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CONTROLADOR PARA DIRECCIÓN EPS DEL COMPORTAMIENTO EN CURVA DE AUTOMÓVILES Antonio Iriondo Saint-Gerons CEMITEC, Polígono Mocholí, Plaza Cein nº4, 31110 Noain, Navarra, airiondo@cemitec.com Jorge Mota Adrados CEMITEC, Polígono Mocholí, Plaza Cein nº4, 31110 Noain, Navarra, jmota@cemitec.com Sergio Alonso Marrodán CEMITEC, Polígono Mocholí, Plaza Cein nº4, 31110 Noain, Navarra, salonso@cemitec.com Resumen Las direcciones eléctricas asistidas EPS están adquiriendo un interés creciente para la mejora de la maniobrabilidad de los vehículos. La razón estriba en la utilización de un motor eléctrico que simplifica sustancialmente el sistema. En este trabajo se presenta un controlador para el comando del motor eléctrico de la dirección. El controlador permite compensar los errores de subviraje y sobreviraje del vehículo al circular en las curvas. La solución propuesta hace uso del error en la velocidad de guiñada para identificar el estado subvirador o sobrevirador del vehículo en cuestión y generar la acción de control. El controlador se complementa con la compensación de las fuerzas laterales de los neumáticos, a partir de un sensor del par del conductor y la aceleración lateral. Palabras Clave: automóviles 1 EPS, subviraje, sobreviraje, INTRODUCCIÓN Dentro de las actividades desarrolladas en el Centro Multidisciplinar de Innovación y Tecnología de Navarra de Fundación Cetena (CEMITEC), se realizan trabajos de desarrollo de ECUs para el sector de automoción. Entre ellos se encuentran las direcciones eléctricas asistidas de tipo EPS. La dirección asistida constituye un componente esencial en la maniobrabilidad de los vehículos. Su objetivo es reducir el par que el conductor ha de realizar sobre el volante, y con ello mejorar el confort y la seguridad en la conducción. Las direcciones asistidas convencionales son de tipo hidráulico. Sin embargo, en los últimos años han comenzado a cobrar gran auge las direcciones asistidas denominadas de tipo eléctrico. En ellas la asistencia se realiza mediante un motor eléctrico, lo cual reporta ventajas muy significativas respecto de las direcciones hidráulicas: simplificación del sistema, y reducción de peso y de consumo de combustible. La efectividad de este tipo de direcciones asistidas está condicionada por el comando adecuado del motor para asistir al conductor con el par requerido. Son varias las soluciones propuestas en la bibliografía. La más típica corresponde a una señal relacionada con el par realizado por el conductor, medido en la columna de la dirección, cuyo objetivo es reducir el par generado en el volante por las fuerzas laterales del neumático [1][5]. Sobre esta solución, se han propuesto otras complementarias para evitar oscilaciones en el retorno del volante cuando éste queda libre [1], o para mejorar la respuesta requerida del conductor ante maniobras bruscas mediante la realimentación de la velocidad de guiñada del vehículo [6]. No obstante, las soluciones más avanzadas se centran en los problemas de subviraje y sobreviraje que afectan al vehículo en su comportamiento en curva. En esta línea, se han propuesto soluciones basadas en el control de la fuerza lateral mediante la estimación de su valor, con un controlador de tipo fuzzy para determinar el ángulo adicional que ha de girar el volante [4]. También se pueden encontrar soluciones para el control del ángulo de guiñada del vehículo mediante acciones fuzzy sobre el grado de deslizamiento de cada rueda [2][3]. En este trabajo se propone un algoritmo de control, de aplicación a una EPS, para optimizar la asistencia al vehículo en las curvas. El controlador permite eliminar la tendencia al subviraje o sobreviraje del vehículo. Para ello, hace uso de la medida de la velocidad de guiñada, a partir de un sensor de la aceleración de guiñada, tal y como se realiza en las otras soluciones de la bibliografía que hacen uso de esta medida. El controlador se complementa con la asistencia al par generado en el volante por las fuerzas laterales. La organización del documento es como sigue: en el apartado 2 se presenta un modelo tridimensional de vehículo que se ha desarrollado para caracterizar las variables que permiten identificar estados de subviraje y sobreviraje, y para verificar el controlador desarrollado. En el apartado 3 se presentan los fundamentos teóricos de la nueva estrategia de dirección asistida desarrollada. En el apartado 4 se muestran las simulaciones del controlador realizadas con el modelo del vehículo, que demuestran la efectividad de la solución propuesta. Finalmente, en el apartado 5 se presentan las conclusiones del trabajo realizado. 2 MODELIZACIÓN DEL VEHÍCULO El comportamiento del vehículo está caracterizado por su tendencia al subviraje o al sobreviraje. La primera situación se produce cuando a la entrada de la curva el vehículo tiende a seguir en línea recta, mientras que en el segundo caso el vehículo tiende hacia el interior de la curva. En ambos casos, el conductor tiene que realizar una maniobra extra para mantener al vehículo en el trazado de la curva. El desarrollo del controlador para la dirección eléctrica asistida exige de la identificación de variables medibles del comportamiento del vehículo que permitan clasificar estados de subviraje y sobreviraje. Como plataforma de desarrollo del controlador se ha desarrollado un modelo tridimensional de un automóvil. El modelo parte del planteamiento del equilibrio de fuerzas y momentos en el centro de gravedad del vehículo, de cuyos grados de libertad se derivan las velocidades y trayectorias realizadas por las ruedas. Para ello, la carrocería del vehículo se considera como un sólido rígido de seis grados de libertad: los desplazamientos longitudinal, lateral y vertical, y los giros de balanceo, cabeceo y guiñada. Para expresar las ecuaciones del modelo se toma un sistema de referencia móvil fijo al vehículo, tal y como se muestra en la figura 1. y q v x p u cdg w r z Figura 1: Ejes coordenados sobre vehículo y grados de libertad El origen es el centro de gravedad del vehículo, el eje x indica el sentido del avance, el eje y el desplazamiento lateral, y el eje z la base del mismo. En este sistema de referencia, las velocidades longitudinal u, lateral v y vertical w son las proyecciones de la velocidad del vehículo sobre el sistema de referencia móvil, mientras que las velocidades de balanceo p, cabeceo q y guiñada r son las correspondientes proyecciones de la velocidad de rotación. Las ecuaciones del equilibrio de fuerzas en el centro de gravedad resultan de las ecuaciones de Euler, escritas respecto del sistema de referencia móvil, en la forma: ∑ F M ⋅ u& p M ⋅ u ∑ F = M ⋅ v& + q ∧ M ⋅ v ∑ F M ⋅ w& r M ⋅ w (1) ∑M ∑M ∑M (2) x y z I ⋅ p& p I ⋅ p x x & + q ∧ I y ⋅ q y = I y ⋅ q I ⋅ r& r I ⋅ r z z z x donde ΣFx , ΣFy y ΣFz son las resultantes de las fuerzas en dirección longitudinal, lateral y vertical resultantes en el centro de gravedad del vehículo, M es la masa del vehículo, ΣMx , ΣMy y ΣMz las resultantes de los momentos de balanceo, cabeceo y guiñada, e Ix, Iy e Iz los momentos de inercia de balanceo, cabeceo y guiñada. Las fuerzas y momentos son el resultado de dos tipos de esfuerzos externos a la carrocería: las fuerzas laterales, fuerzas longitudinales y pares de autoalineación generados por los neumáticos, y las fuerzas verticales debidas a la suspensión. Las fuerzas y pares generados por los neumáticos responden a las conocidas fórmulas de Pacejka. En cada rueda delantera, estas fórmulas definen unas curvas de esfuerzo transversal al neumático y par de autoalineación en función del ángulo de deriva αi, generado por la diferencia entre el ángulo real de la rueda, definido por la dirección de la velocidad resultante en la rueda, y el giro δ de las ruedas: ui −δ vi α i = arctg (3) donde ui y vi son las velocidades longitudinal y lateral en la rueda i. En las ruedas traseras, los esfuerzos y pares se calculan igual sin más que hacer cero el giro de las ruedas. Los valores de estas componentes se calculan, a partir de las velocidades del centro de gravedad en la forma: ui u p Lxi vi = v + q ∧ L yi w w r L i zi (4) donde Lxi, Lyi y Lzi determinan las coordenadas del punto de sujeción de la rueda respecto del sistema de referencia xyz solidario al centro de gravedad del vehículo. Las correspondientes fuerzas en direcciones longitudinal y lateral resultan de la descomposición de la fuerza de Pacejka según el ángulo girado por las ruedas delanteras. Las fuerzas verticales generadas por la suspensión de cada rueda i del vehículo se calculan en la forma: Fsuspi = K suspi (z ri − z ci ) + C suspi (wri − wci ) (5) curvatura. La condición de subviraje y sobreviraje se caracteriza perfectamente a partir de una representación del vehículo en el plano XY. Para ello el resultado de la simulación es la trayectoria realizada por el vehículo en la curva, tal y como se muestra en las figuras 2a y 3a. El vehículo aparece representado a modo de una caja que une los cuatro puntos en los que se sitúan las ruedas en diferentes instantes de tiempo. La trayectoria teórica está representada por la que correspondería a la rueda delantera izquierda. En la figura 2, se representa una situación de subviraje. Corresponde al vehículo cuyas características se indican en la tabla 1, al realizar una curva de 25 metros de radio, con una velocidad de entrada de 54 Km/h. a) 50 45 En esta expresión, Ksuspi y Csuspi son la rigidez y amortiguamiento de la suspensión. Las variables zri y wri son el desplazamiento vertical y la velocidad vertical de la rueda i, calculados de la ecuación del equilibrio vertical de la rueda a partir de la masa de la rueda y la rigidez del neumático. Finalmente, zci y wci son respectivamente el desplazamiento y la velocidad de la carrocería en el extremo superior de la suspensión, calculadas a partir de la expresión (4) particularizada a las coordenadas del punto de la carrocería que se apoya sobre la suspensión. 40 35 30 X [m] 25 20 15 10 5 0 -10 Tabla 1: Parámetros del vehículo 1200 Kg 1100 Kg·m2 1800 Kg·m2 2200 Kg·m2 40 Kg 0.25 m 1.10 m 1.60 m 1.40 m 0.45 m 18000 N/m 1500 N·s/m 190000 N/m Las figuras 2 y 3 muestran el resultado ofrecido por el modelo desarrollado para identificar las situaciones de subviraje y sobreviraje. La entrada al modelo es un giro de rueda teórico δteor establecido por la geometría del vehículo y el radio de curvatura, dado por: δ teor = arctg L xd + L xt R 10 20 30 40 Y [m] (6) siendo Lxd y Lxt las distancias de los ejes delantero y trasero al centro de gravedad, y R el radio de b) 0.45 0.4 0.35 0.3 Error [rad/s] Masa total del vehículo (M) Momento de inercia de balanceo (Ip) Momento de inercia de cabeceo (Iq) Momento de inercia de guiñada (Ir) Masa de la rueda (Mr) Radio de la rueda (rd) Distancia de cdg al eje delantero (Lxd) Distancia de cdg al eje trasero (Lxt) Anchura del vehículo (Ly) Altura del cdg al eje de la rueda (h) Rigidez de la suspensión (Ksuspi) Dureza del amortiguador (Csuspi) Rigidez del neumático (Kneum) 0 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] 2.5 3 3.5 Figura 2: Simulación de un vehículo subvirador: a) trayectoria en el plano XY; b) error en la velocidad de guiñada Las situaciones de subviraje y sobreviraje están condicionadas por las distancias de los ejes delantero y trasero al centro de gravedad del vehículo, y por las fuerzas realizadas por los neumáticos. Así la figura 3 estacionario. Esta propiedad se utilizará para el desarrollo de la estrategia de control. muestra una situación de sobreviraje correspondiente a un vehículo con las características de la tabla 1 adaptadas a sobreviraje, al realizar la misma curva de 25 m de radio con una velocidad de entrada reducida a 36 Km/h, para evitar un sobreviraje excesivo. a) 3 35 Las desviaciones de la trayectoria debidas a subviraje o sobreviraje del vehículo se pueden eliminar mediante una estrategia de asistencia a la dirección del vehículo. La figura 4 muestra el esquema de una dirección eléctrica asistida EPS. Consiste en acoplar a la columna de la dirección un motor eléctrico a través de una reductora. El motor es comandado desde la ECU a través de una consigna de corriente, que obliga al motor a desarrollar un par proporcional a aquélla. El par realizado por el motor actúa en la columna, permitiendo que el conductor realice un par menor. 30 25 X [m] 20 15 10 5 -10 -5 0 5 10 15 20 Y [m] b) DESARROLLO DEL CONTROLADOR ECU Motor 0.3 Reductora 0.25 Eje de dirección 0.2 Sensor de par Error [rad/s] 0.15 Columna de dirección 0.1 0.05 Volante de dirección Sistema PiñónCremallera 0 Figura 4: Esquema de una dirección eléctrica asistida EPS -0.05 -0.1 -0.15 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] 2.5 3 3.5 Figura 3: Simulación de un vehículo sobrevirador: a) trayectoria en el plano XY; b) error en la velocidad de guiñada Estas situaciones se pueden diferenciar también a partir de la señal de error de velocidad de guiñada. En las figuras 2b y 3b se muestra el error de la velocidad de guiñada r respecto de la teórica rteor para la realización de la trayectoria sin desviación, calculada como: rteor = u ⋅δ L xd + L xt (7) donde u y δ son medidas de la velocidad del vehículo y el ángulo de giro de las ruedas. Como se puede observar, las situaciones de sobreviraje y subviraje quedan identificadas por el signo del error en estado El controlador que se propone establece una consigna de corriente para evitar el subviraje o el sobreviraje del vehículo. Esta consigna se complementa con la consigna para compensar el par debido a las fuerzas generadas por los neumáticos. La figura 5 muestra el esquema de control resultante. En negrita se muestran las señales que es necesario medir: par realizado por el conductor Tcond, velocidad de guiñada r medida a partir de un sensor de aceleración de guiñada, aceleración lateral ay, la velocidad del vehículo u, y el giro de las ruedas δ medido a partir de un sensor del giro del volante. Estas dos últimas medidas se utilizan para calcular la velocidad teórica de guiñada rteor según la expresión (7). A partir de estas medidas, la consigna de corriente Ic aplicada al motor está integrada por dos términos: la consigna para asistir en el par Tlat debido a la fuerza lateral generada por los neumáticos, y la consigna para modificar el par resultante en la columna que define el giro de las ruedas, para evitar el subviraje o el sobreviraje. A continuación se explican en detalle estas dos consignas. Tcond 1/Kt Klat + ay Ic PI Motor Tvir + + Tres Tresmod Tmot Tlat u Kvir - rteor r δ Figura 5: Esquema de control propuesto 3.1 COMPENSACIÓN DE FUERZA LATERAL Esta compensación es la más habitual de los sistemas de tipo EPS. La consigna al lazo de corriente del motor resulta ser proporcional a la medida del par del conductor. En la figura, Klat es la constante de proporcionalidad, y Kt es la constante de par del motor para transformar a consigna de corriente. El equilibrio de pares establece en la columna de la dirección el siguiente par Tres necesario para hacer girar el volante el ángulo deseado: Tres = Tcond + Tmot − Tlat (8) Teniendo en cuenta que la dinámica del lazo de corriente PI del motor es alta, entonces se verificará muy aproximadamente que el par realizado por el motor es Tmot = Klat Tcond, de modo que el par a realizar por el conductor será: Tcond = Tres + Tlat 1 + K lat (9) Es decir, que en esta estrategia la ganancia Klat actúa reduciendo el par del conductor y aumentando el del motor o al revés. Algunos sistemas comerciales funcionan con una ganancia variable en función de la velocidad del vehículo, consistente en favorecer la asistencia en las condiciones en las que el par a realizar por el conductor es mayor. En este trabajo se propone emplear la aceleración lateral como variable de modificación de la ganancia Klat para la circulación en curva, ya que en estas condiciones la aceleración lateral es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza lateral. 3.2 COMPENSACIÓN DEL SUBVIRAJE/SOBREVIRAJE Se trata de compensar el subviraje o el sobreviraje mediante una acción adicional del motor, sin que el conductor tenga que realizar un par diferente al necesario para el giro teórico dado por (6). La nueva acción repercutirá directamente sobre un nuevo par resultante Tresmod que define el ángulo de giro de las ruedas. La estrategia consiste en modificar la consigna de corriente del motor con una señal pulsada, tal y como se muestra en la figura 5. La señal pulsada es una secuencia de dos pulsos iguales y de signo contrario, que aplicados como consigna de corriente del motor se traducirán en un ángulo de giro adicional de la columna. Teniendo en cuenta la relación entre la velocidad de guiñada y el giro de las ruedas dado por (7), la magnitud de los pulsos es proporcional al valor del error de velocidad de guiñada en el instante tinicio en el que se aplica la señal pulsada en la forma: Tvir = K vir ⋅ ∆r (t = t inicio ) (10) De la relación (7), y por integración del área de la secuencia de los pulsos, se deduce que la ganancia Kvir es directamente proporcional a la longitud del vehículo e inversamente proporcional al cuadrado de la anchura de los pulsos. Este último parámetro se fija en esta estrategia a un valor suficientemente pequeño para acelerar la efectividad de la acción de control, pero sin sobrepasar el límite de corriente del motor. La ganancia Kvir se fija también en función de la velocidad u a la que circula el vehículo, ya que una velocidad elevada exije valores mayores de esta ganancia para que el efecto de la acción de control se manifieste con mayor rapidez. Finalmente queda por fijar el instante tinicio en el que se aplica la secuencia de pulsos. Este instante ha de ser suficiente para superar el transitorio de variación del error ∆r, ya que el error en estacionario es el que permite identificar el estado subvirador o sobrevirador del vehículo, y por tanto el que se utiliza en (10) con propósito de control. Un caso particular del algoritmo planteado consiste en la aplicación de la señal pulsante en el mismo instante en el que se inicia la curva. Se trata de utilizar solamente la medida del par resultante en la columna, obtenido por derivación de la medida de la velocidad del motor, como señal de realimentación a la consigna de corriente. Denominando Kvir la relación entre el par de aceleración y la consigna, teniendo en cuenta que el par del conductor no ha de cambiar respecto del valor dado por (9), entonces es fácil demostrar que, en ese caso, el nuevo par Tresmod para girar las ruedas vendrá dado por: Tres mod = Tres 1 − K vir (11) Es decir, que respecto del par Tres sin la compensación de subviraje/sobreviraje, la compensación modifica el valor de este par para ajustar el giro de las ruedas al valor necesario para compensar el subviraje o sobreviraje. Esta estrategia resultaría segura en el caso de conocimiento previo del comportamiento subvirador o sobrevirador del vehículo, ya que la rapidez de la acción de control no permite identificar previamente el comportamiento del vehículo. Además está afectada por la dinámica del sensor del par del conductor. La estrategia planteada arriba, basada en la medida de la velocidad de guiñada, elimina la incertidumbre en el comportamiento del vehículo a la entrada de la curva. a) 45 40 35 30 X [m] 25 20 15 SIMULACIÓN CON CONTROLADOR En las figuras 6b y 6c se muestran respectivamente el error de velocidad de guiñada y el par resultante necesario para girar las ruedas, como consecuencia de la aplicación de la estrategia definida. En el par de la columna de dirección se puede distinguir el par necesario para entrar en la curva y el par adicional generado por el controlador de subviraje. El primero se aplica al inicio de la curva, que en la figura 6c corresponde al instante t=1s, y el segundo se aplica un segundo después. Como se puede observar de la figura 6b, el tiempo entre las dos secuencias de pulsos es suficiente para superar el transitorio del error de velocidad e identificar la condición de viraje en la curva a partir del valor estacionario de este error. A partir de este instante, el error de velocidad de guiñada se reduce significativamente, y en consecuencia, el subviraje del vehículo. 5 0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 1.5 2 Tiempo [s] 2.5 3 3.5 1.5 2 Tiempo [s] 2.5 3 3.5 Y [m] b) 0.5 0.4 0.3 0.2 Error [rad/s] Para demostrar la efectividad de la solución propuesta, se han realizado simulaciones del vehículo con la dirección eléctrica asistida EPS y el controlador diseñado. El motor de asistencia es de tipo brushless DC, acoplado a la columna de dirección con una reducción igual a 15. El escenario en el que se han desarrollado las simulaciones es el mismo que el presentado en el apartado 2 para el caso de subviraje. El vehículo presenta las características indicadas en la tabla 1. En la figura 6 se muestra el funcionamiento del controlador sobre el comportamiento subvirador del vehículo en cuestión. La figura 6a corresponde al resultado, en curva, de la trayectoria realizada por el vehículo con la estrategia propuesta. Nuevamente aquí, la trayectoria teórica está representada por la que correspondería a la rueda delantera izquierda. Como se puede observar, la estrategia propuesta compensa el subviraje, haciendo volver al vehículo hacia la trayectoria correcta. 10 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 0 c) 0.5 1 10 8 6 4 Par de entrada 2 Par [Nm] 4 0 -2 -4 -6 Par adicional -8 -10 0 0.5 1 Figura 6: Simulación de un vehículo subvirador con estrategia de compensación de subviraje: a) trayectoria en el plano XY; b) error en la velocidad de guiñada; c) par en la columna de dirección 5 CONCLUSIONES En este trabajo se ha presentado una nueva estrategia para mejorar la asistencia a la dirección en curva. El controlador es de aplicación a direcciones eléctricas de tipo EPS, y permite realizar la compensación del subviraje y sobreviraje de los vehículos, a la vez que reduce el efecto de las fuerzas laterales sobre el conductor. Las características del controlador son las siguientes: • Requiere de la medida de la velocidad de guiñada para caracterizar los estados de subviraje y sobreviraje. • Utiliza una señal de pulsos con una amplitud proporcional a la señal del error de velocidad de guiñada en régimen permanente, para corregir el subviraje/sobreviraje. Como es habitual en direcciones de tipo EPS, la amplitud se ajusta en función de la velocidad del vehículo. • En condiciones normales de circulación, permite corregir el subviraje/sobreviraje en un tiempo en torno a 1 segundo. • Para definir el grado de compensación de las fuerzas laterales de los neumáticos, se propone la medida de la aceleración lateral, como señal más representativa del valor de estas fuerzas en curva. • Simulaciones realizadas sobre un modelo tridimensional del vehículo, muestran la efectividad de la solución propuesta. Agradecimientos CEMITEC agradece al programa PROFIT, gestionado por el Ministerio de Educación y Ciencia, la financiación recibida para la realización de este trabajo. Referencias [1] Badaway, A.; Zuraski, J.; Bolourchi, F.; Chandy, A.; “Modeling and Analysis of an Electric Power Steering System”; SAE Paper 1999-01-0399, 1999. [2] Buckholtz, K. R.; “Use of Fuzzy Logic in Wheel Slip Assignment - Part I: Yaw rate Control”; SAE Paper 2002-01-1221, 2002. [3] Buckholtz, K. R.; “Use of Fuzzy Logic in Wheel Slip Assignment - Part II: Yaw rate Control with Sideslip Angle Limitation”; SAE Paper 2002-01-1220, 2002. [4] Huh, K.; Kim, J.; “Active Steering Control Based on the Estimated Tire Forces”; Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 123, pp. 505-511, 2001. [5] Kodama, S.; Tsutsumi, K.; “Development for Brushless EPS System”; Mitsubishi Electric Advance, 2004. [6] McCann, R., “Variable Effort Steering for vehicle stability Enhancement Using an Electric Power Steering System”; SAE Paper 2000-010817, 2000.