              Вот это профит, такая прибыльность даже наркодилерам не снилась :)
                                                0
                                                Марка, модель, список функций? Спасибо.
                                                  0
                                                  Опель Зафира — бортовой комп, круиз-контроль, апгрейд света, обучение коробки передач и т.п. В железе это все есть (разве что контролы наружу не выведены), но отключено в прошивке.
                                                    0
                                                    а ничего не сжималось когда китайским программатором сливали в автомобиль прошивку с неизвестным содержанием? и нафига вам круиз контроль если кнопок на руле нет?
                                                      0
                                                      Ага, сжималось :) Но машина была на гарантии, так что все можно было бы на сбой компа списать ;)
                                                      А кнопки были куплены отдельно на ебее за 20 фунтов
                                                        0
                                                        Достойные мысли. Ничего не скажешь :).

                                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.