A Formula-1 2008-as szezonjában bevezetett technikai szabályváltozások következtében a száguldó cirkuszban résztvevő minden egyes csapat versenyautóiban ugyanolyan Elektronikai Vezérlő Egységet, vagy ahogyan a közismert mozaikszóval nevezzük, ECU-t kell alkalmazni.

A Formula-1 2008-as szezonjában bevezetett technikai szabályváltozások következtében a száguldó cirkuszban résztvevő minden egyes csapat versenyautóiban ugyanolyan Elektronikai Vezérlő Egységet, vagy ahogyan a közismert mozaikszóval nevezzük, ECU-t kell alkalmazni.

Ennek az egységnek rendkívül összetett feladatot kell ellátnia, hiszen a motor igénybevételének függvényében biztosítania kell az elvárt teljesítményhez szükséges legoptimálisabb üzemanyag-levegő keveréket, és szabályoznia kell a gyújtást is. Az egyes feladatok elvégzéséhez a rendszer számos kiegészítő perifériaelemet, szenzorokat és érzékelőket is tartalmaz, amelyek üzemmódjelzései alapján végzi el az elektronika és az azt működtető szoftver a szükséges beavatkozásokat.

Az ECU-t bemutató cikksorozat első részében bemutatásra került a rendszer felépítése és működése, míg a következőkben a McLaren Electronic Systems (MES) által készített, és az F1 számára szállított, az ECU rendszerelemeit képező elektronikákról és perifériaelemekről esik néhány szó.

CAN Interfész Egység (CIU-3)

A Formula-1-es versenyautókban használatos érzékelők és a különböző feladatra szakosított jelfeldolgozók összefűzése az erre a célra készített kommunikációs protokolon, ún. CAN buszon keresztül valósul meg. Ehhez a CIU-3 típusú csatolóboxot prezentálja az MES, amely tulajdonképpen nem más, mint egy háromcsatornás jelfogadó egység. Ahogyan a megnevezésében szerepelő hármas szám is mutatja, összesen 3db szenzor jelét képes fogadni ez az eszköz, amely az érzékelők által előállított feszültség értékeket fordítja le a CAN busz számára kezelhető jelekké, és továbbítja azokat a vevőegységnek és/vagy a nagysebességű adatgyűjtő egység számára.

A CAN interfész egység szabályozatlan, 8…16V feszültséggel működtethető, amely a hozzá csatlakozó szenzorok szabályozott- és szabályozatlan tápfeszültségét is képes biztosítani. A szabályozott szenzorfeszültség a maximális 50mA-es áramérték mellett 5V, ami +/-10mV toleranciával értendő.

A 0…5V-os bemenő feszültségértékeket továbbító egység 1Mbit/s-os adatátviteli sebességre képes CAN buszon keresztül kommunikál a hozzá kapcsolódó, korábban is említett vevő- és/vagy adatgyűjtő egységgel. Az adatfeldolgozás folyamatában a szenzoroktól érkező jelek mintavételi idejét az ECU-ban lévő vezérlőprogram segítségével lehet megadni, amelynek felső limitált értéke 1kHz.

Mint ahogyan az a Formula-1-es versenyautók minden egyes alkotóelemével kapcsolatban elmondható, a háromcsatornás interfész egységnek is a lehető legkisebb súllyal kell rendelkeznie. A CIU-3-as névre hallgató elektronika tehát, hogy a szükséges mechanikai védelem mellett ennek a kritériumnak is maximálisan megfeleljen, galvanizált alumínium házat kapott, és a fekete festéssel ellátott doboz mindössze 80g-ot képvisel a versenyautó teljes súlyából.

A Formula-1-es versenyautó oldaldobozában helyet foglaló interfész modul tulajdonságaihoz hozzátartozik a magas hőmérséklettel, és az autóban alkalmazott folyadékokkal – víz, olajok, adalékanyagok – szembeni ellenálló képesség is. A megfelelő szigetelési jellemzők biztosítására a két félből álló burkolat között hőálló szilikon tömítés van elhelyezve, míg az alapos tervezés, és a felhasznált speciális elektronikai elemeknek köszönhetően 0…115°C-os hőmérséklettartományban képes probléma nélkül ellátni a rábízott feladatokat.
Egy Formula-1-es autóban azonban nemcsak az elektronikai elemek közvetlen környezetében keletkező magas hőmérséklet és az esetleges szivárgó folyadékok elleni védekezésről kell gondoskodnia a mérnököknek, hiszen az autó üzemelése közben keletkező vibrációt is szem előtt kell tartani. Ennek megfelelően a CIU-3-as elektronika egészen 1000Hz-es frekvenciát jelentő rezgést is képes károsodás nélkül elviselni.

Vezérlő Interfész Egység (CIU-400)

A Formula-1-es versenyautókban lévő ECU rendszer kiegészítő vezérlési eleme a CIU-400-as névvel ellátott Vezérlő Interfész Egység. A 128Mhz-en történő üzemelése során 1kHz-es mintavételezéssel dolgozza fel a hozzá csatlakozó érzékelők és mérőegységek analóg jeleit, mint például az erőátviteli rendszerben lévő nyomatékszenzorok esetében.

Az egység megfelelő működéséhez a hozzá tartozó Matlab/Simulink szoftver felhasználásával kell a mérnököknek pontosan konfigurálni, hogy milyen típusú és milyen paraméterezéssel (alap- és végértékek megadása, stb) rendelkező szenzorokat kell fogadnia az eszköznek. Csakúgy, mint az a CIU-3 esetében is említésre került, a CIU-400-as egység is CAN protokollon keresztül kommunikál, amelyből összesen három elkülönített, 1Mbit/s-os adatátviteli sebességre képes csatorna került kialakításra, hogy az ECU, vagy más, szintén CAN buszon felfűzött további periféria elemekkel is biztosított legyen a megfelelő kommunikáció és adatátvitel.

Ahogyan az a CIU-400-as nevében is szerepel, egy Vezérlő Interfész Egységről van szó, amelynek legfőbb jellemzője az, hogy önálló vezérlőmodulként is alkalmazható a hozzá csatlakoztatott CAN eszközök konfigurálásához és működtetéséhez.

A vezérlő egység 8…16VDC feszültséggel hozható működésbe, amely az átmeneti feszültségingadozásokat elviseli ugyan, és polaritás-védelemmel is rendelkezik, de az érték felső határa nem haladhatja meg tartósan a 17V-os szintet. Terheletlen állapotban, vagyis amikor a vezérlő modul bemenetén nincs semmiféle jel, mindössze 0.55A, míg maximális terhelés esetén 0.7A-es üzemi áram keletkezik.

Ahogyan az korábban említésre került, a Vezérlő Interfész Egység egyik legnagyobb erőssége, hogy önálló kontrollerként is felhasználható. Az egység egy 128MHz-es, 32bites processzort tartalmaz, amely egy 32bites operációs rendszerrel rendelkezik. A program és egyes paraméterek tárolásához összesen háromféle memória került beépítésre a CIU-400-as tokozatába, ami egy 2MB-os program flash memóriát, egy 64kB-os SRAM modult és egy szintén 64kB-os EEPROM-ot tartalmaz.

A megfelelő mechanikai védelem biztosítása érdekében magnézium ötvözetből készült tokozat védi az elektronikai elemeket, amely mindössze 215g-ot képvisel. A versenyautóban használatos folyadékok esetleges szivárgása elleni védelem érdekében a tokozat két fele között szilikon tömítés található, aminek köszönhetően az egységet akár 100%-os páratartalom esetében is lehet alkalmazni.

A vezérlő modul jellemzője továbbá, hogy saját belső hőmérsékletmérő szenzorral rendelkezik, amely egészen addig engedi az egység biztonságos használatát, amíg az általa mért érték nem haladja meg a 70°C-os szintet. A hőmérsékleti jellemzők mellett maradva elmondható továbbá, hogy az interfész egység tárolására a gyártó igencsak széles tartományt jelöl meg, amely -10…85°C közé van meghatározva.

A CAN Interfész Egységhez hasonlóan a vezérlő modulnak is el kell viselnie bizonyos mértékű vibrációt, amit 1000Hz-en limitál az MES, de mindenképpen javasolt a beépítését úgy megoldani, hogy az egységet érő rezonancia a lehető legkisebb legyen.

A CIU-400-as modul összesen 12db 0…5V-os, konfigurálható szenzor jelét képes fogadni, amelyek között 12bites felbontással rendelkező Pt1000 hőmérsékletérzékelők is szerepelhetnek. A vezérlő modul további különlegessége, hogy a kialakított analóg bemenetének köszönhetően 0…5V, 12bites analóg jelet előállító érzékelő, vagy távadó és Hall sebesség érzékelő is csatlakoztatható hozzá, miközben időalappal rendelkező bemenettel is ellátták azt a mérnökök.

Guminyomás ellenőrző rendszer

A Formula-1-es versenyautók esetében igen fontos szerepet játszanak a gumiabroncsok minősége, éppen ezért azok állapotára mindvégig oda kell figyelnie a mérnököknek, amíg a pilóta rója a köröket a versenypályán. Fontos mindez azért, mert a motor, a sebességváltó és a teljes erőátviteli rendszer által biztosítható nyomaték aszfaltra történő átvitele a kerekek feladata.

A gumiabroncsok folyamatos monitorozására alkalmas rendszer megtervezése és kivitelezése már önmagában véve komoly kihívást jelent a szakemberek számára, hiszen az elektronikai elemeknek azok beépítési helyéből adódóan nemcsak az extrém G-erőknek és a vibrációnak kell ellenállni, hanem a féktárcsákhoz közeli pozíciójuk miatt az ott keletkező, akár 1000˚C-os hőmérséklettel is meg kell birkózniuk.

A kerékabroncsban vezeték nélküli érzékelőket alkalmaznak, amelyek helyi UHF (ultrarövid hullám) rádiócsatornán keresztül továbbítják a jeleket a pilótafülkében elhelyezett központi vevőegységnek. Az így összegyűjtött információk pedig a versenyautó telemetriai rendszerén keresztül a boxutca falánál kiépített irányítópulthoz továbbítódnak.

A rendszer megfelelő kialakítása rendkívül nehéz, hiszen autónként az egy vevőegységből, egy antennából, és a négy keréknél elhelyezett egy-egy szenzorból álló csomagnak kell tökéletes egységet alkotnia úgy, hogy az ne jelentsen jelentős súlytöbbletet a versenyautó egészére nézve. Mindezek mellett a vezeték nélküli technikához alkalmazkodva a szenzorok működéséhez szükséges energiaellátásban résztvevő elemek cserélhetőségét is meg kell oldani úgy, hogy végül egy valóban jól használható rendszer álljon össze. A korábbiakban alkalmazott rendszereknél az egyik legnagyobb problémát az elemek élettartama jelentette.

A Formula-1-es versenyautóknál jelenleg használt guminyomás-érzékelő rendszer sikeressége a megfelelő rádiófrekvenciás áramkör és a szenzorvezérlő program tökéletes összhangján alapszik. Az adatátvitel titkosításához külön kódrendszert alkalmaznak, ami lehetővé teszi, hogy minden egyes versenyautó saját önálló azonosító kóddal rendelkezzen.

A szenzorok – amelyek saját Lítium tionil-klorid elemmel rendelkeznek – működtetéséhez 2.5…3.6V tápfeszültségre van szükség. Az általuk mérhető nyomástartomány 0.3…2.068bar között mozog, és a mérések során átlagosan +/-10mbar pontossággal rendelkeznek, amely érték maximálisan +/-20mbar lehet. A nyomásmérők megfelelő működéséhez elengedhetetlen az általuk mért- és a vevőegység felé továbbított jelsorozatok megfelelő felbontása is, amely 0.69mbar/bit értéket képvisel.

A Formula-1-es versenyautó kerekeiben elhelyezett szenzorok jeleit fogadó vevőegység 8…16VDC tápfeszültséget igényel annak működéséhez. A CAN buszon kommunikáló egység komplexitását mutatja azon adat is, hogy összesen 240db érzékelő jeleit képes fogadni és eltárolni a mérnökök által a későbbiekben elvégzendő adatfeldolgozás érdekében.

A burkolatok és tokozások megfelelő kialakítása is elengedhetetlen. A 25mm- es átmérővel és a 16mm-es hosszal rendelkező érzékelő és annak tartója mindössze 40g-ot nyom, és az elkészítése során használt 6AL4V titánnak köszönhetően pedig képes ellenállni a kerékabroncsnál kialakuló magas hőmérsékletnek, a G-erőknek, és a gyorsítások, valamint a lassítások során kialakuló dinamikus terheléseknek.

Nem ritka az olyan eset sem, amikor az adott versenypálya hosszabb egyenesének végén a szenzorra akár 1500G centripetális erő hat. Érdekesség, hogy a tesztelések során kiderült, hogy a kerék forgása közben kialakuló dinamikus erőhatások következtében megváltozik az elemek vegyi összetétele, éppen ezért az elemek megfelelő módon történő specifikálása és a megfelelő burkolatok kialakítása kulcsfontosságúak a működőképes rendszer, és azok alkotóelemeinek elkészítése szempontjából.

A fejlesztések során a legnagyobb hangsúlyt az energiaellátásra kellett fordítani. A szenzoroknak állandó kapcsolatban kell lenni a kerékabronccsal, és a rendszernek pedig folyamatosan mérnie kell a gumiban lévő nyomást, hogy az esetleges defekt során jelentkező nyomáscsökkenést minél gyorsabban lehessen észlelni. A szenzorban lévő vezérlő program összesen ötféle adatátviteli sebességet képes produkálni. Amikor a garázsban a keréken fent van a gumimelegítő paplan, akkor a guminyomás értéke a legkisebb átviteli sebességgel, mindössze 2.5 másodpercenként továbbítódik a vevőegységnek, hogy ezáltal is kíméljék a rendszert működtető elem élettartamát. Abban az esetben viszont, ha a szenzor nyomásváltozást észlel, a mintavételi idő lecsökken. A leggyorsabb mérés során 0.2 másodpercenként kapja meg a vevőegység a szenzor által továbbított jelet.

A megfelelő módon elkészített vezérlő program segítségével egy elemmel átlagosan több mint 5 millió adatátvitelt lehet megvalósítani, míg a szenzort néhány tesztet és versenyt követően ki kell kicserélni.

Kezdetben a guminyomást felügyelő rendszert biztonsági felszerelésként alkalmazták a Formula-1-ben, melynek segítségével az esetleges defektet kívánták időben észlelni. Mára viszont némileg változott a rendszer funkcionalitása. A mérnökök eleinte nem bíztak abban, hogy az új rendszerrel megfelelően lehet majd érzékelni a guminyomásban bekövetkező változásokat. A tesztelések során azonban egyértelműen bebizonyosodott, hogy a hőmérsékletben és a dinamikus terhelésben bekövetkező változások jelentős mértékben befolyásolják a gumikban lévő nyomás értékét. A mai modern F1-es versenyautókban alkalmazott megoldásnak köszönhetően tehát már nemcsak a biztonsági szinten, hanem a pályán nyújtott teljesítményen is nagymértékű előrelépést lehetett elérni az ismertetett rendszer használatának köszönhetően.

Hőmérsékletérzékelő Interfész Egység (TIU-32)

A Fomula-1-es versenyautókban a hőmérsékletérzékelők csoportba kötéséhez kétféle 32 csatornás interfész egységet alkalmaznak. A TIU-32 és a TIU-32C típusjelzésű perifériaelemek nemcsak 0…5V analóg jelparaméterek továbbítását képesek elvégezni, hanem a „C” kiegészítő jelzéssel ellátott változat az autóban használatos kommunikációs hálózatra, CAN buszra is felfűzhető. A standard TIU-32 csatolóbox 32 kompenzált jelet képes multiplex módon továbbítani a 2db skálázható 0…5V-os kimenetein keresztül. Az interfész működtetésénél, illetve konfigurálásánál természetesen az ECU-nak is van szerepe, hiszen az Elektronikai Vezérlő Egységben elvégzett paraméterezés alapján történik meg a kívánt kimeneti csatorna kiválasztása.

Az előzőekben említett, CAN kommunikációra képes eszköz már egy fejlettebb rendszerelem. Az integrált mikroprocesszor segítségével meghatározott időközönként mintákat vesz a hőmérsékletérzékelők által adott analóg jelekből, és elvégzi a szükséges skálázási műveleteket ahhoz, hogy az 1Mbit/s maximális adatátviteli sebességre képes CAN buszon keresztül elküldött értékek az ECU számára feldolgozható formátumba kerüljenek.

A Hőmérsékletérzékelő Interfész Egység működtetéséhez 7…17.5V feszültségre van szükség, amely az átmeneti feszültségingadozásokat elviseli ugyan, és polaritás-védelemmel is rendelkezik, de az érték felső határa nem haladhatja meg tartósan a 17.5V-os szintet. Általánosságban véve 70mA-es áramértékről lehet beszélni a TIU-32 és a TIU-32C esetében, ami maximális terhelés esetén 95mA-es üzemi árammá növekedhet.

Természetesen ennek az eszköznek is megfelelő mechanikai védelemmel kell rendelkeznie, ezért az interfész modulban lévő elektronikai elemeket fekete színű magnézium ötvözetből készített tokozással látják el, amellyel együtt a modul súlya nem haladja meg a 155g-os értéket.

A csatoló módul összesen 36db bemenettel rendelkezik. Ezek megoszlása úgy tevődik össze, hogy maximálisan 32db „K” típusú analóg hőmérsékletérzékelőt képes fogadni, amelyek egyenkénti mérési tartománya -50°C…1300°C között van. A maradék 4db bemeneti pontra pedig további, de már digitális szenzorok csatlakoztatására van lehetőség, amelyeket olyan beavatkozó elemek működtetése során is lehet használni, mint például a DRS mechanizmusnál alkalmazott MOOG E024-218L szervo szelepek esetében.

Ez a kicsi, de annál fontosabb szerepet betöltő szervo szelep voltaképpen az E030-as típus továbbfejlesztett változata, melyet a polgári használtara tervezett repülőgépek gyártásában és a katonai vadászrepülőgépek gyártásában is egyaránt alkalmaznak a hidraulikai rendszerek működtetéséhez. A Formula-1-ben használt változata azonban sokkal kompaktabb méretben készül el, amelynek köszönhetően a súlya is kisebb az E30-as változatnál. A miniatürizálás mellett azonban a mérnökök igyekeztek megtartani, sőt fokozni annak teljesítményét, hiszen a MOOG E040-es szervo szelep akár 7.5l/perc kapacitásra is képes. Ez a kétkörös működtető elem mindössze 92g-ot képvisel, amely az ECU-tól érkező 10mA-es jel hatására lép működésbe. Kiváló energiahatékonysága, és nagyszerű teljesítményszintje mellett egy további igen fontos tényező is mellette szól annak, hogy helye legyen egy Formula-1-es versenyautóban: a működtető impulzus hatására rendkívül gyorsan reagál, aminek köszönhetően rendkívül precíz kapcsolási karakterisztikával rendelkezik.

A fentiekben részletezett szervo szelepet viszont nemcsak a DRS működtetésére használják a Formula-1-ben. A csapatok ugyanis ezt alkalmazzák a gázszabályzó-körben, a differenciálmű, a sebességváltó és a kuplungmechanizmus működtetéséhez is.

Az interfész modul összesen 2db 0…5V-os kimenettel rendelkezik, amelyek skálázása szerint alapesetben -50°C-nál 60mV-os, 0°C-nál 230mV-os és 1000°C-nál pedig 3.944V-os feszültségértéket jelent. Természetesen ezen skálaparaméterek módosíthatóak, köszönhetően az 1Mbit/s-os adatátviteli sebességet lehetővé tevő CAN busznak.

Az interfész egység kivitelét tekintve az alkalmazott szilikon tömítésnek köszönhetően védve van a fröccsenő folyadékok ellen, és akár 100%-os páratartalom esetén is képes megfelelően üzemelni. Az alapos tervezésnek és a gyártás során alkalmazott anyagoknak köszönhetően -50°C…70°C között van az a hőmérséklettartomány, ahol alkalmazható ez az eszköz, amely egészen 1000Hz-es frekvenciát jelentő rezgést is képes károsodás nélkül elviselni. A modul beépítése során azonban törekedni kell arra, hogy a mérés pontosságának megőrzése érdekében az autó olyan pontján legyen elhelyezve, ahol a lehető legkisebb hőterhelés éri.

A Formula-1-es versenyautó megfelelő teljesítményéhez és ezzel együtt az általa elérhető dobogós helyezésekhez tehát nem elegendő a jó aerodinamikai csomag, egy erős motor vagy egy jól összerakott sebességváltó. A precíz mérnöki tervezés útján megszületett szerkezeti elemek és erőátviteli rendszer tökéletes összhangjához ugyanis elengedhetetlen a megfelelő elektronikai- és vezérlési rendszer alkalmazása.

Az ECU-t bemutató cikksorozat utolsó részében újabb perifériaelemek bemutatására kerül majd sor. Folytatás hamarosan …