Rattvinkel- og akselerasjonssensoren: En komplett guide

Rattvinkelsensoren sitter stort sett der man forventer at den er montert: Bak rattet, rundt rattstammen. Av og til hender det at den monteres i nærheten av tannstanga, men det er heller sjelden. Det er flere typer ute og går. Typen som baserer seg på Hall-effekten er mest vanlig, men versjoner med slepekontakter finnes fortsatt. I tillegg har man digitale, optiske sensorer som avgir et spesifikt signal på det i det aktuelle øyeblikket, målte rattvinkel. Vi skal kort se på forskjellene.

Analog med slepekontakt

Den analoge rattvinkelsensoren er bygget opp av to potentiometre, også kalt spenningsdelere. Disse spenningsdelerne tar i bruk en fast motstandsbane, gjerne av kull, som spenningen går gjennom. Det finnes varianter som arbeider med en referansespenning på 5V og andre som bruker 12V. Den andre av de to spenningsdelerne er ikke ment som et kontrollmiddel, men er der for å registere rattets rotasjonsretning: Til venstre eller til høyre. Ved å plassere spenningsdeleren motsatt av hverandre, kan man via spenningsforskjellen mellom de to, registrere om rattet dreies med eller mot klokka. Den avgitte spenningen når rattet står i nullposisjon (rett fram) kan være forskjellig per spenningsdeler. Dette er gjort bevisst for å kunne kontrollere at sensoren fungerer korrekt. Det finnes etterhvert en rekke varianter av denne typen sensorer, så vi kan dessverre ikke oppgi noen måleverdier.

Hall-effekt

Rattvinkelsensorer som tar i bruk Hall-effekten (som for eksemper Bosch LWS5 og LWS56) jobber kontaktløst og har derfor ikke problemer med slitasje. Akkurat som aktive hjulsensorer, tar denne rattvinkelsensoren i bruk en ring med flere poler. Hall-sensorene registerer hver bevegelse med en nøyaktighet på 1,5 grader og genererer blokksignaler til styreenheten. Fasen til signalet fra hver Hall-sensor er litt forskjellige slik at dreieretningen kan registreres umiddelbart og for å kontrollere at den virker. Det følger en beregning på den aktuelle styrevinkelen, dreieretningen og -hastighet. Resultatet blir satt om til et CAN-signal og umiddelbart sendt til ESP-styreenheten.

Optisk

Det var Mercedes-Benz som først og fremst var tilhenger av den optiske rattvinkelsensoren. Også denne typen sensor generer flere blokksingaler, men i stedet for magnetisme blir det brukt lys. Ved at det tas i bruk flere baner med hvert sitt hullmønster, skapes det forskjellige signaler. Disse signalene blir sammenlignet i kontrollenheten og resultatet blir satt om til et brukbart, digitalt signal. I første instans skulle man kunne tro at denne typen sensor virker like bra som en Hall-sensor, men opitiske sensorer har én stor fiende: Støv. Bare litt kan være nok til at lysstrålen blokkeres og dermed forstyrres signalet. Optiske sensoer egner seg derfor best i forseglede omgivelser.

Kallibrering

Kalibrering av rattvinkelsensor er ved hjelp av diagnoseutstyr enkelt. Ofte er det nok å dreie ratte helt til venstre og tilbake helt til høyre for å lære inn sensoren. Det finnes også selvlærende sensorer. På denne typen er den nok å dreie rattet fullt ut til høyre og venstre med tenning på. ESP-systemet kan i mange tilfeller selv finne ut om kalibrering er nødvendig ved å sammenligne verdiene fra rattvinkelsensoren med signalene fra diverse akselerasjonssensoer. Skulle systemet registrere at bilen kjører rett fram, men at rattvinkelen likevel avviker, vil ESP koble seg ut og varsellampen tennes.

Elektrisk servostyring

Rattvinkelsensoren blir ikke bare brukt til å styre ESP-systemet, men også for regulering av elektrisk servostyring. En elektromotor assisterer styrebevegelsene så fort en forandring av rattvinkel registeres. Hydrauliske systemer blir dermed overflødige. Fordelen til dette systemet er ikke bare plass og vektbesparelser, men også innstillingsmulighetene. Rattets motstand kan stilles inn på komfortabel eller sport. Dette kan også være kjekt ved lukeparkering. Et eksempel på en slik funksjon er Fiats "City"-knapp. Når denne aktiveres vil styringen bli svært lett og manøvrering i lave hastigheter en barnelek. En ulempe med elektrisk servostyring kan være manglende styrefølelse: Ved at elektromotoren bestemmer bevegelsene, blir reaksjonene fra hjul og vei mindre følbare for sjåføren.

Akselerasjonssensor

I tillegg til rattvinkel trenger ESP-styreenheten også aktuelle verdier som forteller hvilke bevegelser bilen gjør. Til dette er akselerasjonssenorer ment. Disse sensorene kan deles inn i to grupper: Den laterale akselerasjonssensoren og "yaw-rate" sensor. Den registerer sideakselerasjon i forhold til lengdeakselerasjon. Disse sensorene treffer man så godt som aldri hver for seg. Både Continental og Bosch har bygget disse sammen i en enhet. Vi skal ta for oss sensoren i det litt eldre Bosch 5.7-systemet for å forklare virkemåten.

ESP-sensoren tar i bruk en spenning på 12V, jording og en bite (blokksignal 0-6,8V). Biten blir brukt som kontrollmiddel og sendt med utgangssignalet fra yaw-rate sensoren. Yaw-rate sensoren bruker en referansespenning på 2,5V. Yaw-rate sensoren vil påvirke denne referansespenningen positivt eller negativt: Positivt ved en positive sideakselerasjon, negativt ved en negativ sideakselerasjon. Utgangsspenningen vil variere mellom 0,7 og 4,3V. Ved at kontroll-biten påvirker dette signalet må utgangssignalet se ut som følgende:

NB! Ved et rettlinjet signal er sensoren altså defekt!

Den laterale akselerasjonssensoren tar ikke i bruk hverken referansespenning eller kontroll-bite. Utgangssingnalet er rettlinjet og varierer fra 0,5 til 4,5V. For å nå disse verdiene må man oppnå en G-kraft på mellom -1,5G til +3,5G.

Evolusjon

Selv om det foregående her gir et innblikk i hvordan ESP-sensorer virker, er det imidlertid mye som er forandret. Slik som resten av elektronikken i kjøretøy, ble det også hos ESP gått bort fra analoge signaler til CAN-meldinger. Ett sentralt nettverk gir nemlig mange fordeler. For å nevne to: Signalet er tilgjengelig over hele kjøretøyet og det spares enormt med ledningsnett. Dette betyr besparelser både på vekt op bruk av plass.

Teknikken i selve sensorene er også gått framover. Gjør vi en sammenligning mellom Bosch 5.7 ESP og Bosch 8 ESP, ser vi tydelig forskjeller. Både den laterale akselerasjonssensoren og yaw-rate sensoren tar nå i bruk piëzo-elektriske materialer som avgir en stadig sterkere spenning ettersom akselerasjonen øker. I midten av det piëzo-elektriske materialet er det plassert en avfjæret masse. Så fort bilen akselerer eller dreier seg rundt sin akse i en bestemt retning, vil denne massen gjøre det samme. Kreftene som er nødvendige for å få denne massen ut av hvileposisjon, genererer en bestemt spenning i det piëzo-elektriske materialet. Det er vel unødvendig å tillegge at spenningen stiger ettersom denne massen beveger seg lenger bort fra sin hvileposisjon.

Denne spenningen blir i sin tur satt om til et elektrisk signal. Ved å slippe løs en beregning på verdiene av den laterale akselerasjonen og rotasjonshastigheten, kan man sammenligne bilens bevegelser med signalet fra rattvinkelsensoren.

Artig viten:

Den nyere generasjon yaw-rate sensor blir også kalt "iMEMS": integrated Micro Electro-Mechanical System. Denne typen yaw-rate sensor er blitt så kompakt at den uten problemer får plass i en styreenhet. Moderne ABS-systemer, som for eksempel bestemte versjoner av ATE Teves MK60E, trenger derfor ikke eksterne sensorer mer.

Husk dette når man har funksjonsfeil på ESP: Feilen kan altså oppstå inne i styreenheten.

Active steering

Biler som er utstyrt med "active steering", som for eksempel BMW og Mercedes-Benz har to ESP sensorer: En primærsensor under førersetet og en sekundærsensor under passasjersetet. Sekundærsensoren er stort sett lik primærsensoren, men har en stengningsmotstand og bruker også en annen CAN-ID. Disse sensorene kan altså ikke byttes om hverandre. Måten disse to sensorene blir brukt på av ESP-systemet skiller. Verdiene fra sekundærsensoren blir bare brukt som kontrollmiddel på verdiene fra primærsensoren. Sekundærsensoren kan altså ikke ta over funksjonen til primærsensoren. Så fort det blir registert en forskjell i målingen mellom de to sensorene, vil ESP-systemet trigge en feilmelding. Forøvrig er begge sensorene passive: Det blir først sendt et signal når ESP-systemets styreenhet spør etter det. Dette skjer hvert 10. millisekund.