Sistemi di Controllo in Campo Automobilistico Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” D.I.M.E.

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 2 Sensori di posizione Lineare o rotazionale: A effetto Hall LVDT Potenziometrici Ottici

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 3 Lineare o rotazionale: A effetto Hall Ottici Giroscopici Sensori di velocità

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 4 Lineare o rotazionale: Accelerometri piezoelettrici Piattaforme Inerziali Sensori di accelerazione

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 5 L’effetto Hall Un opportuno materiale (in origine oro, oggi un semiconduttore), alimentato da una corrente costante, produce una tensione di uscita e 0, quando viene attraversato da un campo magnetico in direzione trasversale al senso di percorrenza della corrente Un opportuno materiale (in origine oro, oggi un semiconduttore), alimentato da una corrente costante, produce una tensione di uscita e 0, quando viene attraversato da un campo magnetico in direzione trasversale al senso di percorrenza della corrente. I captatori di prossimità basati su questo principio possono utilizzare un magnete permanente attaccato all’oggetto in movimento, o altrimenti, richiedono un bersaglio ferroso il cui avvicinamento provoca una variazione di riluttanza di un circuito magnetico interno, il cui flusso viene captato dai sensori di Hall

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 6 These sensor ICs each contain two integrated Hall transducers (E1 and E2) that are used to sense a magnetic field differential across the face of the IC (see Sensor Location drawing). Referring to Figure 1, the trigger switches the output ON (output LOW) when BE1 - BE2 < BOP and switches the output OFF (output HIGH) when BE1 - BE2 < BRP. The difference between BOP and BRP is the hysteresis of the device. Sensori ad effetto Hall (dal sito

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 7 Figure 2 relates the output state of a back- biased sensor IC, with switching characteristics shown in Figure 1, to the target gear profile and position. Assume a north pole back-bias configuration (equivalent to a south pole at the face of the device). The motion of the gear produces a phase-shifted field at E1 and E2 (Figure 2(a)); internal conditioning circuitry subtracts the fields at the two elements (Figure 2(b)); this differential field is band- pass filtered to remove dc offset components and then fed into a Schmitt trigger; the Schmitt trigger switches the output transistor at the thresholds BOP and BRP. As shown (Figure 2(c)), the IC output is LOW whenever sensor E1 sees a (ferrous) gear tooth and sensor E2 faces air. The output is HIGH when sensor E1 sees air and sensor E2 sees the ferrous target. Sensori ad effetto Hall (dal sito

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 8 Linear Variable Differential Transformer LVDT (dal sito An LVDT transducer comprises a coil former or bobbin onto which three coils are wound. The first coil, the primary is excited with an a.c. current, normally in the region of 1 to 10kHz at 0.5 to 10V rms. The other two coils, the secondaries are wound such that when a ferritic core is in the central linear position, an equal voltage is induced into each coil. However, the secondaries are connected in opposition so that in the central position the outputs of the two secondaries cancel each other out.

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 9 Linear Variable Differential Transformer LVDT (dal sito The excitation is applied to the primary winding of the position sensor by the oscillator circuit. The oscillator is an external item, not shown in this figure. The excitation is normally a sinusoidal voltage signal, of 0.5V to 5V amplitude and 1kHz to 30kHz frequency. The armature (the moving part or slider of the displacement transducer) assists the induction of current into the secondary coils Sec. 1 and Sec. 2. The armature is made of a special magnetic material and is often connected to a push rod that is not magnetic. The push rod connects the armature to the outside world. When the armature is in the central position there is an equal voltage induced into both Sec.1 and Sec. 2. However, as they are wired in opposition, the sum of the position sensor secondary outputs cancel each other out resulting in a zero output.

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 10 Linear Variable Differential Transformer LVDT (dal sito The magnitude of the output of the transducer rises regardless of the direction of movement from the electrical zero position. In order to know in which half of the displacement transducer coil the centre of the armature is located, one must consider the phase of the output as well as the magnitude. The output phase of the position sensor is compared with the excitation phase and it can be either in or out of phase with the excitation, depending upon which half of the coil the centre of the armature is in. The electronics therefore, must combine information on the phase of the output with information on the magnitude of the output. This will then allow the user to know exactly where the armature is rather than how far from the electrical zero position it is. As the armature moves into Sec.1 (and out of Sec. 2) the result is that the sum of Sec.1 and Sec. 2 favours Sec.1 which in this illustration is in-phase with the excitation voltage. Conversely, as the armature moves into Sec. 2 (and out of Sec.1) the sum favours Sec. 2 (the out-of-phase voltage). The output of an is an a.c. waveform and so it does not actually have a polarity as such.

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 11 Trasduttori potenziometrici (dal sito

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 12 Trasduttori potenziometrici (dal sito

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 13 Da “Innovare” n Encoders ottici La principale caratteristica di questi trasduttori è quella di fornire direttamente una uscita digitale. Sono costituiti da una maschera recante una opportuna tessitura di zone opache e trasparenti e da una o più coppie diodo-fotodiodo Si distinguono tre diverse tipologie di encoders: Tachimetrici Incrementali Assoluti

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 14 Encoders ottici (dal sito

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 15 Il principio di funzionamento dei giroscopi vibranti ad effetto Coriolis (CVG) è basato sull’accoppiamento tra un modo proprio di vibrare della struttura che costituisce il sensore, e che viene eccitato ad arte, e un o più altri modi propri eccitati dalle accelerazioni di Coriolis indotte sul sensore dai moti che si intende monitorare. I Giroscopi

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 16 Si considerino due “diapason” contrapposti ottenuti per microlavorazione di un quarzo piezoelettrico. Il primo diapason (driver) viene portato in risonanza (a circa 10 kHz). Schematizzando i pettini come masse m concentrate alle estremità delle mensole queste muoveranno con velocità Vcos(  n t) avvicinandosi e allontanandosi. Imponendo una velocità angolare  all’intera struttura nascerà su ogni massa una forza d’inerzia di Coriolis pari a m 2  X V. Si genererà, così, una coppia. I Giroscopi Tale coppia avrà frequenza sostanzialmente uguale a quella della velocità V e trascinerà il diapason di sensing a vibrare nel piano ortogonale a questa. Il diapason di sensing è più rigido di quello di driving (la sua prima frequenza è circa 300 Hz più in alto) pertanto l’ampiezza del moto dei pettini di sensing è direttamente proporzionale alla . Dal sito

Riccardo Russo Università di Napoli “Federico II” - D.I.M.E. 26/11/2004Sistemi di Controll in Campo Automobilistico 17 Gli accelerometri piezoelettrici sfruttano la forza d’inerzia che si desta su una massa sismica separata dalla struttura vibrante mediante un quarzo piezoelettrico. L’azione di tale forza d’inerzia produce sulle facce del quarzo una differenza di potenziale (o una carica elettrica) che può essere misurata. Le caratteristiche dinamiche del sistema, massa, rigidezza del quarzo, smorzamento, fanno si che la forza d’inerzia, e quindi la corrente generata, varino linearmente con la accelerazione imposta alla struttura vibrante. Gli Accelerometri