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ESP : Principes et Technologie

Pierre DuysinxLTAS - Ingénierie des Véhicules Terrestres

Université de LiègeAnnée Académique 2009-2010

Plan de l’exposéIntroductionSystème à retour et variables contrôléesExigences de l’ESPLe concept d’ESP

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IntroductionESP = Electronic Stability ProgramLe système ESP vise à assurer le contrôle de la dynamique latérale du véhicule en toutes circonstancesL’ESP de Bosch repose sur le système de freinage comme moyen pour assurer le contrôle directionnel et la stabilité du véhiculeL’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

IntroductionAujourd’hui l’ESC affiche un taux de pénétration important sur les nouveaux véhicules: 19,6%Source

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IntroductionL’intervention de l’ESP se fait via un freinage indépendant des 4 roues. Exemple:

Freinage arrière gauche pour contrôler le sous virageFreinage avant droit pour contrer un survirage

IntroductionPour 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 rouesAccélération des roues motrices

L’ESP aide à maintenir le véhicule sur la route dans les limites de la physique évidemment

Réduction des risques de retournementRéduction des risques d’accidentAmélioration de la sécurité en fournissant au conducteur un support actif.

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Introduction

Exemple 1: braquage et contre-braquage rapide

Route avec haut coefficient de friction µ = 1 Pas de freinage du conducteurVinit = 144 km/h

Bosch (1999)Pages 207-208

Introduction

Exemple 2 : Changement de file avec freinage d’urgence

Route glissante µ=0.15Vinit = 50 km/h

Bosch (1999)Pages 209-210

ABS versus ESP

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Introduction

Exemple 3 : Séquence prolongée de braquages contre-braquages sur route sinueuse

Route couverte de neige µ=0.45Pas de freinageVinit = 72 km/h

Bosch (1999)Pages 210-212

Introduction

Exemple 4 : Accélération - décélération en virage

Courbe dont le rayon se réduit progressivement (exemple sortie d’autoroute)Vitesse constante

Bosch (1999)Pages 212-213

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Introduction

Exemple 4 : Accélération - décélération en virage

Test sur anneauRoute avec haut coefficient de friction µ=1Cercle de rayon R=100mVitesse 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 6.22

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Ellipse de friction (rappel)

Kiencke & Nielsen (2000) Fig 6.20

Systèmes à retour et variables contrôlées

OBJECTIF DE L’ESPContrôle 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 latéraleLa vitesse de lacet

Traduire la demande du conducteur en:Une réponse dynamique adaptée aux caractéristiques de la routeDe manière optimaliséePour avoir une stabilité en toutes circonstances

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Systèmes à retour et variables contrôlées

OBJECTIF DE L’ESPESP embrasse des capacités étendues par rapport à l’ABS et au TCSBasé sur des composants avancés des systèmes ABS et TCSIl permet:

Un freinage actif et individuel des 4 roues avec un haut niveau de sensibilité dynamiqueUne 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

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Principes de Fonctionnement

Déviation entre le comportement désiré du véhicule et le comportement réel

Décision si intervention de l’ESPCalcul du

comportement désiré du véhicule

Calcul du comportement

réel du véhicule

Comportement sur-vireur:

freinage à l’avant

Comportement sous-vireur:

freinage à l’arrière

Angle debraquage

Accélération latérale

Vitesse ang. des roues

Accélération ang. de lacet

ESP = (ABS+TCS)²

Instrumentation de l’esp

Un accéléromètre micromécanique(polySi surface micromachined MEMS) hautement sensible enregistre l’accélération latérale

Un gyroscope micromécanique (polySisurface micromachinedMEMS) détecte les rotations autour de l’axe vertical du véhicule

Capteurs de vitesse de rotation des roues (effet Hall) miniaturisés!

Capteur d’angle de rotation de la colonne de direction sans contact

Réseau CAN bus

Source: Doc. Bosch

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Architecture de l’ESP

Hiérarchie du contrôleurPlus haute priorité (niveau 1) = contrôleur ESP

Définit les taux de glissement idéaux des pneusDéfinit le couple à transmettre

L’ESP transmet ses consignes aux contrôleurs subordonnées:Contrôleur ABSContrôleur MSRContrôleur 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

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Hiérarchie du contrôleur

Lacet +acc. latérale

Angle braquage

Pression

Vitesse roues

Modulationhydraulique freins

Angle calageinjection

Injectioncarburant

Manettedes gaz

Niveau 1: Contrôleur ESPESP détermine le statut actuel du véhicule sur base des vitesses de lacet et dériveESP essaie de réaliser la meilleure convergence possible entre réponse du véhicule et valeurs souhaitées par le conducteurESP a pour moyens d’action:

créer un moment de lacet pour modifier la dérive et la vitesse de lacet en créant un freinage asymétriquemodifier 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

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Niveau 1: Contrôleur ESPVariables mesurées:

angle de braquage du volantaccélération latéralevitesse de lacetvitesse de rotation des rouespression du circuit de freinage

Variables estiméesvitesse linéaire du centre de gravitéforces de friction longitudinales et coefficient de friction longitudinal

Variables calculées ou observées (estimées)forces latérales aux rouesangle de dérive des pneusangle de dérive du véhicule βvitesse latérale du véhicule

Niveau 1: Contrôleur ESPSur la base de ces variables :

vitesse du véhiculecoefficient de friction

et des consignes du conducteur angle de braquage du volant, pression sur pédale de freinpression sur pédale des gaz

l’algorithme calcule des spécifications (valeurs max) pour la vitesse de lacet et la dériveLe système reconnaît et prend en compte des situations inhabituelles: coefficient de frottement asymétrique, route dégradée etc.

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Niveau 1: Contrôleur ESPLe 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 freinageL’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 8.4

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Niveau 1: Contrôleur ESPLa 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 ABSAction 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’ESPPrécision de l’intervention capitaleSystème mesure la vitesse du véhicule de manière indirecte àpartir de la vitesse des rouesMode opératoire: relâcher brièvement le freinage d’une roue pour la laisser revenir en roue libre et mesurer la vitesseVitesse du centre de gravité utilisée alors pour reconstruire la vitesse des 3 autres roues.

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Niveau 2 : contrôleur MSRLorsqu’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 gazL’ECU envoie un signal à la gestion électronique du moteur en ce sens

Niveau 2 : contrôleur TCSBut : Éviter les taux de glissement excessifs lors de démarrages ou d’accélérationsIntervention du TCS pour empêcher les roues de patiner et limiter le couple moteurPlusieurs options d’intervention:

freiner la roue sur le point de patiner (très rapide)agir sur la gestion du moteur

ouverture fermeture des gazsupprimer l’allumage de et l’injection dans certains cylindresmodifier le temps d’ignition (angle de calage)

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Niveau 2 : contrôleur TCSFreinage: recours à la fonction ABSMotorisation: 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 transmissionla différence de vitesse entre les roues (côté intérieur / extérieur)

TCS calcule:le couple de freinage désiré pour les roues motricesle couple du moteur désiré et sa réduction éventuelle

Niveau 2 : contrôleur TCSConstante de temps fonction de l’inertie:

Grande pour la vitesse moyenne, car dépend de la dynamique du moteur et de la ligne de transmissionFaible pour la vitesse différentielle (inertie faible des roues)

Régulation de la différence de couple: via un freinage différentiégauche / droiteRégulation de la vitesse moyenne de l’arbre de transmission: couple de freinage symétrique + intervention sur la gestion du moteur:

via manette de gaz: relativement lenteretard à l’allumage et allumage sélectif des cylindres: régulation plus rapidefreinage symétrique: très rapide mais appliqué comme mode de transition pour la réduction du couple

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Fonction supplémentaire: aide au freinage d’urgence

Fonction supplémentaire: aide au freinage d’urgence

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Les composants de l’ESPCapteurs:

Angle de braquage de la direction (volant)Accélération latéraleVitesse de lacetPression du fluide de freinageVitesse de rotation des roues

ECU Electronic Control UnitModulateur de pression hydrauliquePompe primaire avec capteur de pression

Les capteursEXIGENCES ET OBLIGATIONS

Transduction: conversion signal physique en signal électriqueFonctionnement efficace et sans problème du système

monitoring constant et redondancerésistance aux conditions de l’environnement et aux interférencesmaintenance de l’intégrité opérationnelle au bout d’une période étendue

Fiabilité extrême du composantpour assurer la sécuritépour garantir un jugement rapide et une réponse précise en toute circonstance

Conserver un haut degré de précision tout au long de la vie

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Capteurs d’angle de volantCapteurs de positionEnregistrement 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 ESPAmplitude opératoire:+720°Tolérance limite de précision +/-5° tout au long de la vie du capteur

Capteurs d’angle de volantBosch LWS1

Capteur sans contact basé sur 14 capteurs par effet HallGénère un code digital pour la rotation et le nombre de tours de volant

Bosch LWS3Capteur basé sur des cristaux magnéto-résistifs anisotropesTrès haute résolution Roues portant les aimants ont de nombres de dents différents pour aboutir à une mesure absolueLes deux roues introduisent une redondance naturelle

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Capteur d’accélération latéraleMesure de l’accélération par la mesure de la force sur une masse d’épreuveSupport sur système élastique(poutre)Déflexion mesurée via effet HallMesure très efficace de l’accélération latéraleAmortissement électrodynamique par des courants de Foucault

Capteur de vitesse de lacetSYSTEME DRS50 / DRS100

Le gyroscope mesure la vitesse de lacet par les forces de Coriolis dans les repères non inertiels.Cylindre avec éléments piézo-électriques qui créent une onde de surface à la périphérieL’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

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Capteur de vitesse de lacet

DRS MM 1.0 / 1.1 / 1.2Capteur MEMS fabriqués par surface micromachiningPrincipe: des vibrations entretenues induisent des vibrations dans la direction perpendiculaire à cause des forces de CoriolisLecture du mouvement en utilisant l’effet capacitif d’un peigneIntègre le capteur de lacet et d’accélération latéraleCapteurs DUAUX assemblages des capteurs d’accélération latérale

Capteur de vitesse de lacet

Accéléromètre latéralMicro gyroscope

+

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Capteur de vitesse de lacetProtection: packaging sous N2

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 capteursAvantages:

Réduction de l’encombrement, des câblages, du volumeMeilleur traitement des erreurs et défauts (operating range limitviolation, error recognition, etc.)

Capteur de pressionCapteur de pression du fluide freinCapteur MEMS sur silicium (bulkmicromachining)Mesure la déformation d’un diaphragme sous l’effet de la pressionMécanisme transduction: jauge de contrainte ou variation de champ magnétique modifie le voltage ou la fréquenceAdmet des mesures de pression jusque 350 bars dans une large gamme de température et immergé dans du PCB

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Capteur de vitesse de rotation des roues

Capteur inductif DF6Sur 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 rotationProblème à basse vitesse: plus de signal ! (limite ABS)

Capteur de vitesse de rotation des rouesPôle rond: installation radiale. Anneau denté de diamètre assez grand ou petit nombre de dents

Pôle plat: installation àangle droit du rotor

Pôle en forme de rhombus (losange): opération radiale et axiale, axe du pôle perpendiculaire au rayon du rotor. Nécessite un alignement précis.

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Capteur de vitesse de rotation des roues

Capteur de vitesse actif DF10Remplace progressivement les capteurs inductifsAnneau rotor constitué d’une alternance de zones de polarité N SÉlément de stator actif voit défiler des aimants et un flux alterné. Détection par effet Hall ou magnéto résistifVoltage même à l’arrêt, indépendant de la vitesse (entre 7 et 20 V)Ampli dans le capteurCompact et léger, permet le montage dans le pallier de roue

Unité de contrôle électronique

Bosch, 1999Fig. 13 page 233

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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

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Comprendre L’ESP

Description du système ESP et principes de fonctionnement Un modèle simple:

Modèle à 2 ddls du véhicule : modèle bicycletteEquations 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

RéférencesU. Kiencke & L. Nielsen. Automotive Control Systems for Engine, Driveline and Vehicle. Springer Verlag. 2000.R. Bosch. Driving Safety Systems. 2nd edition. SAE international. 1999.VanZanten