Capitolo3 Sistema di controllo del precarico
Capitolo 3 Sistema di controllo del precarico.
3.1 Il controllo del precarico.
Dalla teoria delle sospensioni si è visto quali sono le componenti principali che le costituiscono e le regolazioni possibili; fra esse vi è il precarico. È importante precisare che le sospensioni lavorano soltanto in compressione e già in fase di montaggio la molla viene leggermente compressa, tale compressione è appunto il precarico.
Nella trattazione che segue consideriamo lineare il legame fra la forza esercitata dalla molla e la compressione (linea rossa). Per completezza ricordiamo che le molle possono realizzate in modo da avere un k che aumenta con la compressione (linea blu).
F
F3
F2
F1
z1 z2 z3 z
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comprimere ulteriormente. Questo conferisce la sensazione di un comportamento più rigido della sospensione. In realtà la si rende meno sensibili alle piccole sollecitazioni per le quali si comporta come un corpo rigido intervenendo solo per sollecitazioni che superano la soglia.
a) b) c)
Fig 3.2 Sospensione con tre diversi valori di precarico.
In figura 3.2 sono rappresentate tre sospensioni con valori di precarico crescenti: minimo a), medio b), massimo c).
La regolazione del precarico, di norma, viene eseguita in fabbrica e tarata per l utente medio. Come già ricordato tale regolazione viene spesso ignorata, talvolta incautamente. La sospensione, infatti, garantisce un comportamento ottimale solo quando la corsa dell ammortizzatore è quella prevista dalle specifiche di progetto. Si intuisce che il precarico non può essere ottimizzato per ogni situazione, pertanto nasce l esigenza di dover
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Posizionando sulla sospensione una massa sospesa M, si ha un carico C. g
M
C (N 3.1) con g accelerazione gravitazionale.
Il carico produce la compressione della molla (D<D1).
Fig 3.3 Effetto del precarico sulla sospensione.
L accorciamento provocato è tale che la forza esercitata dalla molla uguagli il carico, ripristinando l equilibrio:
g M A K Fm
(N 3.2) dove A è l accorciamento della molla e K è la costante elastica.
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L equazione di equilibrio diventa: g M A A K Fm m p
(N 3.4) Da cui si può determinare
p m m A K F A
(N 3.5) La relazione evidenzia come sia possibile controllare Am agendo sul precarico, per riportarci nella condizione di corsa ideale.
Consideriamo, per semplicità, il veicolo come un oggetto con una sola sospensione e poniamo un sistema di riferimento con origine nell estremità superiore della molla a riposo e asse z orientata verso il basso.
La forza F delle masse sospese comprime la molla fino al valore zs.
Se la ruota incontra un ostacolo la sospensione viene compressa fino al punto zost, poiché l ostacolo sollecita la moto con una forza pari ad Fost. A questo punto la molla si riporta nella posizione iniziale compiendo una serie di oscillazioni intorno al punto di equilibrio zs, passando per i valori z1, z2, a seconda che la molla sia precaricata con una forza F1 o F2.
F Am Fost Fs F2 F1 z1 z2 zs zost z t
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La sospensione con precarico maggiore si porta più velocemente nella condizione di equilibrio, dando la sensazione di un comportamento più brusco.
3.2 Sistema di controllo del precarico.
Descrizione generale del sistema
Il progetto è nato dalla collaborazione fra Università di Pisa e Piaggio S.p.A. allo scopo di realizzare un sistema di controllo automatico del precarico, espressamente progettato per veicoli a due ruote che agisce in maniera trasparente all utente [21].
Il progetto di ricerca prevede di equipaggiare lo scooter Piaggio Beverly 500 con un sistema elettronico di controllo che permetta la regolazione del precarico in modo automatico, in accordo con le condizioni di carico presenti sul veicolo.
La regolazione avviene in condizione di veicolo in moto, con velocità comprese tra 20 e 40 km/h e accelerazioni inferiori ad 1 m/s2. il controllo viene ripetuto periodicamente ogni due minuti e ogni qualvolta il veicolo resti fermo per un tempo maggiore di Tstop in cui si potrebbe avere una variazione del carico statico.
Le informazioni necessarie per eseguire il controllo sono: l accorciamento a vuoto dovuta al precarico
l accorciamento dovuto alla massa M . la velocità dello scooter.
L accelerazione dello scooter. La posizione del cavalletto.
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Architettura del sistema
Il sistema è costituito da un unità logica di controllo che esegue l algoritmo di controllo, da dei sensori che rilevano le grandezze di interesse posizionati sul veicolo, da un driver di potenza capace di pilotare il motore elettrico che regola il precarico e da una sospensione posteriore con precarico variabile. Inoltre l unità elettronica è dotata di connettività wirless con tecnologia bluetooth.
Fig 3.5 Architettura del sistema.
La scheda contenente l unità di controllo, di dimensioni 4 x 6 cm a doppia faccia, è mostrata nelle fig 3.6, su cui si distinguono diverse sezioni.
Fig 3.6 Struttura dell unità di controllo.
ECU
- corsa AM - precarico AP - velocità - cavalletto set - motore on; - direzione; info - logging - controllo remoto RX TX Driver di potenza Alimentazione Controllo RS-232 Bluetooth CANCapitolo3 Sistema di controllo del precarico
a) b)
Fig 3.7 Struttura della scheda.
Descrizione dei componenti Sospensione
Il veicolo è dotato di due sospensioni Paioli a precarico variabile, in ognuna delle quali la molla viene compressa da un pistone idraulico.
Un motore in corrente continua aziona una vite senza fine che comprime l olio convogliandolo tramite due condotte forzate nei cilindri posti in testa alle sospensione che contengono i pistoni idraulici.
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Fig 3.8 Coppia di sospensioni Paioli con regolazione idraulica del precarico.
Il valore del precarico dipende dalla posizione del pistone che a sua volta dipende dal numero di giri che compie il motore.
Microprocessore
L intero sistema è gestito da un microprocessore Atmel 89C51CC03, a 64 pin, dotato di otto convertitori analogico digitale a 8 con tempo di conversione pari a 16 s.
Il processore supporta il protocollo CAN così che possa essere inserito in una rete nodale, inoltre consente la programmazione in system permettendo di modificare il firmware tramite la porta seriale.
Driver di potenza.
Il motore viene pilotato dal driver STM VNH2 [2]. Si tratta di un driver di potenza che supporta una corrente in uscita di 30 A e contiene al suo interno il ponte ad H a mosfet di potenza che controlla con un segnale PWM a 20 kHz. Agendo sul duty cicle del segnale si varia il valore medio della tensione
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motore viene azionato sempre alla massima velocità pertanto il duty cicle è unitario, ciò significa alimentare il motore con una tensione continua.
Fig 3.9 Driver STM VNH2 [22].
Una caratteristica molto utile è la presenza del terminale CS che fornisce una corrente Isens proporzionale alla corrente assorbita dal motore, questa corrente viene fatta scorrere sulla resistenza Rsen per produrre la tensione Vses inviata
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Il driver riceve la codifica dei comandi del motore dal processore sui terminali INA e INB e il motore viene connesso direttamente alle uscite outA, outB.
Front end analogico
La sezione front end analogico serve per adattare la dinamica d uscita dei sensori a quella di ingresso dei convertitori A/D del microcontrollore. contiene i partitori resistivi e i diodi di protezione.
In questa sezione troviamo la resistenza Rsen che adegua il valore della tensione Vses all ingresso dell ADC.
Alimentazione
L alimentazione del microcontrollore è assicurata dal regolatore della National Instrument LP2954, inoltre, la scheda è protetta da inversioni di polarità e da sovratensioni per mezzo di un diodo di potenza e di un tranzorb.
Bluetooth
La scheda è stata dotata dell interfaccia wireless con tecnologia Bluetooth Promi ESD01, classe 100m.
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Il modulo è separato dalla scheda è utile solo nella fase di sperimentazione, nell applicazione pratica la scheda non è presente deve essere perciò facilmente estraibile.
Fig 3.11 Scheda per la comunicazione wireless.
Sensori
Il sensore per la misura dell accorciamento A della sospensione è il sensore potenziometrico lineare SLS150 della Penny & Giles.
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Questo sensore è specifico per applicazioni automotive, ed è conforme alla classe di protezione IP66 che garantisce il corretto funzionamento del dispositivo anche quando questo viene sottoposto a getti d acqua ad alta pressione.
Il sensore del livello di precarico è un sensore di tipo Hall integrato nell attuatore. Restituisce il numero di giri del motore e non fornisce informazioni sul verso di rotazione, si tratta pertanto di una informazione sulla posizione relativa e non assoluta.
Un semplice interruttore on-off rileva la posizione del cavalletto.
La velocità del veicolo si determina mediante un sensore Hall, che rileva il passaggio di magneti incollati sulla ruota. Il segnale ottenuto viene inviato all unità elettronica che calcola la velocità dal numero di impulsi nell unità di tempo.
Algoritmo di controllo
La strategia di controllo prevede la regolazione del precarico col veicolo in movimento, sia pure con velocità relativamente basse, comprese in un intervallo di valori definito tali da permettere di ritenere trascurabili gli effetti della dinamica del veicolo sulla compressione della sospensione. Se il cavalletto è sollevato, l algoritmo provvede alla misura dello schiacciamento della sospensione e valuta il carico statico sul veicolo. Interviene, se necessario, correggendo il precarico, in modo da riportare lo schiacciamento medio intorno al valore ottimale. Questa operazione deve essere ripetuta ad intervalli prefissati o qualora si rilevi lo stop del veicolo per un tempo significativo.
Il valore della compressione della sospensione viene ritenuto significativo se la velocità dello scooter rimane all interno della fascia imposta (Vmax - Vmin) per almeno un tempo Tin_range . In questo intervallo viene campionato il valore dello schiacciamento della sospensione, letto dal sensore di posizione
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L obbiettivo è riportare la corsa media al valore desiderato. Per fare ciò si quantizza il precarico su otto livelli definiti da S0 a S7. Partendo da un offset di 50 giri del motore dell attuatore, corrispondente al valore S0, si incrementa ogni livello con 53 giri del motore.
L isteresi, di cui soffre la sospensione, fa si che per ogni valore di carico vi siano più punti di equilibrio della corsa. Per evitare una errata interpretazione, dopo il primo aggiustamento, si interviene di nuovo sul precarico, solo se il nuovo valore differisce da quello attuale per più di un livello. NO Misura carico t >Tmax? or v = 0 and t>Tstop? Reset, Cav lat ON Cav lat? Impostazione precarico Azzeramento precarico Precarico ok Attesa OFF ON SI NO Misura carico t >Tmax? or v = 0 and t>Tstop? Reset, Cav lat ON Cav lat? Impostazione precarico Azzeramento precarico Precarico ok Attesa OFF ON SI Misura carico t >Tmax? or v = 0 and t>Tstop? Reset, Cav lat ON Cav lat? Impostazione precarico Azzeramento precarico Precarico ok Attesa OFF ON SI
Fig 3.13 Algoritmo di controllo.
L algoritmo è descritto dal diagramma a blocchi in figura. L algoritmo prevede diversi stati:
START : si azzera il precarico READY:controlla il cavalletto
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3.3 Motivazione delle modifiche del sistema.
Il sistema di controllo, descritto precedentemente, risulta in grado di rispettare tutte le specifiche funzionali richieste e adatta correttamente il valore del precarico al carico che grava sullo scooter.
L inconveniente principale è dovuto alla presenza del sensore, che rileva in maniera diretta, il valore Am della corsa. È perciò montato in parallelo alla sospensione e fissato ai due estremi.
Il sensore è dunque esposto agli agenti atmosferici. Viene continuamente sollecitato, durante il moto, dalle vibrazioni trasmesse dal suolo e compie le stesse escursioni della sospensione, anche quando è inattivo.
Si intuisce la necessità di dover adoperare un sensore espressamente progettato per applicazioni automotive, in grado di sopportare gli stress meccanici. Il sensore di elongazione usato è il SLS150 della Penny & Giles, il cui costo si aggira intorno ai 200 .
Se si considerano i prezzi di mercato degli scooter, si osserva che, il costo del solo sensore può raggiungere il 10% del costo totale del veicolo. L introduzione del sistema di gestione della sospensione, può pertanto incidere eccessivamente sul costo del veicolo almeno per i veicoli di fascia bassa.
La sicurezza tuttavia è una esigenza comune a tutti i veicoli indipendentemente dal loro costo. Per questo si rende auspicabile la realizzazione di un sistema di controllo del precarico a bassissimo costo. Il costo della centralina così come è stata presentata, fatta eccezione appunto per il sensore di posizione, è di pochi euro (<10 ). Si comprende quindi come l eliminazione del sensore gioverebbe in modo determinante al costo
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Lo scopo di questo lavoro di tesi è dimostrare la possibilità di realizzare un sistema efficiente, senza l ausilio del sensore di elongazione. Per capire come ciò possa avvenire si deve tenere in considerazione il funzionamento della sospensione attiva.
Il precarico viene variato iniettando dell olio idraulico in una camera di espansione causando il movimento del pistone che precomprime la molla. L olio idraulico viene messo in pressione da una vite senza fine azionata da un motore in corrente continua.
Dalla teoria dei motori in corrente continua (vedi allegato o capitolo introduttivo) si sa che, lavorando a tensione costante, sia la corrente assorbita che la velocità angolare sono influenzati dalla coppia resistente agente sull asse del motore.
L esistenza di un legame diretto fra grandezze meccaniche ed elettriche nel motore suggerisce l idea di determinare il carico dello scooter indirettamente attraverso la misura dei parametri del motore.
3.4 Scelta della tipologia di misure.
Lo scopo prestabilito consiste nel determinare il carico statico senza poter disporre in ogni istante della misura della corsa della sospensione.
Per poter determinare il valore del carico si deve ricorrere a misure secondarie, determinate dall influenza che le grandezze meccaniche che agiscono sul motore hanno sulle grandezze elettriche facilmente misurabili. Nel capitolo 2 si è osservato come un aumento della coppia resistente sull albero del motore comporta una riduzione della velocità angolare e un aumento della corrente assorbita.
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Si dispone pertanto di due possibili grandezze misurabili: il tempo e la corrente a regime.
La misura nel tempo dipende dalla velocità angolare del motore ed è legata al valore di tensione di alimentazione, pertanto per poter eseguire questa misura si dovrebbe dotare la scheda di un ulteriore regolatore che comporterebbe dei costi aggiuntivi. Si è scelto, quindi, di monitorare la corrente, gia disponibile sul piedino del driver di potenza.
La misura dei tempi di attivazione resta un metodo potenzialmente valido per sviluppi futuri.
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