4 SIMULACIONES En este capítulo se muestran los resultados de la actuación de los sistemas de control sobre el modelo del vehículo. A partir de las respuestas del vehículo a la aplicación de las distintas referencias, se hará un análisis del grado de satisfacción alcanzado con el control propuesto. Mediante diferentes tipos de simulaciones, se quieren mostrar las prestaciones del vehículo, los distintos sistemas implementados y el buen funcionamiento de los mismos. Los dos apartados más importantes a la hora de estudiar el comportamiento del vehículo son la aceleración y la frenada. Este será el marco principal sobre el que se visualizarán los resultados del correcto modelado, sistema de control, etc. 4.1 ACELERACIÓN En este apartado se pretende mostrar el comportamiento del vehículo ante una referencia de aceleración máxima. En principio se comienza mostrando la velocidad frente al tiempo, de esta forma se pueden ver, tanto la aceleración de 0-100km/h como la velocidad máxima del vehículo. Fig. 8: Evolución de la Velocidad del Vehículo durante Aceleración Máxima En la Fig. 8 se puede observar como el vehículo tiene un tiempo de 0-100km/h inferior a los 10 segundos, quedando sobre los 9 segundos. La aceleración es alta, manteniéndose constante hasta los 120km/h que es la velocidad nominal del coche. A partir de ahí, la aceleración va decayendo hasta que se alcanza la velocidad máxima. Esta velocidad es de 140 km/h aproximadamente. A continuación se puede ver la Fig. 9 donde se representa la velocidad de giro de dos ruedas, una del eje delantero y otra del eje trasero con respecto al tiempo, aunque no se detecte en este caso por tener resultados idénticos. Se representa solamente una rueda de cada eje porque los resultados de las dos ruedas del mismo eje son idénticos. De esta forma representando una rueda de cada eje, se obtiene toda la información posible del modelo. Fig. 9: Evolución de la Velocidad de las Ruedas durante Aceleración Máxima Esta figura nos permite ver que la evolución de la velocidad de giro de las ruedas es suave, no existen saltos, por lo que no se detectan deslizamientos. Esta gráfica es prácticamente igual que la Fig. 8, ya que la única diferencia entre ellas, en el caso de que no exista deslizamiento, es una constante. En la Fig. 10, se puede comprobar el comportamiento del control, ya que aparece la comparación entre el par de referencia y el par real de dos de los cuatro motores, uno del eje delantero en azul y otro del eje trasero en negro. En la referencia no se aprecian los dos ejes por ser idénticos los resultados. Fig. 10: Par durante Aceleración Máxima En todas las simulaciones se intenta poner de manifiesto la existencia de dos ejes diferenciados en el modelo, es por esta razón que se elijen dos motores, uno de cada eje. En la gráfica se puede observar como el seguimiento de par hasta los 10 segundos es óptimo, a partir de este punto el par real no es capaz de seguir la referencia, ya que la velocidad esta próxima a la de diseño (120 km/h) y en consecuencia, las necesidades de aceleración estarían cubiertas. Por esta razón en el tramo para alcanzar la velocidad máxima, el par es decreciente hasta alcanzar los 50Nm aproximadamente donde permanece constante, ya que a partir de este punto se alcanza la velocidad máxima. En la referencia, a partir de los 11 segundos, se puede comprobar la actuación de una de las protecciones del motor, que reduce el par para mantener la potencia dentro de los límites marcados. En general, se observa que el seguimiento de la referencia es correcto, ya que se consigue exactamente el par pedido, hasta alcanzar la velocidad de diseño. En la siguiente gráfica, Fig. 11, se observa las corrientes trifásicas de uno de los cuatro motores del coche, se confirma la buena aproximación de lo real a la referencia, ya que hasta los 10 segundos, ambas gráficas, referencia y real, son idénticas. Esto pone de manifiesto lo mismo que en la anterior figura, que el control es acertado, hasta el punto nominal. Cuando se sobrepasa este punto, el motor no es capaz de mantener la referencia, provocándose una bajada paulatina de las corrientes, a medida que la velocidad del coche aumenta. Fig. 11: Corrientes durante Aceleración Máxima El último tramo de las corrientes reales es constante al igual que el par real, esto corrobora el modelo propuesto, donde el par depende directamente de la corriente. Esta dependencia se puede ver claramente en la Fig. 12, ya que se ve como las dos gráficas son proporcionales y varían de la misma forma. Durante toda la simulación se observan los mismos cambios en las dos gráficas, comparten las zonas crecientes y decrecientes, así como las constantes. De esta forma queda claramente demostrada la dependencia entre estas dos variables. Por otro lado se demuestra también que la estrategia de controlar el par a través del control de las corrientes, es una estrategia correcta. Fig. 12: Dependencia del Par con la Corriente Por último, una vez se ha mostrado la dependencia del par con la intensidad y la buena actuación del control hasta el punto nominal, se muestra la existencia de los dos ejes del modelo. En la Fig. 13, aparecen tanto las fuerzas verticales como las horizontales, en las dos gráficas se representan las fuerzas en los dos ejes del vehículo. Como anteriormente para ello se representan estas fuerzas en dos ruedas, una perteneciente al eje delantero (de color azul) y otra al eje trasero (de color negro). En la gráfica de fuerzas horizontales, se muestran las fuerzas que aparecen entre las ruedas y el terreno por el efecto de la rodadura. Como se puede comprobar, los resultados en los dos ejes son muy similares. Al ser la fuerza horizontal una fuerza provocada por el rozamiento, depende de la fuerza vertical en el eje y del coeficiente de rozamiento entre la rueda y el terreno. Como este coeficiente es igual en los dos ejes, se puede ver la dependencia entre la fuerza horizontal y vertical, ya que cuanto la fuerza vertical es mayor en la parte delantera del vehículo que en la trasera, la fuerza horizontal también lo es. Fig. 13: Fuerzas Horizontales y Verticales en los Ejes durante Aceleración Máxima En la gráfica de fuerzas verticales se puede comprobar la evolución del vehículo en la aceleración. Al inicio, el vehículo tiene más carga en el eje delantero, por estar el centro de gravedad más cerca de este eje que del trasero. Una vez comienza la aceleración, las fuerzas de inercia comienza a actuar, cargando el eje trasero y descargando el delantero. La fuerza de rozamiento con el aire también influye en esto, pero en menor medida. Cuando la aceleración comienza a disminuir, las fuerzas de inercia también disminuyen, volviendo a cargarse más el eje delantero que el trasero por efecto de la gravedad. Al final de la simulación cuando la aceleración es cero y la velocidad constante, las fuerzas son también constantes. Pero el valor de la fuerza en el eje delantero es algo menor que en reposo y en el eje trasero algo mayor, esto es debido a la fuerza de rozamiento con el aire que empuja la carga hacia el eje trasero. 4.2 FRENADA En este apartado se van a mostrar los resultados, de aplicar el control sobre el vehículo ante referencias de frenada. La frenada en el coche se divide según la magnitud de la misma, es decir, cuando el pedal de freno se acciona entre el 0-60% estaríamos hablando de frenada moderada. Por el contrario si el pedal de freno se acciona entre el 60-100% estaríamos hablando de frenada fuerte. En la frenada suave solamente interviene el freno motor, es decir, los motores eléctricos pasan a funcionar como generadores. De esta forma la frenada será regenerativa, aprovechando gran parte de la energía cinética del vehículo, que pasaría directamente a las baterías. Cuando se acciona el freno en el 60% el freno eléctrico se aplica al máximo de su capacidad, pero esto muchas veces no es suficiente. Por razones de seguridad, en la conducción muchas veces se necesita disminuir el tiempo de frenado. Por ello si el pedal de freno sobrepasa el 60% se activa el freno hidráulico que complementa al eléctrico. Durante la frenada fuerte, el freno eléctrico siempre está al 100%. La actuación del freno hidráulico aumenta paulatinamente a medida que el pedal de freno va del 60% al 100% donde los dos frenos estarían en su capacidad máxima de frenada. En este tipo de frenada, la regeneración baja bastante, ya que con el freno hidráulico la energía se pierde en forma de calor. A continuación se pasan a exponer los resultados de los dos tipos distintos de frenada. 4.2.1 FRENADA MODERADA En este apartado se muestran los resultados de realizar una frenada moderada a su máxima capacidad, es decir, pedal de freno al 60%. La simulación comienza con el coche a la máxima velocidad, y a partir de ahí se produce la frenada hasta la detención. Fig. 14: Evolución de la Velocidad durante Frenada Moderada En la Fig. 14 se puede ver la evolución de la frenada. A partir de los 2 segundos se aplica el freno y comienza a descender la velocidad. El descenso es constante hasta la detención, necesitándose 11 segundos para detenerse completamente. Como podemos observar en la Fig. 15, igual que ocurría en la aceleración, la gráfica tiene la misma forma que la anterior, ya que la diferencia entre ambas sigue siendo una constante. Se observan muy pequeñas diferencias entre las respuestas de las ruedas de ejes delantero y trasero. Como información importante podemos ver que no se produce bloqueo de las ruedas en la frenada, ya que el terreno elegido posee gran agarre, para demostrar el potencial del freno. Más adelante se mostrara la frenada en terreno en el que aparece deslizamiento. Si se observa la Fig. 16, como a partir del segundo 2 y tras un breve transitorio comienza a aplicarse a su máxima capacidad. Los pares en las ruedas de ambos ejes son similares, existiendo pequeñas diferencias entre los ejes delantero y trasero en algunos momentos de la frenada. Fig. 15: Evolución de la Velocidad de las Ruedas durante Frenada Moderada Fig. 16: Par durante Frenada Moderada El par de frenada permanece prácticamente constante hasta la detención, gracias al freno del motor. Esta frenada es totalmente regenerativa. La Fig. 17 muestra en la parte de fuerzas horizontales, una continuación de lo que se podía observar en el par. Los dos ejes tienen resultados muy parecidos, y la forma de la curva es similar a la curva de par. Se puede ver como las fuerzas de rozamiento cambian de signo al comenzar la frenada, aumentando en valor absoluto como lo hacia el par de frenada. En la parte de fuerzas verticales se puede ver el comportamiento del físico del chasis del vehículo. Inicialmente las fuerzas son mayores en el eje delantero que en el trasero debido a la mayor proximidad a la parte delantera del centro de gravedad. Posteriormente, en la frenada, las fuerzas de inercia cargan mas la parte delantera, descargando la trasera, aumentando la diferencia entre ambas. Cuando se realiza la detención los valores son próximos al principio de la simulación. Con la salvedad de que al no aparecer la fuerza del rozamiento con el aire, que cargaba más la parte trasera, la diferencia entre las fuerzas en los ejes es mayor. Fig. 17: Fuerzas Horizontales y Verticales en los Ejes durante Frenada Moderada 4.2.2 FRENADA FUERTE En este tipo de frenada entran en juego los frenos hidráulicos, sumándose al freno del motor. De esta forma aunque se pierde en regeneración porque parte de la energía se pierde en forma de calor, se gana en seguridad, aumentando en gran medida el par de frenada. La Fig. 18, muestra la evolución de la velocidad, partiendo de la velocidad máxima del coche, hasta la detención. En el segundo dos se aplica el freno, disminuyendo de forma rápida la velocidad y produciéndose la parada del vehículo en tan solo 6 segundos desde que se acciona el freno. Fig. 18: Evolución de la Velocidad durante Frenada Fuerte En esta ocasión la Fig. 19, en la que se representa la velocidad de las ruedas si difiere de la gráfica que representa la velocidad del vehículo, al contrario de lo que ocurría anteriormente, donde eran prácticamente idénticas. Esto es debido, como se puede observar, a que existe una gran diferencia entre la evolución de las ruedas del eje delantero y las del eje trasero. La evolución del eje delantero es suave (azul), disminuyendo la velocidad de giro de forma continúa hasta la detención. Sin embargo en el eje trasero (negro) se produce una disminución importante de velocidad, pasando después a disminuir de forma controlada. Esto se debe a que en el eje trasero se produce un aumento del deslizamiento momentáneo, debido a la aplicación de un par de frenada muy alto. Posteriormente la velocidad de la rueda pasa a estar gobernada por el control de tracción que se explicará en el siguiente capítulo. El hecho de que no se produzca un aumento del deslizamiento en el eje delantero se puede ver más claramente en la siguiente figura que representa las fuerzas. Fig. 19: Evolución de la Velocidad de las Ruedas durante Frenada Fuerte En la Fig. 20 se comprueba como el par de frenada es mucho más alto al sumarse los efectos del freno hidráulico. Estos efectos permiten disminuir en gran medida el tiempo de frenada. Los pares aplicados en cada eje son similares, en principio, hasta el momento en que las ruedas del eje trasero aumentan su deslizamiento y el control de tracción actúa sobre el par aplicado (negro), disminuyéndolo para evitar así que el deslizamiento continúe. Como se puede ver el control de tracción continua actuando hasta la detención donde los pares de frenada se anulan. Fig. 20: Par durante Frenada Fuerte Como se puede ver en la Fig. 21, el hecho principal que provoca el gran aumento de deslizamiento del eje trasero es debido a la disminución de la fuerza vertical en este eje. Al provocarse la frenada, el eje delantero se carga bastante, descargándose en la misma medida el trasero debido a las fuerzas de inercia. Esto provoca una disminución de la normal, y por lo tanto, también de la fuerza de rozamiento en las ruedas del eje trasero. Al disminuir esta fuerza, disminuye el par de frenada que es capaz de resistir la rueda sin deslizar y aumenta el deslizamiento rápidamente. En el eje delantero por el contrario, la fuerza de rozamiento en las ruedas aumenta, debido al aumento de la normal provocado por las fuerzas de inercia, aumentando la capacidad de resistir un alto par de frenada sin deslizar. Fig. 21: Fuerzas Horizontales y Verticales en los Ejes durante Frenada Fuerte En las fuerzas horizontales se comprueba como el eje trasero no es capaz de alcanzar los valores de rozamiento del delantero, produciéndose por lo tanto mayor frenada gracias a las ruedas del eje delantero. En el siguiente apartado se explica cómo funciona la actuación del control de tracción tanto en la aceleración como en la frenada. 4.3 CONTROL DE TRACCIÓN En este apartado podremos comprobar tanto la necesidad de que exista este tipo de control, como el buen funcionamiento del mismo. Se producirá la división de dos situaciones distintas que se pueden dar en el vehículo y a partir de las cuales se estarían definiendo globalmente el correcto control del mismo. Estas situaciones son la aceleración y la frenada que se estudian a continuación. 4.3.1 CONTROL DE TRACCIÓN ACELERACIÓN El control de tracción en la aceleración, impide que se produzcan deslizamientos altos en las ruedas cuando el vehículo está acelerando. El deslizamiento de las ruedas en valores pequeños, de entre el 0-10% es un deslizamiento normal. Cuando el deslizamiento supera el 20% es cuando entra el control de tracción para regular el par. Las condiciones para que el deslizamiento se sitúe en valores altos son principalmente el par que están ejerciendo los motores y las condiciones de agarre del terreno. Las condiciones de agarre dependen a su vez del propio terreno y de las fuerzas verticales que se aplican en cada momento sobre cada rueda. Estas fuerzas varían según las fuerzas de inercia principalmente, aunque la fuerza del viento también interviene en menor medida. Si el par que están inyectando los motores supera al par máximo que aguanta el terreno se produce un alto deslizamiento. Para que esto no ocurra el sistema de control disminuye el par reduciendo el deslizamiento. Para controlar el deslizamiento el control de tracción mide la diferencia entre la velocidad del coche y la velocidad de avance de la rueda (velocidad a la que tendría que ir el vehículo si la rueda no desliza). Cuando este valor supera el 20% de la velocidad de avance de la rueda, el control comienza a actuar anulando el par en esa rueda. El control de tracción es individual en cada rueda, aunque por ser igual el comportamiento de las dos ruedas del mismo eje, solo se representan una por eje. Las simulaciones se han realizado eligiendo un terreno en el que el par máximo de deslizamiento es relativamente bajo, para comprobar las mejoras que produce la inclusión de este tipo de control en las prestaciones del vehículo. Se realizarán comparativas de los resultados de la aceleración en el vehículo, incluyendo y prescindiendo del sistema de control de tracción para observar las diferencias. La simulación consiste en una aceleración similar a la mostrada en el apartado 4.1, donde partiendo desde el reposo se acelera al máximo. En la Fig. 22 se muestra la velocidad de las ruedas en la aceleración sin estar incluido el control de tracción. Como podemos comprobar realmente se está produciendo un deslizamiento importante, al comienzo de la simulación la velocidad de las ruedas se dispara, manteniéndose posteriormente relativamente constante. En la gráfica inferior se observa como en los primeros segundos la diferencia entre la velocidad del coche y la velocidad de avance de la rueda se dispara, provocándose un deslizamiento fuerte. Este deslizamiento se mantiene durante gran parte de la simulación, hasta que el par inyectado por los motores es suficientemente bajo como para ser soportado por el terreno. Esto ocurre a partir del segundo 14 aproximadamente, momento en que las ruedas comienzan a perder velocidad por disminuir el deslizamiento. Fig. 22: Deslizamiento de las Ruedas sin Control de Tracción durante Aceleración La diferencia entre la velocidad del vehículo y la de avance de las ruedas va disminuyendo paulatinamente a partir de los 2 segundos, hasta alcanzar valores de deslizamiento admisibles. La Fig. 23 nos permite ver como el control actúa de forma correcta. Al contrario que en la anterior figura, la diferencia entre la velocidad del vehículo y la de avance de las ruedas, crece controladamente, manteniéndose sobre el valor del 20% de la velocidad de avance de las ruedas. Esto es así hasta el momento en que el terreno es capaz de soportar el par y el deslizamiento disminuye. Fig. 23: Deslizamiento de las Ruedas con Control de Tracción durante Aceleración El par es constante mientras el control está actuando, cuando este deja de actuar el par es irregular, debido principalmente a los cambios que sufren las fuerzas verticales que actúan sobre las ruedas por los efectos de las fuerzas de inercia. Cuando las fuerzas verticales crecen, el par que es capaz de soportar el terreno sin que se produzca el deslizamiento crece en la misma medida. Finalmente, el par cae como consecuencia de que el valor de la velocidad está llegando a la velocidad de diseño. A continuación la Fig. 24 muestra la comparación de los resultados de aceleración cuando se aplica el control, con los resultados cuando no se hace. Salta a la vista que la mejoría es evidente, llegándose a alcanzar valores de aceleración 0-100km/h de 10 segundos con la actuación del control, mientras que sin el control no se llegan a alcanzar los 100 km/h en 15 segundos. Aunque en las dos simulaciones la aceleración es constante, con el control se consigue una aceleración bastante mayor. Fig. 24: Evolución de la Velocidad con y sin Control de Tracción durante Aceleración Por su parte la Fig. 25, muestra diferencias bastante notables. Se aprecian principalmente en los primeros instantes de simulación, donde en la gráfica sin control se produce el deslizamiento aumentando la velocidad de las ruedas rápidamente, mientras que en la gráfica de tracción controlada, la evolución de la velocidad es mucho más suave. En ambas llega un momento en que el deslizamiento no se produce, por lo que en la gráfica de tracción controlada no es necesario aplicar el control. La llegada de este momento se debe al alcance de una determinada velocidad que cambia los valores de las fuerzas de inercia, variando las fuerzas verticales de la ruedas y por tanto las condiciones de agarre. Este momento llega a las dos gráficas en distintos instantes, debido a que las aceleraciones son diferentes, produciéndose una disminución de la velocidad de las ruedas por el menor deslizamiento. Posteriormente esta velocidad aumenta por el aumento de la velocidad. Fig. 25: Velocidad de las Ruedas con y sin Control de Tracción durante Aceleración En la Fig. 26, se ven los resultados del par en las dos situaciones. Mientras que en la situación controlada el par se mantiene constante hasta que el terreno puede soportar el par, en la situación sin control se produce una fuerte subida, para después decaer, manteniendo un valor casi mitad del valor que se alcanza con el control. Posteriormente el desarrollo del par es muy similar en los dos casos, pero desplazado en el tiempo en la gráfica sin control con respecto a la gráfica con control, por las mismas razones que ocurría en la anterior gráfica, la velocidad. Fig. 26: Par con y sin control Aceleración durante Aceleración Por último se analizan las fuerzas. En la Fig. 27, se observan diferencia entre los dos casos a comparar. Mientras que en la gráfica con control de tracción, la evolución de las fuerzas es similar a la del apartado 4.1, en la otra gráfica aparecen fenómenos a destacar. En la gráfica con control, la aceleración provoca la aparición de las fuerzas de inercia, cargándose más el eje trasero. Después la aceleración disminuye y el coche vuelve a tener las fuerzas en los ejes repartidas de forma similar que en el estado de reposo. La gráfica sin control, inicialmente comienza con una aceleración fuerte, pero esta disminuye rápidamente y se mantiene constante, hasta el momento en que el deslizamiento desaparece. La parte final de las dos gráficas es similar pero desplazada en el tiempo como ocurre en las figuras anteriores. Fig. 27: Fuerzas Verticales en Ejes con y sin Control de Tracción durante Aceleración Los resultados de la Fig. 28, muestran como con el control, se mantiene una fuerza mayor, que permitirá a su vez un mayor par, y por tanto, una mayor aceleración. El crecimiento inicial de la fuerza al inicio de la simulación, desciende hasta valores más pequeños en la gráfica sin control que en la que posee el control de tracción. La parte final de ambas gráficas debe su forma, a la disminución primera del deslizamiento y a la posterior caída del par por los valores de la velocidad, que se acercan a la de diseño. Fig. 28: Fuerzas Horizontales en Ejes con y sin Control de Tracción durante Aceleración 4.3.2 CONTROL DE TRACCIÓN FRENADA Los resultados del control de la frenada son bastante buenos, ya que como se podrá comprobar reducen en gran medida el tiempo de frenada, reduciéndose por tanto la distancia de detención, además de evitar la pérdida de control del vehículo ocasionada por el bloqueo de las ruedas. En la Fig. 29 se observa la diferencia entre una frenada y otra. Ambas comienzan a los 2 segundos de la simulación, pudiéndose comprobar cómo en la gráfica controlada se produce la detención en 12 segundos, mientras que en la gráfica sin control son necesarios 20 segundos, casi el doble. Hay que tener en cuenta que las condiciones del terreno, de poco agarre, son las causantes de que la frenada se alargue en el tiempo. Durante, todo el tiempo la deceleración es constante hasta la detención. Fig. 29: Evolución de la Velocidad sin y con Control de Tracción durante Frenada La evolución de la velocidad de las ruedas, como se puede ver en la Fig. 30, muestra gráficas totalmente distintas. En la gráfica de la frenada sin control de tracción se aprecia como a partir del comienzo de la frenada se produce el bloqueo de las ruedas, manteniéndose así hasta la parada. Esto produce un deslizamiento del vehículo en el que la frenada pierde eficacia con la correspondiente pérdida de control. Por el contrario, en la frenada con control se produce un descenso de la velocidad en el inicio, hasta el momento en que comienza a actuar el control, posteriormente el descenso es controlado hasta la detención. Fig. 30: Velocidad de las Ruedas con y sin Control de Tracción Durante Frenada La Fig. 31 muestra los pares de frenada que se aplican. Tanto en el caso sin control como en el controlado, se aprecia una pequeña diferencia de par en cada eje, eso es debido a las fuerzas verticales, que son mayores en el eje delantero. Se puede comprobar cómo el par de frenada, aunque inicialmente es mayor en la gráfica sin control de tracción, pasada la primera bajada, la frenada con control de tracción, mantiene un par de frenada mayor. De esta forma la frenada es más fuerte y provoca la parada en menor tiempo. En la Fig. 32, se puede comprobar que las dos gráficas tienen la misma forma. Únicamente apuntar, que al ser más fuerte la frenada con control, las fuerzas de inercia son mayores, por lo que la carga del vehículo tiende más hacia el eje delantero que en la gráfica sin control de tracción. Fig. 31: Par con y sin Control de Tracción durante Frenada Fig. 32: Fuerzas Verticales en los Ejes con y sin Control de Tracción durante Frenada Por último, en la Fig. 33, se puede observar como el eje delantero tiene una fuerza mayor debido a la fuerza vertical. Fig. 33: Fuerzas Horizontales en los Ejes con y sin Control de Tracción durante Frenada También se observa que la frenada con control de tracción es bastante más fuerte que sin control. El salto de la fuerza al comienzo del deslizamiento es más grande en la gráfica sin control, debido a que en el caso con control, ya que este ultimo actúa rápidamente evitando el deslizamiento y acortando la diferencia inicial de fuerza.