Dieser Artikel behandelt die Steuerung von Motoren für Automobile, die auch als Motorsteuerung bekannt ist. Es werden jedoch allgemeine Aspekte behandelt und Steuergeräte umfassend dargestellt.
Geöffneter Motorraum eines VW Golf R. Das Motorsteuergerät befindet sich rechts neben dem Sicherungskasten (schwarze Box mit Aufkleber) und ist an einen breiten Stecker mit dickem Kabel angeschlossen, der nach vorne zeigt.
Steuergeräte (englischElectronic Control Unit (ECU) oder auch englischElectronic Control Module (ECM)) sind elektronische Geräte, die in Fahrzeugen o.a. technischen Systemen eine Steuerungs- und Regelungsaufgabe erfüllen. Steuergeräte existieren ebenfalls für Antriebssysteme von Schiffen, Flugzeugen oder Raumfahrtgeräten – sowohl im zivilen als auch militärischen Kontext. Die Geräte sind vornehmlich für die Steuerung und Regelung des Antriebs vorgesehen, können aber auch für andere Zwecke entwickelt worden sein. Maschinen, Anlagen und andere elektro-mechanische Geräte werden häufig mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gesteuert.
Häufig sind die Steuergeräte Motorsteuergeräte, welche sowohl für Verbrennungs- als auch Elektroautos oder Elektrofahrzeuge (Hybride oder batterieelektrische) existieren und unterschiedliche Eigenschaften und Charakteristiken aufweisen. Die meisten Steuergeräte basieren heute auf Mikrocontrollern und werden mittels hardwarenaher Software programmiert. In der Regel lesen Steuergeräte eine Vielzahl von Eingangsdaten (Sensoren) aus und steuern eine Vielzahl von Ausgangssignalen (Aktoren). Der genaue Umfang der Datenauswertung innerhalb eines Steuergerätes ist jeweils an das zu regelnde System angepasst.
Der folgende Artikel befasst sich mit Steuergeräten im Kontext von Automobilen. Steuergeräte für Antriebe existieren auch in anderen Bereichen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik (Avionik) für Luftfahrtantriebe.
Abgrenzung
Die Hauptaufgabe von Steuergeräten ist die Regelung und Steuerung des Antriebs. Es handelt sich dabei im Allgemeinen um Geräte für Motoren aller Art, beispielsweise Ottomotoren, Dieselmotoren, Elektromotoren oder auch Luftfahrtantriebe. Deshalb unterscheiden sich die Geräte in ihrem Aufbau und Funktion teilweise erheblich. Außerdem erfüllen Steuergeräte noch weitere Funktionen, wie z. B. eine Diagnose.
Erwähnenswert ist, dass Motorsteuergeräte auch als englischEngine Management System (EMS) bezeichnet werden. Ob dies für Diesel- oder Ottomotoren oder für beide gilt, ist je nach Hersteller unterschiedlich.
Steuergeräte sind eingebettete Systeme, jedoch keine Personal Computer (PCs) im eigentlichen Sinne. Sie werden für spezifische Anwendungen (Antriebe) entworfen, entwickelt, getestet und hergestellt und eingesetzt. Hierfür kommt spezielle Hardware und Software zum Einsatz. Im Falle einer Waschmaschine integriert die Elektronikplatine auch das Steuergerät.
Systembeschreibung
Einfaches Motorsteuergerät im Gehäuse mit Montagevorrichtung und Anschlusssockel aus einem Geo Storm GSi von 1990
Datenverarbeitung
Elektronische Steuergeräte arbeiten allgemein nach dem EVA-Prinzip der elektronischen Datenverarbeitung (EDV), also Eingabe–Verarbeitung–Ausgabe. Für die Eingabe stehen eine Vielzahl von Sensoren zur Verfügung. Diese ermitteln (messen) eine physikalische Kenngröße wie z. B. Drehzahl, Druck, Temperatur usw. Der Messwert wird als Daten an ein Steuergerät übertragen, welches ihn dann mit einer im Steuergerät eingegebenen oder berechneten Sollgröße vergleicht. Sollte der gemessene Wert mit dem eingespeicherten Wert nicht übereinstimmen, regelt das Steuergerät mittels Aktoren den physikalischen Prozess nach, so dass die gemessenen Istwerte wieder mit den Sollgrößen übereinstimmen. Die Aktoren greifen also korrigierend in einen laufenden Prozess ein.
Hardware und Software
In Fahrzeugen ab etwa den 2010er Jahren sind mehr als zehn Steuergeräte im gesamten Fahrzeug verteilt. Davon ist jedoch meist nur eines das zentrale Motorsteuergerät. Die Steuergeräte verwenden eigens entwickelte Hardware und Software. Aufgrund der vielen Sensoren und Aktoren im Fahrzeug werden verschiedene Mikrocontroller mit 8- bis 32-Bit-Architektur und unterschiedliche Halbleiterspeicher eingesetzt. Viele Komponenten, wie beispielsweise die Halbleiterbausteine, werden jedoch von Zulieferern (Automobilzulieferer beziehen die Produkte wiederum von den Halbleiterherstellern) bezogen. Nur in Einzelfällen existieren Allzweckgeräte. Die Software hat sich in den letzten Jahren zu einer wichtigen Erweiterung der Funktionalitäten entwickelt. Dies geht jedoch mit einer zunehmenden Komplexität der Verwaltung der Hardware-Software-Schnittstelle einher. Eine Gegenmaßnahme ist die Standardisierung der Software, wie sie beispielsweise durch die AUTOSAR-Entwicklungspartnerschaft erfolgt.
Aber auch Sensoren wie Tankstandsmesser und Öldruckmesser sind heute mit eigenen Steuergeräten verbunden, die u. a. eine Langzeitüberwachung ermöglichen und auch beim Sensor selbst per Plausibilitätsprüfung seiner Ausgabewerte ständig seine Funktionsfähigkeit überwachen.
Kommunikation und Diagnose
In Fahrzeugen seit etwa den 2000er Jahren werden einzelne Steuergeräte über verschiedene Systembusse (z. B. CAN, LIN, MOST, FlexRay oder auch Ethernet) miteinander verbunden. Die Geräte tauschen darüber systemweit Informationen über die Betriebszustände und weiteren relevanten Daten im Fahrzeug aus. Außerdem wird über solche Busse (und evtl. die K-Leitung) die On-Board-Diagnose (OBD) bzw. ein Fahrzeugdiagnosesystem angesprochen und ausgelesen.
Darüber können Steuergeräte von außen mit sogenannten Diagnosegeräten angesprochen werden. Hierbei wird vor allem abgefragt, ob das Steuergerät bei den ständigen Selbsttests irgendwelche Fehler bei sich selbst oder bei den an ihn angeschlossenen Sensoren festgestellt und registriert hat. So kann einer Werkstatt mit einer Meldung wie beispielsweise „Masseschluss beim Tankgeber“ sehr viel Untersuchungsarbeit erspart werden. Dabei kommen häufig Diagnoseprotokolle wie KWP2000 oder Unified Diagnostic Services (UDS) zum Einsatz.
Wartung und Modifikation
Steuergeräte können in begrenztem Umfang von außenstehenden Personen ausgelesen und geschrieben werden, z. B. bei Wartung in einer Autowerkstatt. Die Modifikation fällt unter das Stichwort „Chiptuning“, wobei hier Fragen der Garantie, Zulassung und Versicherung zu berücksichtigen sind. Oftmals gibt es vom Hersteller keine Handbücher oder Anleitungen, die erklären, wie Steuergeräte zu bedienen sind oder wie sie funktionieren. Da die Geräte direkt am Antrieb ihre Aufgabe erfüllen, ist dies aus verschiedenen Gründen – darunter Sicherheitsaspekte – nicht gewünscht.
Während „elektronische Zündungen“ aus der alten Motortechnik noch aus diskreten, analogen Elektronikschaltungen aufgebaut wurden (alte Fahrzeugelektrik), sind heutige Steuergeräte in der Regel elektronische Recheneinheiten, d.h., sie bestehen aus einem eigenständigen Computer mit Speicher, Peripherie und Schnittstellen zur Kommunikation, sowie der Elektrik zur Spannungs- und Stromversorgung.
Zu Beginn der elektronischen Motorsteuerung wurden Steuergeräte vornehmlich bei Zündungen eingesetzt, auch bekannt als Elektronische Zündanlage (EZ). Seit etwa Ende der 1980er Jahre werden sie auch zur elektronischen Regelung von Dieselmotoren verwendet, siehe Electronic Diesel Control (ECU). Dafür kommen spezielle Geräte zum Einsatz, da die Maschine anders zu steuern und regeln ist.
Etwa seit den 1990er Jahren wurden mechanische Regelkonzepte und Mittel (z. B. Bowdenzug) bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren nahezu vollständig durch elektronische Steuergeräte verdrängt. Man spricht auch vom Drive-by-Wire. Genauer ist damit das Konzept bzw. System des elektronischen Gaspedals (EGas – offizieller Name: Standardized E-Gas Monitoring Concept for Gasoline and Diesel Engine Control Units) gemeint. Erst diese halbleiterbasierte Technologiestufe ermöglichte die modernen Fahrzeuge, wie man sie heute kennt.
In der Regel handelt es sich hierbei jedoch um getrennte Geräte. Des Weiteren sind in Kraftfahrzeugen (Kfz) Halbleiterbausteine wie FPGAs oder ASICs aus technischen und wirtschaftlichen Gründen seltener. In anderen Systemen, wie beispielsweise Mehrzweckkampfflugzeugen, können sie jedoch häufiger zum Einsatz kommen.
Steuergeräte werden nur selten vom Automobilhersteller selbst entwickelt und gefertigt. In der Regel werden sie von Automobilzulieferern im Auftrag der Hersteller entwickelt. Um die Interoperabilität der verschiedenen Steuergeräte in den unterschiedlichen Varianten der verschiedenen Fahrzeugmodelle sicherzustellen, schreibt der Automobilhersteller in der Regel eine bestimmte Softwareausstattung vor. Das Ziel dieser einheitlichen Softwareausstattung ist eine reibungslose Vernetzung und Integration aller Steuergeräte zu einem Gesamtsystem.
Ein Teil der Entwicklung befasst sich, nebst den funktionalen Aspekten (Antrieb) auch mit der Sicherheit der Steuergeräte, beispielsweise damit, auf voraussehbare Extremsituationen korrekt zu reagieren. Dazu zählen vor allem Unterspannung und der Startspannungsimpuls als Spezialfall davon sowie extreme Temperaturen in beiden Richtungen. In diesem Zusammenhang spielt auch die funktionale Sicherheit eine übergeordnete Rolle.
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