Przyjęło się, że system elektronicznego programu stabilizacji nazywa się ESP (Electronic Stability Program), lecz w rzeczywistości nazwa ta

Transkrypt

1 Szymon Klimas

2 Przyjęło się, że system elektronicznego programu stabilizacji nazywa się ESP (Electronic Stability Program), lecz w rzeczywistości nazwa ta zarezerwowana jest dla koncernu Bosch, który jako pierwszy wprowadził go na rynek. Innymi nazwami systemu są m.in.: ESC (electronic stability control) -system elektronicznej stabilności i DSC (Dynamic Stability ) - dynamiczna kontrola stabilności, lecz spotyka się również takie nazwy jak: VSA, VDC, VSC, czy DSTC.

3 ESP jest to układ elektroniczny stabilizujący tor jazdy samochodu po wpadnięciu w poślizg. System ten uaktywnia się samoczynnie. Stabilizacja odbywa się dzięki korekcie toru jazdy auta przez odpowiednie przyhamowanie dowolnego koła lub kół oraz zmniejszenie dawki paliwa do silnika, co powoduje spadek momentu obrotowego.

4 ESP łączy w sobie wiele systemów. Są nimi m.in.: ABS, system elektronicznego rozdziału siły hamowania, ASR (system kontroli trakcji) oraz układ wspomagania hamowania. System elektronicznego programu stabilizacji składa się z dwóch centralnych mikrokomputerów, pełniących funkcję obliczeniową i wzajemnie się kontrolujących, a także wielu czujników.

5 Czujniki wchodzące w skład ESP mierzą: prędkości obrotowe kół kąt skrętu kierownicy przyspieszenie poprzeczne samochodu ciśnienie płynu hamulcowego w przewodach prędkość obrotową wokół osi pionowej aktualną prędkość pojazdu aktualny moment obrotowy przenoszony na koła Czasami mierzone są również: ciężar samochodu, przełożenie skrzyni biegów, ciśnienie w oponach, oraz różnice w ich bieżnikach.

6

7 Działanie ESP polega na analizowaniu przez moduł sterujący docierających do niego informacji od współpracujących z nim czujników i obliczaniu na ich podstawie teoretycznego zachowania samochodu przy obranym przez kierowcę torze jazdy, prędkości i warunkach na drodze. Najważniejszą informacją docierającą do modułu sterującego jest wartość prędkości żyroskopowej, czyli obrotu pojazdu wokół jego osi pionowej.

8 Po dokonaniu obliczeń moduł porównuje wartość wyliczoną z wartością rzeczywistą, mierzoną przez odpowiedni czujnik. Jeżeli wykryta zostanie różnica, układ przyhamowuje odpowiednie koło, a także reguluje moment obrotowy. Działanie systemu ESP zależy od rodzaju utraty stateczności pojazdu. Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje utraty stateczności pojazdu, determinujące działanie ESP: podsterowność nadsterowność

9 W przypadku podsterowności, a więc wtedy, gdy bardziej ślizga się oś przednia, komputer systemu po wykryciu uślizgu wysyła do układu hamulcowego wiadomość, o konieczności wytworzenia maksymalnego ciśnienia ( jak największej możliwej skuteczności hamowania) i przyhamowania wewnętrznego koła osi tylnej. Powoduje to powstanie momentu stabilizującego, działającego przeciwnie do zjawiska podsterowności, w wyniku czego samochód zostaje naprowadzony na właściwy kurs jazdy.

10

11 W przypadku nadsterowności, polegającej na uślizgu osi tylnej, po wykryciu utraty stateczności pojazdu, wysyłana jest, do układu hamulcowego, informacja o konieczności maksymalnego przyhamowania zewnętrznego koła osi przedniej. Podobnie jak w poprzednim przypadku powoduje to wytworzenie momentu stabilizującego, a niebezpieczeństwo gwałtownego zacieśnienia zakrętu oraz obrotu samochodu zostaje zażegnane.

12

13 Czujniki obrotów kół pod względem zasady działania dzieli się na: pasywne aktywne W praktyce różnicę można określić w ten sposób, że czujniki pasywne nie potrzebują zasilania zewnętrznego, by generować sygnał wyjściowy, a aktywne potrzebują.

14

15 Czujniki pasywne mają zazwyczaj większe rozmiary, są mniej precyzyjne i załączają się dopiero wówczas kiedy koło osiągnie pewną minimalną prędkość obrotową. Ich zastosowanie w nowoczesnych samochodach jest więc coraz rzadsze. Jednak są one wytrzymałe i łatwo jest sprawdzić, czy działają poprawnie. Do czujników pasywnych należą m.in. czujniki indukcyjne.

16 Czujnik indukcyjny najczęściej współpracuje z tarczą zębatą, która jest umieszczona na piaście koła lub przegubie napędowym zewnętrznym półosi. W celu pomiaru prędkości obrotowej zlicza on, mijające go w określonej jednostce czasu, zęby tarczy. Składa się on z: - nieruchomej cewki, - rdzenia z materiału ferromagnetycznego, - magnesu trwałego.

17

18

19 Czujnik ten wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej, wytwarzając na wyjściu napięcie proporcjonalne do szybkości zmian strumienia magnetycznego. Pojawienie się, uformowanego na pierścieniu wyżłobienia, w postaci zęba, w osi czujnika, oznacza zmniejszenie szerokości szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym, a tym samym zmianę strumienia magnetycznego.

20 W wyniku zmian strumienia w cewce czujnika indukuje się zmienne napięcie, którego amplituda zależna jest od szybkości zmian strumienia magnetycznego. Wartość tego napięcia jest odczytywana przez komputer sterujący, który przetwarza to w wymaganą informację, określającą prędkość obrotową koła.

21 Czujniki aktywne pracują zupełnie inaczej, choć również współpracują z tarczą umieszczoną przy kole. Rozróżnia się wśród nich: aktywne czujniki Halla (hallotronowe), aktywne czujniki magnetorezystancyjne. Czujniki Halla są bardzo precyzyjne, wymagają niezwykle dokładnego umiejscowienia i są stosunkowo podatne na zanieczyszczenie. Miejsce instalacji czujników magnetorezystancyjnych, jest z kolei praktycznie dowolne. Mogą być one instalowane stosunkowo daleko od pierścienia magnetycznego i nadal przekazywać silny sygnał.

22 Magnetorezystancyjny czujnik prędkości obrotowej kół jest instalowany nad wielobiegunowym pierścieniem magnetycznym, na którego powierzchni są wyodrębnione pola magnetyczne (na przemian umieszczone pola biegunowe N i S), i dokonuje poprzecznego pomiaru pola magnetycznego. Ustalenie wartości prędkości obrotowej i kierunku obrotów koła możliwe jest dzięki efektowi kwantowo-mechanicznemu wytwarzanemu przez warstwy ferro-i nie-ferromagnetycznego materiału. W wyniku tego efektu, w zależności od tego nad jakim materiałem znajduje się w danej chwili czujnik, opór znacząco wzrasta lub maleje, w skutek czego sygnał może zostać precyzyjnie wykryty. Dzięki temu powstaje sygnał, który jest odczytywany przez sterownik.

23 Magnetorezystancyjny czujnik prędkości obrotowej kół jest instalowany nad wielobiegunowym pierścieniem magnetycznym, na którego powierzchni są wyodrębnione pola magnetyczne (na przemian umieszczone pola biegunowe N i S). Zasada działania czujników magnetostrykcyjnych jest oparta na anizotropowym magnetooporze (AMR), czyli zmianie oporności pod wpływem zmiany orientacji namagnesowania materiału względem kierunku płynącego przez niego prądu. Czujniki AMR posiadają elementy magnetyczne rozmieszczone w mostek Wheatstone'a. Oceniają one kierunek pola magnetycznego, a nie jego siłę.

24

25 Obracający się w płaszczyźnie mostka Wheatstone a odpowiednio namagnesowany pierścień wytwarza rotujące pole magnetyczne, dzięki czemu możliwy jest pomiar kątów bezwzględnych, a także autodiagnoza w zastosowaniach krytycznych dla bezpieczeństwa. Często surowy sygnał czujnika jest wzmacniany za pomocą specjalnego układu wzmacniacza. Sygnały te mogą następnie być zdigitalizowane przez interpolację ASSP ASIC lub mikrokontroler w celu uzyskania sygnału cyfrowego strumienia wyjściowego. Czujniki te są w stanie działać niezawodnie w temperaturach od -40 C do +150 C. Charakteryzują się one bardzo krótkim czasem reakcji i znakomitą jakością przekazu danych.

26 W tego typu czujnikach zasadę pomiaru określa się mianem,,efektu Halla, który polega na odchylaniu strumienia elektronów w polu magnetycznym. Po umieszczeniu prostopadłościennej płytki materiału półprzewodnikowego w polu magnetycznym, a następnie wymuszeniu w niej przepływu elektronów przez przyłożenie napięcia zasilającego w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił pola magnetycznego, następuje zróżnicowanie potencjałów (U H ) w trzeciej płaszczyźnie prostopadłej do obu poprzednich.

27 Napięcie U H jest wprost proporcjonalne do indukcji magnetycznej zgodnie z zależnością: U H = γ*b*i Z gdzie: B indukcja magnetyczna, I Z prąd zasilania hallotronu, γ stała hallotronu. Przy zmieniającym się w sposób ciągły natężeniu pola magnetycznego uzyskuje się modulowany sygnał elektryczny, którego częstotliwość jest proporcjonalna do prędkości, z jaką zmienia się pole magnetyczne.

28

29 Magnes trwały umieszczony za układem scalonym Halla wytwarza za nim pole magnetyczne, które przenika przez obracające się koło zębate. Pole magnetyczne ulega zmianie wraz z obrotem koła zębatego. Delikatny element czujnika, który nosi nazwę układu scalonego Halla, reaguje na zmiany pola, przekazując do jednostki sterującej sygnał w postaci fali prostokątnej. Sygnał nie jest zależny od czasu obrotu koła, dzięki czemu jego wykrywanie jest niezawodne nawet przy prędkości bardzo bliskiej 0 km/h.

30

31 Czujnik ten jest montowany w kolumnie kierownicy:

32 Czujnik ten jest określany również jako SAS (od Steering Angle Sensor). Na kolumnie kierownicy znajduje się zawsze więcej niż jeden czujnik położenia kierownicy w celu potwierdzenia danych i zwiększenia bezpieczeństwa. Moduł ESP musi otrzymać dwa sygnały, aby potwierdzić pozycję kierownicy. Sygnały te są często w różnych fazach względem siebie.

33 Analogowy czujniki kąta skrętu kierownicy są połączone z 5-cio woltowym wyjściem odniesienia, uziemieniem podwozia i wyjściem sygnału, a mogą być badane za pośrednictwem portu pod kolumną kierownicy. Kiedy koło kierownicy jest obracane, SAS generuje sygnał, który wskazuje wartości pomiędzy 0 i 5 V, dla obrotów z zakresu Czujnik kąta skrętu po przekroczeniu tego zakresu zlicza ilość obrotów koła kierownicy i powtarza obliczanie kąta od wartości zerowej. Całkowity kąt skrętu kierownicy jest więc złożony z bieżącego kąta kierownicy i liczby obrotów (przemnożonych *360 ). Większość pojazdów wytwarza napięcie dodatnie przy skręcie w prawo, a ujemne napięcie przy skręcie w lewo.

34 Cyfrowe czujnik kąta skrętu jest często nazywany "czujnikiem bezkontaktowym". Ten typ czujnika wykorzystuje światło LED, koło, z wycięciami, które działa jako zapora i czujnik optyczny, mierzący przerwy w świetle. Czujniki te wytwarzają cyfrowy sygnał fali prostokątnej o częstotliwości zależnej od prędkości obrotu koła kierownicy, z kolei liczba impulsów określa kąt skrętu kierownicy. Zazwyczaj podczas obrotu tarczy czujnika są generowane dwa ciągi impulsów prostokątnych napięciowych na dwóch wyjściach, których kolejność (wzajemna zależność względem siebie) decyduje o kierunku ruchu.

35

36 W związku z tym, że całkowity kąt skrętu kierownicy musi być dostępny w każdej chwili, wymagana jest nieprzerwana detekcja wszystkich ruchów kierownicą, nawet w trakcie postoju (aby przy braku zasilania czujnika nie doszło do dekalibracji). W tym celu czujnik kąta skrętu jest stale zasilany z osobnego terminalu. To z kolei oznacza, że ruchy kierownicy są wykrywane nawet przy wyłączonym zapłonie.

37 W przypadku czujników potencjometrycznych kąty skrętu kierownicy zostają dostępne nawet po wyłączeniu zasilania (np. wskutek odłączeniu od akumulatora), jednak liczba obrotów już nie. Dlatego po ponownym włączeniu zasilania czujnika konieczna jest jego kalibracja. W wielu modelach samochodów kalibracja jest wykonywana automatycznie.

38 Czujnik przyspieszenia poprzecznego samochodu najczęściej montowany jest pod siedzeniem kierowcy (lub innym) na pionowej części progu, wewnątrz samochodu. Czujnik ten jest połączony z modułem sterowania ESP za pomocą wtyczki o trzech pinach. Czujnik wymaga zapewnienia zasilania i uziemienia. W zamian, zapewnia on liniowy sygnał napięciowy, który jest miarą przyspieszenia bocznego (przeciążenia działającego na boki ). Zakres napięcia wynosi od 0,5 do 4,5 V. Odpowiada on zakresowi przeciążenia równemu od -1,5g do 3,5g. Przy nieruchomym pojeździe na równej powierzchni, czujnik emituje sygnał o napięciu około 1,7 woltów. Wskazuje to na wartość nominalna przeciążenia 0,0g.

39

40 Czujnik przyspieszenia poprzecznego samochodu jest czujnikiem typu pojemnościowego. Pod wpływem przyspieszenia bocznego, ruchoma płyta kondensatora porusza się, w stosunku do stacjonarnej płyty kondensatorów. Rezultatem tego jest sygnał proporcjonalny do wielkości przyspieszenia bocznego.

41

42 Czujniki ciśnienia płynu hamulcowego montuje się w przedniej osi obwodu hamulcowego, między głównym cylindrem, a agregatem hudraulicznym. W obudowie czujników ciśnienia płynu hamulcowego znajdują sie dwa chipy, jeden z nich stanowi obwód, który przetwarza sygnał, a drugi jest właściwym sensorem odpowiadającym za pomiar ciśnienia. Czujniki te składają się się m.in. z membrany, wrażliwej na ciśnienie, na której umieszczone są, połączone ze sobą, oporniki elektryczne, tworzące mostek Wheatstone'a.

43 Zmiany ciśnienia deformują membranę, w wyniku czego, wytwarzane jest, proporcjonalne do wartości ciśnienia, napięcie elektryczne. Zmiana napięcia elektrycznego wynika z właściwości piezoelektrycznych błony, polegających na pojawieniu się na jej powierzchni ładunków elektrycznych pod wpływem naprężeń mechanicznych. W czujnikach analogowych typowe napięcie uzyskiwane w wyniku odkształcenia membrany wynosi od 0 do 5V.

44

45

46 Pomiaru tego, jak mocno, samochód kręci sie wokół swojej osi pionowej, dokonuje się za pomocą żyroskopu. Wykorzystuje on to, że, gdy jakaś masa jest poddana obrotowi kątowemu, podlega działaniu siły Coriolisa. Prędkość kątową, można określić, znając wartość działającej siły Coriolisa, z kolei siłę Coriolisa określa się na podstawie wartości przemieszczenia masy. Żyroskop mierzy przemieszczenie dwóch mas, zależnych względem siebie, na podstawie pomiaru zmian pojemności elektrycznej.

47 Pomiar prędkości obrotowej pojazdu wokół jego osi pionowej pozwala oszacować, czy wpada on w poślizg. Czujnik bezwładnościowy jest wbudowany blisko punktu środka ciężkości samochodu np. przy urządzeniu sterującym poduszkami powietrznymi. Czujnik prędkości kątowej składa się z dwóch lekkich, grzebieniowych struktur, połączonych za pomocą sprężyn. Każdy z tych obszarów składa się z trzech ramek: ramki napędowej, ramki Coriolisa i ramki detekcyjnej, które również są ze sobą połączone za pomocą sprężyn.

48

49

50

51

52

53 Napięcie przemienne pobudza ramę napędu do drgania. Jeśli samochód jedzie na wprost, wtedy rama detekcyjna pozostaje w bezruchu, a pojemność nie zmienia się. W ruchu obie ramki detekcyjne poruszają się na przemian, w celu uniknięcia błędu pomiarowego. Gdy samochód zmienia kierunek jazdy, części struktury grzebieniowej, pod wpływem działania siły Coriolisa, są odchylane i przesuwają ramę wykrywającą. Przy tym zmienia sie pojemność elektryczna, między strukturami grzebieniowymi, proporcjonalnie do prędkości obrotu. Sensory reagują już na bardzo małe zmiany odstępu pomiędzy ramkami, rzędu wielkości jednego jądra atomowego.

54

55 Czujniki aktualnej prędkości liniowej pojazdu są zazwyczaj czujnikami hallotronowymi. Czujnik taki jest zwykle wkręcany w obudowę skrzyni biegów. Z jego drugiej strony przykręcona jest linka do prędkościomierza. Na wirniku czujnika prędkości liniowej umieszczony jest zespół magnesów trwałych. Napędzany jest on z wałka zdawczego w skrzyni biegów. W stojanie znajduje się czujnik Halla i układ elektroniczny, który generuje 6 impulsów na jeden obrót wirnika. Częstotliwość tych impulsów jest proporcjonalna do prędkości liniowej samochodu.

56

57

58 Stosunkowo nowym rozwiązaniem w przypadku pomiaru aktualnego momentu obrotowego przenoszonego na koła są czujniki SAW (Surface Acoustic Wave), a więc czujniki mierzące moment obrotowy na przy wykorzystaniu powierzchni fali akustycznej. Zastosowanie tych czujników często pozwala na dokonywanie pomiarów ze znacznie większą precyzją, niż w przypadku innych sensorów. Czujniki SAW umożliwiają bezprzewodowy pomiar momentu obrotowego.

59

60 Czujniki SAW wykorzystują wpływ odkształcenia mechanicznego i termicznego na częstotliwość rezonansową portu SAW. Wpływ ten polega na zmniejszeniu częstotliwości rezonansowej ze wzrostem napięcia powierzchniowego i zmianie prędkości propagacji fali. W aplikacjach wykorzystuje się najczęściej dwa czujniki ułożone pod kątem +/- 45, które są wykonane na jednym podłożu i połączone elektrycznie. Rozwiązanie takie pozwala na kompensację zmian temperaturowych (np. na skutek nagrzewania się silnika), jak też zniwelowanie wpływu zginania się jego osi.

61 Czujniki te wykorzystują oscylacyjne pole elektryczne do generowania fal akustycznych, które rozprzestrzeniają się na powierzchni podłoża, a następnie przekształcane są z powrotem w pole elektryczne, w celu dokonania pomiaru. Czujniki SAW do generowania i wyczuwania fali akustycznej wykorzystują materiał piezoelektryczny.

62 Cykl pomiarowy w układzie z czujnikiem SAW sprowadza się do przesłania energii do czujnika, a następnie odbioru impulsu przez niego generowanego. Dokładniej rzecz ujmując przemienne pole elektromagnetyczne, w którym znajduje się piezoelektryczny czujnik obrotów SAW, powoduje powstanie fali akustycznej propagującej się w podłożu czujnika. Fala ta wytwarza, dzięki odpowiedniej budowie elementu, przemienne pole elektromagnetyczne, które jest wykrywane przez nieruchomy odbiornik. Częstotliwość odebranego impulsu (częstotliwość rezonansowa czujnika) zależy od stopnia naprężenia elementu SAW i jest ona w przybliżeniu odwrotnością podwojonej odległości pomiędzy kolejnymi prążkami materiału przewodzącego naniesionego na podłoże czujnika.

63

64 nsmaterial/4seiter_aa700.pdf y/ /white%20paper_saw%20torque%20sensor%20technology.pdf