Módulo de encendido para motor de combustión...

MAESTRÍA ENSISTEMAS EMBEBIDOS

MEMORIA DEL TRABAJO FINAL

Módulo de encendido para motor decombustión interna

Autor:Esp. Ing. Tomas A. Porreca

Director:Ing. Pablo Massa

Jurados:Dr. Ing. Pablo Gomez (FI-UBA)

Mg. Ing. Diego Brengi (INTI/UNLaM/FI-UBA)Ing. Juan Manuel Cruz (FI-UBA/UTN-FRBA)

Este trabajo fue realizado en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires,entre febrero y agosto de 2020.

III

Resumen

En esta memoria se describe el desarrollo e implementación de un dispositivocapaz de controlar los grados de avance de encendido de un motor de

combustión interna, de acuerdo a la señal captada por un sensor de detonación yasí lograr la mayor eficiencia. El objetivo es facilitar la enseñanza de materias

relacionadas con esta área en la Escuela de Educación Secundaria Técnica N° 7.

Para el desarrollo de este proyecto se utilizaron conceptos de control digital,implementación de Sistemas Operativos, procesamiento digital de señales y

protocolos de comunicaciones SPI y USB.

V

Agradecimientos

A mi familia, por su comprensión y apoyo durante el curso de esta carrera.

A mi director de proyecto final, por su ayuda para lograr la presentación de estetrabajo.

VII

Índice general

Resumen III

1. Introducción general 11.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3. Objetivos y alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4. Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Introducción específica 92.1. Descripción general del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Sensor knock o de golpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.1. Circuito integrado TPIC8101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2. Procesamiento de la señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3. Sensor de RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.1. Circuito integrado MAX9926 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4. Plataforma STM32F4 Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.1. Microcontrolador STM32F407VGT6 . . . . . . . . . . . . . . 232.4.2. Sistema operativo ChibiOS/RT . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.5. Bobinas de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.5.1. Bobinas de encendido de cartucho . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.2. Bobinas de encendido doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.5.3. Bobinas de encendido de chispa simple . . . . . . . . . . . . 312.5.4. Transistor BIP373 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3. Diseño e implementación 333.1. Señal del sensor knock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.1. Frecuencia de detonación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1.2. Cálculo de coeficientes para acondicionar la señal . . . . . . 35

3.2. Señal del sensor RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3. Sistema de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4. Circuitos implementados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4.1. Fuente de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Supresión de tensiones transitorias . . . . . . . . . . . . . . . 39Protección contra polaridad inversa . . . . . . . . . . . . . . 40Regulación de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4.2. Circuito TPIC8101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4.3. Circuito MAX9926 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4.4. Driver de bobina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4.5. Diseño y construcción del PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.5. Desarrollo de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5.2. Sistema implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.5.3. Módulo Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

VIII

3.5.4. Módulo Salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.5.5. Puerto USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4. Ensayos y resultados 534.1. Prueba de la fuente de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2. Adquisición y cálculo de RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.3. Procesamiento de la señal del sensor knock . . . . . . . . . . . . . . 554.4. Prueba del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5. Conclusiones 615.1. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.2. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

IX

Índice de figuras

1.1. Fases de un motor ciclo Otto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Detonaciones dentro de la cámara de combustión. (a) Detonación

normal, (b) Detonación inoportuna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Gráfico de presión en la cámara de combustión vs grados de rota-

ción del cigüeñal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4. Diagrama de un sistema de encendido con corrección por vacío y

centrífugo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5. Detección de un sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1. Diagrama del sistema desarrollado en este proyecto. . . . . . . . . . 92.2. Ubicación del sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3. Partes que componen a un sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . 112.4. Señal típica de un sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5. Circuito integrado TPIC8101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.6. Diagrama interno en bloques del TPIC8101. . . . . . . . . . . . . . . 132.7. Diagrama de las entradas VIN y AIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.8. Tabla de comandos para programar el integrador de acuerdo a los

coeficientes requeridos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.9. Función de cada pin del TPIC8101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.10. Parámetros temporales de la interfaz SPI. . . . . . . . . . . . . . . . 162.11. Representación del módulo DSP del integrado TPIC8101. . . . . . . 172.12. Sensor de RPM junto a rueda fónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.13. Sistema de detección con sensor inductivo. . . . . . . . . . . . . . . 192.14. Forma de campo magnético alrededor del devanado del sensor RPM. 192.15. Forma de onda de un sensor inductivo. . . . . . . . . . . . . . . . . 202.16. Diagrama en bloque del funcionamiento del sistema con el circuito

integrado MAX9926. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.17. Diagrama en bloque del funcionamiento interno del circuito inte-

grado MAX9926. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.18. Modos de operación del circuito integrado MAX9926. . . . . . . . . 222.19. Plataforma STM32F4 Discovery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.20. Microcontrolador STM32F407VGT6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.21. Estructura de una bobina de encendido. . . . . . . . . . . . . . . . . 282.22. Bobina de cartucho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.23. Bobina de encendido doble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.24. Diagrama de encendido de una bobina doble para cuatro cilindros. 302.25. Bobinas de encendido de chispa simple. . . . . . . . . . . . . . . . . 312.26. Circuito de aplicación del transistor BIP373. . . . . . . . . . . . . . . 322.27. Parámetros del transistor BIP373. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1. Sensor Bosch KS4-P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2. Instalación del sensor KS4-P en el motor C2L. . . . . . . . . . . . . . 343.3. Gráfico frecuencia de detonación vs diámetro del cilindro. . . . . . 35

X

3.4. Características principales del motor C2L. . . . . . . . . . . . . . . . 353.5. Rueda fónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.6. Polea de cigüeñal y área a instalar el sensor de RPM sobre el motor

C2L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7. Marca del PMS de la polea de cigüeñal en el motor C2L. . . . . . . 383.8. Circuito esquemático de la fuente de alimentación. . . . . . . . . . . 393.9. Características eléctricas del MOSFET IRF520. . . . . . . . . . . . . 393.10. Gráfico VGS vs ID del MOSFET IRF520. . . . . . . . . . . . . . . . . 403.11. Características eléctricas del MOSFET IRF4905. . . . . . . . . . . . . 413.12. Gráfico −VGS vs −ID del MOSFET IRF4905. . . . . . . . . . . . . . . 413.13. Circuito esquemático de adquisición de la señal del sensor knock. . 423.14. Circuito esquemático de adquisición de la señal del sensor RPM. . 433.15. Circuito esquemático del driver de bobina. . . . . . . . . . . . . . . 433.16. Diseño del PCB en 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.17. PCB fabricado y montado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.18. Arquitectura del firmware sobre el sistema operativo ChibiOS/RT. 463.19. Diagrama de flujo del sistema implementado. . . . . . . . . . . . . . 473.20. Diagrama de control del sistema implementado. . . . . . . . . . . . 493.21. Sincronización de activación de las bobinas de encendido. . . . . . 513.22. Interfaz gráfica del programa TunerStudio. . . . . . . . . . . . . . . 513.23. Diagrama de estados del funcionamiento del puerto USB en modo

transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.1. Diagrama del ensayo realizado para corroborar la adquisición ycálculo de RPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2. Señal del sensor RPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3. Diagrama del ensayo realizado para corroborar el procesamiento

de la señal del sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.4. Señal del sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.5. Señales del integrado TPIC8101. (1) Señal de salida del módulo

DSP, (2) Señal de la ventana de integración. . . . . . . . . . . . . . . 574.6. Diagrama del ensayo realizado al sistema en conjunto. . . . . . . . 584.7. Señal de IGN 1 respecto al diente faltante de la señal de RPM. . . . 584.8. Señal de IGN 2 respecto al diente faltante de la señal de RPM. . . . 59

XI

Índice de Tablas

3.1. Tabla de funcionamiento del integrado 74HCT04. En donde H =HIGH voltage level y L = LOW voltage level. . . . . . . . . . . . . . 44

3.2. Configuración TPIC8101 por SPI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1. Resultados de las pruebas funcionales de la fuente de alimentación. 544.2. Resultados del ensayo realizado para corroborar la adquisición y

cálculo de RPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3. Resultados del ensayo realizado para corroborar el procesamiento

de la señal del sensor knock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.4. Resultados del ensayo realizado al sistema. . . . . . . . . . . . . . . 59

1

Capítulo 1

Introducción general

En este capítulo se muestran los principios de funcionamiento de un motor decombustión interna, se presenta la motivación y el objetivo del trabajo realizado.

1.1. Introducción

En la actualidad existen diversos tipos de motores de combustión interna. Sonmáquinas termodinámicas capaces de convertir energía química en energía me-cánica a partir de la ignición de una mezcla aire-combustible.

El tipo de motor más utilizado es el que posee como ciclo termodinámico el deno-minado “Ciclo Otto”, nombre que proviene de quien lo inventó, Nikolaus AugustOtto.

FIGURA 1.1. Fases de un motor ciclo Otto1.

1Imagentomadadehttps://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiempos#/media/Archivo:Ciclo_de_cuatro_tiempos.png

https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiempos#/media/Archivo:Ciclo_de_cuatro_tiempos.png

https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiempos#/media/Archivo:Ciclo_de_cuatro_tiempos.png

2 Capítulo 1. Introducción general

Su funcionamiento se caracteriza por cuatro fases operativas bien diferenciadas,que le dan la denominación genérica de “motor de cuatro tiempos de ciclo Otto”.Estas fases son:

1. Admisión: el pistón desciende en el momento en que la válvula de admisiónse encuentra abierta y permite que ingrese la mezcla aire-combustible.

2. Compresión: el pistón asciende en el momento en que las válvulas tanto deadmisión como de escape permanecen cerradas. Así comprime la mezcladentro de la cámara de combustión.

3. Expansión: con el pistón en el punto muerto superior y la mezcla compri-mida se produce la chispa proveniente de una bujía, que da inicio a la com-bustión.

4. Escape: una vez producida la combustión, el pistón comienza a subir con laválvula de escape abierta para eliminar los gases residuales y dar lugar alcomienzo de un nuevo ciclo.

Los motores que funcionan a nafta (mezcla de hidrocarburo líquido inflamable)en la fase de expansión encienden la mezcla de aire-combustible a través de lachispa que lanza la bujía. El momento ideal para provocar la combustión es cuan-do el pistón está en punto muerto superior, con la mezcla completamente com-primida, para lanzarlo con la mayor fuerza posible hacia abajo.

La mezcla demora en encenderse un tiempo que depende de la temperatura y ladensidad del aire. Si se produce la chispa en el punto muerto superior (PMS) laexplosión ocurrirá cuando el pistón ya haya recorrido una parte de su carrera dedescenso, por lo tanto se perderá parte de la fuerza de la explosión. Por ello existeel avance de encendido que se mide en grados de giro del cigüeñal antes del PMS,es decir, hacer saltar la chispa antes de que el pistón llegue al PMS. Pero tampocoel avance debe ser excesivo, porque si lo hacemos demasiado pronto la explosiónempujará el pistón antes de alcanzar el PMS y por tanto intentará que el motorgire en dirección contraria a la habitual. Esta situación se ilustra en la figura 1.2que recibe el nombre de detonación inoportuna y produce pérdida de potencia yvibraciones en el motor.

FIGURA 1.2. Detonaciones dentro de la cámara de combustión. (a)Detonación normal, (b) Detonación inoportuna2.

2Imagentomadadehttp://www.multinsa.com/octamax/

http://www.multinsa.com/octamax/

1.1. Introducción 3

A continuación, en la figura 1.3, se muestra un gráfico de presión en la cámarade combustión con respecto a los grados de rotación del cigüeñal, tomando comocero grados el punto muerto superior del cilindro en fase compresión y±180 gra-dos el punto muerto inferior del cilindro. Observamos que las detonaciones nodeseadas se producen cuando el pistón comienza a comprimir la mezcla y antesde llegar al punto muerto superior se produce su encendido. Estas detonacionessignifican que tenemos un excesivo grado de avance. Por otro lado, las detona-ciones que ocurren en la fase de expansión se producen por presencia de carbónu otro componente que almacene temperatura generada por la explosión de lamezcla y combustible sin encender. También es posible corregir este último efec-to con los grados de avance del encendido, ya que un avance correcto disminuyela temperatura de la mezcla.

FIGURA 1.3. Gráfico de presión en la cámara de combustión vsgrados de rotación del cigüeñal3.

También el combustible utilizado influye sobre el avance del encendido. Los com-bustibles de mayor octanaje tienen menos tendencia a auto-encenderse, por lotanto mientras la mezcla se comprime al subir el pistón no se enciende por sísola, en la fase de compresión, y evita las detonaciones inoportunas.

Las detonaciones no deseadas y vibraciones, cuando son suficientemente severas,pueden ocasionar daños mecánicos serios.

El diseño de la cámara de combustión, la proporción estequiométrica de la mez-cla y el tiempo de encendido son factores que intervienen a la hora de definirlos grados de avance del encendido para que las detonaciones inoportunas noocurran. Bajo la mayoría de las condiciones de operación del motor, el tiempo deencendido necesita estar cerca del punto en que las detonaciones ocurren paralograr la mejor economía de combustible, mayor torque del motor y las menoresemisiones contaminantes.

Existen numerosos métodos de control de avance de encendido, el más utiliza-do es el de corrección por vacío y centrífugo. Como se muestra en la figura 1.4,el sistema de control posee un distribuidor. Este es un elemento del sistema deencendido en los motores de ciclo Otto que envía la corriente eléctrica de altatensión, procedente de la bobina de encendido, mediante un rotor en el orden deignición requerido por cada uno de los cilindros hasta las bujías de cada uno deellos.

3ImagentomadadeLars, Eriksson y Lars, Nielsen (2014). Modeling and control of engines anddrivelines. Wiley.


FIGURA 1.4. Diagrama de un sistema de encendido con correcciónpor vacío y centrífugo4.

Este sistema posee tres fases de avance:

Un avance fijo.

Un avance variable dependiente de la velocidad de giro del motor.

Una corrección de avance en función de la carga soportada por el motor.

El avance fijo corresponde a una posición del distribuidor que se coloca según elfabricante del motor, también llamado avance inicial.

Para conseguir que el ángulo de avance se modifique en función de las revolu-ciones se utiliza un regulador centrífugo que se ubica en el interior del distribui-dor. La regulación del punto de encendido no solo depende de las revolucionesdel motor, sino también de la carga o llenado de sus cilindros. Para corregir esteproblema se utiliza el regulador de vacío, que retrasa el punto de encendido enfunción de la carga del motor.

Con el objetivo de obtener la mayor potencia posible del motor con el menorconsumo de combustible, se trata de obtener máximas presiones de trabajo en lacámara de combustión. Esto se logra manteniendo la explosión del combustiblejustamente en el punto muerto superior de cada cilindro.

Dado que este sistema es poco eficiente, que el desgaste de piezas móviles altera elpunto de encendido y que requiere mantenimiento frecuente, fue evolucionandoy se ha reemplazo el distribuidor por un banco de transistores.

4Imagentomadadehttps://es.wikipedia.org/wiki/Encendido_del_motor#/media/Archivo:Car_ignition_system.svg

https://es.wikipedia.org/wiki/Encendido_del_motor#/media/Archivo:Car_ignition_system.svg

https://es.wikipedia.org/wiki/Encendido_del_motor#/media/Archivo:Car_ignition_system.svg

1.2. Motivación 5

El método más usado en la actualidad es el de corrección por sensor knock o degolpe, este es un dispositivo piezo-eléctrico que identifica vibraciones en el motor,como se muestra en la figura 1.5.

FIGURA 1.5. Detección de un sensor knock5.

La unidad de control del motor, ante la detección de una vibración fuerte, retrasael encendido para evitar daños. Luego aumenta progresivamente el avance deencendido siempre y cuando no existan detonaciones anormales o inoportunas.

1.2. Motivación

La principal motivación es aprender y desarrollar habilidades de control electró-nico con sistemas embebidos, en este caso el proyecto está orientado a la mecánicade motores. Además, en la actualidad existen numerosos motores que funcionana distribuidor u otro tipo de control de avance menos eficiente que el de correc-ción por sensor knock y con simples modificaciones se puede adaptar un sistemaque permita obtener un mayor rendimiento. También, este proyecto permite mos-trar el funcionamiento de un sistema de corrección de avance y ensayar cada tipode motor.

Es un proyecto que se considera integrador de conocimientos adquiridos en eltranscurso de la Maestría en Sistemas Embebidos. Los conocimientos aplicadosson, entre otros, procesamiento digital de señales, control digital, modularizaciónde software, diseño del PCB, protocolos de comunicación SPI y USB.

5Imagentomadadehttps://e-auto.com.mx/enew/index.php/91-boletines-tecnicos/electronica-vehicular/3421-sensor-de-detonacion-o-knock-sensor

https://e-auto.com.mx/enew/index.php/91-boletines-tecnicos/electronica-vehicular/3421-sensor-de-detonacion-o-knock-sensor



1.3. Objetivos y alcances

El propósito del proyecto es construir un dispositivo funcional, programable yadaptable a motores de gasolina de cuatro cilindros, que funcionen de acuerdo alciclo Otto.

Se persigue el objetivo de que el proyecto sea utilizado para la enseñanza de fun-cionamiento de sistemas de encendido, en la Escuela de Educación SecundariaTécnica N°7.

Además, se busca cumplimentar las exigencias del proyecto final de la Maestríaen Sistemas Embebidos para su aprobación.

Este proyecto incluye:

Módulo de adquisición de posición del cigüeñal y revoluciones del motor.

Módulo de adquisición de señal del sensor knock.

Módulo de procesamiento de señal y control del encendido.

Salida de potencia para bobinas de encendido.

Este proyecto no incluye el desarrollo de:

Interfaz gráfica para mostrar datos de los sensores.

Interfaz para configurar grados de avance.

1.4. Requerimientos

A continuación se listan los requerimientos del proyecto:

1. Funcionalidad:

a) Controlar el sistema de encendido del motor.

b) Variar el ángulo de avance según las revoluciones y la configuracióndel motor.

c) Corregir el ángulo de avance según las detonaciones del motor.

2. Programación:

a) La programación del módulo de control debe ser a través de un puertoUSB.

b) La configuración del módulo debe ser a través de un mapeo de revo-luciones versus grados de avance.

3. Software:

a) Deberá tomar los datos de revoluciones por minuto del motor con unaprecisión de una revolución.

b) Corregir los grados de avance con precisión menor a dos grados.

c) Deberá tomar los datos del sensor knock en un periodo no mayor a 3ms.

d) Sistema operativo de tiempo real y de memoria estática.

1.4. Requerimientos 7

e) El software debe ser implementado en C/C++.

4. Hardware:

a) El sistema deberá operar correctamente en un rango de temperaturaentre 0°C y 60°C.

b) Diseño y fabricación de PCBs auxiliares compatibles con la placa dedesarrollo.

5. Alimentación:

a) El sistema deberá ser alimentado con una tensión de entrada compren-dida entre 11 V y 14,8 V.

6. Documentación:

a) Confección de una memoria técnica.

b) Manual de procedimientos para instalar y configurar el sistema.

9

Capítulo 2

Introducción específica

En este capítulo se hace una descripción en bloques del módulo de encendidoy se introducen los sensores de knock y RPM utilizados. Asimismo, se presentanlas principales características de la plataforma STM32F4 y, finalmente, se analizanlas bobinas de encendido

2.1. Descripción general del prototipo

Este proyecto consiste en el desarrollo de un prototipo de un módulo de encen-dido para motor de combustión interna de cuatro tiempos con cuatro cilindros.Este módulo debe ser capaz de controlar los grados de avance de encendido enfunción a la información de un sensor knock instalado en el block del motor yun sensor de revoluciones junto a una rueda fónica instalada en el cigüeñal. Eldiagrama de funcionamiento se muestra en la figura 2.1.

FIGURA 2.1. Diagrama del sistema desarrollado en este proyecto.

El módulo de control toma la información del sensor knock que indica si en el mo-tor ocurren detonaciones inoportunas que implica atrasar el tiempo de encendidode la mezcla. También se toma la información del sensor de RPM (Revolucionespor minuto) que define la posición del cigüeñal del motor y la frecuencia a la quese tiene que disparar la chispa de la bujía.

10 Capítulo 2. Introducción específica

Una vez que se adquieren las señales correspondientes, el módulo de control en-vía la señal a una bobina de encendido que se encarga de provocar la chispa através de la bujía.

2.2. Sensor knock o de golpe

El sensor knock, también llamado de golpe o detonación, es un pequeño dispo-sitivo piezoeléctrico que se ubica en el block del motor como se muestra en lafigura 2.2.

FIGURA 2.2. Ubicación del Sensor knock1.

Dentro del sensor se encuentra una pieza de cerámica (elemento piezoeléctrico)que vibra y genera una señal eléctrica cuando es sometida a un esfuerzo mecáni-co.

Como se indica en la figura 2.3, el sensor está compuesto por las siguientes partes:

carcasa: pieza de plástico que protege el sensor.

cable de conexión: cable que transmite la información del sensor.

contactos: puntos de conexión entre los polos del anillo piezoeléctrico y elcable de conexión.

cuerpo central: elemento que conforma la base para el montaje de los com-ponentes.

tuerca: pieza que garantiza la unión de todo el conjunto.

arandela: pieza encargada de transmitir las vibraciones del motor a la masasísmica.

1Imagentomadadehttps://e-auto.com.mx/enew/index.php/91-boletines-tecnicos/electronica-vehicular/3421-sensor-de-detonacion-o-knock-sensor



2.2. Sensor knock o de golpe 11

masa sísmica: pieza que transmite las vibraciones procedentes del motor alanillo piezoeléctrico.

anillo piezoeléctrico: elemento cerámico que convierte información mecáni-ca en eléctrica.

discos aislantes: elementos encargados de aislar el anillo piezoeléctrico dela masa sísmica y de la carcasa.

tornillo: pieza que acopla el sensor con el bloque del motor.

FIGURA 2.3. Partes que componen a un sensor knock2.

El sensor de detonación cumple la función de captar la explosión o detonaciónque se lleva a cabo en la cámara de combustión y envía una señal al módulode control para corregir el ángulo de avance de encendido. De esta forma, antela presencia de una detonación inoportuna se retrasa el ángulo de avance paraevitar daños en el motor.

En la figura 2.4 se exhibe la señal típica detectada por un sensor knock instaladoen un motor de seis cilindros, donde se observa un incremento de la amplitud dela señal, debido a un excesivo ángulo de avance.

2Imagentomadadehttps://blog.reparacion-vehiculos.es

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FIGURA 2.4. Señal típica de un sensor knock3.

2.2.1. Circuito integrado TPIC8101

El circuito integrado TPIC8101 es un procesador de señal fabricado por la firmaTexas Instruments que cuenta con dos canales de entrada y un bus SPI (Serialperipheral interface) de configuración. La señal detectada es procesada a través deun filtro pasa-banda programable que permite obtener la frecuencia de interés,que en este caso son las detonaciones del motor. También, permite determinar laenergía de la señal captada producto de la combustión y las detonaciones que seproducen.

Las principales características del integrado TPIC8101 son:

clock externo de hasta 24 Mhz.

posee interfaz de salida SPI.

ganancia de entrada programable.

filtro pasa-banda programable en frecuencia.

frecuencia de entrada programable.

rango de temperatura de trabajo de -40 °C hasta 125 °C.

procesador de señales analógicas provenientes de sensores piezoeléctricosy de acelerómetros.

encapsulado DW de 20 pines, como se ilustra en la figura 2.5.

selección de salida analógica o digital.

En la figura 2.6 se muestra el diagrama en bloques en donde:

VIN : tensión de entrada.

AIN : ganancia de entrada del amplificador.

AP : ganancia programable.

ABP : ganancia del filtro pasa-banda.

3ImagentomadadeLars, Eriksson y Lars, Nielsen (2014). Modeling and control of engines and dri-velines. Wiley.


TC : tiempo constante del integrador.

AINT : ganancia del integrador.

VO: tensión de salida.

tINT : tiempo de integración de 0,5 ms a 10 ms.

FIGURA 2.5. Circuito integrado TPIC81014.

FIGURA 2.6. Diagrama interno en bloques del TPIC81015.

4Imagentomadadehttps://www.ti.com/product/TPIC8101?jktype=homepageproduct5Imagentomadadehttps://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpic8101.pdf?ts=1594338878435&ref_

url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

https://www.ti.com/product/TPIC8101?jktype=homepageproduct

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpic8101.pdf?ts=1594338878435&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F



Del diagrama en bloques se puede determinar la función de trasferencia del sis-tema correspondiente a la formula 2.1, en donde VRESET es la tensión de resta-blecimiento de la integración.

VO = VIN ×AIN ×AP ×ABP ×AINT × (tINTTC

)×AO × VRESET (2.1)

La integración se realiza N veces y toma el lado positivo de la entrada. Si susti-tuimos VIN e integramos desde 0 hasta 1

fBP:

VO =

∫ 1fBP

0VIN×sin(π×fBP×t) dt×VIN×AP×ABP×AINT×(

tINTTC

)×AO+VRESET(2.2)

Integrando y sustituyendo N:

VO =VINπ× 2×AIN ×AP ×ABP ×AINT × (

tINTTC

)×AO + VRESET (2.3)

Si asumimos que AINT = 2, AIN = VO = 1, VRESET = 0.125 y que

ABP =2× wc×w

QBP√(w2

c − w2)2 + (wc × wQBP

)2(2.4)

FIGURA 2.7. Diagrama de las entradas VIN y AIN .

Donde QBP es el factor Q que caracteriza al ancho de banda de un resonador enrelación a la frecuencia central. Evaluando en el centro de la frecuencia, ωc = ω,


ABP = 2 y remplazando AINT , AIN , VO, VBP y VRESET obtenemos:

VO =VINπ× 2×AP × 2× 2× (

tINTTC

) + 0,125 (2.5)

Donde VIN es el valor pico de la señal y la ecuación final resulta:

VO = VIN ×AP ×8

π× (

tINTTC

) + 0,125 (2.6)

En la figura 2.7, se muestran los canales de entrada VIN y las resistencias queconfiguran la ganancia de entrada AIN = R2

R1 .

Para programar el integrador se utiliza la tabla de comandos que se ilustra en lafigura 2.8 de acuerdo a los coeficientes correspondientes.

FIGURA 2.8. Tabla de comandos para programar el integrador deacuerdo a los coeficientes requeridos6.

En la figura 2.9 se muestra la función de cada pin tomada de la hoja de datos deeste integrado.

6Imagentomadadehttps://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpic8101.pdf?ts=1594338878435&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F




FIGURA 2.9. Función de cada pin del TPIC81017.

Se indican en la figura 2.10 los parámetros temporales de la interfaz SPI.

FIGURA 2.10. Parámetros temporales de la interfaz SPI7.

7Imagentomadadehttps://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpic8101.pdf?ts=1594338878435&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F



2.3. Sensor de RPM 17

2.2.2. Procesamiento de la señal

El módulo DSP (Digital Signal Processing) que contiene el integrado TPIC8101 esrepresentado por la figura 2.11. La amplitud de la señal de entrada es acondicio-nada por una ganancia para que el filtro pasa-banda r∆f(f) seleccione la frecuenciade interés.

La señal que se obtiene después del filtrado, yF (t), en el dominio del tiempo esla convolución de:

yF (t) = y(t) ∗ r∆f (f) (2.7)

Si se aplica la transformada inversa de Fourier en la ventana de integración, seobtiene:

r∆f (f) = ∆fsin(π∆ft)

π∆ftexp(j2πfrt) (2.8)

Luego se mantiene congelada la señal durante un periodo T para calcular la ener-gía Ey dada por la siguiente fórmula:

Ey(t) =

∫ t+T2

t−T2

y2f (t)dt = y2f (t) ∗ rT (t) = (y(t) ∗ r∆f (t))2 ∗ rT (t) (2.9)

FIGURA 2.11. Representación del módulo DSP del integradoTPIC81018.

2.3. Sensor de RPM

El régimen de giro y posición del cigüeñal son las principales variables de análisispara el correcto funcionamiento de un motor, ya que de estas depende el sistemaencendido.

El sensor de RPM, también llamado CKP por sus siglas en inglés (Crankshaft Po-sition), es un dispositivo que produce una señal eléctrica en función a la rotaciónde una rueda fónica acoplada al cigüeñal del motor como se ilustra en la figura2.12.

8ImagentomadadeTamer, Mansour (2011). PID control, implementation and tuning. Intech.


FIGURA 2.12. Sensor de RPM junto a rueda fónica9.

Este sensor es el encargado de registrar la velocidad y la posición del cigüeñal.Existen tres tipos de sensores que cumplen el mismo objetivo:

del tipo inductivo: están compuestos por un imán permanente, una bobi-na y un material ferromagnético. Además, generan su propia tensión y nonecesitan ser alimentados.

de efecto Hall: estos deben ser alimentados, ya que necesitan el paso de unacorriente y su funcionamiento se basa en la combinación de dos campos,uno eléctrico y otro magnético. Funcionan como un interruptor y generanuna onda cuadrada.

del tipo óptico: están constituidos por un led y un fotodiodo. Son activadospor una placa giratoria con rendijas que dejan pasar la luz del led.

En la actualidad, el más utilizado es el de tipo inductivo por su confiabilidady no ser afectado por agentes externos como polvo o suciedad para su correctofuncionamiento. Por ello en esta memoria nos enfocaremos solo en este tipo desensor.

Como se muestra en la figura 2.13, este sensor está compuesto por:

imán permanente.

núcleo de hierro.

devanado.

9Imagentomadadehttps://www.autoavance.co/blog-tecnico-automotriz/135-sensor-de-posicion-del-cigueenal-ckp/

https://www.autoavance.co/blog-tecnico-automotriz/135-sensor-de-posicion-del-cigueenal-ckp/

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FIGURA 2.13. Sistema de detección con sensor inductivo10.

Cuando una placa, en este caso una rueda fónica, de un material eléctricamen-te conductivo se acerca a este sensor hace circular un campo magnético por eldevanado que produce una corriente inducida, como se exhibe en la figura 2.14.

La resistencia efectiva y la inductancia de la bobina sufren una variación. La ecua-ción 2.10 representa el resultado de la reluctancia inductiva, XL, en función de lafrecuencia y el valor de la inductancia.

XL = 2× π × f × L (2.10)

En donde:

XL = reluctancia inductiva medida en ohms (Ω).

f = frecuencia del sistema medida en hertz (Hz).

L = inductancia medida en henrios (H).

FIGURA 2.14. Forma de campo magnético alrededor del devanadodel sensor RPM10.

10Imagentomadadehttps://docplayer.es/44593573

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Cuando el diente de la rueda fónica se acerca al sensor, la corriente generada porla bobina tiene una polaridad y cuando se aleja se invierte. Por lo tanto, como semuestra en la figura 2.15, se obtiene un ciclo completo por cada diente.

Las ruedas fónicas suelen ser de 36 dientes y se les quita uno para marcar laposición del PMS (punto muerto superior) del cilindro numero uno.

En el gráfico de la figura 2.15, se distinguen tres partes que componen a la señalque genera el sensor:

1. señal generada cuando el diente se acerca.

2. señal generada cuando el diente se aleja, de polaridad inversa a la anterior.

3. señal generada por el diente ausente que coincide con la señal de referenciapara el PMS del cilindro número uno.

FIGURA 2.15. Forma de onda de un sensor inductivo.

2.3.1. Circuito integrado MAX9926

El circuito integrado MAX9926 es una interfaz para procesar aquellas señales ge-neradas por sensores de reluctancia variable, como son los sensores de RPM detipo inductivo que se utilizan en los motores actuales. Sus principales caracterís-ticas son:

entrada diferencial inmune al ruido.

amplificador y comparador de alta precisión que permiten la detección deseñales débiles.

detección de cruce por cero con información de fase.

umbral adaptativo de detección.

encapsulado 16 QSOP.

En la figura 2.16 se muestra el diagrama en bloques del funcionamiento del siste-ma con el circuito integrado MAX9926. Este dispositivo produce pulsos precisosde acuerdo a la señal captada por el sensor de RPM, aún cuando es débil o seencuentra contaminada por grandes cantidades de ruido.


FIGURA 2.16. Diagrama en bloque del funcionamiento del sistemacon el circuito integrado MAX992611.

Los amplificadores operacionales de entrada que se muestran en la figura 2.17están configurados como un amplificador diferencial usando cuatro resistenciasinternas para brindar un alto rendimiento de factor de rechazo de modo común.

FIGURA 2.17. Diagrama en bloque del funcionamiento interno delcircuito integrado MAX992611.

Este amplificador diferencial de entrada rechaza el ruido de modo común y con-vierte la señal del sensor de RPM en una señal de un solo extremo. El comparadorinterno produce pulsos al cotejar la salida del amplificador diferencial de entrada,con una tensión de umbral que se establece según el modo en el que se encuentrael dispositivo.

11Imagentomadadehttps://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/298630/MAXIM/MAX9926.html

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Este integrado proporciona cuatro modos de operación según lo determinado porlas tensiones que se aplican en las entradas ZERO_EN e INT_THRS, de acuerdoa la figura 2.18.

FIGURA 2.18. Modos de operación del circuito integradoMAX992612.

En los modos A1 y A2 el umbral de pico adaptativo interno y el cruce por ceroestán habilitados. En el Modo A2 la tensión de referencia es generada interna-mente y se usa para sesgar el amplificador diferencial, esto ayuda a reducir loscomponentes externos y las variables de diseño principales para una aplicaciónmás robusta.

En el modo B la funcionalidad de umbral de pico está deshabilitada y la de crucepor cero está habilitada. En este modo una tensión de umbral externa se aplicaen el pin EXT lo que permite utilizar algoritmos adaptativos específicos de laaplicación a implementar.

En el modo C el pico adaptativo de umbral y el cruce por cero están deshabilita-dos y el dispositivo actúa como un amplificador diferencial de alto rendimientoconectado a un comparador de precisión.

2.4. Plataforma STM32F4 Discovery

La plataforma STM32F4 Discovery que se ilustra en la figura 2.19, es una placamultipropósito equipada con un microcontrolador de la familia ARM Cortex®-M4 y es comercializada por la firma ST Microelectronics. Entre sus principalescaracterísticas encontramos:

microcontrolador STM32F4xx de 32-bit ARM Cortex® -M4.

interfaz ST-LINK/V2 para programación y depuración.

puerto USB (mini-USB) ST-LINK que puede funcionar de tres diferentesmodos:

• puerto virtual serial (Virtual COM).

• puerto de depuración (Debug port).

• almacenamiento (Mass storage).

fuentes de alimentación:

• a través del puerto USB.

• alimentación externa de 3 V.

12Imagentomadadehttps://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/298630/MAXIM/MAX9926.html



2.4. Plataforma STM32F4 Discovery 23

• alimentación externa de 5 V.

acelerómetro LIS302DL de tres ejes.

puertos GPIO.

conversor DAC (Digital analogic converter) de 24 Bits.

puerto USB OTG (micro-USB).

puerto Jack de audio.

FIGURA 2.19. Plataforma STM32F4 Discovery13.

2.4.1. Microcontrolador STM32F407VGT6

La placa STM32F4 Discovery utilizada en este proyecto cuenta con el microcon-trolador STM32F407VGT6 que pertenece a la familia denominada de alto rendi-miento de ARM Cortex® -M4, con una frecuencia de operación de hasta 168 MHzy con encapsulado LQFP100 que se presenta en la figura 2.20.

13Imagentomadadehttps://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32f4discovery.html

https://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32f4discovery.html


FIGURA 2.20. Microcontrolador STM32F407VGT614.

Esta familia de microcontroladores incorpora memoria de alta velocidad con 1-Mbyte de memoria Flash y 192-Kbyte de memoria RAM. Además, sus principalesperiféricos son:

tres conversores ADC (Analogic digital converter) de 12 bits.

dos conversores DAC.

RTC (Real time clock) de bajo consumo.

diez timers de 12 bits de resolución y dos timers con salida PWM.

tres puertos I2Cs y SPIs.

dos UARTs y un puerto USB OTG.

2.4.2. Sistema operativo ChibiOS/RT

ChibiOS/RT es un compacto y rápido sistema operativo de tiempo real para dis-positivos embebidos desarrollado por Giovanni Di Sirio [3], es de código abier-to y soporta un amplio conjunto de arquitecturas entre ellas Intel 80386, ARM7,ARM9, ARM Cortex-M0, ARM Cortex-M3, ARM Cortex-M4, PPC, e200z, AtmelAVR y TI MSP430.

Este sistema operativo está diseñado para aplicaciones embebidas sobre micro-controladores de 8, 16 y 32 bits. El tamaño y la eficiencia en la ejecución son susprincipales objetivos y puede variar desde un mínimo de 1,2 KB hasta un máximode 5,5 KB con todos los subsistemas activados. Las principales características deeste sistema operativo son:

multitarea preferente.

128 niveles de prioridad.

planificador de ejecución tipo Round Robin.

temporizadores virtuales.

semáforos.

14Imagentomadadehttps://www.robiz.net/stm32f407vgt6

https://www.robiz.net/stm32f407vgt6

2.4. Plataforma STM32F4 Discovery 25

mutex.

variables de condición.

mensajes síncronos y asíncronos.

banderas de eventos y controladores.

colas.

capa de abstracción de hardware con soporte para ADC, CAN, GPT, EXT,I2C, UCI, MAC, MMC / SD, PAL, PWM, RTC, SDC, SPI y drivers USB.

soporte a lwip y uIP pilas TCP/IP.

soporte a la biblioteca del sistema de archivos FATFS.

Todos los objetos del sistema tales como hilos, semáforos, temporizadores, etc.se pueden crear y eliminar en tiempo de ejecución. Con el fin de aumentar lafiabilidad del sistema la arquitectura del microkernel es completamente estáticay no existen estructuras de datos con límites superiores de tamaño como tablas omatrices.

El RTOS está diseñado para aplicaciones en dispositivos embebidos e incluyeaplicaciones de demostración para varios microcontroladores, entre ellos:

ST STM32F1xx, STM32F2xx, STM32F3xx, STM32F4xx, STM32L1xx, STM32F0xx.

ST STM8S208x, STM8S105x, STM8L152x

ST / Freescale SPC56x / MPC56xx

NXP LPC11xx, LPC11Uxx, LPC13xx

NXP LPC2148

Atmel AT91SAM7S, AT91SAM7X

Atmel AVR Mega

TI MSP430x1611

TI TM4C123G y TM4C1294

Microchip PIC32MX

ChibiOS/RT soporta múltiples tareas y ejecuta la que está en estado ready deacuerdo al nivel de prioridad que se le asignó al momento de su creación y sivarias de estas están en estado ready y con igual prioridad, se realiza la planifica-ción empleando la estrategia tipo Round Robin. Posee un diseño modular y estádividido en cuatro componentes independientes que a su vez se dividen en variossubsistemas:

1. Capa de puerto: este componente es el responsable de la puesta en marchadel sistema, de la abstracción de interrupciones, el contexto y las estructurasrelacionadas con el código. Contiene poco código porque la mayor parte delsistema operativo es sumamente portátil.

2. Capa de abstracción del hardware (HAL): este componente contiene un con-junto de controladores de dispositivos abstractos que ofrecen una capacidadde comunicación entre los componentes comunes a la aplicación a través detodas las plataformas de apoyo. El HAL es totalmente portable a través de


las diversas arquitecturas y compiladores. Los controladores se clasifican envarias categorías:

controladores normales: se compone de un controlador de alto nivel yuno específico de la plataforma de bajo nivel. Son lo suficientementegenerales como para ser portados a varias plataformas con solo escribirun controlador de bajo nivel específico.

controladores complejos: esta clase de controlador es totalmente por-tátil y no tiene ninguna dependencia de hardware.

controladores de la plataforma: esta clase de controlador es específicode una plataforma y no está destinado a ser portátil.

3. Capa de Plataforma: esta capa contiene un conjunto de controladores de dis-positivos que son generalmente dedicados a toda una familia de productos.Se trata de una biblioteca de varias utilidades que no pertenecen a ningúncomponente en particular.

4. Arquitectura del microkernel: es modular y está compuesto por varios sub-sistemas:

base de servicios del microkernel: esta categoría incluye los subsiste-mas necesarios:

• system: es la inicialización.

• timers: temporizadores virtuales y comunicación entre los compo-nentes.

• scheduler: todo el mecanismo de sincronización de nivel superior.

• threads: hilos de ejecución.

sincronización: esta categoría incluye los subsistemas relacionados conla coordinación que se pueden configurar fuera del microkernel:

• semaphore: contador binario y semáforos del subsistema.

• mutex: exclusiones mutuas del subsistema.

• events: fuentes de sucesos.

• messages: mensajes síncronos.

• mailboxes: colas de mensajes asíncronos.

gestión de la memoria: esta categoría incluye los subsistemas de la ges-tión de la memoria:

• core allocator: administrador de memoria de núcleo central. Estesubsistema es utilizado por los demás asignadores para obtenerfragmentos de memoria de una manera consistente.

• memory heaps: administrador de la pila central mediante una estra-tegia de ajuste. Este subsistema permite la creación de múltiplespilas con el fin de manejar las áreas de memoria no uniforme.

• memory pools: colección de buffers en memoria de tamaño fijo.

2.5. Bobinas de encendido 27

flujos y canales de entrada/salida: esta categoría incluye los subsiste-mas relacionados con el intercambio de datos:

• data streams: interfaz de flujo abstracto.

• I/O channels: canales de entrada/salida.

depuración: esta categoría incluye los subsistemas relacionados con lalimpieza del código:

• assertions: comprobaciones de integridad en el tiempo.

• parameter checks: controles de parámetros en el tiempo.

• stack checks: comprobaciones de pila de tiempo de ejecución.

• trace buffer: seguimiento de cambio de contexto.

• registry: el subsistema de registro puede ser visto como parte dela categoría de depuración, incluso si se emplea en contextos dife-rentes.

2.5. Bobinas de encendido

Una bobina de encendido es un elemento de inducción electromagnético que for-ma parte del sistema de ignición de los motores de combustión interna.

Las bobinas tienen la misión de elevar la tensión hasta un valor necesario paraproducir un arco eléctrico sobre los electrodos de la bujía y encender la mezclaaire-carburante dentro de la cámara de combustión del motor.

Las bobinas de encendido funcionan según el principio del transformador. Secomponen de un núcleo de hierro y dos bobinados:

Uno primario de 200 vueltas aproximadamente y diámetro de 0,75 mm².

Otro secundario de 20.000 vueltas aproximadamente y diámetro de 0,063mm².

Cuando se cierra el circuito de la bobina primaria se genera un campo magnéticoen el núcleo y al interrumpirse la corriente el campo desaparece, esto provoca unatensión por inducción en el devanado secundario.

La tensión inducida en el secundario depende de la relación entre el número deespiras de ambos bobinados, de acuerdo a la ecuación 2.11.

N1

N2=U1

U2(2.11)

E = núcleo de hierro laminado (magnético).

N1 = lado del bobinado primario: 100 a 250 vueltas.

N2 = lado del bobinado secundario: 10.000 a 25.000 vueltas.

U1 = tensión primaria (tensión de la batería): 12 a 14,7 V.

U2 = tensión secundaria: 25.000 a 45.000 V.


I1 = corriente primaria: 6 a 20 A.

I2 = corriente secundaria: 80 a 120 mA.

FIGURA 2.21. Estructura de una bobina de encendido.15

En la bujía se produce una descarga disruptiva de alta tensión que provoca laionización del alcance de las chispas hasta que se descarga la energía acumulada.

Para calcular el número de disparos necesarios de la bobina por minuto paraencender la mezcla de cada uno de los cilindros durante el funcionamiento delmotor, se utiliza la fórmula 2.12:

ND =RPM ×NC

2(2.12)

En donde:

ND = número de disparo.

RPM = revoluciones por minuto.

NC = número de cilindros.

2.5.1. Bobinas de encendido de cartucho

Este tipo de bobinas es uno de los más antiguo, en la actualidad se siguen utilizan-do en motores clásicos o motores de uno o dos cilindros. Tienen la particularidadde que poseen un solo devanado primario y uno secundario, como se exhibe enla figura 2.22, que limita las revoluciones debido al tiempo de carga de la bobina.

15Imagentomadadehttps://www.macmillaneducation.es/wp-content/uploads/2018/09/sistemas_auxiliares_libroalumno_unidad1muestra.pdf

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FIGURA 2.22. Bobina de cartucho16.

2.5.2. Bobinas de encendido doble

La bobina de encendido de chispa doble que se ilustra en la figura 2.23 generanuna tensión de encendido en dos bujías simultáneamente. La tensión se distribu-ye de forma que:

la mezcla de aire-combustible de un cilindro se enciende en el extremo dela carrera de compresión.

la chispa del otro cilindro salta en la carrera de escape.

Se necesita una bobina cada dos cilindros. Por ejemplo en un motor de cuatro ci-lindros con orden de encendido 1_3_4_2 es necesario contar con dos bobinas, unapara la ignición de los cilindros 1 y 4 y la otra para 3 y 2 de acuerdo al diagramaque se presenta en la figura 2.24.

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FIGURA 2.23. Bobina de encendido doble17.

No es necesario que estén sincronizadas con el árbol de levas pero solo son ade-cuadas para motores con números pares de cilindros.

FIGURA 2.24. Diagrama de encendido de una bobina doble paracuatro cilindros18.

17Imagentomadadehttps://talleractual.com/tecnica/partes-de-motor/3034-descripcion-de-producto-alfecar-bobinas-de-encendido-plasticas-parte-1

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2.5.3. Bobinas de encendido de chispa simple

Las bobinas de encendido de chispa simple como se ilustra en la figura 2.25 semontan directamente sobre la bujía. Para este tipo, no se necesitan cables y cadabujía tiene su propia bobina. El sistema se debe sincronizar a través de un sensordel árbol de levas y genera una chispa de encendido en cada carrera de explosión.Debido al compacto diseño de la unión bujía-bobina de todos los sistemas este esel más eficiente.

FIGURA 2.25. Bobinas de encendido de chispa simple19.

2.5.4. Transistor BIP373

El BIP373, diseñado y fabricado por Bosh para controlar bobinas de encendido,está conformado por tres etapas de transistores bipolares en configuración Dar-lington que permite que la corriente amplificada por el primer transistor ingresea la base del segundo transistor y sea nuevamente amplificada. Puede ser contro-lado por una entrada CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) conectadaa su base, como se presenta en la figura 2.26.

El BIP373 tiene un canal de tensión activo entre el colector y el emisor. Su tempe-ratura se compensa con una precisión de aproximadamente 25 V en todo el rangode operación.

Para proteger la instalación eléctrica, la bobina y el controlador de encendido lacorriente del colector está limitada a 12 A para tiempos de permanencia prolon-gados. Utilizando un concepto de detección virtual, se ha obtenido una tensiónde baja saturación de 2 V a 7 A en todo el rango de temperatura. En la figura 2.27se muestran los parámetros a tener en cuenta para su diseño

19Imagentomadadehttps://www.hella.com/techworld/es/Informacion-Tecnica/Electricidad-y-electronica-del-automovil/Bobina-de-encendido-2886/

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FIGURA 2.26. Circuito de aplicación del transistor BIP37320.

FIGURA 2.27. Parámetros del transistor BIP37320.

El BIP373 con todos los circuitos de protección incorporados es adecuado paraaplicaciones de alto rendimiento y altas temperaturas de operación de encendidode motores.

20Imagentomadadehttps://secu-3.org/wordpress/wp-content/uploads/pdf/bip373_datasheet.pdf

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33

Capítulo 3

Diseño e implementación

En este capítulo se describe el desarrollo y el funcionamiento del hardware yfirmware implementado sobre un motor C2L de la marca Renault. Además, semuestran los circuitos implementados y el diseño del PCB. Y se explica el funcio-namiento del sistema de control con el que se corrigen los grados de avance.

3.1. Señal del sensor knock

El sensor knock utilizado que se ilustra en la figura 3.1 para este proyecto es demarca Bosch y es denominado KS4-P. A la hora de seleccionar este sensor y anali-zar sus especificaciones encontramos que la mayoría de los sensores comercialesposeen características similares, entre ellas:

rango de frecuencia de 3 a 25 KHz.

rango de temperatura de operación -40 °C a 150 °C.

linealidad entre 5 KHz y 15 KHz de ± 10 %.

impedancia >1 MOhm.

sensibilidad a 5 KHz 26 ± 8 mV/g.

sensibilidad en relación a la temperatura 0,04 mV/g °C.

FIGURA 3.1. Sensor Bosch KS4-P1.

1Imagentomadadehttp://www.bosch-motorsport.de/content/downloads/Raceparts/en-GB/51782795118019851.html

http://www.bosch-motorsport.de/content/downloads/Raceparts/en-GB/51782795118019851.html

http://www.bosch-motorsport.de/content/downloads/Raceparts/en-GB/51782795118019851.html

34 Capítulo 3. Diseño e implementación

Teniendo en cuenta la figura 2.2, se ubicó el sensor knock a una altura mediade la cámara de combustión para poder captar de una manera más eficiente lasdetonaciones. El motor C2L presenta una cavidad roscada en el block donde sepuede ubicar al sensor knock como se aprecia en la figura 3.2.

FIGURA 3.2. Instalación del sensor KS4-P en el motor C2L2.

3.1.1. Frecuencia de detonación

La señal de detonación característica se origina por el rápido aumento de la pre-sión debido a la combustión incontrolada de una o más áreas de la mezcla decombustión, que crea ondas de presión más altas que las ondas de choque de unaexplosión. Estas olas rebotan en las paredes de la cámara de combustión creanuna vibración que podemos monitorear a través del bloque de motor. La geome-tría de la cámara de combustión y especialmente su diámetro juegan un papelimportante en la frecuencia específica de estas vibraciones. Esta frecuencia se cal-cula con la fórmula 3.1.

F =900,000

π × 0, 5×D(3.1)

En donde:

F = frecuencia de detonación (KHz).

D = diámetro del cilindro (mm).

2Imagentomadade Renault (1988). Manual de reparación motor C (1600).

3.1. Señal del sensor knock 35

A partir de la figura 3.3 donde se muestra un gráfico que describe el valor de lafrecuencia de combustión medida en KHz en relación al diámetro del cilindro, seconcluye que cuanto más grande es la cámara menor es la frecuencia.

FIGURA 3.3. Gráfico frecuencia de detonación vs diámetro del ci-lindro.

3.1.2. Cálculo de coeficientes para acondicionar la señal

De acuerdo a lo explicado en sección 2.2.1, debemos definir y calcular los coefi-cientes para utilizar la función de transferencia del circuito integrado TPIC8101dada por la ecuación 2.6.

A continuación se realizan los cálculos para el motor C2L de 1,6 litros.

FIGURA 3.4. Características principales del motor C2L3.



En la figura 3.4 se observa que el diámetro del cilindro es de 77 mm. Reempla-zando este dato en la fórmula 3.1 podemos calcular la frecuencia de detonación.

F =900,000

π × 0, 5× 77= 7441 Hz (3.2)

Entonces se definen los siguientes parámetros:

VIN = 7,4 KHz y 300 mV pico a pico.

tINT = 3 ms.

VO = 4,5 V.

También, se definió la ganancia del amplificador de entrada AIN = 1. Por endesolo resta calcular:

La ganancia programable del integrador (AP ).

La constante de integración (tC).

Para calcular la constante de integración se utilizó la fórmula.

tC =tINT

2× π × VO=

3ms

2× π × 4, 5V= 106 µs (3.3)

Para calcular la ganancia del integrador se utilizó la fórmula 2.6 y reemplazandolos valores:

4, 5V = 150mV ×AP ×8

π× (

3ms

106µs) + 0,125 (3.4)

Por ende AP = 0,38.

Para configurar el procesador de señal TPIC8101 nos debemos remitir a la figura2.8, en donde se tomó:

para una frecuencia de 7,4 KHz, un valor de 7,27 KHz que corresponde alvalor decimal 42.

para una constante de integración de 106 µs, un valor de 100 µs que corres-ponde al valor decimal 10.

para una ganancia de integración de 0,38, un valor de 0,381 que correspondeal valor decimal 34.

3.2. Señal del sensor RPM

Para generar la señal del sensor RPM en función de las revoluciones del motor yla referencia del cilindro número uno se instaló una rueda fónica que se muestraen la figura 3.5.

3.2. Señal del sensor RPM 37

FIGURA 3.5. Rueda fónica.

Se observa en la figura 3.5 que la rueda fónica no posee el diente faltante paraseñalar la referencia del cilindro número uno en posición punto muerto superior.Esto se debe a que por cuestiones mecánicas y a fin de facilitar la sincronizaciónse eliminó el diente una vez instalado el sensor en el área correspondiente, comose ilustra en la figura 3.6.

FIGURA 3.6. Polea de cigüeñal y área a instalar el sensor de RPMsobre el motor C2L4.



Para un correcto disparo de la ignición se debe conocer las revoluciones por mi-nuto y la posición del punto muerto superior del cilindro número uno del motoren fase compresión.

Para ello, una vez instalado el sensor y la rueda fónica, se debe girar el cigüeñalhasta conseguir que el cilindro número uno se encuentre en fase de compresión yen punto muerto superior. Esto se consigue de dos formas:

Fijar la posición del pistón en PMS y de las válvulas cerradas.

Hacer coincidir las marcas que presentan los motores en la polea de cigüe-ñal como se muestra en la figura 3.7.

FIGURA 3.7. Marca del PMS de la polea de cigüeñal en el motorC2L5.

Una vez sincronizado el motor en la posición deseada se tomó como referencia eldiente más cercano al sensor y de ahí, en sentido de giro del cigüeñal, se eliminóel décimo diente después del sensor. Este adelantamiento del punto de sincroni-zación se hace para obtener tiempo suficiente para que el dispositivo pueda hacerlos cálculos de la ignición. Luego se corrige por software este desfase.

3.3. Sistema de encendido

Se implementó un sistema de encendido con bobinas de doble chispa comúnmen-te llamado “chispa perdida ”, cuyo funcionamiento se explicó en la subsección2.5.2.

Se eligió este sistema porque presenta las siguientes ventajas:

Es más eficiente que el de bobina de cartucho.

Solo se necesitan dos bobinas para un motor de cuatro cilindros y requieresolo dos líneas de potencia.


3.4. Circuitos implementados 39

No requiere sincronización con el árbol de levas.

3.4. Circuitos implementados

En esta sección se especifican los circuitos implementados y algunas generalida-des que se tuvieron en cuenta para la selección del hardware utilizado.

3.4.1. Fuente de alimentación

Como se observa en la figura 3.8, la fuente de alimentación cuenta con una etapade supresión de tensiones transitorias, protección contra polaridad inversa y deregulación de tensión.

FIGURA 3.8. Circuito esquemático de la fuente de alimentación.

Supresión de tensiones transitorias

Cuando energizamos el sistema, por el diodo interno del MOSFET Q1 no circulacorriente, ya que se encuentra en polarización inversa.

A través de la resistencia R2 y del diodo D4 se genera una tensión de referencia, de20 V, sobre la puerta del MOSFET Q1 de canal N. Como la tensión puerta-fuentees positiva y la diferencia de potencial supera el umbral de disparo, el MOSFETQ1 se encuentra en conducción. Por el contrario, si no se supera la tensión deumbral el MOSFET Q1 no conducirá.

El transistor MOSFET utilizado en esta etapa es el IRF520. En la figura 3.9 sepresentan las principales características a tener en cuenta para su diseño.

FIGURA 3.9. Características eléctricas del MOSFET IRF5206.

6Imagentomadadehttps://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/25883/SUTEX/IRF520.html

https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/25883/SUTEX/IRF520.html



La tensión umbral de puerta, VGS(th), es de 2 V a 4 V. En modo de conducciónse obtiene una tensión de fuente entre 12 V y 14,7 V, por lo tanto la diferencia depotencial de VGS(th) es entre 8 V y 5,3 V. Pero si la tensión de fuente se eleva porencima de los 18 V el VGS(th) caerá por debajo de los 2 V y el transistor se apagará.

En la gráfica de la figura 3.10 se observa el comportamiento en modo conducciónde acuerdo al VGS aplicado.

FIGURA 3.10. Gráfico VGS vs ID del MOSFET IRF5207.

Protección contra polaridad inversa

Cuando se aplica la polaridad correcta, el diodo interno del MOSFET Q2 se en-cuentra directamente polarizado y comienza a conducir. Por lo tanto, en un pri-mer momento se asume que la tensión en la carga será la tensión de la bateríamenos la caída de tensión en el diodo (0,7 V aproximadamente.).

Como la puerta está conectada a través de una resistencia al negativo de la batería(que es nuestra referencia de tensión) y dado que por esta no circula corriente, latensión en la puerta será también de 0 V.

La fuente del MOSFET está conectada a la carga y la tensión de la puerta res-pecto de la fuente es negativa, entonces el MOSFET de canal P está en estado deconducción. La caída entre los terminales del MOSFET es la corriente de cargamultiplicada por la resistencia, que es del orden de unas decenas de miliohmios,y no son los 0,7 V de caída típica en un diodo.

Por el contrario si invertimos la polaridad de conexión, la caída de tensión enla carga será nula porque el diodo interno está polarizado inversamente. En estecaso, la tensión de fuente-puerta es igual a cero, por lo tanto no excede la tensiónde umbral necesaria para que el MOSFET entre en modo conducción.

7Imagentomadadehttps://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/25883/SUTEX/IRF520.html




El transistor MOSFET utilizado en este circuito es el IRF4905. En la figura 3.11 sepresentan las principales características a tener en cuenta para su diseño.

FIGURA 3.11. Características eléctricas del MOSFET IRF49058.

La tensión umbral de puerta, VGS(th), es de -2 V a -4 V y los valores de la RDS(on)está dada bajo la condición de una tensión puerta-fuente VGS = -10 V, es decir, queel MOSFET está fabricado para obtener la más baja resistencia a una tensión depuerta de -10 V. Pero como en este proyecto no necesitamos una elevada corrientese determinó un VGS = -7,5 V fijado por el diodo zener D2.

FIGURA 3.12. Gráfico −VGS vs −ID del MOSFET IRF49058.

En la gráfica de la figura 3.12 se distingue la zona óhmica, que es la zona superiorizquierda donde las líneas son más rectas y están más juntas. Allí el MOSFET

8Imagentomadadehttps://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/68156/IRF/IRF4905.html

https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/68156/IRF/IRF4905.html

https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/68156/IRF/IRF4905.html


trabaja como una resistencia. La zona derecha del gráfico es la de saturación, endonde la intensidad varía con respecto a la tensión. En esta zona el MOSFET secomporta como una fuente de corriente constante.

Regulación de tensión

La etapa de regulación de tensión está dada por el integrado LM317 en su confi-guración básica con diodo de protección de cortocircuito a la entrada.

Este regulador posee una referencia de tensión interna de 1,25 V que es ajustadamediante la resistencia R4 para fijar la salida de 5 V. Además, la tensión de entradapuede ser de hasta 40 V y la tensión de salida se puede ajustar en el rango de 1,2V a 37 V.

3.4.2. Circuito TPIC8101

El circuito implementado que se exhibe en la figura 3.13 para acondicionar laseñal del sensor knock está dado por el integrado TPIC8101 cuyo funcionamientose explicó en la sección 2.2.1.

Se utilizó la aplicación básica dada por el fabricante en la hoja de datos con unsolo canal de entrada. Además, se agregó un oscilador de 6 Mhz externo y seconfiguró la ganancia del amplificador de entrada igual a uno mediante R9=R10.

FIGURA 3.13. Circuito esquemático de adquisición de la señal delsensor knock.


3.4.3. Circuito MAX9926

El circuito implementado que se exhibe en la figura 3.14 para acondicionar laseñal del sensor RPM está dado por el integrado MAX9926 cuyo funcionamientose explicó en la sección 2.3.1.

Se utilizó la configuración de modo de operación A2 dada por el fabricante en lahoja de datos.

FIGURA 3.14. Circuito esquemático de adquisición de la señal delsensor RPM.

3.4.4. Driver de bobina

El driver de las bobinas esta implementado con dos transistores BIP373, uno paracada bobina, como se muestra en la figura 3.15.

FIGURA 3.15. Circuito esquemático del driver de bobina.


La base de cada transistor está comandada por una compuerta CMOS de altavelocidad, embebida en el integrado 74HCT04. Este se rige por la tabla de funcio-namiento 3.1.

TABLA 3.1. Tabla de funcionamiento del integrado 74HCT04. Endonde H = HIGH voltage level y L = LOW voltage level.

INPUT OUTPUT

L HH L

3.4.5. Diseño y construcción del PCB

Para el diseño de la placa estilo poncho para la plataforma STM32F4 Discoveryse utilizaron los circuitos esquemáticos explicados en la sección 3.4 cuyo modelo3D resultante se muestra en la figura 3.16.

FIGURA 3.16. Diseño del PCB en 3D.

La fabricación del PCB, por motivos de costos y tiempo para un prototipo de estascaracterísticas, se realizó en forma casera. Las características del PCB fabricadoque se muestra en la figura 3.17, son las siguientes:

Espesor de placa terminada 1,6 mm.

Espesor de pista mínimo y mínimo espaciado entre pistas 0,25 mm.

Diámetro mínimo de perforado 0,75 mm.

3.5. Desarrollo de Software 45

Espesor de cobre 1 oz/ft2.

FIGURA 3.17. PCB fabricado y montado.

3.5. Desarrollo de Software

En esta sección se explica el diseño de firmware realizado para el módulo decontrol de avance de encendido.

3.5.1. Arquitectura

El firmware implementado para este proyecto se desarrolló sobre el sistema ope-rativo ChibiOS/RT que se presentó en la sección 2.4.2 y se utilizó el lenguaje C++.

Para armar la estructura básica del programa se adoptó una arquitectura en capaspara separar y desacoplar sus partes. Esto garantiza que el código sea versátil,modular y de fácil mantenimiento.

Como se ve en la figura 3.18 la arquitectura se compone de un starup code que seejecuta después del reset y es el responsable de la inicialización del core, tambiénllama a la función main() de la aplicación. En ChibiOS este código de inicio delsistema está integrado al sistema operativo.


FIGURA 3.18. Arquitectura del firmware sobre el sistema operati-vo ChibiOS/RT9.

En la capa de abstracción del hardware (HAL) se cuenta con:

HAL API Layer: esta capa contiene los drivers portables de los dispositivosque se encuentra en ./os/hal.

HAL Ports Layer: esta capa contiene los drivers de puertos específicos parala familia del microcontrolador que se encuentra en ./os/hal/ports.

HAL Board Layer: este módulo contiene toda la configuración de una placaespecífica que monta el microcontrolador. La inicialización a nivel de placase realiza en este módulo que se encuentra en ./os/hal/boards.

HAL OSAL Layer: esta es la capa de abstracción del sistema operativo. Elacceso a los servicios RTOS se realiza a través de esta capa de abstracciónpara no bloquear la HAL a un RTOS específico que se encuentra en ./os/ha-l/osal.

El kernel RT se compone de dos capas:

9Imagentomadadehttps://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php

https://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php


RT Portable Kernel: es la parte del núcleo RTOS que es independiente de laarquitectura y el compilador que se encuentra en ./os/rt.

RT Port Layer: es la parte del núcleo RTOS específico para una arquitecturay uno o más compiladores que se encuentra en ./os/common/ports.

3.5.2. Sistema implementado

El sistema implementado consta de cuatro módulos que se presentan en el dia-grama de flujo de la figura 3.19.

FIGURA 3.19. Diagrama de flujo del sistema implementado.

El módulo Main es el encargado de iniciar a los restantes bloques y dar comienzoal proceso.

Además, define la configuración de nuestro sistema con la técnica de punteroscomo se detalla en el código 3.1.:

1

2 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *3 * D e f i n i c i o n rueda f o n i c a de 36 d i e n t e s con f a l t a n t e de 14 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */5 engineConfiguration−>t r i g g e r . type = TOOTHED_WHEEL_36_1 ;6

7 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *8 * Angulo de c o r r e c c i o n entre e l verdadero PMS y9 * e l angulo senzado

10 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */11 engineConfiguration−>globalTr iggerAngleOffse t = 1 1 4 ;12

13 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *14 * Cantidad de c i l i n d r o s del motor c 2 l15 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */16 engineConfiguration−>specs . cyl indersCount = 4 ;17


18 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *19 * Orden de encendido del motor c 2 l20 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */21 engineConfiguration−>specs . f i r ingOrder = FO_1_3_4_2 ;22

23 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *24 * D e f i n i c i o n de sistema de i g n i c i o n por chispa perdida25 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */26 engineConfiguration−>ignitionMode = WASTED_SPARK;27

28 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *29 * Limite de c o r t e de rpm maximas30 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */31 engineConfiguration−>rpmLimit = 5000 ;32

33 /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *34 * rpm minimas para que e l s is tema funcione35 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */36 engineConfiguration−>cranking . rpm = 4 0 0 ;

CÓDIGO 3.1. Inicialización de valores predeterminados.

Para configurar el integrado TPIC8101 de acuerdo a los cálculos realizados en lasubsección 3.1.2 se utilizó el puerto SPI y la función spiStartSend() provista por laHAL. En la tabla 3.2 se describen los datos enviados.

TABLA 3.2. Configuración TPIC8101 por SPI.

Parámetro Valor Código DEC-HEX SPI

Channel 1 224 E0 11100000F 7,27 KHz 42 2A 00101010AP 0,381 34 22 10100010tC 106 µs 10 0A 10001010

El módulo Adquisición se encarga de leer y calcular las RPM del motor a partirde la señal que brinda dicho sensor. Para ello se necesita al menos una vuelta demotor y así detectar el diente faltante, de la rueda fónica, en la señal que se mostróen la figura 2.15. La detección se realiza a través de una rutina de interrupcióndel conversor analógico digital (ADC) que mide el tiempo entre cada salto deinterrupción y así obtener el valor de revoluciones por minuto del motor. Este esútil para calcular el tiempo de ignición a partir de los grados de avance.

Para el cálculo de revoluciones por minuto y tiempo con respecto a cada grado derotación, a partir del tiempo en que se realiza una revolución (tRPM ), se utilizaronlas siguientes fórmulas:

RPM = 60÷ tRPM [S] (3.5)

Como tRPM corresponde a 360° de rotación, entonces se puede calcular el tiempopor cada grado de rotación tg:

tg = tRPM [S]÷ 360 (3.6)


Por último, se calcula el tiempo del ángulo de Offset (tOff ):

tOff = tg × 114 (3.7)

También, el módulo Adquisición realiza la lectura de la señal originada por el sen-sor knock cada vez que el módulo de Control lo solicita.

Una vez obtenidos estos resultados se vuelcan en una cola para que sean consu-midos por los módulos de Salida y de Control.

3.5.3. Módulo Control

El ángulo de avance de ignición se refiere a la posición del ángulo del cigüeñalantes del PMS en el que se dispara la chispa para producir la combustión.

La sincronización de encendido a lazo abierto está dada por valores de avancefijos con respecto a las revoluciones y a la puesta a punto del motor.

Como se indica en la figura 3.20, el controlador de encendido es:

θig = θol −∆θfb (3.8)

En donde:

θig = ángulo de avance de ignición.

θol = ángulo de avance de ignición a lazo abierto.

∆θfb = corrección de ángulo de avance de ignición a lazo cerrado.

FIGURA 3.20. Diagrama de control del sistema implementado.

El controlador actúa en cada ciclo del motor, denominado por la variable de índi-ce de ciclo i.

Si la energía de detonación, Ey, en el ciclo i es mayor que el umbral EO corres-pondiente a una combustión normal, entonces se detecta un golpe y el valor seguarda en el vector DK [i].


Por lo tanto, de acuerdo a la fórmula 2.9 del cálculo de la energía de la señal:

DK [i] = Ey(i)− EO, Ey ≥ EO y DK [i] = 0, Ey < EO (3.9)

Para este proyecto se definió una energía de detonación para una combustiónnormal de EO = 2 de acuerdo a las mediciones realizadas sobre el motor.

Para proteger el motor, cuando se detecta un golpe el controlador de retroalimen-tación disminuye el ángulo de avance de la ignición y esto lo hace aplicando unaganancia de retardo Kre. Por otro lado, si no se detecta ningún golpe se proce-de a avanzar el encendido hacia el valor nominal de puesta a punto fijado paraese motor con una ganancia de avance Kad. Esto da el siguiente esquema para laretroalimentación del controlador:

∆θfb[i+ 1] = max(∆θfb[i]−Kad +Kre ×DK [i], 0) (3.10)

La función max() selecciona el mayor valor entre el cálculo de corrección de ig-nición y cero para asegurar que el valor de avance no sea mayor al nominal o elfijado por el bucle de lazo abierto.

En el controlador hay dos parámetros de ajuste: las ganancias de avance y retardo,Kad y Kre respectivamente. Estos están ajustados para dar una cierta probabili-dad de golpe Pg durante el funcionamiento del motor.

En este proyecto se fijó la probabilidad de golpe Pg = 1 % y la ganancia de retardoKre = 1,5 grados, por ser valores típicos utilizados en controles de este tipo. Di-chas ganancias del controlador se relacionan entre sí de acuerdo de acuerdo a lafórmula 3.11.

Pg =Kad

Kre +KadKad =

Pg1− Pg

×Kre (3.11)

Por lo tanto se obtiene una Kad = 1,599 . Con estas ganancias de ajuste y una proba-

bilidad de golpe del 1 % se busca permitir solo 5 golpes cada 500 ciclos de motordurante el control de ignición.

3.5.4. Módulo Salida

Una vez calculado el ángulo de avance θig y el tiempo por cada grado de rotaciónse determinan los tiempos de ignición, IGN1 e IGN2, como se muestra a conti-nuación:

IGN1 = tOff − tg × θig IGN2 = IGN1 + tg × 180 (3.12)

Como se muestra en la figura 3.21, se necesita detectar la señal del sensor deRPM dos veces, es decir, al menos una vuelta de motor para calcular los tiemposde ignición. Estas salidas de ignición son en función de los cálculos realizados enuna vuelta anterior de motor a la que se está controlando.


FIGURA 3.21. Sincronización de activación de las bobinas de en-cendido.

3.5.5. Puerto USB

Para mostrar los datos de RPM y grados de avance se utilizó el programa Tu-nerStudio que posee una interfaz amigable para mostrar parámetros de motores,como se exhibe en la figura 3.22.

La comunicación entre la plataforma de desarrollo y la PC, con el programa Tu-nerStudio instalado, se implementó mediante el protocolo USB.

Esto es posible ya que el microcontrolador cuenta con un puerto USB-OTG y estáimplementado tanto en la plataforma de desarrollo como en la HAL del sistemaoperativo ChibiOS/RT. Para la configuración se utilizó la función DefaultHandler()que implementa un puerto USB genérico.

FIGURA 3.22. Interfaz gráfica del programa TunerStudio.

En este proyecto solo se usa el puerto USB en modo de transmisión cuyo fun-cionamiento está implementado a través de una máquina de estados como se


muestra en la figura 3.23.

FIGURA 3.23. Diagrama de estados del funcionamiento del puertoUSB en modo transmisión [3].

En el estado DISABLED el puerto se encuentra deshabilitado hasta que la señalINIT lo inicializa y pasa al estado READY, en donde el puerto se encuentra activopara comenzar la transmisión.

Una vez en el estado READY el puerto puede ser deshabilitado por la señal RE-SET o si recibe la señal START pasa al estado BUSY.

Por último, en el estado BUSY el puerto se encuentra transmitiendo los paque-tes cada vez que recibe la señal PACKETS. Cuando se termina de enviar todoslos paquetes el puerto vuelve al estado READY por la señal END o puede serdeshabilitado por la señal RESET.

53

Capítulo 4

Ensayos y resultados

En este capítulo se describen las pruebas y ensayos realizados sobre el hardwarey firmware del dispositivo para comprobar su correcto funcionamiento. Además,se muestran los resultados obtenidos, así como también su interpretación.

4.1. Prueba de la fuente de alimentación

Sobre la fuente de alimentación se realizaron ensayos funcionales para corroborarel correcto ajuste de la tensión de salida y las protecciones implementadas.

En principio se aplicó una tensión de entrada de 12 V y se reguló el preset R4 dela figura 3.8 hasta obtener una salida de 5 V.

Luego se realizaron cuatro pruebas funcionales:

se aplicó una tensión de 12 V y se la incrementó hasta 14,7 V para corroborarque la salida de 5 V permanezca estable.

con una tensión de entrada de 12 V se colocó una carga a la salida para ob-tener una corriente de 1 A para corroborar que la salida de 5 V permanezcaestable bajo carga.

se incrementó la tensión de entrada hasta que la salida fuese 0 V para corro-borar la protección de sobretensiones.

se invirtió la polaridad de la tensión de entrada fijada en 12 V para corrobo-rar la protección de polaridad inversa.

En la tabla 4.1 se muestran los resultados obtenidos de las pruebas mencionadasanteriormente.

4.2. Adquisición y cálculo de RPM

El ensayo realizado sobre la adquisición y el cálculo de RPM consistió en conectarel sensor instalado en el motor al módulo implementado, que a su vez está conec-tado a la interfaz del programa TunerStudio como se exhibe en el diagrama de lafigura 4.1. Además, se utilizó un osciloscopio digital para tomar la señal generadapor el sensor.

Primero se encendió el motor y se corroboró con el osciloscopio que la forma dela señal originada fuera la correcta.

54 Capítulo 4. Ensayos y resultados

TABLA 4.1. Resultados de las pruebas funcionales de la fuente dealimentación.

Tensión de entrada Tensión de salida Observaciones

12 V - 14,7 V 5 VLa tensión se mantiene estable antela variación de la entrada entre elrango 12 V a 14,7 V.

12 V 4,9 VLa tensión de salida se mantiene en4,9 V con un consumo de 1 A.

18,1 V 0 V

Ante una tensión de entrada de 18,1V comienza a actuar la protecciónde supresión de tensiones transito-rias.

-12 V 0 VAl aplicar una tensión negativa ac-túa correctamente la protección depolaridad inversa.

FIGURA 4.1. Diagrama del ensayo realizado para corroborar la ad-quisición y cálculo de RPM.

Luego se actuó sobre el acelerador para incrementar las revoluciones y recopilarel tiempo de cada vuelta, medido con el osciloscopio, sobre la señal en los puntosdonde se hace presente el diente faltante de la rueda fónica, como se presenta enla figura 4.2.

Con el tiempo medido de cada diente faltante se calcularon las revoluciones paraser contrastadas con el valor indicado por la interfaz del TunerStudio.

4.3. Procesamiento de la señal del sensor knock 55

FIGURA 4.2. Señal del sensor RPM.

Se tomaron diez mediciones que se presentan en la tabla 4.2.

TABLA 4.2. Resultados del ensayo realizado para corroborar la ad-quisición y cálculo de RPM.

Tiempo de cadavuelta [ms]

RPM calculadas RPM indicadas

49,97 1200,72 120136,91 1625,57 162629,25 2051,28 205124,23 2476,26 247620,68 2901,35 290118,04 3325,94 332615,99 3752,34 375214,37 4175,36 417513,04 4601,22 460112,01 4995,83 4996

De acuerdo a los resultados obtenidos se observa que la diferencia entre las revo-luciones calculadas e indicadas no excede la unidad.

4.3. Procesamiento de la señal del sensor knock

Para corroborar el correcto funcionamiento del sensor knock y el acondicionadorde su señal, se lo conectó al módulo de control implementado junto a un oscilos-copio digital como se muestra en el diagrama de la figura 4.3.


FIGURA 4.3. Diagrama del ensayo realizado para corroborar elprocesamiento de la señal del sensor knock.

En principio se encendió el motor y se tomó la señal generada por el sensor, quese ilustra en la figura 4.4. Se observó que se trata de una señal nítida y pareja, porlo tanto es correcta de acuerdo al régimen de revoluciones.

FIGURA 4.4. Señal del sensor knock.

Luego se tomaron las señales de la ventana de integración y la generada por elmódulo DSP del integrado TPIC8101 como se ilustra en la figura 4.5.

4.4. Prueba del sistema 57

FIGURA 4.5. Señales del integrado TPIC8101. (1) Señal de salidadel módulo DSP, (2) Señal de la ventana de integración.

Se pudo constatar el correcto funcionamiento del módulo DSP al observar su sa-lida.

Por último se tomaron cinco mediciones de la energía de la señal con el oscilosco-pio para contrastarlas con la energía calculada por el módulo de encendido, quese vuelcan en la tabla 4.3.

TABLA 4.3. Resultados del ensayo realizado para corroborar elprocesamiento de la señal del sensor knock.

RPM Energía medida [mV] Energía calculada

1000 132 1,342000 138 1,393000 142 1,454000 147 1,485000 151 1,53

Se observó que la determinación de la energía es adecuada para el régimen delmotor en el que se tomaron las mediciones, sin superar el umbral EO.

4.4. Prueba del sistema

Se realizaron pruebas al sistema que permitieron verificar el correcto funciona-miento del firmware y hardware en conjunto para validar los requerimientos.

Para tal fin se conectó el módulo implementado al motor C2L y con el osciloscopiose tomó la señal del sensor RPM para contrastarla con las señales de salida, comose muestra en el diagrama de la figura 4.6.


FIGURA 4.6. Diagrama del ensayo realizado al sistema en conjun-to.

Para corroborar que los tiempos de encendido IGN 1 e IGN 2 sean correctos, setomó el tiempo entre el diente faltante de la señal de RPM y las señales de salidacomo se exhibe en las figuras 4.7 y 4.8.

FIGURA 4.7. Señal de IGN 1 respecto al diente faltante de la señalde RPM.

4.4. Prueba del sistema 59

FIGURA 4.8. Señal de IGN 2 respecto al diente faltante de la señalde RPM.

Las mediciones realizadas se tomaron sobre las RPM indicadas de la tabla 4.2 y secalculó el tiempo de ING 1 e IGN 2 de acuerdo al ángulo de offset y el de avancefijado por el controlador.

Los datos obtenidos se vuelcan en la tabla 4.4.

TABLA 4.4. Resultados del ensayo realizado al sistema.

RPM indicadas Ángulo de avance [°] IGN 1 [ms] IGN 2 [ms]

1201 15,3 13,62 38,461626 17,6 9,83 28,192051 19 7,69 22,272476 20,1 6,29 18,352901 21,7 5,26 15,523326 23 4,55 13,553752 24,1 3,95 11,874175 25,4 3,45 10,474601 26,7 3,14 9,624996 28,3 2,82 8,76

De acuerdo a los cálculos y las mediciones realizadas se observa que los datosobtenidos son correctos.

61

Capítulo 5

Conclusiones

5.1. Conclusiones generales

En el presente proyecto se desarrolló e implementó un prototipo de hardware yfirmware que permite controlar los grados de avance de encendido de un motorde combustión interna, de acuerdo a la señal captada por un sensor knock.

Además, el prototipo implementado es útil para la enseñanza de materias rela-cionadas con los sistemas de control de ignición, ya que permite ver y modificarlos parámetros de encendido.

Durante el desarrollo de este Trabajo Final se aplicaron conocimientos adquiridosa lo largo de la Maestría en Sistemas Embebidos y se desarrollaron habilidadesde control digital que fue la principal motivación a lo largo del progreso de esteproyecto. Cabe resaltar aquellas materias de mayor relevancia para este trabajo:

control digital: se diseñó e implementó un control de corrección de ángulode avance.

procesamiento de señales: se realizó los acondicionamientos y procesamien-tos de las señales generadas por ambos sensores.

implementación de sistemas operativos (I y II): se utilizaron los conocimien-tos adquiridos aplicando chibiOS/RT como sistema operativo para el siste-ma desarrollado.

Por lo tanto, se concluye que los objetivos planteados al comienzo del trabajohan sido alcanzados satisfactoriamente, habiéndose cumplido con los criterios deaceptación del sistema final y obtenido conocimientos valiosos para la formaciónprofesional del autor.

5.2. Trabajo futuro

En base a los ensayos realizados en el capítulo 4 se obtuvieron las siguientes ne-cesidades y mejoras futuras:

desarrollar una interfaz que además de mostrar los datos permita cambiar-los durante la ejecución.

implementar una opción de aprendizaje de ángulo de avance para modifi-car las tablas de encendido fijas, de acuerdo a las condiciones de trabajo delmotor.

desarrollar un gabinete robusto.

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Bibliografía

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[2] Tamer, Mansour (2011). PID control, implementation and tuning. Intech.

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[4] STM32F4DISCOVERY - STMicroelectronics. URL:https://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32f4discovery.html

[5] TPIC8101 - Vibration and Engine Knock Sensor Interface. URL:https://www.ti.com/sitesearch/docs/universalsearch.tsp?searchTerm=tpic8101#q=tpic8101&t=everything&linkId=1

[6] MAX9926 - Variable-Reluctance Sensor Interface with Differential Inputand Adaptive Peak Threshold. URL: https://www.maximintegrated.com/en/products/interface/sensor-interface/MAX9926.html

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Módulo de encendido para motor de combustión...

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