UNIVERSITATEA LUCIAN BLAGA DIN SIBIUFACULTATEA DE INGINERIE Hermann Oberth

LA DISCIPLINA MECATRONICA AUTOVEHICULELOR

Student,

Alina HROAGAnul III, Ingineria Transporturilor i a Traficului

2008

2

SISTEME MECATRONICE LA AUTOVEHICUL

Acest referat ii propune s prezinte cteva dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice, cu argumente, pentru fiecare caz n parte, legate de includerea n marea familie a sistemelor mecatronice (integrare spaial i funcional, flexibilitate, inteligen).

Prin acest referat doresc s scot n eviden unele aspecte mai semnificative, legate de: sistemul mecanic i/sau optic, pe care se bazeaz ntreaga funcionare a sistemului; componentele electrice i electronice (senzori, actuatori, circuite de putere), care servesc la achiziionarea de informaii din proces i la comanda adecvat a unor micri ale elementelor sistemului mecanic/optic; sistemul de comand centralizat/descentralizat, care asigur coordonarea ntregului ansamblu i confer gradul mai nalt sau mai sczut de inteligen al sistemului mecatronic respective, se va sublinia, si modul n care anumite funciuni mecanice sunt preluate de ctre electronic i software, simplificnd foarte mult structura mecanic, modul n care construciile rigide, la care precizia este realizat prin tolerane foarte strnse, pot fi nlocuite cu construcii elastice i uoare, la care precizia este realizat prin msurare i bucle de reacie, modul n care problemele de cablare, inerente unor sisteme cu att de multe componente electrice i electronice, sunt rezolvate prin utilizarea unor magistrale i protocoale de comunicaie adecvate (de exemplu, CAN Bus).

1. Automobilul modern ca sistem mecatronic: Aprut n a doua jumtate a secolului al 19-lea, automobilul a revoluionat

transporturile i a concentrat cele mai semnificative eforturi tiinifice i inginereti, pentru continua perfecionare a performanelor sale. Pn n jurul anilor 1970-1980 componentele mecanice, multe dintre ele adevrate bijuterii tehnice, reprezentau o pondere covritoare n ansamblul unui automobil, partea electrici electronic rezumndu-se la un numr restrns de motoare (demaror, alternator, tergtoare de parbriz), senzori (pentru temperatura uleiului i antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare, aprindere) i becuri .

Dezvoltarea microelectronicii, materializat n circuite integrate logice i analogice, circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri), realizarea unor sisteme de acionare, convenionale i neconvenionale,

3

performante, a unor tipuri noi de senzori etc., au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerine care se impuneau tot mai acut, legate de: Sigurana n trafic; Economicitate; Fiabilitate; Confort; Protecia mediului.

Fig. 1 Componente electrice i electronice ntr-un automobil

Un automobil modern, dintr-o clas medie, cuprinde circa 60-70 de motoare i un numr asemntor de senzori i sisteme senzoriale (fig.2.1). Un exemplu elocvent l constituie diferenele majore dintre broscua de mare succes a firmei Volkswagen, din anii 1960: 136 W putere maxim consumat, 150 m de cabluri electrice i circa 80 de contacte electrice i urmaul acesteia din 2001, maina New Beetle, cu un consum de 2050 W, 1500 m de cabluri i 1200 contacte electrice.

n construcia automobilelor moderne i-au ctigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activ etc.), pentru ca, n final, ntreg automobilul s se transforme ntr-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigaie, X-by Wire, telematic etc.).

Creterea ponderii componentelor electrice i electronice n construcia automobilului a facilitat introducerea unor sisteme noi, permind creterea performanelor i simplificarea componentelor mecanice. Un exemplu este prezentat n figura 2.2, respectiv un ventil cu acionare electromagnetic (Electromagnetic Valve Train EVT) un rezonator resort/mas, care nlocuiete clasicul ax cu came destinat acionrii ventilelor n sincronism cu micarea arborelui motor, i asigur sistemului de management al motorului posibilitatea comenzii libere a ventilelor, n funcie de algoritmul de optimizare impus.

Principalele efecte: mbuntirea raportului moment motor/turaia motorului,

4

reducerea cu pn la 20% a consumului de carburant,

Fig.2 Ventil cu acionare electromagneticO alt tendin important n construcia autovehiculelor const n

mbuntirea permanent a performanelor sistemelor existente. n figura 3, este prezentat un Injection), n care o pomp alimenteaz cu motorin o ramp comun, numit common rail, la presiuni de pn la 1500 bari. Distribuia carburantului din aceast ramp se realizeaz cu actuatori piezoelectrici.

Fig.3 Sistem de injecie cu actuator piezoelectric

5

Actuatorii piezoelectrici sunt utilizai n multe produse mecatronice, datorit unor caracteristici remarcabile, cum ar fi fore de acionare mari (de ordinul miilor de N), acceleraii de ordinul a 2000g, rezoluii n domeniul nanometrilor etc. Foarte multe eforturi ale proiectanilor i constructorilor de vehicule sunt dirijate n scopul creterii siguranei i confortului pasagerilor i implic subsisteme mecatronice sofisticate.

Sistemele de securitate pot fi active sau pasive i au cteva roluri foarte importante: evitarea eficient a coliziunilor; minimizarea efectelor coliziunilor i evitarea traumatismelor, att pentru pasagerii vehiculului, ct i pentru pietonii implicai n accident.

Sistemele de siguran active servesc la prevenirea coliziunilor i la minimizarea efectelor acestora. Cele mai importante sunt [Continental]: Sistemul electronic de frnare (Electronic Brake System), care include:

a ABS (Anti-locking Brake System) are rolul de a controla presiunea de frnare, pentru evitarea blocrii roilor. Proceseaz informaiile de la senzorii care msoar viteza roilor i controleaz motorul pompei hidraulice i valvele care distribuie fluidul la frne. b Brake Assist interpreteaz informaiile de la senzorii specifici i corecteaz manevrele de frnare ale conductorului auto.

Sistemul electronic de stabilitate (ESP Electronic Stability Program), care evalueaz n permanen datele msurate de un mare numr de senzori i compar aciunile oferului cu comportarea vehiculului la momentul respectiv. Dac intervine o situaie de instabilitate, cum ar fi cea determinat de o virare brusc, sistemul reacioneaz n fraciuni de secund, prin intermediul electronicii motorului i a sistemului electronic de frnare i ajut la stabilizarea vehiculului. Sistemul ESP include mai multe subsisteme complexe:

c ABS (Anti-locking Brake System); d EBD (Electronic Force Brake Distribution); e TCS (Traction Control System); f AYC (Active Yaw Control).

Instabilitatea poate aprea datorit inadaptrii vitezei, a unor situaii de urgen sau a altor condiii neprevzute.Aceste circumstane pot fi, n special, periculoase pentru combinaia autotractor/semiremorc, unde chiar pirderea momentan a controlului de ctre ofer poate duce la rsturnare sau rotirea semiremorcii peste autotractor.

6

Sistemul ESP Plus al celor de la Volkswagen transmite un impuls de virare ori de cate ori soseaua devine alunecoasa.Se aplica un usor impuls asupra volanului, dirijat de servodirectia electromecanica, impuls comandat de programul electronic de stabilitate. Aceasta este exact ceea ce are nevoie soferul pentru a initia intuitiv, actiunea corecta: contravirarea. In cursul franarii de urgenta pe sosele cu coeficienti de frecare diferiti (de exemplu, frunze ude sau zapada pe partea dreapta si suprafata uscata pe partea stanga). In astfel de cazuri, contravirarea contribuie la scurtarea distantei de oprire cu pana la zece la suta. Dar pentru a obtine acest efect, masina necesita de o directie actionata electronic. Aici intervine sistemul de directie al celor de la Volkswagen si impulsul de virare transmis de sistemul ESP Plus.

Impulsul de virare transmis de sistemul ESP iese in evidenta in conditii de parcurs ca cele descrise mai sus, toamna sau iarna, jumatate din suprafata soselei uscata iar cealalta jumatate, acoperita adesea cu frunze ude sau chiar cu zapada. Pana in prezent, scenariile in conditii de tipul celor de mai sus, cu suprafete cu coeficienti de frecare diferiti (cu diferente intre coeficientii de frecare/aderenta pentru rotile de pe stanga si cele de pe dreapta), s-ar fi incheiat - in cazul ideal, in cursul franarii de urgenta cu ESP, astfel: datorita sistemului ESP, masina nu derapeaza necontrolat, soferul putand sa-i mentina cursul si sa evite orice eventuale obstacole. Dar, intrucat efectul de franare trebuie sa actioneze asupra rotii cu cel mai mic coeficient de frecare pentru a impiedica derapajul necontrolat al vehiculului, rotile nu vor putea fi franate la fel de puternic ca in cazul franarii pe o suprafata uscata.

Explicatia este: fara contravirare in directia corecta, vehiculul ar derapa necontrolat prin supra-franarea unei roti, deoarece fortele de franare asimetrice rezultate ar imprima vehiculului o tendinta de rotire in directia suprafetei de drum cu tractiune superioara. Dar exact in acest moment intervine impulsul de virare transmis de sistemul ESP. Sistemul ESP determina directia corecta. Acesta detecteaza directia in care trebuie sa contravireze soferul pentru a decelera vehiculul in mod optim, fara a derapa necontrolat. In acest scop, sistemul comanda servodirectiei electromecanice sa trimita un impuls de virare in directia corecta. Impulsul este sesizat de sofer la nivelul volanului, acesta urmand intuitiv semnalul si executand o contravirare clasica. Ca urmare a acestei interventii de stabilizare, presiunea de franare la nivelul rotilor poate fi crescuta, simultan cu asigurarea unei aderente optime. Rezultatul consta in scurtarea distantei de oprire cu 10%.

Soferul pastreaza controlul integral al vehiculului: impulsul de virare transmis de sistemul ESP nu preia asupra sa sarcina efectiva de virare. Suveranitatea privind manevrarea vehiculului ii revine integral soferului, permanent. Sistemul este cel care ofera doar recomandarea de a vira, chiar daca este abia perceptibila, avand un cuplu de doar trei newtoni-metru. De aceea, sistemul va respecta intotdeauna urmatoarele limite: ESP gandeste, iar soferul vireaza - este pur si simplu mai eficient.

7

Noul sistem ESP Scania aduce o mare contribuie la siguran prin monitorizarea parametrilor de stabilitate i declannd n mod automat comenzile potrivite situaiei. Sistemul este disponibil pentru toate autotractoarele 4x2 echipate cu frne disc controlate electronic. Este proiectat s funcioneze pe drumuri ude sau alunecoase (scopul fiind de a preveni rotirea semiremorcii peste autotractor n condiii de subvirare sau supravirare) i pe drumuri uscate (unde marele risc este rsturnarea ca rezultat al vitezei excesive sau a nclinrii adverse n curbe).

Sistemul are senzori care msoar acceleraia lateral a centrului de greutate al autovehiculului. Dac acceleraia lateral depete o limit predeterminat, cuplul motor este anulat i sistemul de frnare intr n aciune. n circumstane extreme, ntreaga for de frnare poate fi aplicat autotractorului i semiremorcii.

Sistemul poate detecta reacia oferului prin compararea unghiului de nclinare a ansamblului cu ungiul direciei. Dac acestea nu corespund, cuplul motor este anulat i sistemul de frnare intr n funciune pentru a stabiliza autovehiculul. Care din frne vor fi activate (la care roat i la care din axe) depinde de natura instabilitii.

Sistemul poate fi dezactivat. Acest mod este pentru autotractoarele care au de obicei centrul de greutate ridicat atunci cnd sunt complet ncrcate, dar foarte cobort cnd sunt descrcate. Aceast caracteristic elimin riscul intrrii nedorite n funciune a ESP-ului cnd autovehiculul este gol.

Cand sistemul ESP intr n funciune, informaia este stocat n memoria acestuia.

Importanta sistemului ESPProcentul automobilelor noi care sunt comercializate avand in dotare sistemul

ESP creste de la an la an. Si nu este de mirare, programul electronic de stabilitate fiind in urma sistemului ABS, poate cel mai important factor de siguranta activa.

Sistemul ESP contribuie semnificativ la stabilitate atunci cand masina negociaza manevre dificile, optimizand manevrabilitatea prin corijarea efectelor de supravirare sau subvirare. Activitatea sistemului ESP este pe cat de sofisticata, pe atat de eficienta. Sistemul imbunatateste controlul asupra automobilului in situatiile periculoase, spre exemplu in cazul unui derapaj (cand una sau mai multe roti au o turatie diferita si nepotrivita unei anume situatii de rulare), comparand constant comportamentul normal al masinii cu valorile nominale indicate ulterior.

Atunci cand masina nu raspunde corect comenzilor soferului, programul electronic de stabilitate actioneaza atat la nivelul franelor cat si la nivelul cuplului motor, corectand astfel anomaliile in cateva fractiuni de secunda.

Este indicat astfel, ca la achizitionarea unei masini noi sa comandati si sistemul ESP, mai ales ca se apropie iarna. In raport cu pretul unei masini noi, investitia in acest sistem nu este mare, dar va poate salva viata. Si daca acest considerent nu este de ajuns, trebuie spus ca valoarea unei masini rulate care beneficiaza de sistemul ESP, este mai mare.

8

Deci merita din toate punctele de vedere sa va dotati masina cu Programul Electronic de Stabilitate.

Sistemul de prevenire a accidentelor, care poate include: Controlul adaptiv al coliziunilor (Adaptive Cruise Control -ACC), bazat pe

senzori radar de distane mari. ncepnd cu anul 1999, firma Continental Automotive Systems [Continental] a introdus sistemele ACC n producia de serie, devenind primul furnizor global de astfel de sisteme. ACC regleaz automat viteza vehiculului, n funcie situaia mainilor din trafic, pentru a asigura o distan adecvat fa de vehiculul din fa. Sistemul radar utilizeaz principiul impulsuri Doppler pentru msurarea independent a vitezei i distanei.

Distan redus de frnare (Reduced Stopping Distance), bazat pe un sistem de frnare automat n eventualitatea unei coliziuni;

Avertizare de distan (Distance Warning); Stop & Go, bazat pe un sistem radar n infrarou, pentru distane mici, destinat

asistenei pentru traficul urban sau pentru situaiile de pornire i oprire; Sprijin pentru urmrirea axului drumului (Line Keeping System), cu camer

CCD i intervenie activ asupra sistemului de direcie; implic un algoritm de procesare a imaginilor i n cazul devierii de la axul drumului, oferul este avertizat printr-o uoar micare a volanului, pstrnd ns supremaia n manevrarea acestuia;

Controlul global al asiului (Global Chassis Control); Reacie haptic de pericol la nivelul pedalei de acceleraie (Haptic Danger

Feedback) etc. Sistemele senzoriale i de acionare care asigur managementul motorului,

asistena la frnare i controlul stabilitii, permit, prin extinderi adecvate, n special n domeniul software-ului, realizarea altor aciuni, importante pentru sigurana i confortul conductorului auto. De exemplu, momente foarte dificile apar, n special pentru oferii mai puin experimentai, n cazul pornirii pe pante nclinate, a opririlor/pornirilor la semafoare sau n parcri. Programul Hill Start Assist (HAS) este destinat asistenei n astfel de situaii: dup ce oferul a eliberat frna de mn, HAS ntreine n sistemul de frnare o presiune care asigur meninerea ferm pe loc a mainii. Pe parcursul pornirii (accelerrii), HAS reduce presiunea de frnare, n corelaie cu creterea momentului motorului. Controlul presiunii de frnare se bazeaz pe: presiunea de frnare aplicat de ofer; informaii privind motorul i transmisia; nclinarea pantei (msurat de un senzor de acceleraie longitudinal).

9

Din ce n ce mai complexe i sofisticate sunt sistemele de siguran pasive, care au rolul de a proteja pasagerii i pietonii contra accidentelor suferite n urma coliziunilor. Ele includ o serie de sisteme de protecie: centuri de siguran, sisteme de tensionare, mecanisme de blocare, airbag-uri frontale i laterale, protecie a capului i genunchilor, protecie contra rsturnrii, precum i o serie de senzori i actuatori inteligeni: senzori pentru anticiparea coliziunilor (detecia i clasificarea pietonilor, sesizarea condiiilor premergtoare impactului pentru acionarea adecvat a sistemelor de protecie), senzori pentru sesizarea i analiza impactului (direcie, intensitate, tip, posibilitatea rsturnrii), senzori pentru detectarea i clasificarea pasagerilor, airbag-uri inteligente, a cror expandare depinde de fora i locul de impact, sisteme reversibile de pretensionare a centurilor de siguran, sisteme pentru optimizarea poziiei scaunelor i nchiderea automat a uilor i trapelor pentru minimizarea efectelor coliziunii, sisteme de protecie a pietonilor etc. Pentru a ilustra modul n care mecatronica a revoluionat construcia automobilului, se va prezenta, ca un ultim exemplu, modulul de comand a unei ui, care este att de complex, nct necesit un microcontroller propriu (fig.4) .

Fig.4 Modul de comand a uii din fa (CP = circuite de putere)

n comanda uii intervin 4 motoare: unul pentru nchiderea/deschiderea ferestrei, unul pentru blocarea/deblocarea uii n cadrul sistemului de blocare centralizati alte dou pentru poziionarea, dup dou direcii (x-y), a oglinzii retrovizoare. La acestea se adaug un sistem pentru nclzirea oglinzii retrovizoare. Un

10

numr de ntreruptoare permit conductorului auto s efectueze manevrele dorite pentru acionarea celor patru motoare. Multe module de comand a uilor includ i senzori, care sesizeaz gradul de nchidere/deschidere a ferestrelor, atingerea limitelor de sus/jos, apariia unor obstacole. Modulul de comand cuprinde: Interfaa cu ntreruptoarele i senzorii; Circuitele de comand pentru motoare i rezistorul de nclzire a oglinzii: puni n H (complete) pentru fereastri blocarea uii i semipuni pentru poziionarea oglinzii, tranzistor de comand a rezistorului de nclzire; Circuite de comand: microcontroller i interfa CAN-Bus; Regulator de tensiune.

Implementarea pe scar larg a unor astfel de module, la milioane i milioane de vehicule, a impus proiectarea i producerea de circuite integrate specifice diferitelor funcii. n figura 5 este prezentat o schem din documentaia firmei INFINEON, n care fiecare funcie detaliat mai sus este realizat cu cte un circuit integrat dedicat. Comanda este asigurat de un microcontroller de 8 bii, C505, dotat cu interfa CAN. n schem nu sunt detaliate semnalele de la microntreruptoare, dar semnalul de la un senzor de curent din circuitul de putere al motorului pentru nchiderea/deschiderea ferestrei (linia A/D) poate fi utilizat pentru a sesiza eventuale obstacole n calea ferestrei sau limitele de nchidere/deschidere, materializate prin creterea curentului n nfurarea motorului.

Fig. 5 Schem de comand a uii, cu microcontroller C505 i circuite integrate

11

2. CAN BUS exemplu de magistral serial n automobil [DUM04a] Dezvoltarea CAN a nceput odat cu implementarea unui numr tot mai mare de dispozitive electronice n autovehiculele moderne. Exemple de astfel de dispozitive sunt sistemele de management al motorului, suspensiile active, ABS, controlul cutiei de viteze, controlul farurilor, aerul condiionat, airbag-urile i nchiderea centralizat (fig.6).

Fig.6 CAN Bus pentru conectarea subsistemelor n automobil

Controller Area Network (CAN) este un protocol de comunicaie serial, care asigur controlul distribuit, n timp real, cu un mare grad de siguran. A fost dezvoltat iniial de firma Robert Bosch GmbH, care deine i licena CAN, n ultima parte a anilor 1980. Este standardizat pe plan internaional de International Standardization Organization (ISO) i de Society of Automotive Engineers (SAE).

CAN de vitez mare are la baz standardul ISO 11898 (rate de transmisie de pn la 1 Mbit);

CAN de vitez mic (rate de transmisie < 125 Kbit) se bazeaz pe ISO 11519-2;

Extensii n specificaiile 2A and 2B (datorit cerinelor productorilor de hardware) diferite lungimi ale identificatorilor (2A cu identificatori de 11 bii; 2B cu identificatori de 29 bii);

Un alt standard este CiA DS-102: standardizez ratele de transmisie (baud-rates) i timpii impui pentru transmiterea biilor i stabilete conductorii, conectorii i liniile de putere.

12

CAN n autovehicule: SAE CAN clasa B (are la baz standardul ISO 11519-2), cu pn la 32 de

noduri, este implementat n spaiul interior al vehiculului i leag componente ale asiului i electronica destinat confortului vezi ramura din dreapta n fig.2.6;

SAE CAN clasaq C (are la baz standardul ISO 11898), cu pn la 30 de noduri, este implementat pentru conectarea i controlul motorului, a transmisiei, a frnrii, suspensiei vezi ramura stng n 2.6.

CAN este protocolul cel mai utilizat n autovehicule i automatizri. Cele mai importante aplicaii pentru CAN sunt automobilele, vehiculele utilitare i automatizrile industriale. Alte aplicaii ale CAN se regsesc la trenuri, echipamente medicale, automatizarea cldirilor, echipamente electrocasnice i automatizarea birourilor. Concepte de baz

Structura liniilor CAN bus line i nivelele de tensiune care corespund celor dou stri ale magistralei dominant and recesiv, sunt prezentate n figura 7.

Fig.7 Liniile i nivelele de tensiune ale CAN Bus (ISO 11898)

13

Propieti ale CAN Iat cteva dintre cele mai remarcabile propieti ale CAN:

Priorizarea mesagelor: Identificatorul (identifier) definete o prioritate static a mesajului n timpul accesului la magistral. Atunci cnd magistrala este liber, oricare unitate poate demara nceperea unei transmiterii unui mesaj. Dac ncep s transmit simultan dou sau mai multe uniti, conflictul de acces pe magistral este rezolvat prin arbitrarea bit cu bit, utiliznd identificatorul. Mecanismul arbitrrii garanteaz c nu se pierde nici timp nici vreo informaie. Pe parcursul arbitrrii fiecare transmitor compar nivelul bitului transmis cu nivelul existent pe magistral. Dac nivelele sunt egale, unitatea continu s transmit. Dac ea transmite un nivel recesiv i magistrala monitorizeaz un nivel dominant, unitatea pierde arbitrarea i trebuie s se retrag, fr a mai transmite un singur bit. Acest sistem de arbitrare, conceput special pentru autovehicule, permite rezolvarea unor evenimente de importan mai mare n funcionarea mainii, care necesit o decizie mai rapid, prioritar fa de evenimente pentru care deciziile mai pot ntrzia.

Multimaster: Magistrala nu presupune o ierarhizare a nodurilor; cnd magistrala este liber, oricare unitate poate ncepe transmiterea unui mesaj. Unitatea cu mesajul cel mai prioritar va ctiga accesul la magistral.

Siguran: Pentru a realiza cea mai mare siguran n transferul datelor, n fiecare nod al magistralei CAN sunt implementate mijloace puternice pentru detectarea erorilor, semnalizarea acestora i auto-verificare.

Conexiuni: Legtura serial de comunicaie CAN este o magistral la care pot fi conectate un anumit numr de uniti. Acest numr nu are o limit teoretic, limita practic fiind determinat de timpii de ntrziere i/sau consumul de putere pe magistral. Nodurile magistralei nu au adrese specifice, adresa informaiei fiind coninut n identificatorul mesajului transmis i n prioritatea acestuia. Numrul nodurilor poate fi modificat dinamic, fr ca acest lucru s perturbe comunicaia dintre celelalte noduri.

Rata de transmisie: Viteza CAN poate fi diferit n diferite sisteme, dar pentru un anumit sistem rata de transmisie este fixati constant.

14

BIBLIOGRAFIE

1. Haldermann, D., J Automotive Brake Systems, Prentice- Hall Inc., New Jersey, 1996

2. Manuale de constructie i reparatii. Firme constructoare.3. Laurentiu Manea, Adriana Manea- Mecatronica automobilului modern, Ed.

MATRIX, 20014. Notie curs Tehnici i echipamente de diagnosticare auto5. http://www.automotomarket.ro 6. www.informatiiauto.ro/ sistemul - esp -plus-siguranta-in-toate-anotimpurile-

sid651.html

15