Repositorio Institucional de Documentos

ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA PROYECTO FIN DE CARRERA MEMORIA EVOLUCIÓN DE LOS PROCESOS DE DIAGNOSIS ELECTRÓNICA EN EL AUTOMÓVIL Alumno: Ismael Pina Redondo Especialidad: Electrónica Industrial Director: Miguel Ángel Torres Portero Convocatoria: Febrero 2 ÍNDICE 1.-ANTECEDENTES EN LA DIAGNOSIS………………………………………..................................8 2.-INTRODUCCIÓN A LA DIAGNOSIS ELECTRÓNICA EN EL AUTOMÓVIL……………………10 3.-IMPORTANCIA DE LAS EMISIONES CONTAMINANTES EN LA DIAGNOSIS…………….12 4.-DESARROLLO Y AVANCE DE LA DIAGNOSIS…………………………………………………………16 4.1-Clasificación general de los tipos de diagnosis………………………………………..16 4.1.1-Diagnosis interna (on-board)……………………………………………………18 4.1.1.2-Objetivos y alcance……………………………………….……………19 4.1.1.3-Elementos que intervienen en la diagnosis…………………21 4.1.1.4-Procedimiento para la diagnosis…………………………………40 4.1.2-Diagnosis externa (off board)………………………………………..............58 4.1.2.1-Tipos………………………………………………………………….……….58 4.1.2.2-Procedimiento actual en la diagnosis externa………….….60 4.1.2.3-Objetivos y alcance………………………………….………………….61 4.1.2.4-Normativa en la diagnosis externa…….………………………..62 4.1.2.5-Conexión de una herramienta Scantool al vehículo……..64 4.1.2.6-Descripción general de los Scantools…………………………..65 4.1.2.7-Problemática de los estándares OBD…………………………..67 4.1.2.8-Lo que un sistema de diagnosis puede no detectar………68 4.1.2.9-Diagrama de flujo para realizar un test e inspección con una Scantool………….……………..................................69 4.2-Estándar OBD…………………………………………………………………………………………..72 4.2.1-OBD I…………………………………………………………………………………………72 4.2.2-OBD 1.5……………………………………………………………………………………..74 4.2.3-OBD II…………………………………………………………………………………………76 4.2.4-OBD III………………………………………………………………………………………..82 4.3-Redes de comunicación en el diagnóstico…………………………………………………84 4.3.1-Buses de comunicación en el automóvil……………………………………..86 4.3.2-Protocolos de comunicación…………….……………………………………….89 3 4.3.3-Redes de comunicación internas y externas…….………………………..90 4.3.3.1-Rede de comunicación internas…………………………………..90 4.3.3.2-Redes de comunicación externas…………………………………93 4.4-Normativas y estándares…………………………………………………………………………97 5.-IMPORTANCIA DE LOS SENSORES EN LA DIAGNOSIS…………………………………………101 5.1-Concepto……….……………….………………………………………………………………………101 5.2-Empleo en el automóvil…….……………………………………………………………………102 5.3-Clasificación……….………….…………………………………………………………………….…102 5.3.1-Función y aplicación……………………………………….………………..…….102 5.3.2-Clase de curva característica…………………………….…………….………103 5.3.3-Clase de señal del salida…………………………………..…………………….104 5.4-Exigencias principales. Tendencias……………………….…..……….…………………105 5.5-Sensores de posición angular y recorrido…………………..………………………..110 5.5.1-Características………….……………………………………..…………………….110 5.5.2-Principios de medición…………………………………..………………………111 5.5.2.1-Sensores de potenciómetro…….………..……………………..111 5.5.2.2-Sensores inductivos………………………..………………………..113 5.5.2.3-Sensores magnetostáticos (HALL)……….………………..….115 5.5.2.4-Sensores de propagación de ondas………………..…………119 5.5.3-Potenciómetro de plato sonda……………………………………….………122 5.5.3.1-Aplicación…………………..………………………………..………….122 5.5.3.2-Estructura y funcionamiento……………….…………..………122 5.5.4-Sensor mariposa……………………………………………………………………123 5.5.4.1-Aplicación……………………………………….……………………….123 5.5.4.2-Estructura y funcionamiento……………………………………123 5.5.5-Sensores de anillo de contacto semidiferencial…………….………125 5.5.5.1-Aplicación…………..………………………….………………….……..125 5.5.5.2-Estructura y funcionamiento……………………………….…….125 5.5.6-Sensor de nivel de combustible…………………………………………..….126 5.5.6.1-Aplicación…………………………………………………..…………..…126 4 5.5.6.2-Estructura……….…………………………………………..………….…126 5.5.6.3-Funcionamiento…………………………………………..…………...127 5.5.7-Sensor de pedal de acelerador……………………………………………...127 5.5.7.1-Aplicación……………………………………………………..…………..127 5.5.7.2-Estructura y funcionamiento………….……………..…………..128 5.5.8-Sensor de ángulo de volante de dirección………………………………129 5.5.8.1-Aplicación………………………………………………………………….129 5.5.8.2-Estructura y funcionamiento……………….…………………….130 5.5.9- Sensores ultrasónicos…………………………………………………………..132 5.5.9.1-Aplicación…………………………………………..……………………..132 5.5.9.2-Estructura………………………………………….………………………132 5.5.9.3-Funcionamiento………………………………………………………...133 5.6-Sensores de velocidad de rotación y velocidad lineal……………………………..135 5.6.1-Magnitudes de medición………………………………………………………..135 5.6.2-Principios de medición……………………………………………………………136 5.6.3-Sensores de revoluciones inductivos………………………………………137 5.6.3.1-Aplicación…………………………….……………………………………137 5.6.3.2-Estructura y funcionamiento………………………………………137 5.6.4-Sensores de revoluciones y sensores incrementales de ángulo de giro………….………………………………………………….……..139 5.6.4.1-Aplicación…………………………………………………………….……139 5.6.4.2-Estructura y funcionamiento……………………………………..139 5.6.5-Sensores de fase Hall…………………………………………………………….…140 5.6.5.1-Aplicación………………………………………………………………….140 5.6.6-Sensores de velocidad de giro de las ruedas…………………………….141 5.6.6.1-Aplicación………………………………………………………………….141 5.6.6.2-Estructura y funcionamiento……………………………………..141 5.6.7-Sensores tacométricos de cajas de cambio……………………………...143 5.6.7.1-Aplicación…………………………………………………………………..143 5.6.7.2- Estructura y funcionamiento…………………………………..…144 5 5.6.8-Portainyector con sensor de movimiento de aguja…………………..145 5.6.8.1- Aplicación……………………………………………………………….…145 5.6.8.2- Estructura y funcionamiento……………………………………..145 5.6.9-Sensor inductivo para encendido transistorizado……………………..146 5.6.9.1- Aplicación………………………………………………………………….146 5.6.9.2- Estructura………………………………………………………………….147 5.6.9.3-Funcionamiento………………………………………………………...148 5.6.10- Sensor Hall para encendido transistorizado…………………………..148 5.6.10.1- Aplicación……………………………………………………………….148 5.6.10.2- Estructura……………………………………………………………….149 5.6.10.3- Funcionamiento………………………………………………………149 5.6.11- Sensores de convolución piezo eléctricos de diapasón………….150 5.6.11.1- Aplicación……………………………………………………………….150 5.6.11.2- Estructura……………………………………………………………….151 5.6.11.3- Funcionamiento……………………………………………………..151 5.6.12- Sensores de convolución micromecánicos…………………………….152 5.6.12.1- Aplicación…………………………………………………………….…152 5.6.12.2- Estructura y funcionamiento…………………………………..152 5.7-Sensores de aceleración y de vibraciones………………………………………………154 5.7.1-Magnitudes de medición………………………………………………………….154 5.7.2-Sensores de aceleración de efecto Hall…………………………………….154 5.7.2.1- Aplicación………………………………………………………………….154 5.7.2.2- Estructura………………………………………………………………….155 5.7.2.3-Funcionamiento…………………………………………………………155 5.7.3-Sensores de aceleración piezoeléctricos…………………………………..156 5.7.3.1- Aplicación………………………………………………………………….156 5.7.3.2- Estructura y funcionamiento……………………………………..157 5.7.4-Sensores de picado piezoeléctricos…………………………………………..157 5.7.4.1-Aplicación…………………………………………………………………..157 5.7.4.2-Estructura y funcionamiento………………………………………158 6 5.7.4.3-Montaje adosado……………………………………………………….158 5.8-Sensores de presión……………………………………………………………………………....160 5.8.1-Magnitudes de medición………………………………………………………….160 5.8.2-Sensores de presión de capas gruesas………………………………………161 5.8.2.1-Aplicación…………………………………………………………………..161 5.8.2.2-Estructura y funcionamiento………………………………………161 5.8.3-Sensores de presión micromecánicos……………………………………….162 5.8.3.1-Aplicación…………………………………………………………………..162 5.8.4-Sensores de alta presión…………………………………………………………..163 5.8.3.1-Aplicación…………………………………………………………………..163 5.9-Sensores de fuerza y par…………………………………………………………………………164 5.9.1-Magnitudes de medición………………………………………………………….164 5.9.2-Clasificación de pasajeros y detección de asientos para niños.…165 5.9.2.1-Función………………………………………………………….…………..165 5.9.2.2-Estructura…………………………………………………………………..165 5.9.2.3-Funcionamiento…………………………………………………………166 5.10-Medidores de caudal…………………………………………………………………….………167 5.10.1-Sonda volumétrica de aire de presión dinámica LMM…………….167 5.10.1.1-Aplicación………………………………………………………………..167 5.10.1.2-Estrucutra y funcionamiento……………………………………167 5.10.2-Medidor de masa de aire por hilo caliente HLM………….………..168 5.10.2.1-Aplicación………………………………………………………………..168 5.10.2.2-Estructura………………………………………………………….…….168 5.10.2.3-Funcionamiento……………………………………………..………..169 5.11-Sensores de gas y sondas de concentración………………………………………….170 5.11.1-Magnitudes de medición………………………………………………………..170 5.11.2-Sensores de calidad del aire………………………………………………..….171 5.11.2.1-Aplicación………………………………………………………..………171 5.11.2.2-Estructura y funcionamiento…………………………….….....171 5.11.3-Sondas Lambda de dos puntos………………………………………..……..171 7 5.11.3.1-Aplicación………………………………………………………….…….171 5.11.3.2-Tipos………………………………………………………………….…….172 5.12-Sensores de temperatura……………………………………………………………….…….173 5.12.1-Magnitudes de medición………………………………………………..………173 5.12.2- Aplicación de los sensores de temperatura……………………..……173 5.12.2.1-Sensor de temperatura del motor…………………….……..173 5.12.2.2-Sensor de temperatura del aire………………….……………174 5.12.1.3-Sensor de temperatura de aceite del motor……..….…174 5.12.1.4-Sensor de temperatura de combustible……………..…..174 5.12.1.5-Sensor de temperatura de gases de escape…………….174 6.-FUTURO DE LA DIAGNOSIS…………………………………………………………………………..175 6.1-Introducción……………………………………………………………..……………………………175 6.2-Mejora del rendimiento de la diagnosis……………….…….…………………..………178 6.3-Objetivos…………………………………………………………………….………………………….179 6.4-Tendencias de mejora……………………………………………….…………………………..180 6.4.1-Centralitas de control de los sistemas…………….………………………..180 6.4.2-Comunicación entre vehículo y exterior………….……………………….181 6.4.3-Diagnóstico fiable…………………………………………..………………………..184 6.5-Nuevos sistemas electrónicos objeto de diagnóstico………………………………185 6.5.1-Chasis……………………………………………………………………………………….185 6.5.1.1- X-by-Wire………………………………………………………………….185 6.5.1.2-CVT……………………….…………………………………………………..187 6.5.2-Anticontaminación…………………………………………………………………189 6.5.2.1-SCR……………………………………………………………………………189 6.5.3-Seguridad………………………………………………………………………………190 6.5.3.1-Cruise control adaptado……..…………………………………….190 6.5.3.2-Freno emergencia……………….……………………………………190 6.5.4-Interface…………………………………………..……………………………………191 6.5.4.1-Head up display…………………………………………………..….191 7.-CONCLUSIONES TÉCNICAS………………………………………………………………………………193 8 8.-REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………………………………………195 8.1 Páginas Web……………………………………………..……………………………………………195 8.2 Textos…………………………………………………………………………………………………….196 9 1.ANTECEDENTES EN LA DIAGNOSIS Cada vez es mayor el número de vehículos fabricados, y que circulan por las carreteras. El mayor número de vehículos, y la cada vez mayor demanda en cuanto a fiabilidad, disponibilidad, mantenimiento y seguridad, unido a la necesaria menor siniestralidad y contaminación ambiental, han provocado una continua investigación en el ámbito de los sistemas electrónicos del automóvil. El mantenimiento del buen estado del automóvil, en niveles de seguridad, prestaciones, confort y contaminación, desde la fabricación, hasta que el coche acaba su vida en el desguace, ha sido siempre un propósito a conseguir por las autoridades competentes de regulación. Hasta la década de los 70, el mantenimiento del vehículo era llevado a cabo por el propio dueño del vehículo, o por pequeños talleres de reparación, donde tan sólo se reparaban las piezas defectuosas causantes del fallo. Sin embargo, poco a poco la población se ha concienciado de la importancia de disminuir los valores de contaminación, así como de obtener unas prestaciones máximas para un consumo mínimo. Todo esto ha tenido como consecuencia, el desarrollo de complejos sistemas de control, que necesitan profesionales, y útiles específicos para su mantenimiento y reparación. Las tecnologías y conceptos de la diagnosis han ido evolucionando con el paso de los años, a la par que lo han hecho los avances del automóvil. En relación a esto, la evolución de la diagnosis del automóvil, ha pasado de unas sencillas y simples pruebas rutinarias de las piezas más importantes, con medios materiales escasos donde la destreza del técnico era fundamental, a los actuales sistemas de “diagnosis integral” donde las nuevas tecnologías tienen una influencia muy importante. 16 Estos sistemas de última generación, desarrollados para obtener unos niveles de emisión tan reducidos, dependen del correcto funcionamiento de sensores de precisión, así como de complicados sistemas electrónicos de regulación. Es ahí donde la diagnosis toma su importancia, ya que el mantenimiento y calibrado de estos sistemas, es tan importante como su fabricación. Si se produce alguna avería en el sistema que provoque un aumento de las emisiones, deberá ser corregido, para mantener el equilibrio de funcionamiento del sistema y cumplir con la legislación vigente. 17 4. DESARROLLO Y AVANCE DE LA DIAGNOSIS Abordaremos el desarrollo de la diagnosis, teniendo en cuenta los últimos veinticinco o treinta años, pues fue a partir de los años 80 cuando la diagnosis electrónica entró a formar parte del sector del automóvil. Hablaremos particularmente de la diagnosis de abordo y externa. Así mismo debemos hablar de forma conjunta de los equipos y herramientas específicas usadas, para deducir la fuente de fallo a partir de la extensa información registrada por los controladores electrónicos embarcados y específicos de cada subsistema, así como para realizar el ajuste y calibración de dichos controladores. 4.1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS TIPOS DE DIAGNOSIS Podemos dividir la diagnosis en el automóvil en dos partes: diagnosis interna(on-board) y diagnosis externa(off-board). La diagnosis interna(on-board), se realiza de manera continua en el vehículo, a partir del momento en que el usuario accede a él. Estos sistemas electrónicos realizan un auto diagnóstico y verifican que el conjunto de periféricos asociados funcionan correctamente, además de registrar cualquier fallo que se produzca. La diagnosis externa(off-board), se basa en la detección de fallos mediante los conocimientos y experiencias personales, utilizando útiles y equipos especializados, aprovechando la información de las ECUs del vehículo. Sólo se realiza cuando se detectan problemas graves o cuando se demandan tareas de mantenimiento. Ambos tipos de diagnosis son complementarios, ya que la complejidad y prestaciones de una, se complementa con la simplicidad de la otra. 18 Haciendo referencia a la evolución temporal del diagnóstico, podemos ver diferentes etapas , en ambos tipos de diagnosis. En la figura 1 se puede observar gráficamente como a medida que aumenta la complejidad de la diagnosis interna, se reduce la dificultad en la diagnosis remota. Figura 1:etapas más importantes en la evolución de la diagnosis. (a)diagnosis externa. (b) Diagnosis de a bordo. Así mismo, si observamos que de cara al futuro, la tendencia es de incrementar los sistemas electrónicos(ECUs) instalados en el vehículo, comprendemos que la diagnosis embarcada será cada vez más complicada. Al mismo tiempo, el envío de información desde el vehículo hacia el exterior será cada vez mayor y más fácil, reduciendo la complejidad de la diagnosis externa. Hasta los años 80,los talleres mecánicos realizaban casi en exclusiva la diagnosis(visual), y al apenas poseer los vehículos sistemas electrónicos, no se realizaba diagnosis de abordo. En aquel entonces la diagnosis interna no estaba estandarizada, y los fabricantes no estaban obligados a la incorporación de sistemas electrónicos para realizarla. Únicamente se informaba al conductor de algunas anomalías 19 como temperatura, presión y nivel de aceite, nivel de combustible o temperatura del líquido refrigerante, pero nada al respecto de sensores o elementos de los vehículos. 4.1.1. DIAGNOSIS INTERNA (ON-BOARD) La diagnosis interna se encarga de la detección de los fallos de los subsistemas incluidos en el automóvil (ABS, DTC, Airbag, inyección, etc.….) dotados de unidades de control electrónico .Las ECUs están diseñadas para intercambiar información mediante un bus especial de comunicación, entre sí y con una unidad central a la que se conectará el dispositivo de diagnosis externa. La prestaciones de la diagnosis on-board son diferentes en función de la fecha de su desarrollo, pues está estrechamente ligada a la evolución de las ECUs. La diagnosis de a bordo nace a inicios de los años 80, cuando los fabricantes de automóviles empiezan a incorporar dispositivos electrónicos que realicen funciones de control del motor. La razón fundamental de esta incorporación de dispositivos electrónicos, fue la de tener que cumplir con los requerimientos de la Agencia de Protección del Medioambiente (EPA) de los Estados Unidos. Para cumplir con el estándar, los fabricantes de automóviles incorporaron a los motores la inyección electrónica, para posteriormente ir añadiendo diferentes sensores que midieran y ajustasen el funcionamiento del motor con la mínima polución posible. El crecimiento constante de la complejidad en la tecnología del automóvil, y el avance de la tecnología electrónica, hizo que los fabricantes desarrollaran nuevas estrategias y soluciones para diagnosticar de manera eficaz los problemas y fallos de las diferentes piezas. A mediados de la década de los 80, hubo organismos reguladores como la Sociedad de Ingenieros de Automóviles (SAE), que empezaron a considerar que 20 la diagnosis interna debía contribuir a la reducción de las emisiones de gases producidas por ciertos fallos causados en los automóviles. Por esta razón, decidieron definir estándares que los fabricantes de los automóviles debían de tener en cuenta para llevar a cabo la diagnosis a través de la lectura de una memoria de fallos, y además poder chequear el estado de funcionamiento de las ECUs. Junto a todo esto, se impuso la instalación en los automóviles de indicadores luminosos normalizados (Malfunction Indicator Lamp – MIL) para informar al conductor de la existencia de anomalías en su automóvil. Los MIL indican la existencia de un fallo, pero no la fuente del mismo. 4.1.1.2. Objetivos y alcance El objetivos de la diagnosis interna, o mejor conocida como auto diagnosis, es la evaluación de los síntomas de mal funcionamiento detectados y así poder determinar el origen de la avería, incluso si es posible, antes de que se produzca. La diagnosis interna se encarga de: • Detectar los defectos de funcionamiento • Señalizarlos convenientemente • Identificar y aislar los sistemas o componentes defectuosos • Almacenar el histórico de informaciones relacionadas con la avería • Mantener accesibles las informaciones registradas para el posterior diagnóstico externo Todo esto, para hacer más fácil, simple y menores los tiempos y costes requeridos para la reparación y restauración del sistema dañado. Además de la reducción de las emisiones contaminantes, reguladas por la legislación vigente, la diagnosis interna es cada vez más importante porque 21 contribuye a facilitar la reparación y mejorar la protección de vehículo y pasajeros. El nivel de desarrollo que han alcanzado los sistemas electrónicos de a bordo, permite: • Verificación continua de los puntos de test, desde un punto de vista físico (entradas y salidas correctas) y funcional (buen comportamiento del sistema). • El correcto funcionamiento dentro de los límites impuestos por la normativa vigente (OBDs y EOBDs) • La detección de averías, en correspondencia con sus DTCs, en memoria no volátil, para el futuro diagnostico externo. • La decisión de diagnosis hasta el nivel que permite el desarrollo de los microcontroladores Como ejemplo, nos puede servir el caso de un vehículo, que detecta que su emisión de gases contaminantes está próximo o superando los límites que fija la ley. Esta situación, debe de ser registrada por la ECU correspondiente, y comunicada al conductor mediante el testigo correspondiente en el cuadro de instrumentos. El siguiente nivel será, la puesta en acción de la diagnosis externa, mediante la herramienta correspondiente. 22 4.1.1.3. Elementos que intervienen en la diagnosis El continuo desarrollo de los sistemas electrónicos en el automóvil, tienen como justificación tres objetivos fundamentales: • Mejorar la respuesta del automóvil • Aumentar el nivel de confort • Cumplir con la normativa vigente Figura 2 : Objetivos fundamentales de le electrónica del automóvil. 23 Los subsistemas electrónicos, asociados a los sistemas más grandes, trabajan de forma aislada, y para facilitar su diagnosis, se han estructurado en cuatro elementos clave, según se describe en el estándar ISO 14230: • Sensores y actuadores • Unidad de control electrónico (ECU) • Red de comunicación • Lámparas indicadoras de avería Sensores Para diagnosticar los subsistemas electrónicos es necesario obtener información de las variables que caracterizan el buen comportamiento de dicho subsistema. La cantidad de sensores presentes en el automóvil, y asociados a cada ECU es considerable. Por ejemplo en el caso de un motor moderno, tenemos: • Control presión inyección • Temperatura líquido refrigerante • Temperatura aire admisión 1 • Temperatura aceite motor • Posición árbol de levas • Posición de cigüeñal • Interruptor presión de aceite • Flujo de masa de aire • Temperatura aire admisión 2 • Captador de presión barométrica ambiental • Presión en el colector de admisión • Posición pedal acelerador • Posición válvula recirculación gases escape 24 Unidad electrónica de control (ECU) Esta es la pieza clave y cerebro de cualquier sistema electrónico del automóvil, y a su vez de la diagnosis electrónica. Está formada por varios microprocesadores, que son introducidos en una caja aislada del exterior y muy robusta, debido a las condiciones climatológicas que va a tener que soportar, debiendo de mantener su fiabilidad intacta. Los vehículos actuales, poseen más de 100 ECUs, y en el futuro se alcanzarán seguramente hasta las 200. Figura 3:ECUs presentes en un vehículo actual En la figura 3 se pueden ver algunas de las ECUs de un vehículo actual: • Sistemas multimedia • Seguridad activa y pasiva • Climatizador • Caja de cambios • Sistema de encendido • Inyección electrónica • Limpia parabrisas inteligente • Iluminación automática dirección asistida 25 • Sistema control tracción (ASR) • Sistema control estabilidad (ESP) • Sistema control frenado (ABS) • Sistema de transmisión • Seguridad acceso en puertas • Cierre centralizado La estructura interna de una ECU, puede dividirse en tres bloques. Figura 4: Estructura interna de un procesador de una ECU de un vehículo 32 • Por eventos, o mensajes que se generan tras alguna variación en el modo normal de operación. Es el caso de la detección de fallos o la activación de sistemas por parte del conductor. BUS CAN Es el bus de comunicación más extendido, y de hecho se puede decir que es el estándar en el sector industrial del automóvil. Fue desarrollado por Bosch en 1985 para el control industrial, pero debido a su seguridad, robustez, fiabilidad y fácil aplicación al diagnóstico, fue rápidamente adoptado por los fabricantes y compañías automovilísticas. Es perfecto para aplicaciones con necesidad de transferencia de mensajes en tiempo real, como es el sector del automóvil. La estructura adoptada en este bus serie, es de múltiples maestros, de manera que todos los elementos conectados tienen la misma prioridad en el Bus. Esto permite que la inoperatividad de un nodo, no impida la funcionalidad y acceso del resto, manteniendo muy altas las probabilidades de que el sistema no falle, y siga funcionando, en comparación con otros sistemas, como por ejemplo la estructura en estrella, donde un nodo maestro coordina el tráfico de los nodos esclavos, o la estructura de anillo, donde las terminaciones del bus se unen. 33 Figura 9: Ejemplo estructura CAN BUS. El bus CAN usa el direccionamiento basado en mensajes. De esta forma, cada mensaje enviado por el bus lleva una identificador asociado que indica el contenido del mismo. El subsistema de recepción de cada nodo filtra el identificador del mensaje, para aceptarlo o no, en función de si está incluido en su lista de identificadores permitidos, simplificando así la gestión de direcciones con la incorporación o sustracción de nodos del bus. Cada nodo puede empezar a emitir mensajes cuando el bus está libre. Si dos nodos intentan emitir un mensaje al mismo tiempo, el sistema controla el bus, da paso al mensaje con mayor prioridad. Para saber que mensaje tiene mayor prioridad, el sistema identifica su etiqueta, donde se indica tanto el contenido del mensaje como su prioridad. 34 Figura 10: Ejemplo de direccionamiento de nodos en un bus CAN y tst de aceptación de mensajes. El nodo 2 transmite un mensaje y los nodos 1 y 4 lo reciben. En el protocolo CAN el nivel lógico bajo (“0”), es dominante frente al nivel lógico alto (“1”), de modo que un nodo con nivel de arbitración alto, pierde su prioridad de acceso. Este sistema es como una AND cableada. Figura 11 : Ejemplo del modo de arbitración de mensajes típico del bus CAN. 35 Hay dos tipos de mensaje que soporta el bus CAN: estándar y extendido. La diferencia está en la longitud del identificador. Siendo de 11 bits para el estándar y de 11+18 para el extendido. El tamaño del mensaje tiene un máximo de 130 bits para el formato estándar y 150 bits para el extendido. El mensaje completo tiene siete partes bien diferenciadas, como vemos en la figura 12. Figura 12 : Formato de un mensaje típico de un bus CAN. • Inicio de mensaje o trama. Este bit indica el comienzo de la transmisión y permite la sincronización de las estaciones receptoras de los nodos. • Arbitración del mensaje. Se compone del identificador y el bit de control. Al transmitir este campo, el transmisor chequea que no hay ningún otro mensaje de prioridad superior intentando acceder al bus, porque se podría impedir la autorización de acceso al mensaje. El bit de control sirve para garantizar la correspondencia entre emisor y receptor del mensaje. • Control de mensaje. Es un código que indica el número de bytes incluidos en el campo de datos. El bit IDE indica si es un mensaje en modo estándar o extendido. • Campo de datos (DLC).Contiene la información del mensaje y su longitud varía entre 0 y 8 bytes. Un mensaje de 0 bytes, permite la sincronización de la comunicación. • Campo de chequeo de redundancia cíclica (CRC). Esta palabra de 16 bits permite testear para detectar posibles interferencias en la transmisión 36 • Reconocimiento de mensaje (ACK). Son 2 bits que utilizan los nodos receptores para indicar la correcta recepción de la información. • Fin de trama ( EOF, End Of Frame).Son 7 bits recesivos que marcan el final del mensaje. El nodo transmisor, inicia el proceso enviando una petición que es respondida por el nodo receptor con otro mensaje de igual identificador pero con distinto bit de control (“date frame” para emisor y “remote frame” para receptor). El bus CAN cuenta con varios métodos para la detección de errores: • Chequeo de redundancia cíclica • Verificación del relleno de bits • Test de trama • Verificación del nivel de bits • Verificación del campo de reconocimiento Estas estrategias proporcionan un alto nivel de fiabilidad en el intercambio de mensajes entre nodos de la red. Los estándares que sigue el bus CAN para el intercambio de información, son: • ISO 11519-2 para envíos de baja velocidad de hasta 125 Kbits/s • ISO 11898 y SAE J22584 para velocidades altas de hasta 125 Kbits/s Centrándose en el nivel físico del bus CAN, éste utiliza una codificación de bits del tipo “no retorno a cero” NRZ. En funcionamiento a máxima velocidad de transmisión, se aceptan longitudes de cable de hasta 40 metros con un máximo de 32 nodos, y con la posibilidad de la conexión de varias redes entre sí. La solución común en el aspecto físico es la del par trenzado, con dos líneas CAN_H y CAN_L, terminadas por resistencias de 120 ohmios. La naturaleza 37 diferencial de la transmisión, dota a este tipo de bus de una alta inmunidad a las interferencias electromagnéticas. TTCAN (Time Triggered CAN) es la evolución del bus CAN, con un protocolo mejorado y con capacidad de operar en modo disparo por tiempo, frente a los modos de disparo por eventos. La planificación de la red está basada en una matriz de asignación de tiempos para los diferentes nodos conectados al bus TTCAN. En la figura 13 se puede observar como con el reparto de ventanas de tiempo para los diferentes nodos, se reducen los tiempos de sincronismo y se optimiza la disponibilidad del bus. Figura 13: Matriz de tiempos asignados a la intercomunicación entre nodos en TTCAN. 38 La asignación de tiempos a nodos dentro de la matriz de comunicación en el bus TTCAN es configurable y totalmente compatible con la red CAN. La posibilidad de llegar a un ancho de banda de 10 Mbits/s y protocolos que lo soporten (Flex-ray), está siendo objeto de estudio por los diferentes sectores implicados del mundo de la automoción. La continua evolución del sector automovilístico, ha provocado que algunos sistemas actuales relacionados directamente con la dinámica del automóvil, como la dirección, aceleración y frenado, que hasta ahora eran de naturaleza mecánica e hidráulica, tiendan a ser reemplazados por otros de naturaleza electrónica, dando lugar a un nuevo tipo de red X-by-Wire. A modo de resumen ,las principales ventajas del bus CAN son: • Alta fiabilidad en la transferencia de mensajes, gracias a los métodos de detección de fallos en la transmisión que incorpora • Configuración en modo multimaestro, dando las mismas oportunidades de acceso a la red a todos los nodos . • Sincronización adecuada para que los datos lleguen de forma puntual a todos los nodos implicados en el proceso de comunicación. • Flexibilidad de configuración, facilitando la inserción de nuevos nodos en la red, o eliminando algunos de los que ya existen, sin que afecte al funcionamiento del sistema. • Acceso al bus mediante una estrategia de prioridades contenida en el propio mensaje, pero sin destruir mensajes menos prioritarios. • Sistema de corrección de errores, permitiendo que se puedan corregir los detectados durante la transmisión, y retransmisión de los recibidos correctamente. • Direccionamiento basado en el contenido de los mensajes transmitidos, careciendo de dirección específica los nodos de la red. 39 • Desconexión automática de los nodos que son fuente continua de error. • Elevada inmunidad frente a interferencias electromagnéticas. Lámparas indicadoras de fallo Las lámparas indicadoras de avería, son el medio de comunicación habitual para la diagnosis interna, especialmente para la contaminación medio ambiental. Normalmente suelen estar situadas en el cuadro de instrumentos, para unir ergonomía y visualización inmediata. Para ello, y debido al incremento de funciones e información que se debe comunicar al conductor, se está recurriendo a pantallas alfanuméricas e incluso a mensajes de voz enviados por el propio vehículo. El color de iluminación de la lámpara, es diferente en función de la gravedad del fallo detectado, pudiendo ser de información, precaución o reparación inmediata. En modo de funcionamiento normal, las lámparas están apagadas. Mientras que con la llave en posición de contacto, antes del arranque, las lámparas se encienden a modo de prueba de buen funcionamiento. Si una lámpara de diagnóstico permanece encendida después de que el vehículo haya arrancado, quiere decir que el ordenador de a bordo ha detectado un problema persistente. Este problema asociado aun DTC, será memorizado en la memoria de averías hasta su borrado y subsanación del problema. Si una lámpara de diagnóstico se apaga y enciende intermitentemente, se trata de un fallo esporádico, que quedará grabado en la memoria de averías para su examen posterior en el taller. La simbología utilizada para indicar los diferentes fallos está normalizada, mostrando la figura 14 la detección de exceso de emisiones y malfuncionamiento de motor. 40 Figura 14: Símbolo aceptado popr la ISO para la detección de exceso de emisiones e indicador de mal funcionamiento del motor respectivamente. La lámpara se enciende en caso de: • Detección de mala combustión • Error en el sistema de expulsión de gases • Error en el autodiagnóstico del sistema de transmisión y gestión del motor • Fallo en el sistema de encendido En la figura 15 se muestra el ejemplo de aplicación de la lámpara de fallo, debido al mal funcionamiento del sensor de posición del pedal del acelerador. Se puede observar el flujo de información desde el origen del fallo hasta su indicación en el panel de instrumentación. Las siglas CIM e IPC significan módulo de interfase de comunicaciones entre buses y panel control de instrumentación, respectivamente. Figura 15 : Esquema de aplicación para activación del testigo MIL. 41 4.1.1.4. Procedimiento para la diagnosis Tradicionalmente el proceso de diagnosis ha estado limitado a comprobar que un dispositivo funcionaba correctamente o que los valores de algunas variables estaban dentro de los límites correctos. Pero el rango de valores que indican buen funcionamiento depende de las condiciones de trabajo (clima, estado del firme, edad del vehículo…..) La incorporación de sistemas electrónicos redundantes, también forma parte de la diagnosis clásica, fundamentalmente con el uso de sensores, que además de encarecer, aumentan la complejidad, el volumen y el peso del vehículo. Para poder superar estos problemas, se ha optado por la diagnosis basada en modelos con las siguientes ventajas: • Incrementar la capacidad de anticipación de la diagnosis, detectando comportamientos anómalos, antes de que se conviertan en averías. Esto supone poder realizar tareas de diagnosis de forma pasiva sin trastocar el proceso de funcionamiento. • Tener en cuenta la relación entre las variables y los sistemas, para identificar y aislar mejor la raíz del problema. • Prescindir de sistemas redundantes que garantizan la sustitución por un bloque funcionalmente equivalente cuando otro falla. En los sistemas de diagnóstico, pueden utilizarse como métodos de procesamiento de la señal, desde el análisis temporal, pasando por un análisis en el dominio frecuencial, hasta una descomposición en wavelets. A la hora de tomar la decisión final, resultado de comparar la diferencia entre las dos situaciones (normal y error), se usa normalmente un sistema experto basado en reglas lingüísticas. De esta forma, un técnico en diagnosis experto puede ver las 48 sistemas de un vehículo, donde sus dependencias y factores de influencia deben de ser aplicados correctamente y por un experto. Por ejemplo la edad de la batería, el sistema de carga y el alternador, tienen una influencia directa en el valor de tensión de la batería. La chispa de las bujías serán de mejor calidad con una tensión de batería correcta. El distribuidor también afecta al desarrollo de la chispa, y de todo esto, se podrían derivar ciertos fallos de funcionamiento del coche que hagan superar los niveles de contaminación, la emisión de gases o incluso la incapacidad de arranque del vehículo. A menudo se suelen introducir algoritmos de control basados en redes neuronales en las técnicas de diagnóstico, que son muy importantes para modelar y reconocer complejos patrones de comportamiento de error. En figura 21 se muestra un sistema de reconocimiento típico, para por ejemplo controlar los posibles errores de explosión en los cilindros. Figura 21: Sistema de diagnosis basado en redes neuronales y reconocimiento de un error. La dificultad de desarrollo de un diagnóstico on-board, capaz de detectar los errores en la explosión de los cilindros del motor, consiste en cómo poder encontrar un algoritmo unificado que sea capaz de hacer este diagnóstico con una elevada precisión, sin falsas alarmas y con bajo coste de instalación. Existen situaciones concretas que producen estas situaciones de error en la explosión de los cilindros, regularmente o debido a secuencias específicas que actúan sobre el motor de manera errónea. Las señales captadas por los diferentes sensores serán evaluadas para cada explosión que se produzca en el motor. Una vez capturadas, se realiza una 49 etapa de procesamiento de la información relevante para que por último, se clasifiquen todos los datos y se pueda reconocer un error de explosión en los cilindros. Se puede observar en la figura 22, una red multicapa que modela el sistema inverso de una señal de velocidad de cigüeñal dada una señal de explosión. Figura 22: Red multicapa perceptrón como sistema virtual. Se introducen al sistema las señales de velocidad instantánea angular y de velocidad media angular, el par-motor y el número de cilindro actual, para poder incorporar dicha información a la etapa de decisión final, que podemos ver en la figura 23. 50 Figura 23 : Etapas para diagnosis basada en modelos con redes neuronales. El error en la explosión de algún cilindro, provoca una brusca variación de la velocidad de giro del cigüeñal. La red neuronal es capaz de modelar el funcionamiento inverso del motor para poder comparar el funcionamiento normal con el funcionamiento con error de explosión, y así diagnosticar el error e intentar corregir este comportamiento anómalo. También se usan redes neuronales para realizar una identificación y poder predecir el gasto de combustible, eficiencia del motor y emisión de gases. La red neuronal necesita un proceso de entrenamiento para que sus pesos se ajusten adecuadamente al comportamiento del motor bajo estudio y sea capaz de predecir la salida del motor en tiempo real, y así poder regular adecuadamente las emisiones de gases dinámicamente. Una red neuronal es capaz de predecir el comportamiento real de un motor, en materia de consumo, emisiones, etc.….., a partir de diferentes parámetros medibles. El sistema de inteligencia artificial consiste en un modelo predictivo del motor que se diseña para ejecutarse en un microprocesador en paralelo con el funcionamiento del motor en tiempo real, captando como señales de entrada los mismos sensores que usa el motor. Esto permite una predicción precisa del funcionamiento del motor, emisiones relacionadas y consumo de combustible para todo el rango de operación del motor. Se debe 51 realizar una fase de aprendizaje donde la red neuronal aprende el modelo en tiempo real, y se ajusta de forma precisa, al comportamiento que tiene el motor al medir las entradas al mismo y salidas que produce. Una vez esto se ha realizado, el modelo es capaz de actualizar a lo largo del tiempo las relaciones que modelan el comportamiento del motor de manera que sea capaz de adaptarse a otras situaciones, como cambios de componentes o condiciones ambientales. Figura 24 : Identificación del modelo y detección de desviaciones tras un aprendizaje. Diagnosis usando sensores “virtuales” basada en redes neuronales A menudo se diseña un sistema de diagnosis del motor dividido en múltiples módulos, cada uno con una red neuronal que modela el comportamiento de un subconjunto de sensores disponibles y relativos al propio motor. Así se pueden comprobar fallos en un sensor por simple 52 comparación de su valor con los resultados generados por la red neuronal asociada al mismo. La redundancia que ofrece la predicción de la salida del motor puede ayudar en la identificación y asociación de fallos en los componentes del motor o en sensores acoplados al mismo. La predicción de la salida de sensores virtual también proporciona un alto grado de redundancia sin tener que incluir sensores adicionales, con lo que ello conllevaría en cuanto a coste y complejidad de software y hardware. Por ejemplo , se puede ver cómo el consumo instantáneo de combustible se calcula usando una red neuronal en base a la velocidad del motor, presión del motor, y la temperatura, tanto ambiental como del motor. El hecho de que varios de estos parámetros de entrada están interrelacionados, hace que no sean independientes entre sí, lo que proporciona un gran nivel de redundancia en el propio sistema de variables y así el comprobar o diagnosticar la situación de fallo resulta más fiable. Otra posibilidad es utilizar el sensor virtual, dado por el modelo del motor en forma de red neuronal, en un control reconfigurable en función del fallo que haya manifestado algún sensor o componente del motor para poder continuar la marcha del vehículo en la medida de lo posible. Por tanto, el sistema que permite realizar una medida virtual de las emisiones de gases es fácilmente aplicable haciendo uso de una red neuronal que modele el comportamiento que tendrá el motor para dichas variables de entrada. Este sistema se podría integrar en el sistema OBD para proporcionar una alerta inmediata que indique un exceso de gases contaminantes. Más aún, la red neuronal puede proporcionar valores en tiempo real de parámetros que no sean medidos o bien por la dificultad que entraña medir en tiempo eal dichos parámetros. 53 Por último, en lo relativo al sistema de diagnóstico basado en redes neuronales, cabe mencionar que los fabricantes lo utilizan en el desarrollo de diferentes controles del motor, dado que se tiene un modelo fidedigno y preciso de su comportamiento. Software de diagnosis orientado a objetos El enfoque de la programación hacia los objetos, permite hacer independiente el sistema de diagnóstico respecto de un vehículo concreto. Además el diseño orientado a objetos permite la partición del mismo en unidades de trabajo con interfaces bien definidas y la posibilidad de reutilizar las funciones software desarrolladas anteriormente para cada función de diagnosis y control. El sistema de diagnosis en el interior de un ECU se presenta normalmente como una estructura de diferentes funciones de diagnosis que comprueban el estado u operación de los componentes más importantes y las funciones de control del vehículo, para así proporcionar información relativa de los posibles fallos. Esta información es especialmente necesaria si se consideran funciones críticas de seguridad con tiempos de reacción muy cortos entre la detección del fallo y la reacción de emergencia por parte del sistema. Además de una mejora en cuanto a la fiabilidad y seguridad del sistema, los sistemas de diagnosis de a bordo se utilizan para el mantenimiento y la reparación de fallos de los componentes identificados por el sistema de diagnosis. Así mismo, se debe mencionar la interdependencia de los diferentes sistemas de diagnosis: 54 • Diversas funciones del diagnóstico se basan en el correcto funcionamiento de otros componentes, que a su vez son comprobados por otras funciones del diagnóstico. Así podemos ver como existe una influencia mutua cuando existe un fallo en algún sensor que podría dar lugar a una serie de fallos en cadena, que podría ocultar el fallo originario. • Algunas funciones del diagnóstico pueden influir en el estado del sistema al ser usadas en el lazo de control de su propia función de diagnóstico. Esto hace que exista una exclusión mutua entre un subconjunto de funciones de control y diagnóstico, que implica un problema de ejecución temporal de dichas funciones. La experiencia en el campo de los sistemas empotrados dentro del área de los automóviles indica que existen múltiples inconvenientes cuando todas estas interrelaciones de los diferentes componentes se manejan localmente con las funciones. Esto se traduce en la creación de módulos software, que son dependientes en gran medida del sistema concreto que se esté desarrollando. Es por esto, que posibles ampliaciones del sistema de diagnóstico on-board o incluso cambios en una de esas funciones, pueden derivar en un cambio de muchas otras funciones y la validación del sistema de diagnóstico completo. En la figura 25, se puede observar como ejemplo de arquitectura OBD orientada a objetos, el sistema de gestión de diagnóstico (DSM). 55 Figura 25: Arquitectura DSM orientada a objetos para la diagnosis OBD. Este sistema posee una serie de módulos comunes de gestión, que deben ser los encargados de manejar las situaciones de dependencia e interrelación entre las diferentes funciones de diagnóstico y control. Las propiedades del sistema se configuran como datos a cargar en el sistema, hecho que garantiza un correcto funcionamiento, a la vez que facilita la actualización y reutilización de dichas funciones, cambiando dichos parámetros iniciales. Diagnóstico basado en técnicas de lógica borrosa Ya se ha comentado, que la diagnosis de fallos está definida principalmente por las normativas y regulaciones, el mantenimiento del vehículo y la satisfacción del usuario. Se han revisado diferentes sistemas para detectar u aislar el motivo de la avería en cualquier sistema, subsistema y componentes haciendo especial hincapié en las averías que pueden afectar a la emisión de gases contaminantes. Los comprobadores de nivel, suelen ser el método utilizado. Están basados en modelos o sistemas expertos en la diagnosis de una incorrecta operación en los sistemas de control de las emisiones. 56 La detección de fallos parciales o incluso anticiparse a un determinado fallo, dando la señal de alerta, puede ser difícil de realizar con los métodos estudiados. Como entradas al sistema de diagnosis, hay numerosos sensores muestreados con diferentes periodos de tiempo. El sistema de diagnosis debe ser capaz de realizar la fusión de los valores dados por los sensores, la combinación de valores dados en diferentes escalas de tiempo y la integración del conocimiento. Los sistemas basados en lógica borrosa, permiten mejorar la eficiencia del método de detección de fallos basado en un modelo matemático del motor, aun con las restricciones ya nombradas. La naturaleza de las reglas borrosas y la relación entre los conjuntos borrosos proporcionan una potencia de diagnóstico que se va incrementando a medida que se va completando el modelo del sistema. Por otra parte la complejidad hace que otros enfoques, como los métodos estadísticos o matemáticos, sean difícilmente abordables. Los métodos de interferencia borrosa proporcionan un esquema de representación e interacción de los diferentes elementos del sistema más flexible y completo. La diagnosis de fallos en el automóvil, desde el punto de vista de la lógica borrosa, tiene las siguientes características: • Conocimiento incompleto de la mayoría de los problemas y diagnósticos que se han de realizar al vehículo, debido en gran medida a la complejidad actual de los automóviles. Una razón para esta falta de datos es que , a menudo, no se tiene un conjunto completo de los parámetros que serían necesarios para describir de forma completa un comportamiento erróneo o fallo de un componente. En general, los ingenieros pueden hacer uso de conocimientos dados por expertos o pruebas de los componentes que definen una lista de parámetros 57 asociados con un tipo particular de fallo. Sin embargo, los datos que se captan por los sensores vienen limitados por razones físicas y económicas. Por tanto, algunos parámetros pueden ser sustituidos de manera imprecisa en el modelo para tener una estimación de la información no disponible directamente. Otros parámetros pueden no tener ni una estimación. La incertidumbre del problema conduce a buscar una solución haciendo uso de modelos de diagnosis descritos con lógica borrosa. • La lógica borrosa proporciona un método más intuitivo para expresar diferentes conceptos de funcionamiento físico del sistema bajo estudio. Su funcionamiento viene dado por reglas de conocimiento en formato lingüístico que puede ser realizado por un experto. El estado del problema, puede ser descrito con términos no muy descriptivos, como alto, bueno, bajo, frio, etc.…. • Los sistemas basados en reglas borrosas suelen necesitar menos reglas de ejecución y tienen un tiempo de respuesta menor que los sistemas clásicos basados en modelos. • Los sistemas borrosos son capaces de aglutinar múltiples reglas dadas por diferentes bases de conocimiento, incluso reglas que muestran cierto comportamiento opuesto. En la figura 26 se muestra un sistema borroso que incluye un modelo borroso del conocimiento del sistema, un algoritmo para la generación de reglas borrosas, y la posterior optimización de las funciones de pertenencia. Además, el sistema proporciona un interfaz para introducir diferentes datos. Se muestran dos modos de funcionamiento: en el primero se realiza un aprendizaje del conocimiento y posterior traslación a reglas y funciones de pertenencia. En el 64 Estándares más importantes en la diagnosis externa • Norma J1962:determina que el conector normalizado OBD, debe tener forma trapezoidal, y 16 pines. Las reglamentaciones OBD II, definen física y eléctricamente el DLC. Por ejemplo algunos de los terminales están destinados a alimentación, o conexión a tierra. El DLC se conoce con el nombre de “conector J1962” • Norma J1978:enumera las funciones mínimas que debe de tener una herramienta de Scantool para cumplir con la normativa OBD: o Manejo automático del protocolo OBD que incorpora el vehículo. o Recogida y visualización de los resultados de la evaluación de diagnóstico, así como la disponibilidad de los equipos electrónicos e información procedente del indicador luminoso de fallo. o Recogida y visualización de:  Códigos de diagnóstico de fallos(DTCs)  Datos relativos a emisiones(parámetros del motor)  Histórico sobre emisiones y resultado de diferentes chequeos o Puesta a cero de toda la información contenida en el punto anterior • Norma J1979:describe los modos de chequeo y diagnóstico para la obtención de datos relativos a la diagnosis sobre emisiones o Modo 1-Petición de los datos de diagnóstico actuales acerca del motor y estado de disponibilidad. o Modo2-Petición de datos históricos sobre la transmisión o Modo3-Petición de códigos de fallo relativos a las emisiones(DTCs) o Modo4-Puesta cero de la información anterior 65 o Modo5-Petición de los resultados de chequeo sobre el sensor de oxígeno o Modo6-Petición de los últimos resultados de la supervisión realizada por el ordenador de a bordo sobre sistemas monitorizados de forma no continua, como catalizador, recirculación del gas, sistema de evaporación, etc.…. o Modo7-Petición de los últimos resultados de la supervisión realizada por el ordenador de a bordo sobre sistemas monitorizados de forma continua, como la admisión de gasolina, inyección, etc. • Normas J1850, Iso9141 e ISO14230-4:describen los diferentes protocolos de comunicación y formatos de mensajes que un fabricante de vehículos puede utilizar en los equipos OBD embarcados • Norma J2012:describe la recomendación sobre códigos numéricos DTCs así como su descripción. 4.1.2.5. Conexión de una herramienta Scantool al vehículo Cuando se procede a la conexión de una herramienta Scantool en el vehículo, lo primero que se debe de saber es la ubicación del conector DLC de conexión al vehículo. La normativa J1962 define que esta ubicación deberá ser bajo el tablero de instrumentos, y si no fuera así, se deberá de indicar la ubicación concreta con una pegatina. 66 4.1.2.6. Descripción general de los Scantools Como función principal de estos equipos, está el diagnóstico de los diferentes subsistemas de un vehículo y se utilizan tanto para el diagnóstico como para la reparación de los automóviles que llevan incorporado un sistema de diagnosis de a bordo. Además de controlar las operaciones del motor, los sistemas electrónicos de los vehículos, también sirven junto con una herramienta de diagnosis, para encontrar, prever y solucionar posibles problemas. Existen diferentes normas y regulaciones, siendo actualmente el OBD II el de mayor aplicación. Vamos a analizar las diferentes capacidades de este tipo de herramientas, y sus modos de inspección y mantenimiento. Figura 29: Scantool genérica y específica de un fabricante. 67 Funciones típicas de las herramientas Scantool • Control bi-direccional: las Scantool pueden controlar ciertos componentes del vehículo y pedir que se inicien ciertos tests bajo demanda. Así se permite monitorizar información entrante y saliente de sensores, solenoides y transmisión del ordenador de a bordo. Los datos son actualizados al encender el motor para poder ver la respuesta del sistema. • Visualizador gráfico: los Scantools pueden visualizar gráficamente los parámetros de diagnóstico. • LEDs adicionales: para indicar cambios en los principales valores del estado del motor, haciendo sencilla su lectura por parte del técnico. • Menú de ayuda: para informar al técnico acerca de los procedimientos a seguir. • Librería de códigos de fallo: incluyen una lista con todos los posibles códigos de fallo definidos por la norma. • Salida a impresora o conexión a un ordenador: para imprimir el resultado del diagnóstico realizado. • Modo de almacenamiento y visualización/modo foto: las Scantool, pueden almacenar un conjunto de datos y parámetros recogidos en tiempo real, para posteriormente visualizar esa información. Esto permite al técnico saber el ajuste a realizar sobre el vehículo. Se denomina “freeze frame”, y permite reconstruir el problema antes o después de la reparación. • Pruebas de sensores de oxígeno • Reprogramación del PCM del automóvil: la Scantool permite realizar una reprogramación de los módulos del ordenador del vehículo, especialmente de la transmisión. 68 • Medidores y osciloscopios: la Scantool puede operar como un multímetro o como un osciloscopio. • Ayuda al diagnóstico y resolución de posibles fallos-las Scantools incorporan información adicional que pueda ser útil para diagnosticar problemas. Se apoya en una base de datos con las posibles situaciones de fallo y los componentes asociados a dicho error. 4.1.2.7. Problemática de los estándares OBD Debido a la continua mejora de las prestaciones, bases de datos y funciones, el Scantool debe estar continuamente actualizado con la última versión de software del fabricante. Pese a la normativa del sistema de diagnóstico OBD, cada fabricante realiza un aparato diferente con ciertas peculiaridades. Estos distintos matices de normas y traducciones, pueden llegar a confundir al usuario debido al cambio de nombres entre unas herramientas y otras. Esto sucede en el caso de la distinción entre datos de monitorización, monitorización continua, y monitorización no continua. Aunque la información del sistema OBD está descrita en la norma, los fabricantes cambian la nomenclatura por diversas razones(árboles de menús, economía de caracteres en el display……),dando lugar a confusiones. Los errores de funcionamiento, se almacenan usando números de código, llamados normalmente “códigos de avería” o “DTCs”. Por ejemplo un código P0122 quiere decir: “tensión de señal de sensor de posición de válvula reguladora(mariposa) demasiado baja”. Estos códigos genéricos, forman parte del software proporcionado por el Scantool OBD-II. Para poder comprender los DTCs de cada fabricante es necesario un manual de servicio del vehículo. 69 4.1.2.8. Lo que un sistema de auto diagnóstico pudiera no detectar La mayor parte de los vehículos controlados electrónicamente por ECUs, poseen un sistema de auto diagnóstico incorporado. Un Scantool puede recuperar cualquier código de avería que esté almacenado en la memoria de la ECU. Esta información, puede ayudar al técnico a realizar un diagnóstico más rápido y de mayor precisión, además de reducir de forma importante el tiempo requerido para el diagnóstico. Sin embargo, como ya hemos visto, la mayor parte de los códigos de avería, sólo indican un circuito defectuoso o un sensor que no funciona correctamente. No siempre indican la raíz del problema, sino que más bien indican la consecuencia. Esto es debido a que las ECUs tan sólo pueden controlar el estado o la operación de los sistemas y dispositivos conectados a ellas. En la mayoría de los motores, la Ecu no controla: • El estado mecánico del motor • El estado del sistema de encendido • El estado del sistema de escape • El estado de mangueras y tubos Así es, que al realizar un diagnóstico, debemos de tener en cuenta los elementos no controlados electrónicamente, que pueden afectar al buen funcionamiento del vehículo, y no sólo ceñirnos a los elementos electrónicos. 70 4.1.2.9. Diagrama de flujo para realizar un test e inspección con una Scantool La diagnosis externa forma parte de los tests e inspecciones que se realizan a un vehículo en el momento en que entra a un taller para realizar una revisión. Existen dos tipos de diagnosis externa: • Comprobar el estado de las lámparas indicadoras de avería(MIL) • Realizar un test al ordenador de a bordo para verificar que no existe ningún indicio de error o mal funcionamiento en el vehículo, pese a que no hay ninguna MIL encendida. Al conectar el Scantool al vehículo, la herramienta se comunica de forma automática con él para encontrar el protocolo correcto de comunicación. El ordenador de a bordo realiza una supervisión de inspección y mantenimiento que es ejecutada para verificar la correcta operación de los sistemas o componentes del vehículo. Las funciones de supervisión verifican la operación de los componentes y sistemas relacionados con las emisiones, y detectan valores que estén fuera del margen admisible. Para obtener una monitorización real y fiable, habrá que someter al vehículo a una prueba dinámica, que nos aporte los verdaderos datos de funcionamiento. Los ordenadores de control del motor, podrían encontrarse en estado de fallo, o con algún problema de funcionamiento. Es por esto que el fabricante del vehículo, o de la ECU, ha programado de forma permanente a la ECU, para ejecutar funciones especiales de prueba. Estas pruebas verifican los componentes que , conectados al ordenador, se usan para: suministro de combustible, control del régimen de ralentí, sincronización del encendido, sistemas de control de emisión, y cambios de marcha en caso de haber transmisión automática, etc.…… 71 Estas funciones especiales de prueba, dependen del fabricante, motor y año del modelo. No existe una prueba universal que sea la misma para todos los vehículos. Estas pruebas examinan las entradas (señales eléctricas procedentes de los sensores, que llegan a las ECUs) y las salidas (señales eléctricas generadas por las ECUs), así como los cálculos internos realizados por el ordenador. El programa de test almacena las señales de entrada que tienen valores incorrectos, o las señales de los circuitos de salida que no operan de forma correcta. Todos estos resultados se almacenan en la memoria del ordenador, ya que la ECU no puede controlar el motor debidamente si tiene información incorrecta en sus entradas, o circuitos de salida defectuosos. En la figura 30 se puede ver el proceso típico de diagnosis externa, donde se indican los pasos más representativos. Figura 30: Fases del proceso a seguir en la diagnosis externa. 72 Existen multitud de funciones de supervisión OBD II, relacionadas con la diagnosis externa, como por ejemplo: • Error en la combustión • Sistema de inyección de combustible • Sensores en general • Catalizador • Catalizador calefactado • Sistema de evaporación de combustible • Sistema de refrigeración y acondicionamiento de aire exterior • Sensor de oxígeno o sonda Lambda • Calefactor de sonda Lambda • Sistema de recirculación de gases de escape (EGR) Las pruebas de monitorización de las emisiones y gases tienen los siguientes estados posibles: • El estado “Preparado”, significa que las condiciones de conducción requeridas para esa monitorización, han sido cumplidas y éste, se ha aceptado como bueno. • El estado “ No preparado”, significa que las condiciones de conducción requeridas para esa monitorización no han sido cumplidas, o bien no es correcto. • El estado “ No aplicable”, significa que el vehículo no soporta esa prueba concreta. 73 4.2. ESTÁNDAR OBD A continuación se detallan las diferentes generaciones estandarizadas relativas a la diagnosis del automóvil, conocidas como OBDs (On Board Diagnostic), que nacen en USA y se extienden a Europa y Asia con denominaciones similares. En definitiva son normas aceptadas e implantadas por los fabricantes de automóviles con proyección internacional. 4.2.1. OBD I La primera generación de diagnosis de a bordo data de comienzos del año 1987, cuando todos los nuevos vehículos producidos en California, estaban obligados a incorporar equipos electrónicos que dieran respuestas a las demandas de las organizaciones americanas EPA (Environmental Protection Agency) y SAE (Society Automotive Engineering). El objetivo subyacente de dicha diagnosis era minimizar la contaminación atmosférica producida por el parque automovilístico, aunque también fueron considerados otros objetivos, como el de poder notificar a los conductores, el estado de su vehículo. Con estos precedentes, la CARB (California Air Resources Board) definió en 1988, los primeros requisitos de la primera generación de diagnosis de a bordo (OBD I). Estos requisitos eran los siguientes: • Incorporación de testigos luminosos (MIL) de fallo, para informar al conductor de algún tipo de avería en el vehículo. • Disposición de un manual de interpretación de códigos de avería, leídos de la memoria de a bordo del vehículo, para facilitar a los talleres la traducción de los códigos asociados a componentes defectuosos. 80 Figura 35: Ejemplo de sistema de inyección BOSCH Motronic, con el sistema OBD II incorporado. En esta segunda generación de OBD, el control de todos los sistemas y componentes pertenecientes al sistema de expulsión de gases, son monitorizados y controlados, para detectar cualquier mal funcionamiento, que pudiera ocasionar un incremento de la emisión de gases nocivos. Vemos claramente, que el OBD II, es una versión mejorada de su predecesor OBD I, gracias en gran parte a las ECUs. Más conocidos como ordenadores de a bordo, las ECUs son las encargadas de monitorizar el estado 81 de los diferentes subsistemas que forman parte del vehículo, para poder identificar las diferentes averías que pudieran ocasionarse. Los ordenadores de a bordo se encargan de avisar al conductor mediante displays y testigos luminosos, del funcionamiento anómalo de algún componente, y proporcionar el correspondiente código de fallo. Ésto permite ahorrar mucho tiempo y coste de reparación, en comparación a los métodos tradicionales de “ comparar y cambiar”, que se venían utilizando hasta entonces. El sistema de comunicación al conductor de anomalías mediante un testigo luminoso, incluye tres tipos de presentaciones: • Destellos ocasionales: cuando el fallo es momentáneo, el destello se produce de forma ocasional. En caso de que el defecto sea de naturaleza más grave, afectando a las emisiones de gases o a la seguridad del vehículo, el destello será más continuo. • Destellos constantes: indica la existencia de un problema que puede causar daño serio al motor, en caso de que el funcionamiento de éste, no sea interrumpido inmediatamente. En este caso, la unidad central de procesamiento, almacenará las últimas lecturas procedentes de los sensores. • Indicación de fallo grave: este testigo se ilumina sólo, cuando existe un problema muy grave, que comprometa la seguridad de los ocupantes, o el funcionamiento del vehículo. Para poder acceder a la información recogida por el ordenador central, relativa a los fallos ocurridos en los sistemas controlados por el OBD II, es necesaria la utilización de equipos de hardware y software concretos, que son los ya comentados Scantools, que utilizan conectores y protocolos estandarizados. 82 Los DTC (Diagnostic Trouble Codes) o códigos de avería, están estandarizados, y cada uno de ellos está asociado a la ubicación espacial donde se encuentra el fallo y al tipo de fallo. Cada DTC está formado por una letra seguida de un código numérico. La letra hace referencia a la localización del fallo (motor, chasis, etc.….) y el código numérico indica el tipo de fallo. Figura 36: Esquema para identificación de una avería según su numeración. En la figura 36, se pueden ver los significados de las cifras de un código de avería, DTC.Por otra parte, hay que resaltar que mientras OBD I y OBD II, fueron desarrollados por las asociaciones de automóviles y de medioambiente estadounidenses, en Europa fue estandarizado otro sistema similar de diagnosis, llamado EOBD I. 83 4.2.4. OBD III El importante avance que experimentan las tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs), ha hecho posible la creación de un nuevo concepto en la diagnosis, la tercera generación de OBD. El OBD III es un sistema que permite reducir el tiempo entre la detección de un fallo o funcionamiento defectuoso, y la posterior reparación del mismo. Es por tanto una evolución del OBD II, pues deberá recibir la información que OBD II transmita, y después de interpretarla, enviar conclusiones al conductor y talleres de reparación, con las claves de los fallos detectados. Además deberá de crear un histórico en un centro de datos, para ser utilizados en la diagnosis del propio vehículo, y en futuros diseños. En el OBD III, los fallos del vehículo son enviados vía radio terrestre o satélite, a un Centro de Atención al Cliente que los detecta y analiza. Este centro notificará al cliente el proceso a seguir para subsanar el problema. Además, también se notificará al taller de la información necesaria para acometer la reparación y las pruebas necesarias para verificar el posterior buen funcionamiento. Todo esto deja claro porqué el OBD III, se empieza a conocer como diagnosis remota. Lo más importante de todo esto, es la capacidad de comunicación del vehículo con el mundo exterior, a corta y a larga distancia. En esta dirección, se están proponiendo diferentes alternativas para permitir leer los datos almacenados por OBD II, y enviarlos a centros de Atención al Cliente, Centros de Datos, Servicios Móviles de Mantenimiento, etc.….. 84 En relación a las comunicaciones, algunas de las propuestas posibles son: • Lectores en los bordes de las carreteras: este tipo de tecnología fue probada por la CARB (California Air Resources Board) en 1994. Es capaz de leer hasta ocho carriles de tráfico y con velocidades de los vehículos de hasta 160 km/h. Las unidades lectoras pueden ser fijas o móviles. Cuando la unidad lectora detecta un fallo en un vehículo, es capaz de enviar el número de identificación del vehículo (VIN) además de los códigos de los fallos (DTC) al centro de procesamiento. • Estaciones de redes locales o satélites: este sistema está basado en los satélites utilizados para la comunicación de telefonía móvil o para el posicionamiento global de sistemas terrestres dotados del correspondiente receptor. Después de recibir una petición vía radio del centro de supervisión, el vehículo enviaría su localización obtenida por vía GPS, la fecha, la hora, los datos VIN y de OBD III. El centro de supervisión se encarga de recibir la información relativa a los DTC, y analizarlos para el envío de posibles pruebas adicionales o recomendaciones de reparación de los talleres, cumpliendo así el objetivo final de OBD III. La reducción del tiempo de respuesta ante fallos. Los estándares y normas, también están ligados con el OBD III. Por ejemplo, todas las tecnologías implicadas en la comunicación entre el exterior y el vehículo, requerirán de una licencia de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), ya que es posible la interferencia estas señales con otras que operen en la misma banda. 85 4.3. REDES DE COMUNICACIÓN EN EL DIAGNÓSTICO El avance de la electrónica y las comunicaciones, ha sido decisivo para que los fabricantes de automóviles se hayan decidido a introducir la tecnología de las ECUs, mejorando las prestaciones de los sistemas existentes en los automóviles, e incorporando otros nuevos sistemas que mejoran aspectos de seguridad, confort, manutención, etc.… El cada vez mayor número de ECUs y la mayor demanda de prestaciones, como por ejemplo las funciones de ayuda a la diagnosis, ha obligado a establecer una comunicación entre los sistemas electrónicos de a bordo. Figura 37: Ejemplos de sistemas de control, diagnosis, notificación, que incorporan los automóviles modernos. Por ejemplo, para realizar la diagnosis de abordo, es necesario comunicar entre sí todas las ECUs incluidas en el vehículo, y a su vez con un procesador central. Este procesador, se encargará de verificar la comunicación entre las ECUs, almacenar los datos de identificación de fallos, y facilitar la comunicación con los equipos externos (Scantools), para realizar la diagnosis externa. De aquí 86 viene la importancia de revisar la evolución de los buses utilizados en la diagnosis. Figura 38: Ejemplo de sistemas de comunicación entre los ECUs del vehículo y el exterior. En la figura 38, se pueden observar algunos de los sistemas que permiten la comunicación entre ECUs y entre los vehículos y el exterior. Se pueden identificar los siguientes elementos: buses, redes de comunicación, y protocolos. • Buses: son los elementos, como cables o fibras ópticas, que permiten la comunicación de los ECUs entre sí y/o de los ECUs con los equipos exteriores. Dichas conexiones se realizan mediante unas normas que están definidas según el tipo de bus. • Protocolos: son las reglas o normas que determinan el intercambio de información entre varios ECUs, entre ECUs y el ordenador central, o entre el vehículo y el exterior. • Red de comunicación: es el conjunto de los sistemas que interconectan varias ECUs del vehículo. Al formar una red, es necesario definir los 87 protocolos de enlace de datos entre ECUs y el tipo de conexionado entre los mismos. Además, dicha conexión puede ser alámbrica, utilizando buses convencionales, o inalámbrica, utilizando infrarrojos, Bluetooth, ZigBee, etc.….. 4.3.1. BUSES DE COMUNICACIÓN EN EL AUTOMÓVIL Los buses más ampliamente utilizados para la comunicación entre las ECUs embarcadas en los vehículos, así como del vehículo con el exterior, cuando hay comunicación física son los siguientes: • MOST (Media Oriented Systems Transport): Es un sistema de comunicación sobre fibra óptica, con tipología en estrella, para la comunicación multimedia. Las especificaciones de MOST se refieren tanto a la capa física como a las de aplicaciones, de red, y de control de acceso al medio. El bus MOST proporciona una solución óptima para equipos multimedia, como video y CD, incluidos en los automóviles. • J1850: este bus se utiliza para compartir datos entre las ECUs y para la realización de la diagnosis. • MI (Motorola InterConnect): es un bus de comunicación serie en sistemas que incluyen un maestro y varios esclavos. Este bus se suele utilizar para el control de los sistemas asociados a espejos, asientos, elevalunas, y luces. Aquí el maestro envía la dirección y los datos a todos los esclavos. • DSI (distributed Systems interface): desarrollado también por Motorola como un bus de seguridad, se suele utilizar en la comunicación entre los diferentes sistemas y los sensores de seguridad en los automóviles. DSI permite velocidades de datos de hasta 150 KBPS 88 • BST (Bosch-Siemens-Temic): como DSI, el bus BST fue desarrollado para comunicar diferentes sistemas y sensores de seguridad instalados en automóviles. Este bus permite la detección y corrección de errores, y puede trabajar a velocidades de hasta 250 Kbps • MML (Mobile Multimedia Link): es un bus multimedia sobre fibra óptica, con una estructura estrella para la comunicación maestro/esclavo. Es capaz de transmitir hasta velocidades de 100Mbit/s con longitud máxima de cable de 10 metros. • Byteflight: es un TDMA (Time Division Multiple Access), con capacidad de transmisión de hasta 10Mbps, utilizando un cable de dos o tres fibras ópticas. Su configuración es en estrella o cluster, proporciona un índice de actualización de información de 250 microsegundos. Este bus se utiliza para la comunicación de los equipos y sensores de seguridad críticos, como los del Airbag. • Flex-ray: este sistema de comunicación serie, está desarrollado para la implementación de redes internas, especialmente para comunicar sistemas de control, utilizando enlaces punto-punto (en estrella). Este bus ofrece un margen de velocidad que va entre 500kbps y 10Mbps, con una trama de 24 bits para la detección y corrección de errores. Todo ello lo hacen especialmente apropiado para implementar comunicaciones entre ECUs asociados al sistemas de dirección por cable (Steer by Wire) y freno por cable (brake by wire). • Domestic digital data: este bus para comunicar los sistemas de audio, video, móviles, etc.…. Está construido sobre fibra óptica, y puede trabajar a una velocidad máxima de hasta 20Mbps con una longitud máxima de cable de 10 metros. 89 • SMARTwireX: define las características físicas que se utilizan en las redes D2B que ofrecen velocidades de datos de hasta 25Mbps. Este bus acepta una longitud máxima de cable de hasta 15 metros. • IDB-1394: versión modificada de IEEE 1394 (Firewire) pensada para aplicaciones en el automóvil. • IEBus: se utiliza en las redes de comunicación internas en los automóviles “half dúplex asynchronous” • LIN: es un bus utilizado para comunicar los sensores y actuadores inteligentes incorporados en los automóviles. Refiriéndose a “sensores y actuadores inteligentes”, cuando implementan tecnología X-by-Wire (dirección, freno, tracción….) • CAN: una alta velocidad de intercambio de datos y alta fiabilidad, son sus prestaciones más importantes. Es por esto que la mayoría de fabricantes comenzaron a implementarlo tanto en la comunicación interna como en la externa. • Intellibus: este bus fue concebido para aplicaciones militares, pero finalmente también se ha transferido al campo de la automoción por su alta velocidad de transmisión de 12.5 Mbps y por su fiabilidad. Su campo de aplicación dentro del automóvil, está en los sistemas X-by-Wire. • OBD-II Bus: define un protocolo de comunicaciones y un conector estándar para adquirir datos de los automóviles. Fue requerido por EPA en todos los vehículos de gasolina fabricados en Estados Unidos a partir de 1996. • SAEJ1708: es utilizado para efectuar la comunicación serie entre los microcomputadores incorporados en los camiones. Este bus permite comunicaciones en distancias de hasta 40 metros. 96 Figura 40: Conector J1962 y tabla de asignación de pines. En la figura 40 se muestra el conector físico J1962 de diagnosis utilizado para transferir los datos que identifican los fallos ocurridos en el vehículo. Este conector es compatible con todos los vehículos, europeos, asiáticos y estadounidenses, con dos tipos de protocolos diferentes. El J1850 y ISO9141-2. Al enchufar el cable al conector del vehículo a examinar, automáticamente se identifica el protocolo adecuado para satisfacer los requisitos del OBD II. Este proceso de identificación, se realiza según el estándar J2201. Además, los fabricantes de automóviles, y de Scantools, se están planteando realizar la comunicación entre vehículo y equipos externos a través de un método inalámbrico, eliminando así todo tipo de conexión física. Por ejemplo mediante la tecnología Bluetooth. 97 Figura 41 : Ejemplo de Scantool inalámbrico. Comunicación entre vehículos y centros de mantenimiento Con la aparición de la nueva generación de diagnosis de a bordo (OBD III), que trata de minimizar el tiempo entre la detección de fallos y la reparación del vehículo, se plantea la necesidad encontrar una solución y definir los nuevos estándares para las comunicaciones a gran distancia entre vehículos y centros de asistencia remota. A través de esta comunicación se trata de informar a los centros de mantenimiento, de los fallos ocurridos en el vehículo y tomar a partir de ahí, todas las medidas necesarias. 98 4.4. NORMATIVAS Y ESTÁNDARES Aquí vamos a detallar algunas de las normativas propuestas en el sector del automóvil, de carácter general y relacionadas con la diagnosis. Se describen las características de los estándares, y se revisan también el SAE y el ISO. Aunque desde 2008, el CAN ha tenido que ser el único bus utilizado para la diagnosis de fallos en los automóviles fabricados en todo el mundo. ESTÁNDARES SAE DE APLICACIÓN EN LA DIAGNOSIS DEL AUTOMÓVIL ESTANDAR DESCRIPCIÓN J1850 Especifica los requisitos de las redes de comunicación de datos en los automóviles. J1979 Detalla las funciones de CARB/EPA y los mensajes asociados. J2190 Define los mensajes de diagnosis y mal funcionamiento en los automóviles. Es una versión modificada del J1979. J1962 Es el requisito de un conector de 16 pin (Data Link Connector DLC) utilizado para la diagnosis y situado debajo del tablero del vehículo. Dicho estándar ha sido implementado en todos los vehículos fabricados en los Estados Unidos a partir de 1996. J1978 Es el documento que define las especificaciones del Scantool utilizado en la segunda generación de diagnosis a bordo (OBD II) J2178 Indica el formato básico de los mensajes utilizados en la comunicación en el OBD I. J1113 Indica el procedimiento de medida de la compatibilidad electromagnética de los componentes del vehículo. J1211 Incluye recomendaciones para el diseño de los equipos electrónicos utilizados en los automóviles. J1213 Recoge un glosario de términos para las redes implementadas en los 99 vehículos. J1547 Representa el procedimiento de medir la compatibilidad electromagnética en módulos de inyección (ECUs) J1587 En este estándar se detallan las aplicaciones de intercambio de datos entre los microcomputadores instalados en los camiones. Además, se especifica el formato de los mensajes utilizados con J1708 en la etapa física. J1699 Indica las pruebas de conformidad y los métodos para el J1850 J1708 Define la comunicación serie entre los microcomputadores implementados en los camiones. Además, especifica la etapa física para el J1587 y J1922 J1879 Incluye los criterios de aceptación general y de producción de circuitos integrados para las aplicaciones de automóviles. J1922 Indica el interfaz del control electrónico del motor usado en los camiones. Además, define el formato de los mensajes utilizados para pasar datos entre motor, transmisión, ABS, etc.…. J1930 Representa los términos de diagnosis de los sistemas eléctricos y electrónicos como definiciones, abreviaturas y siglas. J2008 Incluye las recomendaciones de la organización SAE para el servicio de información de automóviles. J2012 Recoge los códigos de avería de la diagnosis. J2205 Un protocolo extendido de diagnosis para los Scantools OBD II J2300 Recoge el proceso de conformidad de prueba para Scantools OBD II Tabla 4: Estándares SAE de aplicación en la diagnosis del automóvil. 100 Estándar Descripción ISO 7639 Especifica los símbolos gráficos utilizados por los equipos de diagnosis. ISO 8093 De aplicación a los sistemas electrónicos incluyendo los módulos de control, sensores, actuadores e indicadores. ISO 9141 Especifica los requisitos para el intercambio de información digital entre las unidades del control electrónico a bordo y los equipos de diagnosis externos. Esta comunicación se establece para facilitar la inspección, las pruebas de diagnosis, y el ajuste de los ECUs ISO 6141-2 Este estándar se limita a los vehículos con tensión de alimentación de 12V. Dicho estándar describe un subconjunto del ISO 9141 que especifica los requisitos para la configuración del intercambio de la información digital entre las unidades de control electrónico relacionadas con la emisión de gases y el Scantool, según lo especificado en SAE J1978. ISO9141-3 Detalla los métodos de verificación de la comunicación entre los vehículos y los equipos de diagnosis externos. ISO 14229 ISO/DIS 14229-1 Especifica los servicios de diagnosis. Identifica las especificaciones y los requisitos de la diagnosis. ISO 14230 Describe la capa física de la diagnosis. ISO 14230-2 Especifica la capa de enlace de datos de la diagnosis. ISO 14230-3 Describe la capa de aplicación de la diagnosis. ISO 14230-4 Requisitos para los sistemas relacionados con las emisiones. ISO 15031-3 Especifica unos requisitos mínimos para el conector de diagnosis usado en la comunicación entre el vehículo y los equipos de diagnosis externo, fundamentalmente en lo relativo a las emisiones. ISO/DIS 15031- Indica las reglas de comunicación entre el vehículo y los equipos 101 5.4 de diagnosis externa utilizados para la diagnosis de emisiones, detallando el servicio de la diagnosis. ISO/DIS 15031- 6.4 Presenta las normas de comunicación entre el vehículo y los equipos de diagnosis externa utilizados para realizar las diagnosis relacionadas con las emisiones. ISO 15765-3 Especifica la implementación de un sistema común de los servicios de diagnóstico unificados (UDS), de acuerdo con ISO 14229-1, para el bus CAN. Da los servicios de diagnóstico y los requisitos de programación de la memoria del servidor para todos los servidores de la red CAN de comunicación interna y el equipo de diagnosis externo. Tabla5: Estándares ISO de aplicación a la diagnosis del automóvil. 102 5. IMPORTANCIA DE LOS SENSORES EN LA DIAGNOSIS En el automóvil actual, la electrónica gana en importancia día a día. Los sensores, son los “órganos sensoriales” del vehículo, a través de los cuales se puede captar recorrido, posición, rotación, velocidad, aceleración, vibración, presión, caudal, temperatura u otras magnitudes de influencia. Sus señales son indispensables para las funciones de mando y regulación de los diferentes sistemas de regulación del motor, del tren de rodaje, de seguridad y de confort. 5.1. CONCEPTO El concepto “sensor” es equivalente a las nociones de sonda y transmisor. Los sensores convierten una magnitud física o química, en una magnitud eléctrica. Esta conversión se efectúa a menudo a través de fases intermedias no eléctricas. Así mismo, además de considerar la amplitud de corriente y tensión, también se consideran la frecuencia, el período, la fase, o la duración del impulso de una oscilación eléctrica, así como los parámetros “resistencia”, “capacidad” e “inductancia”. No existe ninguna definición clara que precise si los sensores pueden incluir ya una parte del tratamiento de señales o no. Se recomienda, sin embargo, no hacer una distinción, por ejemplo, entre “sensor elemental”, “célula sensible” u otros términos similares, y la denominación “sensor integrado”. 103 5.2. EMPLEO EN EL AUTOMÓVIL Siendo elementos periféricos, los sensores y actuadores constituyen los interfaces entre el vehículo con sus complejas funciones de transmisión, frenado, tren de rodaje, carrocería, conducción y navegación, y la unidad electrónica de control como unidad de tratamiento. Un circuito de adaptación de señales, se encarga de que éstas, lleguen a la unidad de control en forma normalizada. La aplicación de sensores no sería posible sin el empleo de circuitos de adaptación. Por esto existen un gran número de circuitos de adaptación integrados, a la medida de sensores especiales y ajustados a los vehículos respectivos. 5.3. CLASIFICACIÓN Podemos clasificar los sensores para automóviles en tres categorías: 5.3.1. FUNCIÓN Y APLICACIÓN • Sensores funcionales, destinados a tareas de mando y regulación. • Sensores para fines de seguridad y aseguramiento(protección antirrobo) • Sensores de vigilancia del vehículo(diagnosis de a bordo, magnitudes de consumo y desgaste) y para la info de conductor y pasajeros. 104 5.3.2 CLASE DE CURVA CARÁCTERÍSTICA Los sensores previstos para el mando, la regulación y la vigilancia, presentan curvas características distintas. • Curvas características continuas lineales: Esta clase de curvas se utiliza en particular para tareas de mando a lo largo de un gran campo de medición. Resulta una ventaja poder verificar y ajustar las curvas lineales. • Curvas características no lineales: Esta clase de curvas sirve a menudo para regular una magnitud de medida dentro de un margen muy estrecho (por ejemplo la regulación de los gases de escape a λ=1 o la regulación de la compresión de elementos de la suspensión). Las curvas fuertemente no lineales de forma especial, como las logarítmicas, también ofrecen ventajas cuando se requiere por ejemplo la divergencia admisible relativa del valor medido en todo el campo de medición. • Curvas características discontinuas de dos escalones: Esta clase de curvas (con posible histéresis), sirven para vigilar los valores límite para los que , al alcanzarse, es fácil poner remedio. Si es difícil poner remedio, se puede dar un aviso preventivo, por ejemplo con un escalonamiento múltiple. Figura 42 : clases de curvas características. a)continua lineal, b) continua no lineal, c) discontinua de escalones múltiples, d)discontinua de dos escalones. 105 5.3.3. CLASE DE SEÑAL DE SALIDA Podemos tener una señal de salida analógica, en cuyo caso será continua, o una señal de salida digital, en cuyo caso será discontinua o discreta. • Señal de salida analógica o Corriente/tensión o amplitud correspondiente o Frecuencia/duración de período o Duración de impulso/factor de trabajo de los impulsos. • Señal de salida discreta: o de dos escalones (codificado binario) o de varios escalones desiguales (codificado analógico) o de varios escalones equidistantes (codificado analógico o digital) 112 5.5.2 PRINCIPIOS DE MEDICIÓN 5.5.2.1. Sensores de potenciómetro El potenciómetro de cursor utiliza para fines de medición la equivalencia existente entre la longitud de una resistencia alámbrica o de capa y su valor óhmico. Actualmente es el sensor de recorrido/posición angular más económico. Para evitar sobrecargas, generalmente está aplicada la tensión a la pista de medición a través de pequeñas resistencias en serie R v (también para el calibrado del punto cero y el ajuste de la elevación). La forma dada al contorno de la pista de medición influye en el trazado de la curva característica. La conexión del cursor se efectúa generalmente a través de una segunda pista de contacto de igual superficie, que tiene debajo una capa de material conductor de bajo valor óhmico. Figura 43: potenciómetro de cursor. 1) cursor, 2) Pista resistiva, 3) Pista de contacto, I A ) Corriente del cursor, U 0 ) Tensión de alimentación, U A ) Tensión de medición, R) Resistencia, & max ) Angulo de rotación máximo, &) Ángulo de medición. Un bajo amperaje de la corriente de salida (I A <1mA) y un encapsulado a prueba de polvo contribuyen a reducir el desgaste y el falseamiento de los valores medidos. Un par de fricción óptimo formado por el cursor y la pista de contacto constituye también una condición previa para un desgaste reducido; el 113 cursor puede tener entonces la forma de una “cuchara” o de un “rascador” y disponer de una o varias ramas, teniendo incluso la forma de una “escoba”. Ventajas de los sensores de potenciómetro • Estructura sencilla y de fácil comprensión • Efecto de medición muy grande(carrera de medición equivalente a tensión alimentación) • No requiere de electrónica • Buena resistencia a tensiones parásitas • Amplia gama de temperatura(<250°C) • Alta precisión (mejor del 1% del valor final del alcance de medición) • Amplio campo de medición (cubre casi 360°) • Ejecución de redundancia sin problemas • Facilidad de calibrado • Curva característica flexible variando el ancho de pista • Montaje flexible apto para superficies planas o curvadas • Numerosos fabricantes • Examen rápido de las muestras Desventajas de los sensores potenciómetro • Desgaste mecánico, abrasión • Errores de medición a causa de restos de abrasión • Problemas en caso de empleo dentro de un líquido • Variación de la resistencia de contacto entre cursor y pista de medición • Levantamiento del cursor en caso de fuertes aceleraciones o vibraciones • Ensayos complicados y costosos • Miniaturización limitada • Producción de ruido 114 5.5.2.2. Sensores inductivos De todos los principios de medición de posición sin contacto, los sensores de circuito magnético son particularmente insensibles a las perturbaciones y muy robustos. Eso rige sobre todo para los principios basados en la corriente alterna, o sea, sistemas inductivos de circuito magnético. Las disposiciones de bobinas necesarias para esos sensores requieren sin embargo mucho más espacio en comparación con los sensores micromecánicos, no facilitando por ejemplo la realización de un montaje redundante. Además, la conexión que requieren las bobinas constituye un factor poco favorable respecto a los costes y a la fiabilidad. Entre el gran número de principios de este tipo conocidos, dos sistemas muy parecidos en su modo de funcionar han encontrado aplicación en el automóvil. Sensores de corrientes de Foucault Cuando una placa de aluminio o cobre, plana o curvada, y eléctricamente conductiva se acerca a una bobina recorrida por una corriente alterna de alta frecuencia, la resistencia efectiva y la inductancia de esta bobina sufren una variación. Las corrientes de Foucault que se forman en la placa amortiguadora por el aumento del acoplamiento magnético son la causa de este efecto. La posición de esta placa amortiguadora representa el recorrido de medición s en la figura 42. Figura 44 : Principio de funcionamiento del sensor HF de corrientes de Foucault. 1) Placa amortiguadora, 2) Corrientes de Foucault, 3) Bobina sin núcleo, 4) Oscilador de amplitud variable, 5) Demodulador, s) Recorrido de medición, A(s) ) Tensión del oscilador, U A (s) ) Tensión de salida. 115 Aunque el principio funciona ya bien en la gama de Khz, se recomienda adoptar una frecuencia de utilización superior, del orden de MHz, para la detección fiable de movimientos rápidos. Eso exige en general una coordinación directa de la electrónica con el sensor. Para convertir el efecto de medición en una tensión eléctrica de salida se puede utilizar tanto el efecto de amortiguación como el efecto de desplazamiento del campo magnético. En el primer caso es apropiado un oscilador de amplitud variable; mientras que en el segundo caso, un oscilador de frecuencia variable o un divisor de tensión inductivo de alimentación constante. El principio de corrientes de Foucault es adaptable en formas muy variadas a la tarea de medición. Es muy indicado para detectar tanto grandes recorridos y ángulos como también pequeñas magnitudes, presentando generalmente sólo un reducido cambio de temperatura. Sensores de anillo de cortocircuito Al contrario del sensor de corrientes de Foucault, la bobina de un sensor de anillo de cortocircuito posee siempre un núcleo de material magnético dulce, generalmente chapeado, en forma de U o de E derecha o curvada. Figura 45 : Sensor de anillo de cortocircuito. 1) Anillo de cortocircuito, 2)Núcleo de material magnético dulce, 3)Bobina, I)Corriente, I W ) Corriente de Foucault, L(s) y &(s) ) Inductancia y flujo magnético para el recorrido de medición s. 116 La placa móvil está conformada aquí como “anillo de cortocircuito” de material perfectamente conductor, como cobre o aluminio, que puede desplazarse sobre uno o sobre todos los brazos del núcleo. Por tener un núcleo ferromagnético, estos sensores poseen una inductancia muy superior a la de los sensores de corrientes de Foucault. Pueden funcionar por tanto igualmente a bajas frecuencias y no requieren que se incorpore la electrónica de tratamiento de señales en el mismo sensor. Este sensor se utiliza igualmente en condiciones de trabajo muy duras, como por ejemplo en bombas de inyección Diesel. 5.5.2.3. Sensores magnetostáticos (HALL) Los sensores magnetostáticos sirven para medir un campo magnético de corriente continua. Al contrario de los sensores inductivos son mucho más apropiados para la miniaturización y se pueden fabricar económicamente con los medios de la ecnología de los microsistemas. Las aplicaciones galvanomagnéticas, como Hall y Gauss, así como los elementos metálicos anisótropos magnetorresistivos de capas delgadas , son los más extendidos. Figura 46 : Efectos galvanométricos. Β) Inducción magnética. I) corriente que fluye por la placa, I H ) Corriente Hall, I V ) Corriente de alimentación, U R ) Tensión longitudinal, a) Desviación de los electrones por el campo magnético. 117 Sensores galvanomagnéticos Estos sensores están asociados al efecto Hall. El efecto Hall es evaluado sobre todo con la ayuda de delgadas plaquitas semiconductoras. Cuando una de tales plaquitas recorrida por una corriente es atravesada verticalmente por una inducción magnética B, se genera perpendicularmente al sentido de la corriente una tención U H proporcional al campo (efecto Hall); al mismo tiempo, la resistencia de la plaquita aumenta con arreglo a una curva característica casi parabólica, correspondiente al efecto Gauβ o de magnetorresistencia. En caso de utilizar silicio como material base, se puede integrar sobre la plaquita el circuito de tratamiento de la señal, por lo que la fabricación de tales sensores resulta muy económica. En lo que concierne a la sensibilidad de medición y al cambio de temperatura, el silicio no es sin embargo el material semiconductor más favorable para sensores Hall. Sensores diferenciales magnetorresistivos El efecto de resistencia o efecto Gauβ es aprovechado en las “magnetorresistencias”, que se fabrican a partir de un “semiconductor III-V”, de antimoniuro de indio cristalino (IsSb). Al contrario de los sensores Hall, la forma óptima de la plaquita de de una magnetorresistencia es más bien corta y compacta, constituyendo eléctricamente por tanto una resistencia al comienzo muy baja. Para obtener valores técnicamente utilizables del orden de kΩ, muchas de estas plaquitas han de estar conectadas en serie. Eso se consigue airosamente incorporando agujas microscópicas de antimoniuro de níquel de alta conductividad en el cristal semiconductor, dispuestas perpendicularmente al sentido de la corriente, así con formando adicionalmente meandros al nivel de la resistencia semiconductora. 118 Figura 47 : Exploración de una rueda dentada por medio de la activación magnética de un sensor magnetorresistivo. 1) Magnetorresistencias R1 y R2, 2) Sustrato de material magnético dulce, 3) Imán permanente, 4) Rueda dentada, U o ) Tensión de alimentación, U A ) Tensión de salida para un ángulo de rotación dado. Las magnetorresistencias se suministran habitualmente en cinta, en un embalaje semejante al de un filme “súper 8”. Con miras a sus aplicaciones en el automóvil, esos sensores están concebidos en el entretanto para soportar una temperatura continua de servicio de hasta 160 o C y una breve temperatura de punta de casi 200 o C. La variación de la resistencia en función de la inducción magnética B tiene lugar hasta valores de aproximadamente 0,3 T de manera proporcional al cuadrado de la inducción; más allá de esos valores, la resistencia se vuelve progresivamente lineal. Hacia arriba, el margen de equilibrado dinámico es ilimitado; para las aplicaciones técnicas, el comportamiento en función del tiempo puede considerarse como prácticamente exento de inercia de respuesta. La ventaja de las magnetorresistencias es su alto nivel de señal que , incluso sin amplificación, se halla generalmente dentro del margen de algunos voltios, lo que hace innecesario el montaje de una electrónica y la toma de las correspondientes medidas de protección. Además, en su calidad de componentes pasivos resistivos son muy insensibles a perturbaciones 119 electromagnéticas; por razón de su alto campo de polarización son también casi inmunes a campos magnéticos perturbadores. Sensores GMR Desde no hace mucho tiempo existen los sensores magnetorresistivos GMR realizados en “nanotecnología”, con varias capas delgadas superpuestas de un espesor correspondiente a pocas capas atómicas. Figura 48 : Estructura del sensor GMR individual. 1) Capas de hierro, 2) Capas delgadas de CuCo antiferromagnéticas, B) Inducción de referencia. Su comportamiento es muy semejante al de los sensores AMR , la resistencia de los sensores GMR depende sólo del simple ángulo de rotación y no del seno del ángulo de rotación mecánico doble. Por consiguiente, es posible determinar claramente el ángulo de rotación en todo el campo circular de 360 o . 120 Giroscopios o sondas de campo magnético terrestre Los sistemas de navegación montados en los automóviles requieren un sensor angular de tipo muy diferente. Por lo menos en bifurcaciones y cruces de carreteras hay que medir el ángulo del sentido de marcha tomado (ángulo de rumbo), independientemente de la existencia de un sensor del ángulo de dirección. Antes de que se dispusiera de sensores inerciales adecuados, se utilizaron a tal efecto sensores de campo magnético terrestre, que determinaban el sentido de marcha a base del campo magnético terrestre. Figura 49 : Núcleo sensor de la sonda de campo magnético terrestre. 1 y 2) Arrollamiento de sensor “eje x” y “eje y”, 3) Arrollamiento de excitación, 4) Núcleo anular. 5.5.2.4. Sensores de propagación de ondas Para la medición de distancias en el automóvil, se utilizan procedimientos ultrasónicos de medición del tiempo de propagación (entre 0,5 y 5 metros), procedimientos ópticos de triangulación o medición del tiempo de propagación mediante la luz del campo infrarrojo inmediato( alcance de hasta 50 metros) y la detección por radar electromagnético (hasta 150 metros de alcance). 121 Sensores acústicos o ultrasónicos Análogamente al procedimiento de ecosondeo, los sensores emiten impulsos ultrasónicos de una frecuencia de aproximadamente 40 Khz y detectan el tiempo que tardan en llegar los impulsos de eco reflejados por obstáculos. La distancia a que hay hasta el obstáculo más cercano se calcula a partir del tiempo de propagación del primer impulso de eco llegado t e y de la velocidad del sonido c en el aire de aproximadamente 340 m/s. ܣ = 0,5 ∙ ݐ௘∙ ܿ Figura 50 : Cálculo de distancias respecto a un único objeto por ultrasonidos. a) Distancia pachoques/obstáculo, b) Distancia sensor 1 / obstáculo, c) Distancia sensor 2 / obstáculo, d) Distancia sensor 1 / sensor 2, 1) Sensor emisor y receptor, 2) Sensor receptor, 3) Obstáculo. Sensores electromagnéticos Un sensor de radar de largo alcance está integrado por ejemplo en el sistema ACC (Adaptative Cruise Control), que es un regulador de la velocidad de marcha con detección automática de vehículos que circulan por delante y en el mismo carril, y exigen eventualmente una deceleración del automóvil propio. La frecuencia de trabajo de 76 GHz, hace posible una construcción compacta, requerida para el empleo en vehículos. Un oscilador Gunn alimenta 128 5.5.6.3. Funcionamiento Al variar el nivel de combustible, el brazo detector, fijamente unido a través del pivote con la palanca del flotador, se desliza con sus cursores especiales a lo largo de las pistas resistivas del potenciómetro doble. Entonces transforma el ángulo de giro del flotador en una relación de tenciones proporcional al ángulo. Unos topes de fin de carrera limitan el margen angular de 100 o para los niveles mínimo y máximo e impiden simultáneamente la producción de traqueteos. La tensión de funcionamiento es de 5…..13 V. 5.5.7. SENSOR DE PEDAL DE ACELERADOR 5.5.7.1. Aplicación El deseo de aceleración, de marcha constante o de reducir la velocidad lo manifiesta el conductor en un motor de mando convencional accionando con el pedal acelerador la válvula de mariposa del motor de gasolina o la bomba de inyección del motor Diesel, mecánicamente a través de un cable o un varillaje. Cuando el motor está equipado con un sistema de mando electrónico, un sensor de pedal acelerador realiza la función de la unión mecánica. Detecta el recorrido o la posición angular del pedal y lo transmite eléctricamente a la unidad de control del motor. Como alternativa al sensor individual existen también módulos de acelerador como unidades listas para el montaje, compuestas de pedal y sensor. 129 Figura 54 : posibles formas de construcción del sensor de pedal de acelerador. A) Sensor de pedal individual, b) Módulo de pedal acelerador suspendido, c) Módulo de pedal acelerador FMP1, 1)sensor, 2) pedal específico al vehículo, 3) Soporte de pedal. Estos módulos no requieren trabajos de ajuste en el vehículo. 5.5.7.2. Estructura y funcionamiento Sensor potenciométrico de pedal acelerador Su componente principal es un potenciómetro en el que se ajusta una tensión en función de la posición del acelerador. Con ayuda de una curva característica del sensor almacenada, la unidad de control convierte esta tensión en el recorrido relativo o posición angular del acelerador. Para fines de diagnosis y para el caso de un funcionamiento irregular hay integrado un sensor redundante. Éste es parte integrante del sistema de control. Una versión del sensor trabaja con un segundo potenciómetro que en todos los puntos de servicio suministra siempre la mitad de la tensión del primer potenciómetro, a fin de recibir dos señales independientes para la identificación de defectos. Otra versión trabaja, en lugar del segundo potenciómetro, con un interruptor de ralentí que señala a la unidad de control la posición de ralentí del pedal acelerador. Para vehículos con cambio automático, un interruptor adicional puede generar una señal eléctrica de sobregás. 130 Sensores de ángulo Hall El sensor de ángulo Hall del tipo Angle of Rotation Sensor 1, está derivado del principio básico “imán móvil”. Tiene un alcance de medición de aproximadamente 90 grados. El sensor del tipo Angle of Rotation Sensor 2, posee una disposición simplificada sin conductores de flujo magnéticamente suaves, en la cual el imán es movido sobre un arco circular en torno al sensor Hall. Como el curso de la característica sinusoidal resultante presenta una buena linealidad tan sólo en una sección relativamente corta, se coloca el sensor Hall un poco fuera del centro del círculo. De este modo la característica se aparta de su forma sinusoidal y presenta una sección lineal más larga, de más de 180 grados. Este sensor se puede integrar mecánicamente sin dificultad en un módulo de pedal acelerador. 5.5.8 SENSOR DE ÁNGULO DE VOLANTE DE DIRECCIÓN 5.5.8.1. Aplicación El control electrónico de la estabilidad (ESP) tiene por función mantener el vehículo en la trayectoria prescrita por el conductor mediante intervenciones apropiadas en los frenos. Para ello, una unidad de control compara el ángulo de giro ajustado al volante y la presión de frenado deseada con el movimiento de giro y la velocidad efectivos del vehículo, efectuando en caso necesario un frenado selectivo de las ruedas. De este modo se consigue un “ángulo de deriva” pequeño y se impide un derrape, hasta los límites fijados por la física. Para la detección del ángulo del volante son apropiados en principio todos los tipos de sensores angulares. Sin embargo, con objeto de garantizar la 131 seguridad se requieren versiones cuya plausibilidad se puede comprobar fácilmente o que , mejor aún, posean una función de auto control. Se utilizan potenciómetros, detectores ópticos de código y sistemas magnéticos. En la mayoría de sensores utilizados es necesario sin embargo registrar y memorizar constantemente la posición actual del volante, ya que los señores angulares usuales pueden medir como máximo 360 grados, mientras que un volante de turismo puede describir un ángulo de 720 grados. 5.5.8.2 Estructura y funcionamiento Existen dos sensores angulares magnéticos de medición absoluta adaptados a unidades de control, que pueden detectar en todo momento el ángulo de giro del volante en todo el campo angular que alcanza éste. Sensor Hall de ángulo de giro del volante LWS1 El sensor del tipo LWS1 detecta mediante 14 “barreras Hall”, la posición angular y el número de vueltas del volante. El funcionamiento de una barrera Hall es semejante al de una barrera de luz: un elemento Hall mide el campo generado por un imán vecino, campo que puede ser fuertemente debilitado o tapado por un disco metálico de codificación. La utilización de nueve circuitos integrados Hall permite obtener una información digital sobre el ángulo del volante. Los otros cinco sensores Hall restantes registran el número de vueltas, que es transmitido por medio de un engranaje en relación 41 dentro del campo unívoco de 360 o . Además, integrado en la estructura del sensor, se encuentra un microprocesador en el que se desarrollan pruebas de plausibilidad y se descodifica la información angular, siendo preparada para el bus CAN. 132 Figura 55 : despiece del sensor de ángulo de volante Hall. 1) Tapa con nueve imanes permanentes equidistantes, 2) Disco de codificación, 3) Placa de circuitos impresos con 9 interruptores hall y microprocesador, 4) Engranaje, 5) Barreras Hall, 6) casquillo de fijación para columna de dirección. Sensor magnetorresistivo de ángulo de volante LWS3 También el sensor de ángulo de volante LWS3 funciona con sensores AMR (Anisotrop Magneto Resistive), cuya resistencia eléctrica varía en función del sentido de un campo magnético externo. La información angular sobre un campo de cuatro vueltas completas del volante resulta de la medición de las posiciones angulares de dos ruedas dentadas que acciona una corona dentada fijada en el árbol de la dirección. Las dos ruedas dentadas se diferencian por tener una de ellas un diente de más, lo que permite asignar a cada posición posible del volante un par de valores de ángulo unívocamente definido. Un algoritmo matemático, calificado como principio de Vernier modificado, permite a un microprocesador calcular el ángulo de volante, pudiéndose corregir incluso imprecisiones de medición de los dos sensores 133 AMR. Adicionalmente existe la posibilidad de un autocontrol, de manera que a través de la salida CAN se puede transmitir un valor de medición muy plausible a la unidad de control. Razones económicas obligan también en esta versión a estudiar nuevas alternativas de detección. Se examina actualmente si un solo sensor de ángulo AMR (LWS4), que sólo puede efectuar por cierto una medición precisa de 360 o , montado en el extremo del árbol de la dirección, es suficiente para garantizar la seguridad necesaria para el sistema ESP. 5.5.9. SENSORES ULTRASÓNICOS 5.5.9.1. Aplicación Los sensores ultrasónicos se utilizan para averiguar las distancias a que se encuentran posibles obstáculos y para vigilar un espacio; están integrados en los parachoques de vehículos para facilitar la entrada y salida de las plazas de aparcamiento y las maniobras de estacionamiento. El gran ángulo de abertura que se obtiene con el empleo de varios sensores ( 4 en la parte trasera y de 4 a 6 en la delantera) permite determinar con ayuda de la “triangulación” la distancia y el ángulo en relación con un obstáculo. El alcance de detección de un sistema de tal clase cubre una distancia de aproximadamente 0,25 a 1,5 metros. 5.5.9.2. Estructura Un sensor se compone de una caja de plástico con conexión por enchufe integrada, un convertidor de ultrasonidos y una placa de circuitos impresos con electrónica de emisión y evaluación. 134 Figura 56 : sensor ultrasónico. 1) Placa de circuitos impresos, 2) Masa de relleno, 3) Caja de plástico, 4) Soporte del sistema, 5) Anillo de desacoplamiento, 6) Manguito, 7) Conversor de ultrasonidos, 8) Caperuza, 9) Conexión eléctrica. Dos de las tres líneas eléctricas de conexión a la unidad de control sirven para la alimentación de tensión. Por la tercera línea, bidireccional, se conecta la función emisora y se transmite la señal de recepción evaluada de vuelta a la unidad de control. 5.5.9.3. Funcionamiento El sensor ultrasónico funciona según el principio “impulso-eco” en combinación con la triangulación. Cuando recibe de la unidad de control un impulso digital de emisión, el circuito electrónico excita la membrana de aluminio mediante impulsos rectangulares dentro de la frecuencia de resonancia para generar vibraciones típicas de aproximadamente 300 µs, emitiéndose entonces ondas ultrasónicas: la onda sonora reflejada por el obstáculo hace vibrar a su vez la membrana, que entretanto se había estabilizado. La piezocerámica convierte estas vibraciones en una señal eléctrica analógica, que la electrónica del sensor amplifica y transforma en una señal digital. 135 Figura 57 : esquema de conjunto del sensor ultrasónico. El sensor tiene prioridad frente a la unidad de control y, al detectar una señal de eco, conmuta la conexión de la señal a “bajo potencial” (<0,5V). Si se encuentra una señal de eco en la línea, no se puede procesar la señal de emisión. Cuando la tensión se vuelve inferior al umbral de conmutación de 1,5 V en la línea de señales, la unidad de control incita al sensor a que realice la emisión. 136 5.6-SENSORES DE VELOCIDAD DE ROTACIÓN Y VELOCIDAD LINEAL 5.6.1-MAGNITUDES DE MEDICIÓN Los sensores de velocidad de rotación y de velocidad lineal miden el ángulo descrito o el trecho recorrido por unidad de tiempo. En ambos casos de aplicación en el automóvil se trata generalmente de magnitudes de medición relativas que aparecen entre dos piezas o también en relación con la calzada u otro vehículo. En algunos casos, sin embargo, hay que medir también la velocidad de rotación absoluta en el espacio o alrededor de los ejes del vehículo, parámetro designado a menudo como “velocidad de convolución”. Así, por ejemplo para la regulación dinámica de marcha hay que detectar la velocidad de giro del vehículo alrededor de su eje vertical. Para la detección de la velocidad de rotación relativa se hace una distinción, según el número y el tamaño de las marcas periféricas exploradas de un rotor, entre los siguientes sensores: • Sensor incremental de paso estrecho, que permite detectar también hasta cierto grado la velocidad instantánea periférica o una subdivisión angular muy fina. • Sensor segmentado, que distingue un pequeño número de segmentos periféricos, como por ejemplo el número de cilindros del motor • Sensor de velocidad de rotación sencillo, que con la ayuda de una sola marca detecta únicamente la velocidad de rotación media por vuelta Son ejemplos de velocidad de rotación relativa: • Velocidad de rotación del cigüeñal y del árbol de levas • Velocidad de giro de las ruedas • Velocidad de rotación de la bomba de inyección diesel 137 La medición se efectúa generalmente con la ayuda de un sistema detector incremental, compuesto de rueda dentada y sensor tacométrico. Son además de nuevas aplicaciones: • Medición de velocidades de rotación por medio de sensores tacométricos integrados en los cojinetes • Velocidad en relación con el suelo • Velocidad de giro del vehículo alrededor de su eje longitudinal y del eje de cabeceo. 5.6.2-PRINCIPIOS DE MEDICIÓN Los sensores tacométricos convencionales se basan en efectos de medición grandes, como la inducción. Por eso son en la mayoría de los casos eléctricamente “pasivos”, es decir, no poseen generalmente ninguna electrónica integrada. Los sensores más recientes se basan en efectos de medición muy pequeños (Hall) y requieren por tanto una electrónica integrada. Según la definición dada en la introducción, forman parte ya de los sensores “inteligentes”. Los detectores de velocidades de rotación absolutas requieren incluso una electrónica muy compleja directamente en el sensor, pues los efectos de medición aquí utilizados no sólo son muy pequeños, sino que necesitan también una compleja regeneración de las señales. Para la medición incremental de la velocidad de rotación se pueden aprovechar efectos físicos muy diferentes. Sin embargo, los detectores ópticos y capacitivos, son muy poco apropiados para las duras condiciones de trabajo que se dan en los automóviles. En la práctica se prefieren exclusivamente los sensores de efecto magnético. 144 La célula de medición del sensor de velocidad de rotación activo está expuesta al campo magnético, continuamente cambiante, de esos imanes. Por eso varía continuamente, al girar la corona multipolar, el flujo magnético que atraviesa la célula de medición. El pequeño tamaño y el reducido peso del sensor de velocidad activo permiten montarlo adosado al cojinete de rueda o dentro de él. Para este género de aplicación, el disco de obturación del cojinete de rueda del vehículo contiene polvo magnético en lugar de imanes fijos. A la función original del disco de obturación se añade. Pues, una nueva función, con la que el disco se convierte adicionalmente en un componente “multipolar”. 5.6.7-SENSORES TACOMÉTRICOS DE CAJAS DE CAMBIO 5.6.7.1. Aplicación Los sensores tacométricos RS (Rotational Speed Sensor) detectan la velocidad de rotación en cambios de marchas automáticos, semiautomáticos, y de variación continua (CVT). Para esta utilización. Los sensores son por su concepción resistentes a los aceites ATF para las transmisiones automáticas. El “concepto de compactación” prevé la integración en el módulo de mando del cambio de marchas o en versión independiente. La tensión de alimentación U v se encuentra entra 4.5 y 16,5 V y el margen de temperaturas de funcionamiento alcanza de -40 a +150 o C. 145 5.6.7.2. Estructura y funcionamiento El sensor tacométrico activo posee un C.I. de efecto Hall diferencial y un interface de corriente bifilar. Para el funcionamiento ha de ser conectado a una fuente de tensión U v . El sensor puede detectar la señal de velocidad de rotación generada por ruedas dentadas y discos de chapa ferromagnéticos o por coronas multipolares; aprovecha el efecto Hall y suministra una señal de amplitud constante. Independiente de la velocidad de rotación. Eso hace posible una detección de velocidades de rotación de hasta casi n=0. Para la entrega de la señal se modula la corriente de alimentación en el ritmo de la señal incremental. La modulación de la corriente es convertida luego mediante una resistencia de medición R M integrada en la unidad de control en una tención de señal U RM . Figura 62 : sensor Hall con interface de corriente bifilar. 146 5.6.8-PORTAINYECTOR CON SENSOR DE MOVIMIENTO DE AGUJA 5.6.8.1. Aplicación El comienzo de inyección es una magnitud característica importante para el funcionamiento óptimo de los motores Diesel. Su detección hace posible por ejemplo una variación del avance en función de la varga y del número de revoluciones en el circuito de regulación cerrado. Sirve para ello en las bombas rotativas o en línea un portainyector con sensor de movimiento de aguja que suministra una señal cuando se levanta la aguja del inyector. Figura 63 : información de la señal de salida de algunas versiones de sensores. 5.6.8.2. Estructura y funcionamiento El perno de presión prolongado, de magnetismo permanente, penetra en la bobina. La profundidad de penetración determina el flujo magnético en la bobina. Una movimiento de la aguja del inyector induce, con la variación del flujo magnético en la bobina, una señal de tensión dependiente de la velocidad que es procesada directamente en un circuito de evaluación en la unidad de 147 control. La superación de una tención umbral le sirve al circuito de evaluación como señal para el comienzo de inyección. Figura 64 : señal del sensor de movimiento de aguja. a)Curva de carrera de aguja, b)Curva de tensión de señal correspondiente de la bobina. 5.6.9-SENSOR INDUCTIVO PARA ENCENDIDO TRANSISTORIZADO 5.6.9.1. Aplicación Este sensor inductivo es un disparador de impulsos para el sistema de encendido transistorizado. Representa un generador eléctrico de corriente alterna. El punto de conexión del ángulo de cierre se determina por comparación de la señal de tensión alterna del sensor con una señal de tención correspondiente al tiempo de regulación de la corriente. 148 5.6.9.2. Estructura El sensor inductivo está alojado en la caja del distribuidor de encendido, en el lugar que ocupaba el anterior ruptor convencional. Figura 65 :sensor inductivo del distribuidor de encendido. 1)Imán permanente, 2)Arrollamiento de inducción y núcleo, 3)Entrehierro variable, 4)Rotor. El núcleo magnético dulce del arrollamiento de inducción tiene la forma de un disco, llamado “disco polar”. El imán permanente, el arrollamiento de inducción y el núcleo del sensor inductivo forman una unidad compacta, el “estator”. Frente a esta unidad gira la rueda generadora de impulsos, fijamente unida al árbol del distribuidor y llamada “rotor”. El rotor está fijado sobre el árbol hueco que rodea el árbol del distribuidor. El núcleo y el rotor son de acero magnético dulce; tienen prolongaciones en forma de dientes. El disco polar tiene por ejemplo en el lado exterior dientes estatóricos doblados en ángulo recto hacia arriba. Conforme a ello, el rotor tiene dientes doblados hacia abajo. 149 El número de dientes del rotor y del disco polar corresponde generalmente al número de cilindros del motor. Cuando están frente a frente, los dientes fijos y los dientes móviles están distanciados unos de otros aproximadamente 0,5 mm. 5.6.9.3. Funcionamiento El principio de funcionamiento se basa en el hecho de que el entrehierro entre los dientes del rotor y del estator varia periódicamente al girar el rotor. Con él varía el flujo magnético. La variación del flujo induce una tensión alterna en el arrollamiento de inducción. La tensión de cresta ± U S es entonces proporcional a la velocidad de rotación: aproximadamente 0,5 V a baja velocidad y aproximadamente 100 V a alta velocidad. La frecuencia f de esta tensión alterna corresponde al número de chispas de encendido por minuto, siendo: f=z·n/2 f frecuencia o número de chispas por minuto z número de cilindros n número de revoluciones del motor 5.6.10-SENSOR HALL PARA ENCENDIDO TRANSISTORIZADO 5.6.10.1. Aplicación Este sensor Hall es un disparador de impulsos para el sistema de encendido transistorizado. La señal de esta “barrera Hall” integrada en el distribuidor de encendido corresponde, en su contenido de informaciones, a la señal del encendido convencional por bobina y mando por contactos: mientras que el ruptor del encendido en el distribuidor determina el ángulo de cierre con la ayuda de la leva de encendido, el sensor Hall en el distribuidor prefija la relación cíclica de impulsos mediante su rotor de pantallas. 150 5.6.10.2. Estructura El sensor Hall de la figura 66 está integrado en el distribuidor de encendido. Su barrera magnética está montada sobre la placa soporte móvil. El circuito integrado Hall se encuentra sobre un soporte cerámico; el circuito y una de sus piezas conductoras están rodeados de plástico fundido, como medida de protección contra la humedad, la suciedad y daños de orden mecánico. Figura 66 : estructura teórica de sensor Hall en el distribuidor de encendido. 1) Pantalla de ancho b, 2a)Imán permanente, 2b) Piezas conductoras de material magnético dulce, 3)Circuito integrado Hall, 4) Entrehierro, U S )Tensión de señal. Las piezas conductoras y el rotor de pantallas son de material magnético dulce. El número de pantallas es igual al número de cilindros. El ancho b de cada pantalla puede determinar, según el módulo electrónico utilizado, el ángulo de cierre máximo de este sistema de encendido. Por ello, el ángulo de cierre permanece prácticamente constante durante toda la vida del sensor Hall; por tanto, no es necesario ya un ajuste del ángulo de encendido. 5.6.10.3. Funcionamiento Cuando gira el árbol del distribuidor, las pantallas del rotor pasan sin contacto por el entrehierro de la barrera Hall: cuando el entrehierro está libre, el circuito integrado Hall incorporado y el elemento sensor Hall son atravesados por el campo magnético. La densidad del flujo magnético es elevada en el 151 elemento sensor Hall y la tensión Hall ha alcanzado su máximo. El circuito integrado Hall está activado. Tan pronto como una de las pantallas entra en el entrehierro, la mayor parte del flujo magnético se dispersa en la pantalla y es mantenido alejado así del circuito integrado Hall. La densidad del flujo desaparece del elemento sensor Hall, excepto un pequeño resto procedente del campo de dispersión. La tensión Hall alcanza un mínimo. La gorma de la pantalla del rotor determina el ángulo de cierre por generación inmediata de una tensión de rampa a partir de la tensión de la señal U S , tensión Hall convertida; sobre esta tensión de rampa se desplaza el punto de activación del ángulo de cierre. El principio de trabajo y la forma de construcción del sensor Hall permiten un ajuste del encendido estando el motor parado, en tanto no se haya previsto ninguna desconexión de la corriente de reposo. 5.6.11-SENSORES DE CONVOLUCIÓN PIEZOELÉCTRICOS DE DIAPASÓN 5.6.11.1. Aplicación El ordenador del sistema de navegación de un automóvil necesita informaciones sobre los movimientos del vehículo, a fin de que pueda seguir el trayecto recorrido por medio de un mapa de carreteras digital memorizado en un disco CD-ROM. El sensor de convolución, integrado en los componentes de navegación, detecta al recorrer curvas, los movimientos de giro del vehículo sobre el eje vertical. Entonces genera una señal de tensión a partir de la cual el ordenador de navegación calcula el radio de la curva y deduce de él el cambio de dirección, teniendo en cuenta la señal procedente del tacómetro o del sensor de velocidad de giro de la rueda. 152 5.6.11.2. Estructura El sensor de ángulo de rotación o girómetro, se compone de un cuerpo de acero en forma de diapasón provisto de cuatro piezoelementos, dos inferiores y dos superiores, y de una electrónica de detección. Este sensor, es totalmente insensible a perturbaciones magnéticas. 5.6.11.3. Funcionamiento Al aplicarse una tensión, los piezoelementos inferiores comienzan a vibrar y excitan a su vez los piezoelementos en los extremos superiores del diapasón, haciendo que generen vibraciones de fase opuesta. Marcha en línea recta Al marchar en línea recta, ninguna aceleración de Coriolis actúa sobre el diapasón. Como los piezoelementos superiores vibran siempre en fase opuesta y sólo son sensitivos perpendicularmente al sentido de las vibraciones, no generan ninguna tensión. Marcha por una curva La aceleración de Coriolis, que se manifiesta cuando tiene lugar un movimiento de giro en unión con el movimiento vibratorio, se aprovecha para la medición en curva. El movimiento de giro ocasiona entonces el desplazamiento de las zonas superiores del diapasón fuera del plano de vibración. A causa de ello se origina en los piezoelementos superiores una tensión eléctrica alterna, que llega al ordenador de navegación a través de una electrónica integrada en la caja del sensor. La amplitud de la señal de tención depende tanto de de la velocidad de giro como de la velocidad de vibración; su signo, del sentido d giro del recorrido en la curva. 153 5.6.12-SENSORES DE CONVOLUCIÓN MICROMECÁNICOS 5.6.12.1. Aplicación Los sensores de convolución o de velocidad de convolución micromecánicos de silicio que se montan en vehículos equipados con programa de estabilidad electrónico ESP, para la regulación de la dinámica de marcha, detectan los movimientos de rotación del vehículo sobre su eje vertical, al recorrer curvas o en caso de desviarse de la dirección o de patinar. Los sensores mecánicos de precisión utilizados hasta ahora están siendo reemplazados por estos sensores micromecánicos, más económicos y compactos. 5.6.12.1. Estructura y funcionamiento Para obtener la alta precisión requerida por los sistemas de control de la dinámica de marcha, se aplica una tecnología mixta: dos placas de masa bastante espesas obtenidas por labrado de una rodaja de silicio mediante micromecánica volumétrica, oscilan en contrafase en su frecuencia de resonancia (>2kHz), determinada por su masa y su rigidez elástica. Cada placa de masa oscilantes soporta un sensor de aceleración capacitivo minúsculo, realizado por micromecánica de superficie, que puede detectar las aceleraciones de Coriolis en el plano de la rodaja de silicio perpendicularmente al sentido de la oscilación, cuando el chip del sensor gira alrededor de su eje a la velocidad de convolución Ω. Estas aceleraciones son proporcionales al producto de la velocidad de convolución por la velocidad de vibración mantenida constante electrónicamente. El circuito de excitación está constituido por una sencilla pista conductora dispuesta sobre la respectiva placa oscilante; expuesta a un campo magnético permanente B, la pista conductora sufre una fuerza de Lorentz perpendicular a