Зверь почуял жертву. Его мозг молниеносно собрал данные от органов чувств и произвел необходимые вычисления: длина прыжка, сила, направление. Малейшая ошибка, и добыча ускользнет. Или сам зверь станет жертвой своей же неточности… Сегодня проведем «трепанацию черепа» животного и изучим его высокоточный и сверхбыстродействующий кремниевый мозг.
Начнем с требований, которые необходимо учитывать при разработке бортовой электроники гоночных мотоциклов. Но в этот раз не проводим границу между классами гоночных машин, потому что их электронные системы схожи.
Первое требование очевидно — бортовая электроника должна эффективно управлять сложнейшим агрегатом мотоцикла — двигателем и позволять пилоту максимально использовать его возможности в любых условиях.
Второе требование связано с тем, что персоналу «конюшен» необходимо знать точные последствия тех или иных изменений в настройках мотоцикла и действий пилота. Для этого необходимо иметь возможность измерять и запоминать огромное количество параметров, таких, как скорость, ускорение, угол наклона, положение ручки газа и т.п.
Требование номер три — некоторые из измеренных параметров необходимо в максимально удобной форме индицировать пилоту.
Ряд требований в равной степени относится ко всей бортовой электронике мотоциклов: влагопылезащищенность, минимальный вес, виброустойчивость, температурная стабильность, малое потребление электроэнергии. Надеюсь, это ясно.
Разберемся, как работает система управления впрыском топлива.* Одна из деталей системы впрыска — инжектор. По сути, это форсунка (или несколько форсунок), перед которой стоит электрический бензоклапан. Количество бензина, протекающего через инжектор, определяется давлением бензина, диаметром и количеством форсунок и продолжительностью открытия электромагнитного бензоклапана. Таким образом, для дозирования бензина, смешивающегося с воздухом во впускном тракте, необходимо изменять продолжительность фазы открытия электроклапана (все остальные параметры считаем постоянными). Каким же образом ECU определяет, на какое время открыть клапан? Ключ к решению задачи — карты впрыска топлива. Это — обычные таблицы, представленные в электронной форме и «зашитые» в память процессора ECU. Каждый раз, когда близится фаза впуска, процессор считывает информацию с датчиков оборотов, положения ручки газа, давления воздуха, температуры двигателя и т.п. и начинает путь по картам впрыска топлива. Например, в данный момент времени двигатель работает на 12 000 об/мин, и мы открыли газ на 70%. Вооружившись этими цифрами, процессор ECU «лезет» в таблицу и «ищет» строку и столбец, соответствующие этим оборотам и положению ручки газа. На пересечении нужного столбца и строки лежит ячейка с искомыми цифрами — продолжительностью открытия электромагнитного клапана топливного инжектора. Пусть для примера это будет 500 микросекунд.* Но на этом работа процессора не заканчивается. Процессор лезет в следующую карту и ищет ячейку, соответствующую найденному времени 500 микросекунд и температуре воздуха, например, 27 градусов. Содержимое найденной ячейки — поправка, которую следует добавить к полученному из первой таблицы времени. Но и это не все. Далее процессор по очереди обходит карты, содержащие поправки, зависящие от давления воздуха, температуры охлаждающей жидкости, масла и напряжения бортовой сети, и все это нужно успеть сделать менее чем за 0,005 секунды. В итоге получается примерно следующее: 500+15%-8%+3%-6%.* Это и есть точное время, на которое нужно открыть клапан инжектора для получения оптимальной смеси в данном цилиндре. Описанный процесс повторяется для каждого цилиндра и рабочего цикла. Аналогично картам впрыска существуют и карты зажигания, по которым ECU определяет оптимальный угол опережения и предотвращает детонацию. Все перечисленные карты для любых погодных условий разрабатываются на заводе во время динамометрических испытаний двигателей.
Из сказанного становится понятно, каким образом настраивают четырехтактные двигатели MotoGP и SBK и почему мы так часто видим механиков с портативными компьютерами. Совершенно верно, карты загружаются с этих самых ноутбуков. Представляете, насколько проще загрузить новые карты с помощью компьютера, чем менять жиклеры и иглы карбов «двухтактников» GP-125 и GP-250? Если же к этому добавить тот факт, что с помощью этих самых карт ECU может автоматически компенсировать практически любые изменения метеоусловий, то преимущество впрыска топлива над традиционными карбюраторами становится абсолютным. Более того, почти все мотоциклы MotoGP и некоторые байки SBK позволяют загрузить в ECU сразу несколько наборов карт впрыска и опережения (например, один набор карт оптимизирован под свойства свежей резины, другой — под «мокрую» и третий — для «уставшей») и переключаться с одной на другую прямо во время гонки.
Кроме того, карты впрыска отвечают еще за один немаловажный аспект работы двигателя. Да, это пресловутая форма кривых мощности и крутящего момента. Изменяя параметры карты впрыска на определенных оборотах, можно пожертвовать оптимальными пропорциями смеси в пользу формы этих самых кривых и устранить нежелательные «провалы» и «подхваты», облегчив, таким образом, дозирование мощности в поворотах. Или наоборот, пожертвовать покладистым характером мотора в пользу высокой пиковой мощности, которая позволит обогнать соперника на прямой. Напомню, что переключать карты можно непосредственно на ходу, что дает возможность использовать каждую карту именно тогда, когда она принесет больше пользы.
Чтобы окончательно «подружиться» с понятием карт впрыска топлива, давайте вспомним о знакомом практически каждому спортбайкеру пауэркоммандере.* Это электронное устройство представляет собой дополнение к стоковому ECU и позволяет менять карты впрыска (а в комплекте с модулем зажигания* — карты опережения и обороты срабатывания ограничителя) в зависимости от типа и конструкции впускной и выпускной системы. Конечно, по сравнению с профессиональными гоночными ECU фирм Motec и Magneti Marelli PowerCommander значительно отстает по функциональности, но для дорожного применения и даже для гонок BSB и AMA** его возможностей более чем достаточно.
Разобравшись с картами опережения и впрыска, давайте посмотрим, каким образом главный орган управления мотоцикла — ручка газа — руководит блоком ECU. Традиционная схема такова: ручка газа механически связана с заслонками во впускном тракте. На оси заслонок расположен электронный датчик, сообщающий ECU угол, на который эти заслонки открыты. В таком решении (оно применено практически на всех серийных спортбайках и мотоциклах класса SBK) есть одно неоспоримое преимущество: оно дает пилоту ощущение прямой связи ручки газа с задним колесом. Но в этом же кроется и его недостаток: пилот может злоупотреблять этой прямой связью и требовать от двигателя того, чего он дать не может, или что в некоторых условиях приведет к негативным последствиям. В качестве примера давайте вспомним, как реагировали на открытие газа ранние дорожные спортбайки с впрыском топлива.
При резком открытии заслонки скорость воздушного потока во впускном тракте также резко падает. Даже если ECU учтет это явление и уменьшит продолжительность фазы впрыска, струя топлива из инжектора может «прошить» насквозь медленный поток воздуха и осесть на противоположной стенке впускного патрубка. Как следствие, смесь получится обедненная и двигатель на мгновение потеряет мощность. Долей секунды позже осевшее топливо испарится и переобогатит следующую порцию смеси — двигатель «рванет». Результат — «нервная» реакция на ручку газа. Успокоить «нервы» можно двумя способами. Первый — установить перед заслонкой, связанной с ручкой газа, вторую, которой бы управлял сам ECU. В этом случае блок ECU сможет предотвратить падение скорости воздушного потока при резком повороте ручки газа путем плавного открытия (или даже закрытия) «своей» заслонки. По этому пути пошла Suzuki в своей системе SDTV.* Второй способ — и вовсе отобрать у пилота прямой контроль над заслонками. Именно этот принцип и используется в самой передовой системе управления двигателем — Fly-By-Wire.**
Как мы уже поняли, в системе Fly-By-Wire ручка газа более не связана напрямую с заслонками во впускном тракте, а управляет датчиком, преобразующим угол поворота в электрические сигналы. Эти сигналы приходят на вход модуля ECU, который, если необходимо, корректирует их, вносит соответствующие поправки и открывает (если открывает!) заслонки с помощью шагового электродвигателя именно на ту величину, на которую нужно в данный момент времени. Другими словами, если пилот требует от двигателя невозможного, блок ECU внесет свою поправку и сгладит человеческую ошибку. Кроме того, что описанное выше «нервное» поведение мотоцикла при резком открытии газа становится подконтрольным, электроника блока ECU позволяет поднять уровень контроля над мотоциклом на принципиально новые высоты. Только система Fly-By-Wire позволяет в чистом виде внедрить такие «сервисы», как контроль старта*, контроль сцепления с дорогой** и управление торможением двигателем***. Справедливости ради стоит отметить, что все эти «сервисы» можно реализовать и на классических системах впрыска с механической связью между ручкой газа и заслонками, но заставить их работать гладко гораздо сложнее.
Итак, контроль старта. Из материала «Светофорные Гран-при„**** мы знаем, что для эффективного ускорения необходимо поддерживать обороты в зоне максимального крутящего момента и одновременно с помощью сцепления удерживать ускорение в таком диапазоне, чтобы оно было максимально возможным, но не привело к чрезмерному поднятию переднего колеса. Задача не из простых, особенно если мощность мотора около 250 л. с. К счастью, электроника на нашей стороне. Перед началом гонки пилот нажатием кнопки переводит мотоцикл в режим старта. Имея полный контроль над заслонками, ECU системы Fly-By-Wire независимо от положения ручки газа (пилот может выкрутить ее на полную) ограничивает мощность двигателя такой величиной, которая может быть безопасно реализована при данных условиях. Ориентируясь по многочисленным бортовым датчикам (о них — чуть позже), ECU на ранних стадиях определяет начало подъема переднего колеса или пробуксовку заднего и в нужных пределах снижает или увеличивает мощность. Кроме этого блок ECU в состоянии управлять и сцеплением (достоверных данных нет, но есть подозрение, что некоторые команды используют блоки сцепления, управляемые электроникой), регулируя связь между двигателем и колесом. Так что гонщику для эффективного старта остается открутить газ и в нужный момент бросить сцепление. А первый же сброс газа выведет ECU из стартового режима и возвратит пилоту полный контроль над мотоциклом.
Второй «наворот» систем Fly-By-Wire — контроль сцепления с дорогой. По сравнению со сложностью этого «наворота» предыдущий — просто детский лепет. Причем трудность не в том, чтобы остановить пробуксовку, а в том, чтобы определить, когда она началась и когда эта пробуксовка вредна. Например, можно сравнивать скорости вращения переднего и заднего колес, но во время вилли эти данные не позволят блоку ECU принять правильное решение. Еще сложность: как быть с контролируемым заносом, вызванным намеренно? В этом случае нам вообще не нужно останавливать пробуксовку. Выход — «научить» ECU принимать решение на основании данных, приходящих сразу от нескольких датчиков. Например, если датчик хода вилки сообщает, что она полностью разжата, значит, мотоцикл поднялся на заднее колесо, и замедление вращения переднего колеса относительно заднего не означает начало пробуксовки. Но как же тогда выявить начало сноса заднего колеса, если мотоцикл едет только на нем? Для этого используют такие датчики, как трехмерные гироскопы и акселерометры. Благодаря гироскопическому датчику ECU точно знает, в каком положении находится мотоцикл, а акселерометр сообщит момент резкого изменения бокового ускорения, характерный для начала сноса заднего колеса. Кроме того, данные гироскопа используются для масштабирования карт впрыска таким образом, чтобы при прохождении поворотов в распоряжении пилота было лишь немного больше мощности, чем можно реализовать при данной скорости и угле наклона мотоцикла. Другими словами, на основании данных гироскопа ECU автоматически уменьшает мощность двигателя в поворотах до величины, лишь немного превосходящей ту, которую может реализовать резина. Это дополнительно облегчает дозирование газа и уменьшает негативные последствия ошибок пилотов.
Но даже гироскопический датчик и акселерометр не позволяют достоверно определить, что происходит с мотоциклом в некоторых гоночных ситуациях. Чтобы ECU имел возможность действительно объективно оценивать происходящее, ему необходимо знать реальную скорость и направление движения мотоцикла относительно поверхности трека. Эту информацию предоставляют три типа датчиков: оптический датчик скорости, радар и датчик на базе GPS*. У первых двух есть существенные недостатки (оптический датчик неточен, когда мотоцикл находится в наклоненном положении, радар ловит помехи от инфраструктуры трека и других радаров, и оба они довольно громоздкие), а вот датчик на базе GPS показал себя весьма хорошо. От 10 до 50 раз в секунду он считывает сигналы нескольких спутников и вычисляет с их помощью реальную скорость мотоцикла в каждый момент времени и его положение на треке с точностью до нескольких сантиметров. Полученная информация и становится «пищей» для размышления блоку ECU, а также поступает в систему даталоджинга, которую мы «препарируем» чуть позже.
Последний «наворот» системы Fly-By-Wire — контроль торможения двигателем. Из второй части «Дрессуры» мы знаем, что при «наглых» переключениях вниз с блокировкой заднего колеса борется проскальзывающее сцепление (его еще называют сцеплением с обратной пробуксовкой). Однако его способностей оказывается недостаточно. Дело в том, что в зависимости от различных внешних условий (качество поверхности трека, сухой асфальт или мокрый, направление уклона дороги и т.п.) в распоряжении задней покрышки оказывается разная величина сцепления с дорогой. Из-за того, что блок сцепления не способен отслеживать связь заднего колеса с дорогой и начинает проскальзывать только при определенной фиксированной величине обратного момента, он далеко не всегда эффективно предотвращает блокировку заднего колеса. Облегчить задачу проскальзывающего сцепления и призвана система управления торможением двигателем.
Существует несколько подходов к построению системы управления торможением двигателем. Первый заключается в том, что ECU анализирует сигналы бортовых датчиков и при появлении намеков на блокировку заднего колеса во время торможения двигателем плавно повышает холостые обороты до прекращения симптомов. Второй подход используется в Honda RC211V. ECU этого байка управляет специальным электромагнитным клапаном, врезанным во впускной тракт между клапанами ГРМ и заслонками. Как только заднее колесо проявляет тенденцию к блокировке, клапан открывается и позволяет воздуху напрямую течь в цилиндры, уменьшая эффект торможения двигателем. Теоретически возможен и третий подход, когда ECU напрямую (с помощью гидравлики) заставляет блок сцепления проскальзывать, но достоверной информации об его применении пока нет.
Прежде чем завершить разговор о системе Fly-By-Wire, хочется упомянуть о двух необычных мотоциклах, где эта система применена. Один из них участвует в MotoGP и совместил в себе преимущества классической системы впрыска (с механической связью между ручкой газа и заслонками) и «навороты» электроники. Это Yamaha M1. Система управления двигателем этого спортбайка уникальна тем, что ручка газа механически связана только с двумя заслонками из четырех. Другими словами, пилоту доверили напрямую командовать только половиной двигателя. Оставшейся парой заслонок и, соответственно, цилиндров, полностью управляет ECU. Такое решение позволило сохранить столь важное ощущение прямой связи ручки газа с задним колесом, и при этом не потерять ни одного преимущества Fly-By-Wire.
Второй необычный мотоцикл – новая Yamaha R6, которая вписала себя в историю как первый серийный спортбайк с системой Fly-By-Wire. Ее система YCCT *(13,5) – прямой потомок гоночного ECU Yamaha M1. Принципиальная разница электроники этих мотоциклов лишь в том, что на дорожном R6 установлен дублирующий ECU, который вступит в работу немедленно, если первый «мозг» вдруг откажет. Кроме этого система YCCT управляет всем двигателем целиком, а не половинкой, как М1. В остальном родство систем болида MotoGP и дорожной R6 сомнений не вызывает.
Отдельной статьей в бортовой электронике мотоциклов MotoGP и SBK идет электронный рулевой демпфер. Это одно из немногих устройств, которое протоптало таки тропинку от гоночной техники MotoGP до серийных дорожных спортбайков. По сути, это обыкновенный регулируемый рулевой демпфер. Отличие лишь в том, что управляет демпфированием электроника блока ECU. Мы знаем, что на высоких скоростях демпфирование должно быть сильнее, на низких – слабее. Именно это принцип и реализован в демпфере Honda CBR1000RR Fireblade, который позаимствовал технологию у RC211V. Но если электроника может управлять настройками рулевого демпфера, то с таким же успехом она может перенастраивать гидравлику вилки и моноамортизатора! Знаменитые фирмы Ohlins и WP уже выпустили амортизаторы, которые можно перенастраивать кнопками на маленьком электронном блоке. Так что до настоящей активной подвески всего один шаг – надо только «подружить» электронику подвески и ECU.
Еще одна электронная «приблуда», достойная упоминания в нашем исследовании – квикшифтер (или спидшифтер – оба термина верны *(13,6)). В двух словах – в разрез штока переключения передач ставится датчик давления или перемещения, который сообщает ECU о намерении пилота переключить передачу. Получив такой сигнал, ECU на долю секунды «рубит» зажигание и впрыск, КП на мгновение разгружается и позволяет переключить передачу вверх без выжима сцепления и сброса газа. Польза от такого устройства проявляется как на прямых (экономим на времени переключения), так и в поворотах (особенно затяжных), где обычное переключение «вверх» с выжимом сцепления «растревожит» подвеску.
Изучив сложнейшие системы управления стартом, контроля сцепления с дорогой и торможения двигателем, уже никого не удивишь тем фактом, что современные гоночные мотоциклы MotoGP и SBK буквально напичканы электронными датчиками. Но кроме «пищи для размышлений» блоку управления двигателем они поставляют «головную боль» еще и персоналу конюшен. Совершенно верно, речь пойдет о системе даталоджинга *(14). Она призвана считывать информацию с многочисленных бортовых датчиков с частотой до сотен раз в секунду и записывать ее в бортовую память (чаще всего – на обычную флэш-карту, знакомую нам по цифровым фотоаппаратам или MP-3 плеерам). Кроме этого, как мы отмечали ранее, часть этих данных индицируется на приборной панели гоночного мотоцикла.
Какие же датчики поставляют информацию системе даталоджинга? Список весьма длинный: датчики перемещения подвески, скорости вращения колес, датчик атмосферного давления, давления и температуры воздуха в корпусе воздушного фильтра, давления и температуры воздуха за бортом, давления и температуры масла, температуры выхлопных газов и содержания в них кислорода, температуры тормозных дисков, детонации, сенсор положения коленвала и распредвалов, ИК-сенсор таймера кругов, датчик давления в тормозных магистралях, сенсор угла поворота ручки газа, трехмерный акселерометр, трехмерный гироскоп, датчик температуры топлива, антенна приемника GPS, датчики температуры покрышек, датчик давления на педаль КП, уф, по-моему, не упустил ничего *(16). У опытных электронщиков возникнет логичный вопрос: как же быть с проводами? Ведь при таком количестве электроники проводка мотоцикла превратится в кошмар! Причем и с точки зрения сложности, и сточки зрения веса!
Действительно, это было бы так, если бы от каждого датчика к блоку ECU (большинство блоков ECU совмещают в себе и функции даталоджинга, хотя есть и исключения, например, тот же пауэркоммандер) шел персональный провод. Но к счастью, проектировщики бортовой электроники нашли выход и из этой ситуации: шина CAN *(15). Если не влезать по уши в электронные дебри, то описать работу шины CAN можно так. Все бортовые электронные устройства подключаются к модулю ECU не отдельными проводами к отдельным контактам, а общаются по одним и тем же проводам, которые последовательно обходят мотоцикл с носа до хвоста. Датчики, сенсоры, блок ECU, приборная панель и т.п. «слышат» переговоры между всеми устройствами на шине, и выбирают те данные, которые им «интересны». Экономия на длине «меди» – огромная, и порой выливается в килограммы. Кроме этого инженерам-электронщикам проще работать с бортовой электроникой, потому что не нужно искать провода от нужного датчика – провод на всех один.
Историческая справка.
Ситема Fly-By-Wire пришла к нам из авиации. Еще в тридцатые годы перед конструкторами самолетов встала проблема, что пилотам становилось все труднее управлять увеличивающимися по площади управляющими поверхностями («рулями») самолетов. В 1949 году первая система Fly-By-Wire была установлена на гигантский авиалайнер Bristol Brabazon. 1969 год подарил миру Concord, на нем применили самую совершенную по тем временам систему Fly-By-Wire. В 1972 году на самолете F8, принадлежавшим NASA впервые испытана полностью цифровая система Fly-By-Wire. В 1988 году построен первый пассажирский аэробус с системой Fly-By-Wire – А320. 1992 год – дебют Fly-By-Wire в F1, а также использование Fly-By-Wire в самолетах-невидимках B2 и F-117, которые из-за плохой аэродинамики попросту не могли бы летать без помощи компьютеров. 2002 год – самый знаменательный для мотоциклистов: система Fly-By-Wire появилась на мотоциклах класса MotoGP (Aprilia). 2006 год вошел в историю как год появления первого дорожного спортбайка с системой Fly-By-Wire (Yamaha R6).
