• Author / Uploaded
• Julio Caprifoglio

Citation preview

ESP: Control de estabilidad en el automóvil David Arnillas García ETSI de Telecomunicación. Universidad de Valladolid [email protected]

Resumen— En este informe se analiza el funcionamiento del ESP Electronic Stability Program, sistema que se encarga del control de estabilidad del automóvil y que ha supuesto una mejora importante en la seguridad activa. El objetivo es estudiar los sensores involucrados en dicho sistema, más en concreto, se estudia en profundidad el sensor del ángulo de dirección que pretende grabar la trayectoria deseada por el conductor, marcada por la posición del volante, para compararla con la trayectoria real tomada por el vehículo. En el sistema completo de estabilidad donde intervienen además sensores de velocidad en las ruedas, un acelerómetro lateral, un sensor de presión y un sensor de cambio angular. Palabras clave— control de estabilidad, sensor del ángulo de dirección (steering angle sensor), sensor de cambio angular (yaw rate sensor), tecnología de control en lazo cerrado.

I. INTRODUCCIÓN El ESP ha supuesto una verdadera revolución dentro de los elementos de seguridad activa del automóvil. Su objetivo es evitar la pérdida de control del coche en curvas o cuando se realiza una maniobra brusca para evitar un imprevisto del tráfico. Actualmente se monta de serie en vehículos de gamma media y alta, pero debería incluirse en todas. Su efectividad ha sido refrendada por el Instituto de Seguridad del Automóvil, organización dependiente de la Asociación de Aseguradoras Alemanas (GVD), que lo considera un elemento altamente eficaz en la prevención de accidentes. Los primeros trabajos sobre el ESP fueron iniciados por los ingenieros de Mercedes hace 26 años, cuando el sistema electrónico de antibloqueo de frenos, el ABS, se encontraba en fase de pruebas.

Siete años más tarde, en 1985, la aparición de nuevos dispositivos electrónicos, como el diferencial autoblocante automático –ASD– y el control de tracción –ASR–, les aportaron todo lo que necesitaban para poder avanzar en su idea. Sin embargo, para perfeccionarla y hacerla llegar al automovilista de la calle necesitaban un socio. Y ese fue Robert Bosch GmbH, que desde comienzos de los 90, se unió al proyecto. Trabajando con rapidez consiguieron tener listo el sistema y montar en serie el primer sistema en 1995, en el mercedes SEC 600. En este informe se pretenden estudiar los sensores involucrados en el sistema ESP, si bien es necesario hacer una breve explicación del funcionamiento global del sistema y su relación con otros sistemas de seguridad activa del automóvil. Por tanto el documento comienza con una explicación sobre el funcionamiento del sistema del control de estabilidad, posteriormente se estudian los sensores involucrados, más en concreto, el sensor del ángulo de dirección, donde se analiza su principio físico, su descripción y sus prestaciones. Finalmente se estudiará un sistema completo y se llegará a las conclusiones de este informe.

II. F UNCIONAMIENTO DEL SISTEMA El ESP funciona conjuntamente con el ABS (sistema electrónico de antibloqueo de frenos), el ASR (control de tracción) y el ASD (diferencial autoblocante automático). El sistema permanecerá inactivo siempre que la trayectoria del coche se corresponda con el ángulo de giro del volante. Cuando se ejecuta un movimiento brusco con el volante, puede producirse un efecto de derrape producido por un giro en torno al eje vertical del coche.

Es en ese momento cuando actúa el sistema electrónico de estabilidad, comprobando, mediante sensores, la trayectoria real con la ideal pregrabada en la memoria del sistema, reduciendo la potencia del motor y frenando aquellas ruedas que permiten corregir las desviaciones de las trayectorias. El funcionamiento de los sensores del ángulo de dirección que se utilizan en el ESP se analizan en profundidad en el siguiente aparatado de este informe. En vehículos de tracción trasera el ESP entrará en funcionamiento cuando el vehículo entre en una curva y el eje trasero comience a desplazarse hacia el exterior más de lo que esté previsto, esto es, sobrevira. Lo primero que hace el sistema es utilizar el sistema de control de tracción ASR para restar potencia a las ruedas traseras y recuperar fuerza de guiado lateral. En caso de que el vehículo circulase a velocidad alta y las medidas tomadas por el ASR no fueran suficientes, se frenará la rueda delantera exterior utilizando el ABS consiguiendo reestablecer el equilibrio. En vehículos de tracción delantera es más fácil que se produzca una tendencia del coche a seguir recto y resistirse a tomar la curva, a este comportamiento se le denomina subvirar. Al entrar en funcionamiento el ESP actuará sobre los frenos de la rueda delantera interior a la curva, no sobre la exterior como se mencionó antes.

Figura 1. Configuración básica de un sensor del ángulo de dirección

A. Principio físico La medida del ángulo Ψ por parte de un elemento AMR está basada en el efecto Magnético-Resistivo Anisotrópico, que consiste en que el valor de la resistencia óhmica del elemento cambia bajo la influencia de un campo magnético. El material MR (Magnético-Resistivo) está extraído de una aleación ferromagnética cuya resistencia cambia en función del campo magnético. En la figura 2 podemos observar el efecto MagnéticoResistivo Anisotrópico.

Además este sistema ayuda a mantener la estabilidad direccional, tanto en aceleración como en frenado, actuando cuando se detecta una mínima desviación por pérdida de adherencia de una rueda.

III. SENSORES El sensor del ángulo de dirección proporciona el valor del ángulo de la columna de dirección del vehículo, siendo capaz de integrar la maniobra que ha realizado el conductor. El dispositivo está formado por dos elementos sensores AMR (Anisotropic Magneto-Resistive) y componentes electrónicos, como conversores A/D y un microprocesador. En la figura 1 se puede observar la configuración básica del sensor del ángulo de dirección con sus dos elementos AMR. Las variables zi que aparecen devuelven el valor del número de diente del engranaje correspondiente.

Figura 2. Efecto Magnético-Resistivo Anisotrópico

R = R0 + ∆R0 ·cos2 (α )

(ec. 1)

donde R0 y ∆ R0 son constantes del material. α = 0º α = 90º

à à

Rmax Rmin

En la figura 3 podemos ver la respuesta magnética de una material MR, ésta puede ser expresada como el cociente de la variación de la resistencia y el valor de la resistencia nominal Ri.

ESP: Electronic Stability Program. http://www.telefonica.net/web/esp

2

Para calcular el número de revoluciones se necesitan un par de sensores (i = 1, 2). Para los siguientes cálculos se supone Ω = Ω1 = Ω 2 = 180 º, z1 y z2 números primos relativos, en este caso tenemos para el número de periodo n1 = z2 y n 2 = z1. El cálculo del ángulo de rotación α único en el rango [0, αmax], siendo α max:

1 α max = ·n1 ·n 2 ·Ω 2 Figura 3. Respuesta magnética de un material MR

Se puede observar que la respuesta a un campo positivo es la misma que para un campo negativo. Existe una región prácticamente lineal, pero el efecto se satura cuando se supera un valor de campo umbral. [Ver apéndice A].

B. Descripción de su funcionamiento El elemento AMR está fijo, éste elemento detecta cambios en el campo magnético que producen cambios en la resistencia. De esta forma la resistencia es una medida del ángulo de la dirección. Esta relación es única para un intervalo de 180 º. Para obtener el ángulo de dirección del rango completo de la columna de dirección, de aproximadamente 1600 º, se requieren dos elementos AMR. Por simplicidad para calcular el ángulo de dirección, las relaciones matemáticas derivan de la configuración de sólo dos engranajes de medida. La extensión a una configuración de cuatro engranajes sería más exacta. A partir de la medida del ángulo Ψ i , el ángulo de rotación del volante α, se puede calcular del siguiente modo:

α=

zi (ψ i + ii ·Ω i ) z

0 ≤ψ i ≤ Ω i

(ec. 2)

donde z es el número de dientes del engranaje de la columna de dirección, zi es el número de engranajes del sensor, Ω i el periodo así como ii es el número actual de revoluciones del engranaje del sensor.

(ec. 3)

De (ec. 2), de n1 y n2:

α=

n2 n ·(ψ 1 + i1 ·Ω) = 1 ·(ψ 2 + i2 ·Ω ) (ec. 4) z z

Reordenando:

n1 ·ψ 2 − n 2 ·ψ 1 = (n2 ·i1 − n1 ·i 2 )·Ω

(ec. 5)

Dividiendo ambos miembros por Ω:

n1 ·ψ 2 − n2 ·ψ 1 = n2 ·i1 − n1 ·i 2 = k Ω

(ec. 6)

Como n 1, n 2, i1 e i2 son enteros, k también será un número entero. Se obtiene:

ψ ψ k = n1 · 2 − n 2 · 1 Ω Ω

(ec. 7)

k = n 2 ·i1 − n1 ·i2

(ec. 8)

La (ec. 8) se puede resolver en el intervalo (-n 2, n1) para k de forma única si asumimos z1 y z2 relativamente primos. Como k es entero de acuerdo con la (ec. 7), este k, que es calculado en la (ec. 7) a partir de la medida de los ángulos Ψ1 y Ψ2 que pueden verse falseados por perturbaciones, debe ser redondeado al entero inmediatamente mayor. Para calcular α a partir de Ψ1 y Ψ2 hay que resolver primero la (ec. 7), calculando k obtenemos el número de revoluciones i1 e i2 a partir de la (ec. 8), y finalmente se obtiene α con la (ec. 2).

ESP: Electronic Stability Program. http://www.telefonica.net/web/esp

3

C. Prestaciones Todas las desviaciones de la medida de los ángulos Ψ1 y Ψ2 influirán en k, como se puede apreciar en la (ec. 7). Como k debe ser un entero estas desviaciones dentro de un cierto intervalo deben ser corregidas mediante redondeo, como se mencionó antes. La robustez se define como la característica del sistema que a pesar de la desviación de Ψ1 y Ψ2 , permite determinar k correctamente. Se debe aplicar ∆k < 0.5 para la desviación de k en la (ec. 7). A partir de esta desigualdad la precisión exige que los elementos sensores sean derivados. Suponemos que ambos elementos sensores tienen la misma probabilidad de fallo. La máxima desviación de cada elemento sensor será ∆Ψi . Usando elementos sensores magnético-resistivos y ópticos, hay tres tipos de pares de elementos sensores: puramente magnético-resistivos, puramente ópticos y pares magnético-resistivos / ópticos. La precisión del sistema se refiere al cálculo del ángulo de rotación α y depende de la exactitud del elemento sensor utilizado y de la geometría del sensor. La precisión del sistema se define como la máxima desviación del ángulo de rotación α, que, con una precisión dada de los elementos sensores, no será excedida en el caso más desfavorable. A partir de la (ec. 2) obtenemos la desviación del ángulo de rotación como:

∆α =

Figura 4. Sensor del ángulo de dirección con elementos sensores MR y dos elementos sensores ópticos

Un dispositivo comercial que equivale a la configuración mostrada en la figura 4 se puede observar en la figura 5.

zi ·∆ψ i (ec. 8) z

Para calcular el ángulo de rotación α se suelen utilizar elementos sensores con la máxima precisión de acuerdo con la (ec. 9). Figura 5. Sensor comercial equivalente a la configuración mostrada en la figura 3

D. Sistema de diagnóstico de fallos La tolerancia a fallos significa poder obtener correctamente el ángulo de rotación α a pesar de los fallos del sensor. Para lograr esto se requiere redundancia, que se traduce en la necesidad de utilizar elementos sensores adicionales. A continuación se analiza un sistema formado por cuatro elementos sensores, un par de elementos magnético-resistivos y un par de elementos ópticos. El sistema se puede observar en la figura 4.

El sistema de cuatro sensores utiliza dos tipos de sensores con diferentes principios de medidas y por consiguiente difieren dichos principios de medidas. Los cuatro elementos sensores s1 , s2 , s3 y s4 forman seis pares de elementos sensores p12 , p13 , p 14 , p23 , p24 y p34 . Para obtener una redundancia efectiva todos los pares deben ser supervisados, para ello habrá que monitorear el cálculo de k.

ESP: Electronic Stability Program. http://www.telefonica.net/web/esp

4

La forma generalizada de la (ec. 7) es:

ψj ψ k ij = ni · − nj· i Ωj Ωi

(ec. 10)

Los ángulos medidos Ψi y Ψj saltan a cero si es alcanzado el valor Ωi y Ω j respectivamente. Esto significa que kij debe saltar en este rango por nj y/o n i. k ij es monitoreado de tal forma que estos cambios sólo son permitidos si hay saltos desde ± n j y/o ± ni . Con seis pares de elementos sensores son posibles 64 combinaciones de señales de monitorización. Cada combinación corresponde a una situación de fallo. Figura 7. Tecnología de control en lazo cerrado para el ESP

Para cada situación de fallo un elemento sensor debe realizar una evaluación y tomar una decisión, ya que el elemento sensor es utilizado para calcular el ángulo de rotación. En la figura 6 se puede observar un sistema de diagnóstico de fallos, donde aparecen los bloques involucrados y los flujos de señales y comandos.

Como se ha explicado antes el sistema calcula la trayectoria deseada utilizando en sensor del ángulo de dirección. Ahora de forma simultánea el sistema monitorea la velocidad de las ruedas mediante un sensor en cada rueda. Un sensor de aceleración lateral detecta cualquier tendencia del vehículo a desviarse de su trayectoria prevista. También incorpora un sensor de presión primario para detectar la presión de los frenos. El elemento central de este sistema es el sensor de cambio angular, diseñado para monitorear constantemente la tendencia del vehículo a rotar sobre su eje vertical. El sistema detecta los movimientos que podrían indicar una "condición de derrapaje" para el vehículo, que es detectado por la cambio de las estructuras micro-finas del resorte-masa que causa un cambio en los movimientos rotatorios del vehículo en un eje vertical. El índice de la rotación, junto con la medida de la aceleración transversal es evaluado por la unidad de control. En la figura 8 aparece la estructura del sensor de cambio angular.

Figura 6. Sistema de diagnóstico de fallos

E. Otros sensores A continuación se estudiará un sistema ESP más complejo, basado en una tecnología de control en lazo cerrado. En la figura 7 se puede observar este sistema. ESP: Electronic Stability Program. http://www.telefonica.net/web/esp

Figura 8. Estructura de un sensor de cambio angular 5

El sensor de cambio angular es un sensor MEMS Micro-Electro-Mechanical System basado en el efecto de la aceleración de Coriolis, cuyo propósito es medir la rotación del vehículo alrededor de su eje vertical. El sensor utiliza una estructura de mariposa que contiene dos masas conectadas por una viga asimétrica. Usando el efecto piezoeléctrico, las masas son inducidas a vibrar. Debido a que la viga es asimétrica, las fuerzas verticales asociadas a la vibración hacen a la viga doblarse vertical y horizontalmente. Se forman las masas de modo que cuando vibran, sus vectores de velocidad sean sobre todo horizontales. Consecuentemente, las fuerzas verticales de Coriolis asociadas al movimiento angular podrán ser detectadas. Las masas son inducidas a vibrar en antifase porque se reducen al mínimo las compensaciones y la baja sensibilidad de las vibraciones externas. En la figura 8 pueden observarse dos acelerómetros situados encima de masas oscilantes. Para hacer que las masas vibren, se excitan con una corriente alterna en presencia de un campo magnético constante. Los acelerómetros se configuran para medir la aceleración lineal a lo largo de un eje ortogonal a la oscilación de las masas. Pero debido a la fuerza de Coriolis, los acelerómetros también son sensibles a la rotación alrededor de un tercer eje ortogonal. Restar la salida de un acelerómetro de la del otro elimina la señal que corresponde a la aceleración lineal y dobla la señal debido a la fuerza de Coriolis.

IV. CONCLUSIONES Para la medida del ángulo de dirección se utilizan elementos sensores MR y ópticos, para solucionar la tolerancia a fallos se utilizan cuatro elementos sensores, este sistema será capaz de detectar los elementos que produjeron los fallos. En un futuro las investigaciones se centrarán en desarrollar un procedimiento para ajustar la precisión de los sensores ópticos y eliminar los errores que introducen. La tecnología de control en lazo cerrado del sistema ESP no sería posible sin el alto grado de desarrollo de los sensores y la electrónica, gracias a ello se ha mejorado en gran medida la seguridad activa del automóvil y seguirá mejorándose notablemente en el futuro.

V. APÉNDICES A. El KMZ41: un sensor comercial del ángulo de dirección Los sensores magnético-resistivos de ángulo de Philips están fabricados con cuatro resortes de permalloy dispuestos en una configuración de puente de Wheatstone. De acuerdo con (ec. 1) la salida diferencial (+V0, -V0) de cada puente de Wheatstone es proporcional al sen(2α). Lo que significa que un sensor que abarca un puente de Wheatstone puede medir en el rango de 90º, esto se puede observar en la figura 9:

Figura 9. Señal de salida de un sensor en puente de Wheatstone

Además del rango angular limitado, un solo sensor de puente Wheatstone presenta otra desventaja con respecto a la evaluación de la señal. Mientras la amplitud de la señal cambia con la temperatura, la señal de salida del sensor nos fuerza a implementar una compensación de la temperatura. Esto se evita cuando se usa una combinación de dos puentes. Los dos sensores están posicionados con un offset de 45º, en esta configuración las dos señales de salida muestran un desplazamiento de fase de 90º. Las dos señales son proporcionales respectivamente a sen(2α) y al cos(2 α), con lo que ahora se permite un rango de medida de 180º. Incluso con esta configuración, las amplitudes de la señal cambiarán con la temperatura. Sin embargo, ambos puentes son montados con los mismos pasos en la misma película fina y en el mismo substrato y por tanto tendrán características muy similares.

ESP: Electronic Stability Program. http://www.telefonica.net/web/esp

6

Si se asume que ambas señales de salida no tienen ninguna compensación o las compensaciones se han realizado previamente, las señales de salida se pueden describir matemáticamente como sigue:

X (αT ) = X 0 (T )·sen( 2α )

(ec. 11)

Y (αT ) = Y0 (T )·cos(2α )

(ec. 12)

Asumiendo que las amplitudes de las señales son iguales (X0 = Y0), el ángulo α puede ser determinado sin ningún error de las señales X e Y, del siguiente modo:

1 X α = ·arctg   2 Y 

(ec. 13)

Este resultado no depende de la amplitud absoluta de las señales, luego la medida de la temperatura y su compensación no son necesarias. El KMZ41 tiene dos puentes completos de Wheatstone hechos en el mismo substrato en tecnología de la película fina. Por ello ambos puentes tienen unas características eléctricas y mecánicas muy similares. La figura 10 muestra la disposición del sensor, su layout, donde los diversos elementos sensibles del puente de Wheatstone 1 están marcados. Ambos puentes tienen conexiones separadas para el voltaje de alimentación. El tamaño del dado del KMZ41 es cerca de 1,5 mm2 con un área sensible de cerca de 1 mm2. Con el objetivo de que no influya el campo magnético externo y por lo tanto la exactitud de medidas, la carcasa de plomo del KMZ41 se hace sin usar materiales ferrosos.

REFERENCIAS [1] E. Dilger, R. Bosch GmbH, M. Gulbins, T. Ohnesorge, B. Straube. On Redundant Diversified Steering Angle Sensor. IEEE Julio de 2003. [2] Web de El Mundo Motor. Último acceso Marzo de 2004. http://www.el-mundo.es/motor [3] Honeywell. Mageneto-Resistive Sensors. Último acceso Marzo de 2004. http://www.honeywell.com/sensing [4] Bosch. ESP: Complex closed-loop control technology for enhanced Stabilityin every driving situation. Último acceso Marzo de 2004. http://www.bosch.com [5] K. Hedrick, M. Tomizuka, A. Howell, S. Suran. Fault Diagnostics for the Longitudinal and Lateral Control Systems. Department of Mechanical Engineering. UC Berkley. [6] Motorola. DSP56F805 in an Electric Power-Assisted Steering Application. Último acceso Marzo de 2004. http://e-www.motorola.com [7] Delphi Corporation. Traxxar System. Último acceso Marzo de 2004. http://www.delphi.com [8] Electronic Design. Sensors Measure Up To Emerging Automotive Safety Standards. Último acceso Marzo de 2004. http://www.elecdesign.com

Es muy importante no colocar materiales ferrosos cerca de este sensor ya que afectarían a los imanes del sensor y falsearían las medidas.

Figura 10. Layout del sensor KMZ41 ESP: Electronic Stability Program. http://www.telefonica.net/web/esp

7