ESP : Principes et Technologie

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1 ESP : Principes et Technologie Pierre Duysinx LTAS - Ingénierie des Véhicules Terrestres Université de Liège Année Académique Plan de l exposé Introduction Système à retour et variables contrôlées Exigences de l ESP Le concept d ESP 1

2 Introduction ESP = Electronic Stability Program Le système ESP vise à assurer le contrôle de la dynamique latérale du véhicule en toutes circonstances L ESP de Bosch repose sur le système de freinage comme moyen pour assurer le contrôle directionnel et la stabilité du véhicule L ESP est une évolution (ou une révolution?) des systèmes ABS, TCS sur lesquels il s appuie. L ESP va toutefois bien au-delà des objectifs de ses deux prédécesseurs. Lorsque la fonction de contrôle de stabilité est activée, elle change la priorité du système de freinage. Lorsque l ESP intervient, les fonctions de base du système de freinage (freiner ou arrêter le véhicule) sont mises en arrière plan pour garder la stabilité du véhicule en toutes conditions Introduction Aujourd hui l ESC affiche un taux de pénétration important sur les nouveaux véhicules: 19,6% Source ACEA: /news_detail/european_auto_industr y_active_partner_esafety_aware/ 2

3 Introduction L intervention de l ESP se fait via un freinage indépendant des 4 roues. Exemple: Freinage arrière gauche pour contrôler le sous virage Freinage avant droit pour contrer un survirage Introduction Pour une efficacité maximale, l ESP travaille non seulement avec le freinage mais aussi avec la gestion du moteur pour accélérer les roues motrices ou diminuer le couple aux roues. L ESP dispose de 2 stratégies complémentaires: Freinage différentiel et indépendant des roues Accélération des roues motrices L ESP aide à maintenir le véhicule sur la route évidemment dans les limites de la physique évidemment Réduction des risques de retournement Réduction des risques d accident Amélioration de la sécurité en fournissant au conducteur un support actif. 3

4 Introduction Exemple 1: braquage et contrebraquage rapide Route avec haut coefficient de friction µ = 1 Pas de freinage du conducteur Vinit = 144 km/h Bosch (1999) Pages Introduction Exemple 2 : Changement de file avec freinage d urgence ABS versus ESP Route glissante µ=0.15 Vinit = 50 km/h Bosch (1999) Pages

5 Introduction Exemple 3 : Séquence prolongée de braquages contre-braquages sur route sinueuse Route couverte de neige µ=0.45 Pas de freinage Vinit = 72 km/h Bosch (1999) Pages Introduction Exemple 4 : Accélération - décélération en virage Courbe dont le rayon se réduit progressivement (exemple sortie d autoroute) Vitesse constante Bosch (1999) Pages

6 Introduction Exemple 4 : Accélération - décélération en virage Test sur anneau Route avec haut coefficient de friction µ=1 Cercle de rayon R=100m Vitesse croissante jusqu à la vitesse critique V=98 km/h Bosch (1999) Fig 11 Pages 213 Ellipse de friction (rappel) Kiencke & Nielsen (2000) Fig 6.21 et

7 Ellipse de friction (rappel) Kiencke & Nielsen (2000) Fig 6.20 Systèmes à retour et variables contrôlées OBJECTIF DE L ESP Contrôle de stabilité dans des situations limites au sens de la dynamique du véhicule: empêcher des valeurs excessives de: La vitesse linéaire longitudinale (vitesse critique) La vitesse latérale La vitesse de lacet Traduire la demande du conducteur en: Une réponse dynamique adaptée aux caractéristiques de la route De manière optimalisée Pour avoir une stabilité en toutes circonstances 7

8 Systèmes à retour et variables contrôlées OBJECTIF DE L ESP ESP embrasse des capacités étendues par rapport à l ABS et au TCS Basé sur des composants avancés des systèmes ABS et TCS Il permet: Un freinage actif et individuel des 4 roues avec un haut niveau de sensibilité dynamique Une gestion de la motorisation Contrôle du couple, du taux de glissement aux roues motrices Contrôle du moment de lacet de correction, des forces propulsives permettent de converger vers la réponse idéale souhaitée par le conducteur Systèmes à retour et variables contrôlées Véhicule & boucle de contrôle Modulation des freins & contrôle du moteur Variables mesurées / estimées Demande du conducteur = comportement idéal Réponse réelle du véhicule Contrôle d erreur Contrôleur : définition des paramètres de contrôle 8

9 Principes de Fonctionnement Vitesse ang. des roues Accélération latérale Angle de braquage Accélération ang. de lacet Comportement sur-vireur: freinage à l avant Comportement sous-vireur: freinage à l arrière Calcul du comportement désiré du véhicule Décision si intervention de l ESP Calcul du comportement réel du véhicule ESP = (ABS+TCS)² Déviation entre le comportement désiré du véhicule et le comportement réel Instrumentation de l esp Un gyroscope micromécanique (polysi surface micromachined MEMS) détecte les rotations autour de l axe vertical du véhicule Capteurs de vitesse de rotation des roues (effet Hall) miniaturisés! Un accéléromètre micromécanique (polysi surface micromachined MEMS) hautement sensible enregistre l accélération latérale Réseau CAN bus Capteur d angle de rotation de la colonne de direction sans contact Source: Doc. Bosch 9

10 Architecture de l ESP Hiérarchie du contrôleur Plus haute priorité (niveau 1) = contrôleur ESP Définit le taux de glissement idéaux des pneus Définit le couple à transmettre L ESP transmet ses consignes aux contrôleurs subordonnées: Contrôleur ABS Contrôleur MSR Contrôleur TCS qui ajustent les actions des systèmes hydrauliques de freinage et de la gestion du moteur sur la base des valeurs fournies par l ESP 10

11 Hiérarchie du contrôleur Lacet + acc. latérale Angle braquage Pression Vitesse roues Modulation hydraulique freins Angle calage injection Injection carburant Manette des gaz Niveau 1: Contrôleur ESP ESP détermine le statut actuel du véhicule basé sur vitesse de lacet et dérive ESP essaie de réaliser la meilleure convergence possible entre réponse du véhicule et valeurs souhaitées par le conducteur ESP a pour moyens d action: créer un moment de lacet pour modifier la dérive et la vitesse de lacet en créant un freinage asymétrique modifier le glissement longitudinal des roues en jouant sur le couple moteur et la gestion du moteur ESP vise à conserver les caractéristiques de tenue de route voulues par le conducteur pour servir de base à un contrôle fiable du véhicule 11

12 Niveau 1: Contrôleur ESP Variables mesurées: angle de braquage du volant accélération latérale vitesse de lacet vitesse de rotation des roues pression du circuit de freinage Variables estimées vitesse linéaire du centre de gravité forces de friction longitudinales et coefficient de friction longitudinal Variables calculées ou observées (estimées) Forces latérales aux roues angle de dérive des pneus angle de dérive du véhicule β vitesse latérale du véhicule Niveau 1: Contrôleur ESP Sur la base de ces variables : vitesse du véhicule coefficient de friction et des consignes du conducteur angle de braquage du volant, pression sur pédale de frein pression sur pédale des gaz l algorithme calcule des spécifications (valeurs max) pour la vitesse de lacet et la dérive Le système reconnaît et prend en compte des situations inhabituelles: coefficient de frottement asymétrique, route dégradée etc. 12

13 Niveau 1: Contrôleur ESP Le contrôleur régit 2 variables: la dérive et la vitesse de lacet Il corrige le comportement au moyen d un moment de lacet créé par des forces de freinage L algorithme de contrôle est basé sur une limitation du potentiel d accélération latérale et d autres données sélectionnées pour représenter le comportement dynamique du véhicule. Ces données sont déterminées sur piste d essai. Les données sont stockées sous forme d un modèle bicyclette. Lorsque le coefficient de friction réel est plus bas que prévu, le contrôleur réduit l angle de dérive et réduit l accélération latérale. Niveau 1: Contrôleur ESP Kiencke & Nielsen (2000) Fig

14 Niveau 1: Contrôleur ESP La totalité des données mesurées ou estimées par l ESP sont relayées aux contrôleurs subordonnés ABS et TCS en vue de tirer un profit maximal du coefficient de friction disponible. Pour les opérations ABS, transfert des infos suivantes: Vitesse latérale, vitesse de lacet, angle de braquage, vitesse des roues, taux de glissement Pour les opérations TCS: Valeur moyenne du taux de glissement, valeur maximale du glissement, moment de lacet dû au freinage à fournir Niveau 2 : contrôleur ABS Action du contrôleur subordonné ABS chaque fois que le taux de glissement dépasse sa valeur max. Tant pour le freinage ABS que le freinage actif provoqué par l ESP Précision de l intervention capitale Système mesure la vitesse du véhicule de manière indirecte à partir de la vitesse des roues Mode opératoire: relâcher brièvement le freinage d une roue pour la laisser revenir en roue libre et mesurer la vitesse Vitesse du centre de gravité utilisée alors pour reconstruire la vitesse des 3 autres roues. 14

15 Niveau 2 : contrôleur MSR Lorsqu on rétrograde ou que les gaz sont soudainement relâchés, l inertie des parties mobiles du moteur crée un moment de freinage aux roues motrices. L ampleur de ce couple peut amener les roues au delà du taux de glissement maximal. La contre-mesure consiste à accélérer gentiment le moteur en appliquant un peu de gaz L ECU envoie un signal à la gestion électronique du moteur en ce sens Niveau 2 : contrôleur TCS But : Éviter les taux de glissement excessifs lors de démarrages ou d accélérations Intervention du TCS pour empêcher les roues de patiner et limiter le couple moteur Plusieurs options d intervention: freiner la roue sur le point de patiner (très rapide) agir sur la gestion du moteur ouverture fermeture des gaz supprimer l allumage de et l injection dans certains cylindres modifier le temps d ignition (angle de calage) 15

16 Niveau 2 : contrôleur TCS Freinage: recours à la fonction ABS Motorisation: contrôleur TCS avec consignes venant de l ESP sur le taux de glissement moyen et le taux de glissement max TCS calcule: la vitesse (moyenne) de l arbre de transmission la différence de vitesse entre les roues (côté intérieur / extérieur) TCS calcule: le couple de freinage désiré pour les roues motrices le couple du moteur désiré et sa réduction éventuelle Niveau 2 : contrôleur TCS Constante de temps fonction de l inertie: Grande pour la vitesse moyenne, car dépend de la dynamique du moteur et de la ligne de transmission Faible pour la vitesse différentielle (inertie faible des roues) Régulation de la différence de couple: via un freinage différentié gauche / droite Régulation de la vitesse moyenne de l arbre de transmission: couple de freinage symétrique + intervention sur la gestion du moteur: via manette de gaz: relativement lente retard à l allumage et allumage sélectif des cylindres: régulation plus rapide freinage symétrique: très rapide mais appliqué comme mode de transition pour la réduction du couple 16

17 Fonction supplémentaire: aide au freinage d urgence Fonction supplémentaire: aide au freinage d urgence 17

18 Les composants de l ESP Capteurs: Angle de braquage de la direction (volant) Accélération latérale Vitesse de lacet Pression du fluide de freinage Vitesse de rotation des roues ECU Electronic Control Unit Modulateur de pression hydraulique Pompe primaire avec capteur de pression Les capteurs EXIGENCES ET OBLIGATIONS Transduction: conversion signal physique en signal électrique Fonctionnement efficace et sans problème du système monitoring constant et redondance résistance aux conditions de l environnement et aux interférences maintenance de l intégrité opérationnelle au bout d une période étendue Fiabilité extrême du composant pour assurer la sécurité pour garantir un jugement rapide et une réponse précise en toute circonstance Conserver un haut degré de précision tout au long de la vie 18

19 Capteurs d angle de volant Capteurs de position Enregistrement du déplacement angulaire Avec contact : présence de balais (potentiomètre) Sans contact : capteur de proximité basé par ex. sur l effet Hall Les deux peuvent être employés pour les ESP Amplitude opératoire:+720 Tolérance limite de précision +/-5 tout au long de la vie du capteur Capteurs d angle de volant Bosch LWS1 Capteur sans contact basé sur 14 capteurs par effet Hall Génère un code digital pour la rotation et le nombre de tours de volant Bosch LWS3 Capteur basé sur des cristaux magnétorésistifs anisotropes Très haute résolution Roues portant les aimants ont de nombres de dents différents pour aboutir à une mesure absolue Les deux roues introduisent une redondance naturelle 19

20 Capteur d accélération latérale Mesure de l accélération par la mesure de la force sur une masse d épreuve Support sur système élastique (poutre) Déflexion mesurée via effet Hall Mesure très efficace de l accélération latérale Amortissement électrodynamique par des courants de Foucault Capteur de vitesse de lacet SYSTEME DRS50 / DRS100 Le gyroscope mesure la vitesse de lacet par les forces de Coriolis dans les repères non inertiels. Cylindre avec éléments piézoélectriques qui créent une onde de surface à la périphérie L onde progressive est perturbée par la vitesse de rotation. La mesure est effectuée en calculant l effort nécessaire par un système servo pour restaurer l onde originale 20

21 Capteur de vitesse de lacet DRS MM 1.0 / 1.1 / 1.2 Capteur MEMS fabriqués par surface micromachining Principe: des vibrations entretenues induisent des vibrations dans la direction perpendiculaire à cause des forces de Coriolis Lecture du mouvement en utilisant l effet capacitif d un peigne Intègre le capteur de lacet et d accélération latérale Capteurs DUAUX assemblages des capteurs d accélération latérale Capteur de vitesse de lacet + Accéléromètre latéral Micro gyroscope 21

22 Capteur de vitesse de lacet Protection: packaging sous N 2 Interface vers ECU: version 1.0 analogique, version 1.1 via CAN chip séparé, version 1.2 signal traité par un CAN chip intégré Capteurs duaux: assemblages de deux capteurs Avantages: Réduction de l encombrement, des câblages, du volume Meilleur traitement des erreurs et défauts (operating range limit violation, error recognition, etc.) Capteur de pression Capteur de pression du fluide frein Capteur MEMS sur silicium (bulk micromachining) Mesure la déformation d un diaphragme sous l effet de la pression Mécanisme transduction: jauge de contrainte ou variation de champ magnétique modifie le voltage ou la fréquence Admet des mesures de pression jusque 350 bars dans une large gamme de température et immergé dans du PCB 22

23 Capteur de vitesse de rotation des roues Capteur inductif DF6 Sur le stator, un pôle relié à un aimant permanent et un bobinage. Sur le rotor, un anneau avec des dents et des encoches. La rotation du rotor crée une reluctance variable et une variation du champ magnétique. Celle-ci donne lieu dans le bobinage à un courant d amplitude et de fréquence variable avec la vitesse de rotation Problème à basse vitesse: plus de signal! (limite ABS) Capteur de vitesse de rotation des roues Pôle plat: installation à angle droit du rotor Pôle rond: installation radiale. Anneau denté de diamètre assez grand ou petit nombre de dents Pôle en forme de rhombus (losange): opération radiale et axiale, axe du pôle perpendiculaire au rayon du rotor. Nécessite un alignement précis. 23

24 Capteur de vitesse de rotation des roues Capteur de vitesse actif DF10 Remplace progressivement les capteurs inductifs Anneau rotor constitué d une alternance de zones de polarité N S Élément de stator actif voit défiler des aimants et un flux alterné. Détection par effet Hall ou magnéto résistif Voltage même à l arrêt, indépendant de la vitesse (entre 7 et 20 V) Ampli dans le capteur Compact et léger, permet le montage dans le pallier de roue Unité de contrôle électronique Bosch, 1999 Fig. 13 page

25 Le modulateur de pression Le variateur de pression hydraulique contient un accumulateur, une pompe de retour et une valve à solénoïde Modulation de la pression des freins A/ Accroître la pression B/ Maintenir la pression C/ Réduire la pression à la roue adéquate 25

26 Comprendre L ESP Description du système ESP et principes de fonctionnement Un modèle simple: Modèle à 2 ddls du véhicule : modèle bicyclette Equations du comportement transitoire en virage (équilibre latéral) Extension pour intégrer le freinage individuel des roues Vers la simulation numérique: L automobile, un système mécatronique Modèle multicorps par éléments finis (SAMCEF-MECANO) Intégration des la modélisation du système de contrôle Senseurs, algorithmes de contrôle, actionneurs Références U. Kiencke & L. Nielsen. Automotive Control Systems for Engine, Driveline and Vehicle. Springer Verlag R. Bosch. Driving Safety Systems. 2nd edition. SAE international VanZanten 26