III Sensoren und Aktoren

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1 III Sensoren und Aktoren Allen elektronischen Systemen gemeinsam ist, dass sie nach dem EVA-Prinzip der Informationsverarbeitung arbeiten. EINGABE VERARBEITUNG AUSGABE Information Ansteuerung Sensoren Steuergerät Aktoren Bei der Eingabe handelt es sich grundsätzlich um Sensoren, die auch als Signalgeber, Fühler oder Messwertaufnehmer bezeichnet werden. Die Verarbeitung der elektrischen Signale erfolgt durch einen zentralen Mikrocomputer (Steuergerät) der mit Hilfe von einprogrammierten mathematischen Formeln und Kennfeldern die Entscheidungen trifft und die Aktoren ansteuert. Auf der Ausgabe befinden sich die Aktoren (Stellglieder), die die Befehle des Steuergerätes umsetzen. Sensoren und Aktoren können, je nach Einsatz analog, binär oder digital arbeiten. 1. Sensoren Sensoren werden hauptsächlich in den folgenden drei Bereichen eingesetzt: Fahrsicherheit (z.b. ESP, ABS und Airbag) Antrieb (z.b. Lambda-Sonde, Nockenwellensensor und Klopfsensor) Komfort (z.b. Regensensor, Klimaanlagensensor und Tür-Fernbedienung) Sensoren werden oft entsprechend ihrer Wirkungsweise beim Umformen nichtelektrischer in elektrische Größen in aktive und passive Sensoren unterteilt. Die Zuordnung wann ein Sensor Aktiv oder Passiv ist, ist auch unter Fachleuten nicht ganz eindeutig definiert. Im folgenden wird deshalb eine allgemeine Erklärung gegeben ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Aktive Sensoren sind Messfühler, die intern verstärkende oder signalformende Bauelemente enthalten und mit einer Stromversorgung betrieben werden. Das Sensorsignal ist durch seine im Sensor integrierte Elektronik ein Rechtecksignal. Passive Sensoren sind Sensoren die nur passive Elemente (Spule, Widerstand, Kondensator) enthalten. Die Signale werden in den meisten Fällen als analoge Spannung ausgegeben. Drehzahlfühler beim ABS können demzufolge passiv oder aktiv sein. Drehzahlfühler ohne permanent anliegende Stromversorgung ( passive Spule) werden als Passiv bezeichnet. Drehzahlfühler deren aktives elektronisches Bauteil permanent an der Stromversorgung anliegt mit z.b. dem Wirkprinzip des Halleffekts werden als Aktiv bezeichnet. Die Elektronik im Pkw kann nur funktionieren, wenn die Sensoren die elektronischen Sinnesorgane des Mikrocomputers physikalische Größen wie Temperaturen, Drehzahlen, Winkel, Drücke u.a. in elektrische Signale umwandeln und an das Steuergerät weitermelden kann. Da die Sensoren je nach ihrem Einsatzort im Auto oft extremen Bedingungen ausgesetzt sind, hängt von ihrer zuverlässigen Funktion der Erfolg der Motor-Elektronik ab. Im folgenden sind einige für die Steuerung und Regelung des Motors wichtige Sensoren aufgeführt. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 1

2 1.1. Induktiv-Sensor Für das Erfassen von Bewegungen (Raddrehzahlen, Kurbelwellenumdrehungen, etc) und Positionen (OT) verwendet man z.b. nach dem Induktionsprinzip arbeitende Sensoren (oder Induktivgeber). Das physikalische Prinzip der Erzeugung einer Induktionsspannung beruht auf der zeitlichen Änderung des Magnetflusses. Der Drehzahlmesser z.b. tastet die Zähne des Schwungrad-Zahnkranzes ab und liefert pro Zahn einen Ausgangsimpuls. Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines ABS-Sensors bei niedriger Raddrehzahl Hall-Sensor Auch mit dem Hall-Sensor lassen sich Drehzahlen (Geschwindigkeitsgeber, Wegstreckenfrequenzgeber) und Positionen (Zündzeitpunkt) bestimmen. In der Hall-Sonde, die von einem Steuerstrom durchflossen wird, wird eine zur magnetischen Flussdichte B proportionale Spannung, U H (Hallspannung) erzeugt. Durch eine rotierende Blende lässt sich das Magnetfeld phasengleich zur Drehzahl ändern und somit ein zur magnetischen Flussdichte B proportionales Spannungssignal erzeugen. Die am Hallgenerator abgenommene Spannung U H liegt im Millivoltbereich und muss mittels eines Hall-Ics verstärkt und in rechteckförmige Spannungssignale (Binäres Signal) umgeformt werden.. Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines Hallgebers im Zündverteiler im Leerlauf. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 2

3 1.3. Temperatur-Sensor Temperaturmessungen am Motor und im Strom der angesaugten Luft liefern dem elektronischen Steuergerät wichtige Daten über die Belastungsphasen, in denen sich der Motor gerade befindet. Die Temperatur-Sensoren messen elektronisch mittels sogenannten NTC-Widerständen bzw. PTC- Widerständen die Temperatur über Widerstandsveränderungen. Es kommen überwiegend NTC- Widerstände zum Einsatz. NTC bedeutet Negativer Temperatur Coeffizient: der Halbleiterwiderstand verringert bei steigender Temperatur seinen Wert. PTC heißt analog Positiver Temperatur Coeffizient: der Widerstand verringert bei fallenden Temperaturen seinen Wert. Die den jeweiligen Temperaturwerten entsprechenden Widerstandswerte werden in Form eines Spannungssignals, an das Steuergerät weitergegeben. Das obenstehende Bild zeigt den Spannungsverlauf eines Kühlmitteltemperatur-Sensors, unmittelbar nach dem Kaltstart in der Warmlaufphase mit einer erhöhten Motordrehzahl von /min Druck-Sensor Zur Messung von absoluten bzw. relativen Drücken verwendet man piezo-elektrische Sensoren. Sie erzeugen bei Belastung durch Druckkräfte eine elektrische Spannung. Im Motorbereich werden sie als Klopfsensoren und als Druckfühler im Saugrohr z.b. bei Einspritzanlagen eingesetzt, um den Lastzustand des Motors an das Steuergerät zu melden. Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines MAP- Sensors dessen Frequenz sich je nach Saugrohrdruck verändert. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 3

4 1.5. Sauerstoff-Sonde (Lambda-Sonde) Damit für die katalytische Abgasentgiftung ein Lambda-Wert von λ = 1,00 möglichst genau eingehalten wird, sitzt im Abgasstrom eine Lambda-Sonde. Der Sensor besteht aus einem speziellen Hohlkörper, einseitig geschlossen, dessen innerer Teil mit der Außenluft verbunden ist, während die Außenwand von den heißen Abgasen umströmt wird. Die Sonde reagiert auf Sauerstoff im Abgas mit der Erzeugung eines Spannungssignals U λ. Die Spannung ändert sich bei unterschiedlicher Gemischzusammensetzung. Die Spannung wird an das Steuergerät weitergeleitet, und von dort wird über den λ -Regelkreis das Luft-Kraftstoffgemisch auf λ = 1,00 korrigiert. Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf einer Lambda- Sonde bei Leerlaufdrehzahl Potentiometer Zur Bestimmung der Drosselklappenstellung, Fahrpedalstellung usw. verwendet man sogenannte potentiometrische Sensoren, d.h. Sensoren, die ihren Wirkwiderstand verändern. Bei der Drosselklappenstellung wird der Schleifer eines Potentiometers proportional zur Drosselklappenstellung betätigt, wodurch ein entsprechender Spannungsabfall erzeugt und an das Steuergerät weitergeleitet wird. Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines Drosselklappen-Sensors vom Leerlauf nach Vollast. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 4

5 1.7. Kapazitive Sensoren In heutiger Zeit kommen vermehrt kapazitive Sensoren im Kfz-Bereich zum Einsatz (Ölstandsmessung, Dämpfereinstellung, Beschleunigungssensor). Dazu nutzt man z.b. die Kapazitätsänderung zweier Kondensatoren mit gemeinsamer mittlerer Elektrode aus. Unter Einwirkung einer Kraft, kommt es zu einer Abstandsänderung der mittleren Elektrode. Dabei entfernt sie sich von ihrem Gegenüber auf der einen Seite und nähert sich der anderen. Demgemäss verringert beziehungsweise vergrößert sich jeweils die Kapazität. Indem man die Differenz bildet, erhält man ein Maß der auslenkenden Beschleunigung. Ein solcher Differentialkondensator besteht aus Siliziumbasis und ist damit in großer Stückzahl kostengünstig herzustellen. 1 = Kondensatorelement; = feste Kondensatorplatten; 4 = bewegliche Kondensatorplatten; 5 = bewegliche Masse; 6 = Federsteg; 7 = Verankerung; C = Luftspalt (Dielektrikum); a = Beschleunigungsrichtung Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 5

6 2. Elektronisches Steuergerät Da der Mikrocomputer im Steuergerät intern nur die Zustände EIN und AUS oder 1 und 0 kennt, müssen die Eingangssignale die von den Sensoren ermittelten physikalische Größen wie Drehzahl, Temperatur, Winkelstellung usw. zunächst in diese Form umgewandelt werden. Motorregelungssteuergerät EEC V von Ford 2.1. Analog/Digital-Wandler (A/D) Analog/Digital-Wandler wandeln analoge Signale in digitale Signale um. Beispiele für analoge Eingangssignale sind: Temperaturfühler Luftmengenmesser Drosselklappenpotentiometer 2.2. Impulsformer (IF) Impulsformer formen beliebige Eingangssignale in Rechtecksignale um. Beispiel für Eingangssignale, die im Impulsformer verarbeitet werden: Drehzahlgeber Lambda-Sonde 2.3. Spannungsregler Um Spannungsschwankungen zu umgehen, versorgt das PCM seine Sensoren mit einer stabilisierten Spannung von 5 Volt (Referenzspannung). Ebenso ist die Masse im PCM stets potentialfrei, die Fahrzeugmasse aufgrund der vorhandenen Störquellen jedoch nicht. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 6

7 2.4. Mikroprozessor (CPU) Der Mikroprozessor (CPU = Control Prozessor Unit = Zentraleinheit) holt sich aus dem Programmspeicher (ROM) Befehle und führt sie aus. Zu den Aufgaben der CPU zählen: Die aufbereiteten Zustandsgrößen (IST-Werte) im Betriebsdatenspeicher (RAM) zu laden. In Abhängigkeit von diesen Werten die Betriebszustände zu identifizieren. Aus dem Programmspeicher (ROM) die Kennfeldwerte für die Betriebszustände zu übernehmen. Messwerte und Kennfeldwerte über die im Programmspeicher abgelegten Rechenvorschriften zu verknüpfen. Aus Zwischenwerten und Messwerten Stellsignale zu berechnen. die Stellsignale an die Ein/Ausgabe-Bausteine (I/O = In/Out) weiterzugeben. Die von der Zentraleinheit (CPU) ausgegebenen Signale sind zum Ansteuern der Stellglieder zu schwach. Sie werden daher in Endstufen verstärkt. Beispiele für Stellglieder, die von Leistungsendstufen angesteuert werden: Einspritzventile Leerlaufsteller Zündspule Kraftstoffpumpe Innerhalb der letzten Jahre ist es durch neue Techniken gelungen, immer kleinere, unempfindlichere und leistungsfähigere Steuergeräte zu bauen. 3. Aktoren (Stellglieder) Aktoren - bildhaft als "Muskeln der Mikroelektronik" bezeichnet - steuern, schalten und regeln technische Prozesse. Hierfür wandeln sie die in elektrisch-digitaler oder analoger Form vorliegenden Stellbefehle des Steuergeräts in mechanische Arbeit (Kraft x Weg) um. Die Energiewandlung erfolgt motorisch, pneumatisch, hydraulisch, magnetisch und als optische Anzeige. Zum Positionieren kommen vorzugsweise mechanische oder elektronisch gesteuerte Gleichstrommotoren und Schrittmotoren zum Einsatz. Stellglieder sind in den meisten Fällen Elektromagnete, die bei eingeschalteter Zündung plusseitig dauernd mit 12 Volt versorgt werden. Das Steuergerät greift über die Masseseite ein und verbindet die Masseleitung des Magneten mit der Motormasse. Weil Computer nur im digitalen O/I-Modus arbeiten können, wird der Elektromagnet mehrere Male pro Sekunde ein- und ausgeschaltet. Dabei werden durch eine Veränderung der Einschaltdauer, auch Tastverhältnis genannt, ein beinahe stufenloses Öffnen und Schließen z.b. eines Ventils ermöglicht. Diese Art der Steuerung nennt sich Pulsweiten-Modulation. Eine Regelung des Tastverhältnisses (Duty-cycle) ist für den Computer eine einfache Methode durch ändern der oberen Pulsweite (Einschaltdauer) die Spannung zu variieren. Die Durchschnittspannung zum Stellglied ist dann proportional zur obere Pulsweite. a = obere Pulsweite b = untere Pulsweite c = Periode Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 7

8 Die nachfolgenden Darstellungen zeigen ein elektrisches Signal, welches stets die gleiche Frequenz aufweist aber dessen Spannung unterschiedlich lang ein- und ausgeschaltet wird. Die obere Pulsweite beträgt hier 60% und die untere Pulsweite 40%. Der prozentuale Anteil der Einschaltzeit entspricht dem Tastverhältnis von 60%. Die mittlere Spannung beträgt somit 60% von 12 V = 7,2 V Die obere Pulsweite beträgt hier 75% und die untere Pulsweite 25%. Der prozentuale Anteil der Einschaltzeit entspricht dem Tastverhältnis von 75%. Die mittlere Spannung beträgt somit 75% von 12 V = 9 V Die obere Pulsweite beträgt hier 50% und die untere Pulsweite 50%. Der prozentuale Anteil der Einschaltzeit entspricht dem Tastverhältnis von 50%. Die mittlere Spannung beträgt somit 50% von 12 V = 6 V Auch bei einem Einspritzventil wird die Einschaltdauer und damit die Einspritzmenge verändert, allerdings, wird das Magnetventil vollständig geöffnet und geschlossen und nicht wie oben beschrieben durch die mittlere Spannung in eine bestimmte Stellung gebracht. Zusätzlich verändert sich auch die Frequenz bei den unterschiedlichen Drehzahlen. Drehzahl niedrig a = lastabhängige Grundeinstellung b = Verlängerter Einspritzimpuls Drehzahl hoch Die Einspritzzeit wird vergrößert durch Verlängerung des Einspritzsignals. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 8

9 4. Diagnose, Fehlerbehebung, Werkstatthinweise 4.1. Vorgehensweise bei der Fehlersuche Zuerst das entsprechende Stellglied prüfen, bei fehlerhaften Signal, muss das Ausgangssignal direkt am Steuergerät geprüft werden. Bei korrektem Ausgangssignal ist die Verkabelung zum Stellglied zu prüfen. Bei falschem Ausgangssignal sind anschließend die entsprechenden Eingangssignale zu prüfen. Bei falschem Eingangssignal ist das Signal am Sensor selbst zu prüfen. Ist das Sensorsignal in Ordnung, prüft man die Leitungen zum Steuergerät auf Durchgang und gegen Masse (Kurzschluss). Wird am Sensor auch kein korrektes Signal ausgegeben, liegt die Ursache am Sensor selbst oder der Sensor wird durch andere nicht korrekt funktionierende Bauteile beeinflusst. Wichtig ist aber auch die Spannungsversorgung und Masseverbindung des Steuergerätes sowie die Spannungsversorgung der Sensoren und Aktoren zu überprüfen. Da ein falscher Spannungswert die Eingangs- und Ausgangssignale verfälschen kann. Sollte die obenerwähnten Punkte kein Resultat ergeben, ist die Peripherie soweit in Ordnung und der Fehler müsste am Steuergerät liegen, aber Achtung die häufigsten Fehler entstehen durch schlechte Kontakte an den Steckverbindungen. In einer VW-Untersuchung wurde die Ausfallraten elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug untersucht. Die rein elektronischen Bauteile wie Transistoren, integrierte Schaltkreise, Steuergerät usw. fallen am wenigsten aus. Der Fehleranteil beträgt nur 10%. Der nächstgrößere Anteil wird durch die Sensoren und Stellglieder verursacht. Ihr Fehleranteil beträgt 15%. Der weitaus größte Fehleranteil mit 60% entfällt auf die Verbindungstechnik, bestehend aus Steckkontakten, Steckergehäuse usw Umgang mit elektronischen Systemen Bei eingeschalteter Zündung sind keine Steckverbindungen zu trennen oder Stecker von Modulen abzuziehen, dieses gilt ebenfalls für das Aufstecken und Verbinden von Steckern, da dadurch Spannungsspitzen entstehen können, die die elektronischen Bauteile zerstören können. Widerstandsmessungen an Sensoren und Aktoren nur bei abgezogenem Stecker durchführen, da innere Schaltkreise der Steuergeräte beschädigt werden können. Das Messen des Spannungsabfalls am betreffenden Bauteil ist einer Widerstandsmessung vorzuziehen. Die Messung ist genauer und kann bei angeschlossenem Stecker geprüft werden. Kontaktschwierigkeiten können so besser festgestellt werden. Einige Steckverbindungen in den Fahrzeugen können gold-beschichtet sein. Diese Stecker dürfen nicht zusammen mit verzinnten Steckern verbunden werden, da eindringende Feuchtigkeit eine schnelle Korrosion verursacht und dadurch die Kontakte beschädigt werden. Die Folgen sind z.b. Übergangswiderstände. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 9

10 5. Hinweise für die praktische Arbeit 5.1. Bauteilprüfungen an verschiedenen Relais Relais Mini ISO Anschlussbilder Schaltbilder Bauteilprüfung (keine Spannung liegt an) Zu prüfen Magnetspule Kontakt Magnetspule - Kontakt Ohmmeter mit folgenden Anschlüssen verbinden Relais ist in Ordnung, wenn 85 und Ohm 30 und 87a Stromkreis geschlossen 30 und 87 Stromkreis offen 86 und 30 Stromkreis offen 86 und 87a Stromkreis offen 86 und 87 Stromkreis offen Bauteilprüfung (Spannung liegt an) Stecken Sie das Ohmmeter ab; verbinden Sie Pin 30 und 85 mit einer 12 V Gleichspannungsquelle und Pin 86 mit Masse. Messen Sie die Spannung zwischen Pin 87 und Pin 86. Beträgt die Spannung 12 V, setzen Sie die Prüfung fort. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais. Trennen Sie Pin 85 von der Spannungsquelle und messen Sie die Spannung zwischen Pin 87a und 86. Beträgt die Spannung 12V, ist das Relais in Ordnung. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais Relais Mikro ISO Anschlussbilder Schaltbilder Schließer Wechsler Gegenüberstellung der Klemmenbezeichnungen Mikrorelais Kleinrelais Polung a 5 87 Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 10

11 Bauteilprüfung (keine Spannung liegt an) Zu prüfen Magnetspule Kontakt Magnetspule - Kontakt Ohmmeter mit folgenden Anschlüssen verbinden Relais ist in Ordnung, wenn 1 und Ohm 3 und 4 Stromkreis geschlossen 3 und 5 Stromkreis offen 1 und 3 Stromkreis offen 1 und 4 Stromkreis offen 1 und 5 Stromkreis offen Bauteilprüfung (Spannung liegt an) Stecken Sie das Ohmmeter ab; verbinden Sie Pin 2 und 3 mit einer 12 V Gleichspannungsquelle und Pin 1 mit Masse. Messen Sie die Spannung zwischen Pin 5 und Pin 1. Beträgt die Spannung 12 V, setzen Sie die Prüfung fort. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais. Trennen Sie Pin 2 von der Spannungsquelle und messen Sie die Spannung zwischen Pin 4 und Pin1. Beträgt die Spannung 12V, ist das Relais in Ordnung. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais Messen von Sensoren und Aktoren Sensorsignale prüft man am besten dort, wo sie benötigt werden und zwar am Steuergerät. Erhält man dort das richtige Signal, besteht Gewissheit, dass nicht nur der Geber, sondern auch die Verkabelung zum Steuergerät einwandfrei ist. Es ist üblich die Signale mit einem Buchsenkasten abzugreifen, dessen Y-Kabel zwischen Steuergerät und Steuergerätestecker befestigt ist. Steht keine Prüfbox (Break-out-box) zur Verfügung, erfolgt die Messung direkt am Sensor oder man verschafft sich einen Zugang zu der Rückseite des Steckers Drosselklappenpotentiometer mit dem Oszilloskop prüfen Bei eingeschalteter Zündung das Gaspedal einmal bis zum Anschlag durchtreten und wieder loslassen (rote Messleitung am Gebersignal und die schwarze Messleitung an der Gebermasse anklemmen). Dabei soll sich eine Kurve aufbauen wie im nebenstehenden Bild. Ist der Verlauf wie im nebenstehenden Bild mit Störspitzen überlagert oder erscheinen nach unten gerichtete Einbrüche, ist das Drosselklappenpotentiometer defekt. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 11

12 Induktiver Drehzahl- und Bezugsmarkengeber mit dem Oszilloskop prüfen Sensoren und Aktoren Bei ausgeschalteter Zündung beide Messleitungen am Sensor anschließen. Gemessen wird bei Starterdrehzahl. Das ergibt ein Oszillogramm wie im nebenstehenden Bild. Die Spannungsspitze und der breite Abstand in der Zeitachse entstehen durch die Zahnlücke am Kurbelwellenrad. Die Signalform sollte gleichförmig sein Einspritzsignal mit dem Oszilloskop prüfen Charakteristisch beim überprüfen des Einspritzventils ist die Spannungsspitze. Die Überprüfung erfolgt, indem man die rote Messleitung an den Anschlussstecker des Einspritzventils (Massegesteuerten Seite) anschließt. Die schwarze Messleitung wird an Masse angeschlossen. Bei warmen Motor und im Leerlauf erscheint etwa die Sollkurve wie im nebenstehenden Bild. Ist bei dieser Betriebssituation die Einspritzzeit deutlich zu lang (>4,5 ms), so kann beispielsweise das Luft/Kraftstoff-Gemisch zu fett sein. Eine Prüfung des Lambda-Sondensignals und gegebenenfalls der Motorsteuerung ist erforderlich. Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 12

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