Modulewijzer RIVIO

MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
HOGESCHOOL ROTTERDAM / RIVIO
Peripherals and Interfaces 1
TIRPIF01
Goedgekeurd door:
Aantal studiepunten: 2 ects
Modulebeheerder: J.P. Manni
(namens toetscommissie)
Datum:
TIRPIF01 20-07-17
1
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Modulebeschrijving
Peripheral en interfaces 1
TIRPIF01
Dit studieonderdeel levert de student 2 studiepunten op, hetgeen overeenkomt met een
studielast van 56 uren. De verdeling van deze 56 uren over de collegeweken is als volgt:
Begeleide colleges:
gedurende 8 weken: 8 * 120 minuten
16 uur
Begeleide uren practicum :
gedurende 8 weken: 8 * 120 minuten
16 uur
Zelfstudie en individuele opdrachten 8 weken: 8 * 180 minuten
24 uur
Totaal
.
56 uur
Vereiste voorkennis: TIRBEO04
Theorie en praktijk
Werkvormen:
Na aanleiding van het hoorcollege opdrachten maken. Over de onderwerpen een
Toetsing:
presentatie. Het werk wordt elke week beoordeeld, het eindcijfer is het gemiddelde
behaalde resultaat.
Powerpiont-presentaties, werkbladen, het boek Sensoren, alles beschikbaar op het
Leermiddelen:
Hogeschool netwerk
Draagt bij aan (HBO-i) Deze module draagt bij tot het verwerven van de volgende competenties:
 Analyseren (niveau 2)
competentie:
 Ontwerpen (niveau 2)
 Realiseren (niveau 2)
Leerdoelen:
 Herkent de structuur van een modern PC gerelateerd bussysteem voor industriële
automatisering en kent de globale eigenschappen van de gebruikte
apparaten/componenten en begrijp de globale specificaties van de apparaten.
 Kent de eigenschappen van sensoren en actuatoren om deze op een bussysteem
te kunnen aansluiten.
 Herkent de elementaire elektrotechnische problemen die kunnen optreden bij het
samenstellen van een data-aquisitie systeem of bij opzetten van een industrieel
regelsysteem.
Inhoud:
 Kan rekenen aan elementaire netwerken: wet van Ohm, stroom/spanningsdeling
 Kan eenvoudige schakelingen ontwerpen met logische poorten, weerstanden,
schakelaars, condensatoren, transistoren, operationele versterkers, AD/DA
converters
 Kent de mogelijkheden en beperkingen om analoge signalen om te zetten naar
digitale signalen voor verwerking door PC of PLC
 Kent een paar voor en nadelen van seriële of parallel data overdracht.
 Kan het bereikt(offset en gain) van sensoren geschikt maken voor dataaquisitiekaarten of andere I/O
 Kent de eigenschappen van een paar elementaire sensoren die veel bij robots
gebruikt worden
 Kent het ontwerp van industriële netwerken voor machine automatisering en een
paar storingen die daar bij op kunnen treden
 Weet hoe een paar actuatoren aan te sturen vanuit een PC of PLC
 Kent de eigenschappen en aansluitmogelijkheden van een aantal sensoren en
actuatoren voor fysische grootheden zoals temperatuur, niveau, toerental, enz
 Kent de eigenschappen en het elementaire gebruik van universeelmeters,
oscilloscopen, spectrum-analysers
Verplichte aanwezigheid i.v.m. het maken van praktijk opdrachten
Opmerking:
H. Manni
Modulebeheerder:
10-06-2011
Datum:
Modulenaam:
Modulecode:
Aantal studiepunten
en
studiebelastinguren:
TIRPIF01 20-07-17
2
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Inhoudsopgave
Inhoudsopgave .................................................................................................................................................................... 3
1.
Algemene omschrijving ............................................................................................................................................ 5
1.1
Inleiding .................................................................................................................................................................. 5
1.2
Inhoud ..................................................................................................................................................................... 5
1.3
Relatie met andere onderwijseenheden............................................................................................................. 5
1.4
Leerdoelen en competenties ............................................................................................................................... 5
1.5
Werkvorm(en) ........................................................................................................................................................ 5
1.6
Toetsing .................................................................................................................................................................. 5
1.7
Literatuur ................................................................................................................................................................ 5
2.
Programma ................................................................................................................................................................... 6
3.
Toetsing en beoordeling ........................................................................................................................................... 6
4.
3.1
Procedure ............................................................................................................................................................... 6
3.2
Toetsmatrijs............................................................................................................................................................ 7
Analoog naar Digitaal conversie ............................................................................................................................. 7
Analoog en discreet .......................................................................................................................................................... 7
Resolutie............................................................................................................................................................................. 7
Nauwkeurigheid ................................................................................................................................................................. 8
Digitaal en discreet ........................................................................................................................................................... 8
Kwantiseringsfout .............................................................................................................................................................. 8
Offset fouten .................................................................................................................................................................... 10
Span fouten ...................................................................................................................................................................... 10
Lineariteitsfouten ............................................................................................................................................................. 11
Conversiesnelheid........................................................................................................................................................... 12
5.
Sensoren en actuatoren in auto`s. ....................................................................................................................... 13
TIRPIF01 20-07-17
3
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
The robot fingers have a human-like sense of touch, so they can grab objects with adjusted strength depending on
the materials.
TIRPIF01 20-07-17
4
MODULEWIJZER
1.
Algemene omschrijving
1.1
Inleiding
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
De module peripheral en interfaces is bedoeld om de communicatie tussen computer en randapparatuur
mogelijk te maken
1.2
Inhoud










1.3
Kan rekenen aan elementaire netwerken: wet van Ohm, stroom/spanningsdeling
Kan eenvoudige schakelingen ontwerpen met logische poorten, weerstanden, schakelaars,
condensatoren, transistoren, operationele versterkers, AD/DA converters
Kent de mogelijkheden en beperkingen om analoge signalen om te zetten naar digitale signalen voor
verwerking door PC of PLC
Kent een paar voor en nadelen van seriële of parallel data overdracht.
Kan het bereikt(offset en gain) van sensoren geschikt maken voor data-aquisitiekaarten of andere I/O
Kent de eigenschappen van een paar elementaire sensoren die veel bij robots gebruikt worden
Kent het ontwerp van industriële netwerken voor machine automatisering en een paar storingen die
daar bij op kunnen treden
Weet hoe een paar actuatoren aan te sturen vanuit een PC of PLC
Kent de eigenschappen en aansluitmogelijkheden van een aantal sensoren en actuatoren voor fysische
grootheden zoals temperatuur, niveau, toerental, enz
Kent de eigenschappen en het elementaire gebruik van universeelmeters, oscilloscopen, spectrumanalysers
Relatie met andere onderwijseenheden
In de modules tirbeo04 wordt enige kennis bijgebracht van electronica
1.4
Leerdoelen en competenties



1.5
Herkent de structuur van een modern PC gerelateerd bussysteem voor industriële automatisering en
kent de globale eigenschappen van de gebruikte apparaten/componenten en begrijp de globale
specificaties van de apparaten.
Kent de eigenschappen van sensoren en actuatoren om deze op een bussysteem te kunnen aansluiten.
Herkent de elementaire elektrotechnische problemen die kunnen optreden bij het samenstellen van een
data-aquisitie systeem of bij opzetten van een industrieel regelsysteem.
Werkvorm(en)
Theorie en praktijk
1.6
Toetsing
Na aanleiding van het hoorcollege opdrachten maken. Over de onderwerpen een presentatie. Het werk wordt
elke week beoordeeld, het eindcijfer is het gemiddelde behaalde resultaat.
1.7
Literatuur
Powerpiont-presentaties, werkbladen, het boek Sensoren, alles beschikbaar op het Hogeschool netwerk
TIRPIF01 20-07-17
5
MODULEWIJZER
2.
Programma
Week
1
Dictaat
2
Dictaat
3
Dictaat
4
Dictaat
5
Dictaat
6
Dictaat
3.
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Literatuur
Lesinhoud
Rekenen aan elementaire
netwerken: wet van Ohm,
stroom/spanningsdeling
Eenvoudige schakelingen
ontwerpen met logische poorten,
weerstanden, schakelaars,
condensatoren, transistoren,
operationele versterkers, AD/DA
converters
Producten
Opgaven hoofdstuk 1
Mogelijkheden en beperkingen
om analoge signalen om te
zetten naar digitale signalen voor
verwerking door PC of PLC
Voor en nadelen van seriële of
parallel data overdracht.
Bereik(offset en gain) van
sensoren geschikt maken voor
data-aquisitiekaarten of andere
I/O
Eigenschappen van een paar
elementaire sensoren die veel bij
robots gebruikt worden
Opgaven hoofdstuk 2
Ontwerp van industriële
netwerken voor machine
automatisering en een paar
storingen die daar bij op kunnen
treden
Actuatoren aan sturen vanuit
een PC of PLC.
Eigenschappen en
aansluitmogelijkheden van een
aantal sensoren en actuatoren
voor fysische grootheden zoals
temperatuur, niveau, toerental,
enz
Opgaven hoofdstuk 5
Opgaven hoofdstuk 3
Opgaven hoofdstuk 4
Opgaven hoofdstuk 6
Toetsing en beoordeling
3.1 Procedure
Na aanleiding van het hoorcollege opdrachten maken. Over de onderwerpen een presentatie. Het werk wordt
elke week beoordeeld, het eindcijfer is het gemiddelde behaalde resultaat
TIRPIF01 20-07-17
6
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
3.2 Toetsmatrijs
Leerdoelen
1.
2.
3.
Herkent de structuur van een modern PC gerelateerd bussysteem
voor industriële automatisering en kent de globale eigenschappen
van de gebruikte apparaten/componenten en begrijp de globale
specificaties van de apparaten
Kent de eigenschappen van sensoren en actuatoren om deze op
een bussysteem te kunnen aansluiten
Herkent de elementaire elektrotechnische problemen die kunnen
optreden bij het samenstellen van een data-aquisitie systeem of bij
opzetten van een industrieel regelsysteem.
Dublindescriptoren
1+2
Verwijzing naar
opdracht/ vraag/
criteria
Opdr. Hfst 1,2
1+2
Opdr. Hfst 3,4,5
1+2
Opdr. Hfst 6,7,8
Dublin-descriptoren:
1. Kennis en inzicht
2. Toepassen kennis en inzicht
3. Oordeelsvorming
4. Communicatie
5. Leervaardigheden
4. Analoog naar Digitaal conversie
Bij besturing van apparatuur heeft één of meer van de te besturen grootheden vaak een analoge waarde. Een
analoog signaal kan niet rechtstreeks door de micro-controller verwerkt worden. Om de analoge waarde om te
zetten naar een digitale waarde is een analoog naar digitaal conversie nodig. Een schakeling die een dergelijke
conversie voor zijn rekening neemt heet een Analoog naar Digitaal converter, ofwel A/D converter.
Analoog en discreet
Een analoog signaal kan in principe elke willekeurige waarde tussen een bepaald minimum en een bepaald
maximum aannemen. Een discrete waarde kent tussen minimum en maximum slechts een beperkt aantal
tussenwaarden. Alle waarden die in (gehele) getallen worden uitgedrukt, zijn discreet. Zo is een meetwaarde die
na conversie als getal in de micro-controller voorkomt, een discrete waarde.
De meetwaarde wordt in het geheugen of de registers van de micro-controller weergegeven als een getal.
Tussen het minimum van dat getal (vaak 0) en het maximum van dat getal (bepaald door het aantal bits waarin
het getal wordt weergegeven) kan slechts een beperkt aantal tussenwaarden worden gemaakt.
Resolutie
Het zal duidelijk zijn dat bij conversie van analoog naar discreet, informatieverlies optreedt. Allerlei
tussenwaarden die het analoge signaal wel kan aannemen, kunnen op discrete wijze niet worden weergegeven.
Bij conversie van analoog naar discreet treedt dus noodgedwongen een fout op. De grootte van deze fout wordt
bepaald door het aantal verschillende waarden dat het discrete getal kan aannemen. Vaak wordt dit aantal
stapjes waarin het ingangssignaal wordt opgedeeld, weergegeven als het aantal bits dat voor het getal gebruikt
wordt. Zo wordt het ingangssignaal bij een 8-bits converter opgedeeld in 256 stapjes. De conversie heeft dan
een resolutie van 8 bits.
Een andere manier om het aantal stapjes en dus de resolutie aan te geven, komt men tegen bij de specificatie
van een digitale voltmeter. Hier wordt opgegeven wat het grootste getal is dat op het display kan staan. Men
spreekt dan bijvoorbeeld van een 3½ digit voltmeter. Het getal op het display kan dan van 0 tot 2000 lopen. De
TIRPIF01 20-07-17
7
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
weergave is dan bijvoorbeeld van 0.000 tot en met 1.999 Volt op het 2 Volt bereik. De resolutie is dan 2000
stapjes, in dit geval ook wel 'counts' genoemd.
Nauwkeurigheid
Ofschoon een hoge resolutie de illusie van een hoge nauwkeurigheid geeft, zijn deze twee gegevens in principe
onafhankelijk.
Een converter met een lage resolutie is bijvoorbeeld een comparator. Een comparator heeft een '1' als
uitgangssignaal wanneer de ingangsspanning een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, en anders is de
uitgang een '0'. Men kan een comparator dus opvatten als een A/D converter met een resolutie van één bit. Er
kan, met gelijkblijvende resolutie, een nauwkeurige comparator gemaakt worden, of een onnauwkeurige.
Bij een nauwkeurige comparator klapt de uitgang bijvoorbeeld om bij een ingangsspanning van 1 Volt ±0.1%.
Het omklapniveau ligt dan tussen 0.999 Volt en 1.001 Volt. De specificatie van een onnauwkeurige comparator
zou kunnen zijn: 1 Volt ±10%. Het omklapniveau ligt in dat geval ergens tussen 0.9 Volt en 1.1 Volt.
De nauwkeurigheid waarmee het omklapniveau van een comparator vastligt heeft geen directe relatie met de
door de comparator geleverde resolutie (deze blijft één bit.)
Wanneer een digitale voltmeter met een hoge resolutie (bijvoorbeeld 6½ digit) niet regelmatig wordt
gecontroleerd en gecalibreerd, of onoordeelkundig gerepareerd werd, kan de relatie tussen aanwijzing en
aangeboden spanning zeer onnauwkeurig zijn, ondanks de hoge resolutie van de aanwijzing.
Digitaal en discreet
Een digitaal signaal is een signaal dat slechts twee niveaus kan aannemen: een '0' of een '1'. Een discrete
waarde is een waarde die wordt weergegeven als een geheel getal. Er is een subtiel onderscheid tussen de
begrippen digitaal en discreet. Zo heeft de SMARTEC temperatuursensor een digitaal uitgangssignaal. De
informatie over de door de sensor gemeten temperatuur wordt in dit digitale signaal weergegeven middels de
duty-cycle van het signaal. Deze duty-cycle kan in principe alle waarden tussen 0% en 100% aannemen. Het
door de sensor geleverde signaal is dus weliswaar digitaal, maar niet discreet. De discrete waarde onstaat pas
wanneer de micro-controller dit duty-cycle gemoduleerde signaal heeft gemeten, en de gemeten waarde als
getal ergens in het geheugen heeft opgeslagen.
Elke A/D converter levert een digitaal signaal, maar niet alle typen A/D converters leveren direct een discrete
waarde. In het laatste geval moet door de micro-controller het door de A/D converter afgegeven signaal nog
bewerkt worden voordat de discrete meetwaarde in het programma in de micro-controller toegepast kan
worden. Verschillende typen A/D converters zullen in deze les behandeld worden.
Kwantiseringsfout
De fout die ontstaat doordat de meetwaarde discreet wordt weergegeven heet kwantiseringsfout. Deze en
andere fouten die tijdens het converteren kunnen optreden worden vaak opgegeven in eenheden van het
kleinste stapje dat weergegeven kan worden. Dit kleinste stapje komt bij een binair getal overeen met een
verandering van het Least Significant Bit van de discrete meetwaarde. De grootte van de kwantiseringsfout is
altijd 1 LSB.
TIRPIF01 20-07-17
8
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Hierboven is een converter met een resolutie van 2 bits (3 stapjes) gegeven. De converter heeft een
ingangsbereik van Vl...Vh. Dit ingangsbereik wordt door de converter in stapjes verdeeld, en aan elk stapje
wordt een unieke uitgangscode gekoppeld. De kwantiseringsfout is 1 LSB, dus bij een 2-bits converter en een
ingangsbereik van Vl....Vh is de kwantiseringsfout ¼(Vh-Vl).
Wanneer in de bovenste grafiek de uitgangscode bijvoorbeeld 01 is, geeft dit aan dat de ingangsspanning
tussen ¼(Vh-Vl) en ½(Vh-Vl) moet liggen. De afwijking tussen analoog ingangssignaal en weergegeven getal
ligt tussen -0 en +1 LSB. De converter rondt af naar beneden.
Vaak is het beter wanneer de afwijking tussen -½ en +½ LSB ligt. Hiertoe moet de conversie volgens de
onderste grafiek gedaan worden. De niveaus waarbij de uitgangscode verandert zijn ½ LSB verschoven. De
meeste converters (ook die in de 68HC11) werken volgens deze onderste grafiek.
Merk op, dat er geen uitgangscode beschikbaar is voor de 'volle schaal' waarde Vh. Het maximale
ingangssignaal waarvoor nog een 'geldige' code gegenereerd kan worden ligt ½ LSB onder de volle schaal
waarde.
In onderstaande figuur is nog eens de karakteristiek van een 4-bits converter gegeven.
TIRPIF01 20-07-17
9
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Offset fouten
Naast de altijd aanwezige kwantiseringsfout kennen converters ook fouten met een andere oorzaak. Deze
onstaan door onnauwkeurigheden in het ingangscircuit, drift en offset fouten in ingangsversterkers, etc.
Een offsetfout geeft een verschuiving van het nulpunt van de converter. In de onderste grafiek van figuur 1 zou
een offsetfout ertoe leiden dat de codewisseling van 00 naar 01 niet optreedt bij exact 1/8(Vh-Vl) (bij een 2-bits
converter), maar bij een andere ingangsspanning. Het verschil tussen twee codewisselingen blijft wel steeds
exact ¼(Vh-Vl) bij een 2-bits converter. Het verband tussen ingangsspanning en uitgangscode is weergegeven
in de bovenste grafiek van het volgende figuur. Een offsetfout leidt ertoe dat de overdrachtsfunctie niet exact
door het nulpunt van de grafiek gaat.
Span fouten
Het ingangsbereik van een converter (het verschil tussen maximale en minimale ingangsspanning) heet ook wel
de 'span' van de converter.
Een spanfout in een converter geeft een fout in de volle-schaal waarde van de converter. Wanneer er sprake is
van een spanfout is het verschil tussen twee codewisselingen groter of kleiner dan exact ¼(Vh-Vl) bij een 2-bits
converter. De onderste grafiek in de volgende figuur geeft de overdrachtsfunctie van een 4-bits converter met
een spanfout.
TIRPIF01 20-07-17
10
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Lineariteitsfouten
Naast de genoemde offset- en spanfouten kan een converter ook fouten in de lineariteit van de overdracht
vertonen. In dat geval is niet voor elke codewisseling evenveel verschil in ingangssignaal nodig. De
onderstaande figuur geeft dit aan in een grafiek voor de overdracht van een converter met een lineariteitsfout.
Offset- en spanfouten zijn door een calibratie over het algemeen goed op te heffen. Lineariteitsfouten zijn
nauwelijks te corrigeren.
In de specificaties van een A/D converter wordt vaak de totale fout ten gevolge van niet-lineariteit etc.
opgegeven in LSB's. Bij een goede A/D converter is deze fout kleiner dan ±½ LSB. Samen met de
kwantiseringsfout (waaraan in een specificatie meestal geen aandacht wordt geschonken) zal de maximale
conversiefout dan ±1 LSB zijn.
TIRPIF01 20-07-17
11
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Conversiesnelheid
Een belangrijk kenmerk van een A/D converter is de conversiesnelheid. Een conversie kost tijd. Daarom wordt
van het ingangssignaal een monster (sample) genomen, en geconverteerd. Daarna kan een nieuw sample
genomen worden en geconverteerd. De geconverteerde waarden geven daarom geen informatie over het
gedrag van het ingangssignaal tussen de samples in. Men zou kunnen zeggen dat het signaal ook in de tijd
gezien discreet gemaakt wordt.
Doordat alleen op bepaalde tijdstippen informatie over het ingangssignaal beschikbaar komt, kan uit de
geconverteerde waarden de exacte vorm van het ingangssignaal niet juist gereconstrueerd worden. In
onderstaand figuur zijn twee verschillende signalen weergegeven, die op de bemonsterings tijdstippen toch
dezelfde meetwaarden opleveren.
Voor een op het oog juiste reconstructie van het ingangssignaal (bijvoorbeeld wanneer het gemeten signaal in
een grafiek moet worden weergegeven) is minstens een tiental meetwaarden nodig in iedere periode van het
ingangssignaal. De theoretische limiet voor een correcte reconstructie van het ingangssignaal ligt bij een
bemonsteringssnelheid die tweemaal zo hoog is als de hoogste frequentie die in het te meten signaal voorkomt.
TIRPIF01 20-07-17
12
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
5. Sensoren en actuatoren in auto`s.
Een elektronische systemen werkt volgens het volgende principe voor gegevensverwerking:
INPUT
Sensoren
VERWERKING
→
regeleenheid
OUTPUT
→
actuatoren.
Bij de input gaat het voornamelijk om sensoren, die ook als signaalgever, voeler of opnemer aangeduid worden.
De verwerking van de elektrische signalen gebeurt in een centrale microcomputer (regeleenheid) die
door middel van geprogrammeerde mathematisch formules en kenvelden de beslissingen neemt en de
actuatoren aanstuurt.
Aan de output-zijde bevinden zich de actuatoren (bedienbare componenten), die de commando's van de
regeleenheid omzetten.
Sensoren en actuatoren kunnen, afhankelijk van hun functie analoog, binair of digitaal werken.
Sensoren worden voornamelijk in de volgende bereiken ingezet:
• Veiligheid (b.v. ESP, ABS en airbag)
• Aandrijving (b.v. lambda-sonde, nokkenaspositiesensor en klopsensor)
• Comfort (b.v. regensensor, airconditioningsensor en afstandbediening voor de deurvergrendeling)
Sensoren worden afhankelijk van hun functioneren bij het omvormen van niet-elektrische in elektrische
signalen onderscheiden in actieve en passieve sensoren. Het onderscheid wanneer een sensor "actief" of
"passief" is, is ook onder vakmensen niet eenduidig gedefinieerd.
Hierna wordt daarom een algemene verklaring gegeven, zonder de intentie te hebben volledig te zijn.
• Actieve sensoren zijn voelers, die intern versterkende of signaalvormende bouwelementen bevatten en met
een
spanningsverzorging functioneren. Het sensorsignaal is rechthoekig, en wordt gevormd door in de sensor
geïntegreerde elektronica.
• Passieve sensoren zijn sensoren die alleen passieve elementen (spoel, weerstand, condensator) bevatten.
De signalen worden in de meeste gevallen als analoge spanning uitgegeven.
Toerentalsensoren bij ABS kunnen daarom "actief" of "passief" zijn. Toerentalsensoren zonder permanente
spanningsverzorging ("passieve" spoel) worden "passief" genoemd. Toerentalsensoren welke hun "actieve"
elektronisch gedeelte permanent aan spanningsvoorziening hebben liggen (voor b.v. het werkingsprincipe van
het Hall-effect) worden als "actief" aangeduid.
De elektronica in voertuigen kan alleen functioneren, als de sensoren - de elektronische zintuigen van de
microcomputer - fysische grootheden zoals temperaturen, toerentallen, hoekverdraaïngen, drukken etc. in
elektrische signalen omzetten en aan de regeleenheid verder melden. Omdat de sensoren afhankelijk van de
plaats waar ze binnen het voertuig worden ingezet vaak aan extreme omstandigheden worden blootgesteld,
hangt van hun betrouwbaarheid het succes van de motor- elektronica af.
Enkele belangrijke sensoren voor de aansturing en regeling van de motor zullen hierna nader worden
besproken.
De inductieve-sensor
Voor het registreren van bewegingen (wielomwentelingen, krukasomwentelingen, etc.) en posities (BDP)
gebruikt men bijvoorbeeld volgens het inductieprincipe werkende sensoren (of inductiegevers).
Het fysische principe voor de opwekking van een inductiespanning berust op de tijdelijke verandering van de
magneetstroom. De toerentalgever bijvoorbeeld, tast de tanden van de tandkrans van het vliegwiel af en levert
per tand een uitgangsimpuls.
TIRPIF01 20-07-17
13
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
De bovenstaande figuur toont het signaalverloop van een ABS-sensor bij laag toerental.
Hall-sensor
Ook met de Hall-sensor kunnen toerentallen (snelheidsensor, frequentiegever voor de afgelegde afstand) en
posities (ontstekingstijdstip) geregistreerd worden.
In de Hall-sonde, die doorstroomt wordt met een stuurstroom, wordt een tot de magnetische stroom B
proportionele spanning U H (Hallspanning) opgewekt. Door een roterende afschermplaat laat het magneetveld
zich fase-gelijk tot het toerental veranderen en daarmee een tot de magnetische stroom B proportioneel
spanningssignaal opwekken.
De aan de Hallgenerator afgenomen spanning U H ligt in millivoltbereik en moet met behulp van een Hall-Ics
versterkt en in een rechthoekig spanningssignaal (binair signaal) omgezet worden.
Bovenstaande figuur toont het signaalverloop van een Hall-gever in de verdeler bij stationair toerental.
Temperatuur-sensor
Temperatuurmetingen aan de motor en in de stroom van de aangezogen lucht leveren de elektronische
regeleenheid belangrijke gegevens over de belastingfase waarin de motor zich op het moment bevindt. De
temperatuur-sensoren meten elektronisch d.m.v. zogenaamde NTC-weerstanden resp. PTC-weerstanden de
TIRPIF01 20-07-17
14
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
temperatuur via weerstandsveranderingen. Er worden hoofdzakelijk NTC- weerstanden gebruikt.
NTC betekent Negatieve Temperatuur Coëfficiënt: de halfgeleiderweerstand vermindert zijn waarde bij stijgende
temperatuur. PTC betekent analoge Positieve Temperatuur Coëfficiënt: de weerstand vermindert zijn waarde bij
dalende temperaturen.
De bij elke temperatuurwaarde behorende weerstandswaarde wordt in de vorm van een spanningssignaal, aan
de regeleenheid verder gegeven.
De bovenstaande figuur toont het spanningsverloop van een koelmiddeltemperatuur-sensor, direct na de
koudstart in de opwarmfase met een verhoogd motortoerental van 2.000 1/min.
Druk-sensor
Voor de meting
van absolute resp.
relatieve drukken
gebruikt men
piëzo-elektrische
sensoren. Zij
wekken een
elektrische
spanning op bij
belasting door
drukkrachten. Op
motorgebied
worden ze
bijvoorbeeld bij inspuitsystemen gebruikt als klopsensor of als drukvoeler in het inlaatspruitstuk, om de
lasttoestand van de motor aan de regeleenheid te melden.
TIRPIF01 20-07-17
15
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
De bovenstaande figuur toont het signaalverloop van een MAP-sensor waarvan de frequentie verandert
afhankelijk van de druk in het inlaatspruitstuk.
Zuurstof-sonde (lambda-sonde)
Om er voor te zorgen dat voor de katalytische behandeling van het uitlaatgas een lambda-waarde van
 = 1,00 zo precies mogelijk nageleefd wordt, zit in de stroom van de uitlaatgassen een lambda-sonde.
De sensor bestaat uit een speciaal hol huis, aan een zijde gesloten, waarvan het binnenste deel met
de buitenlucht verbonden is, terwijl de buitenwand omstroomt wordt door hete uitlaatgassen.
.
De spanning verandert zich bij veranderende uitlaatgassamenstelling. De spanning wordt doorgegeven
 -regelcircuit de lucht-brandstofverhouding op
 = 1,00 gecorrigeerd.
De bovenstaande figuur toont het signaalverloop van een lambda-sonde bij stationair toerental.
Potentiometer
Voor het registreren van de gaskleppositie, gaspedaalpositie etc. gebruikt men zogenaamde
potentiometrische sensoren, d.w.z. sensoren die hun werkweerstand veranderen.
Bij de gaskleppositie wordt de glijbaan van een potentiometer proportioneel tot de gasklepstand
bediend, waardoor een overeenkomende spanningsval wordt opgewekt die wordt doorgegeven aan de
regeleenheid.
TIRPIF01 20-07-17
16
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
De bovenstaande figuur toont het signaalverloop van een gaskleppositie-sensor van stationair toerental naar vollast.
Capacitieve sensoren
Vandaag de dag wordt er in de automobielbranche steeds meer gebruik gemaakt van capacitieve
sensoren (meting van het oliepeil, afstelling van de demper, acceleratiesensor). Daarvoor gebruikt men
bijvoorbeeld de verandering van de capaciteit van twee condensatoren met een gemeenschappelijke
elektrode die zich in het midden bevindt.
Onder invloed van een kracht verandert de afstand van de middelste elektrode. Daarbij verwijdert deze
zich van haar tegenhanger aan de ene kant en komt dichter bij de andere. Dienovereenkomstig
verkleint resp. vergroot de capaciteit. Door het verschil te berekenen, bekomt men een maatstaf voor
de afwijkende acceleratie. Een dergelijke differentiaalcondensator bestaat uit op silicium gebaseerd
materiaal en is dus in grote aantallen goedkoop te produceren.
1 = condensatorelement; 2 + 3 = vaste condensatorplaten;
4 = beweegbare condensatorplaten; 5 = beweegbare massa;
6 = veerstift; 7 = verankering; C = luchtspleet (diëlektricum);
a = richting van de acceleratie
regeleenheid
Omdat de microcomputer in de regeleenheid intern alleen de toestanden „AAN" en „UIT" of „1" en "0"
kent, moeten de ingangssignalen de door de sensoren vastgestelde fysische grootheden zoals
toerental, temperatuur, hoekverdraaïng etc. allereerst in deze vorm worden omgezet.
TIRPIF01 20-07-17
17
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
Analoog/digitaal-omvormer (A/D)
Analoog/digitaal-omvormers vormen analoge signalen om in digitale signalen.
Voorbeelden voor analoge ingangssignalen zijn:
• temperatuurvoeler
• luchthoeveelheidmeter
• gaskleppositiesensor
Impulsomvormer (IF)
Impulsomvormers vormen bepaalde ingangssignalen om in rechthoeksignalen.
Voorbeelden voor inputsignalen, die in impulsomvormers verwerkt worden:
• toerentalgever
• lambda-sonde
Om variaties in spanningen te voorkomen, verzorgt de PCM zijn sensoren met een gestabiliseerde
spanning van 5 Volt (referentiespanning). Ook de massa in de PCM is steeds potentiaalvrij, de
voertuigmassa op grond van de aanwezige storingsbronnen echter niet.
Microprocessor (CPU)
De microprocessor (CPU = Control Processor Unit = centrale regeleenheid) haalt bevelen uit het
programmageheugen (ROM) en voert deze uit. Tot de taken van de CPU behoren:
• De vastgelegde toestandgrootheden (IS-waarden) in het werkgeheugen (RAM) te laden.
• Afhankelijk van deze waarden de daadwerkelijke werkomstandigheden te identificeren.
• Uit het programmageheugen (ROM) de kenvelden voor deze werkomstandigheden over te
nemen.
• Meetwaarden en kenveldwaarden via de in het programmageheugen vastgelegde calculaties te
koppelen.
• Uit tussenwaarden en meetwaarden aanstuursignalen te berekenen.
• De aanstuursignalen aan de INPUT/OUTPUT-bouwstenen (I/O = In/Out) verder te geven.
TIRPIF01 20-07-17
18
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
De door de centrale regeleenheid (CPU) uitgegeven signalen zijn te zwak om de actuatoren aan te
sturen. Deze signalen worden daarom in eindtrappen versterkt.
Voorbeelden van actuatoren die door vermogens-eindtrappen aangestuurd worden:
• Injector
• Regelklep voor het stationaire toerental
• Bobine
• Brandstofpomp
De laatste jaren is het door nieuwe technieken gelukt, steeds kleinere, minder gevoelige en krachtigere
regeleenheden te bouwen.
3. Actuatoren (bedienbare componenten)
Actuatoren - figuurlijk aangeduid als "spieren van de micro-elektronica" - sturen, schakelen en regelen
technische processen. De elektrische digitale of analoge Stuursignalen worden door de regeleenheid
omgezet in mechanische arbeid. (kracht x weg).
De energie-omzetting gebeurt motorisch, pneumatisch, hydraulisch, magnetisch en als optische
weergave.
Voor positionering worden voornamelijk mechanisch of elektronisch aangestuurde gelijkstroommotoren
en stappenmotoren gebruikt.
Actuatoren zijn in de meeste gevallen elektromagneten, die bij ingeschakeld contact aan de pluszijde
continu met 12 Volt worden gevoed. De regeleenheid stuurt via de massazijde en verbindt de
massadraad van de magneet met de motormassa.
Omdat computers alleen in digitale O/I-modus kunnen werken, wordt de elektromagneet meerdere
malen per seconde in- en uitgeschakeld. Daarbij wordt door verandering van de inschakelduur, ook
wel duty-cycle genoemd, een nagenoeg traploos openen en sluiten van een ventiel gerealiseerd. Deze
manier van aansturing heet pulsbreedte-modulatie.
Een regeling van de duty-cycle is voor de computer een eenvoudige methode om door veranderen van
de bovenste pulsbreedte (inschakelduur) de spanning te variëren. De gemiddelde spanning naar het
bedienbare component is dan proportioneel tot de bovenste pulsbreedte.
a = bovenste pulsbreedte
b = onderste pulsbreedte
c = periode
TIRPIF01 20-07-17
19
MODULEWIJZER
HOGESCHOOL ROTTERDAM/CMI
De volgende figuren tonen een elektrisch signaal, welke steeds dezelfde frequentie heeft, maar
waarvan de spanning en in- en uitgeschakeld wordt.
De bovenste pulsbreedte bedraagt hier 60%
en de onderste pulsbreedte 40%.
Het procentuele aandeel van de inschakeltijd
komt overeen met een duty-cycle van 60%.
De gemiddelde spanning bedraagt dus
60% van 12 V = 7,2 V
De bovenste pulsbreedte bedraagt hier 75%
en de onderste pulsbreedte 25%.
Het procentuele aandeel van de inschakeltijd
komt overeen met een duty-cycle van 75%.
De gemiddelde spanning bedraagt dus
75% van 12 V = 9 V
De bovenste pulsbreedte bedraagt hier 50%
en de onderste pulsbreedte 50%.
Het procentuele aandeel van de inschakeltijd
komt overeen met een duty-cycle van 50%.
De gemiddelde spanning bedraagt dus
50% van 12 V = 6 V
TIRPIF01 20-07-17
20