Aplicación
de la Técnica de Diagnóstico por Imágenes en la Evaluación Funcional de
Sistemas Electrónicos de Aceleración

Application of the Diagnostic Imaging Technique in the Functional
Evaluation of Electronic Acceleration Systems

Cristian Lema Romero

Instituto Superior Tecnológico

Luis Rogerio González

Azogues, Ecuador

[email-masked]

Orcid: 0000-0002-1618-3214

Rómulo Astudillo Bravo

Instituto Superior Tecnológico

Luis Rogerio González

Azogues, Ecuador

[email-masked]

Orcid: 0000-0001-9001-5270

Mayra Asitimbay Regalado

Instituto Superior Tecnológico

Luis Rogerio González

Azogues, Ecuador

[email-masked]

Resumen— Con el desarrollo de la técnica de
diagnóstico por imágenes aplicado en el campo automotriz se puede poner a
prueba actuadores, sensores, y demás elementos electrónicos del vehículo. Esta
técnica se basa en la aplicación de corriente alterna de baja intensidad en el
elemento que se va a comprobar, donde la circulación de esta corriente
referenciada a la masa del circuito permite graficar una imagen del
comportamiento en el desfase de la tensión y corriente. La captura de la señal
se puede realizar en cualquier parte del componente o circuito y también en los
pines de entrada y salida en cualquier componente eléctrico o electrónico
automotriz. Para aplicar la técnica se desarrolla un circuito electrónico que
permite utilizar un osciloscopio con la función XY. El estudio se realiza en un
sistema de aceleración electrónico compuesto por pedal y cuerpo de aceleración;
éstos internamente cuentan con sensores de posición de tipo potenciómetro. El
cuerpo de aceleración cuenta con un motor eléctrico que mueve un sistema de
engranajes, donde para lograr mover la aleta de aceleración y probar el
comportamiento lineal de los sensores se desarrolla un control PWM. Se realizan
comprobaciones especificas con la técnica de diagnóstico por imágenes y se
compara con la metodología tradicional de utilizar un multímetro y un
osciloscopio.

Palabras Clave: Diagnóstico por
imágenes, cuerpo de aceleración electrónico, control PWM.

Enviado: 14/01/2020                                     Aceptado:
27/10/2020                                   Publicado:
30/12/2020

Sumario: I Introducción, II Materiales y Métodos, III Resultados, IV
Conclusiones.

Como
citar: Lema, Cristian., Astudillo, Rómulo.,
& Asitimbay, Mayra. (2020). Aplicación de la Técnica de Diagnóstico por
Imágenes en la Evaluación Funcional de Sistemas Electrónicos de
Aceleración. Revista Tecnológica - Espol, 32(2). Recuperado a partir
de http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/704

http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/rte/article/view/704

https://doi.org/10.37815/rte.v32n2.704

Abstract— The actuators,
sensors and other electronic elements of a vehicle can be tested with the
development of the diagnostic imaging technique applied in the automotive
field. This technique is based on the application of low intensity alternating
current in the element to be tested, where the circulation of this current
related to the circuit mass, allows to draw an image of the behavior
in the phase shift of the voltage and the current. The signal capture can be
done on any part of the component or circuit and on the input and output pins
on any automotive electrical or electronic component. To apply the diagnostic
imaging technique, an electronic circuit is developed, allowing the use of an
oscilloscope with the XY function. This study is carried out on an electronic
acceleration system composed of a pedal and an acceleration body; these
internally have potentiometer-type position sensors. The acceleration body has
an electric motor that moves a gear system, where to achieve the acceleration
flap movement and to test the linear behavior of the
sensors, a PWM control is developed. Specific tests are made with the
diagnostic imaging technique and compared with the traditional methodology of
using a multimeter and an oscilloscope.

Keywords: Imaging diagnosis, electronic throttle
body, PWM control.

I.INTRODUCCIÓN

La importancia
de la técnica de diagnóstico por imágenes en la industria automotriz permite
poner a prueba actuadores, sensores, y demás elementos electrónicos del
vehículo. Se basa en la aplicación de corriente alterna de intensidad baja en
el elemento que se va a comprobar; la circulación de esta corriente
referenciada a la masa del circuito permite graficar una imagen del
comportamiento en el desfase de la tensión y corriente según lo argumenta [1] [2] [3] [4].

Lo desarrollado en este trabajo permite utilizar
la técnica de diagnóstico por imágenes mediante el desarrollo de un banco de
comprobación para un cuerpo de aceleración electrónica y un pedal de acelerador
de un vehículo Chevrolet Silverado. Se utiliza un osciloscopio automotriz de
marca Hantek DSO1008A, se desarrolla un circuito que
replica el trazador de imágenes propuesto por [2],
una fuente de 12V y 5V, un módulo de encendido para el accionamiento del motor
eléctrico del cuerpo de aceleración y una computadora de escritorio con todos
sus componentes, entre otros elementos de conexión.

El análisis realizado permite determinar el
estado funcional de los sensores integrados en el pedal y en el cuerpo de
aceleración mediante la caracterización de imágenes con el afán de establecer
unas gráficas de referencias que sirvan de comparativa para un diagnóstico
futuro sobre estos sistemas.

II.MATERIALES Y MÉTODOS

En el presente
trabajo se utiliza una metodología de tipo analítica experimental mediante el
desarrollo de un banco de comprobación para sistemas de aceleración
electrónicos utilizando la técnica de diagnóstico por imágenes de acuerdo con
lo propuesto en [1] [2] [3] [4] [5].

Se realiza un análisis funcional del sistema de
aceleración electrónica de un vehículo Chevrolet Silverado en cuanto al pedal y
aleta de aceleración electrónica, mediante la caracterización del
comportamiento de los sensores y motor eléctrico internos utilizando la técnica
de diagnóstico por imágenes.

Este método consiste en introducir al componente o
circuito a diagnosticar una corriente alterna de muy bajo valor según se
argumenta en [1], donde la
circulación de esta corriente, referenciada a la masa del circuito, traza una
imagen del comportamiento de los componentes electrónicos en análisis y se
identifica como patrón del comportamiento electrónico. [6]

La imagen
generada, de acuerdo con [1], está vinculada al desfasaje entre la onda de
tensión y la onda de corriente que circula en el componente. La captura de la
señal se puede realizar en cualquier parte del componente o circuito y también
en los pines de entrada y salida, ya sea en los sensores o el motor eléctrico
que mueve la aleta de aceleración.

En el sistema de aceleración electrónico se
realizaron mediciones de voltaje en las señales de los 2 sensores de posición
denominados como Throttle
Position Sensor (TPS1 y TPS2), esto cuando el ciclo de trabajo de una
señal de ancho de pulso modulado (Pulse Width Modulation - PWM) se incrementa progresivamente,
permitiendo la apertura de la aleta y la consecuente variación en la señal de
los sensores de posición de ésta. Para controlar el consumo de corriente del
motor eléctrico y realizar un acoplamiento entre la señal del control PWM y el
motor eléctrico, se utiliza un módulo de encendido denominado por [7] como módulo de
ignición de alta energía – High Energy Ignition -
(HEI). Estos módulos normalmente son utilizados en sistemas de encendido en la
marca General Motors (GM) y su configuración es de 4 pines.

Se generan imágenes de
estos componentes que se encuentran en estado funcional óptimo, ya que se
realiza en un vehículo sin códigos de falla alguna en relación con este
sistema, y se implementan estos elementos en un banco de comprobación. Se
interpreta su estado funcional con base en la comparación de las señales de
referencia tomadas.

En [1] se establece que la
técnica permite tener una interpretación de los diferentes tipos de imágenes de
tal forma que el técnico determina la falla interna del circuito a analizar. El
sistema es aplicable al diagnóstico de módulos, componentes electrónicos del
automóvil, redes, sensores, actuadores, etc.

Para este proceso hay que considerar que la
generación de la imagen depende del tipo de circuito que esté bajo prueba [8]. Si el circuito es
interrumpido o no existe circulación de corriente el resultado será una línea
horizontal, o por lo contrario, si el componente bajo prueba
presenta un cortocircuito la línea es vertical según lo que argumenta [3].

El circuito abierto se muestra en la Fig. 1, que
tiene una resistencia infinita por lo tanto es una línea horizontal, puesto que
la corriente es siempre cero independientemente del voltaje aplicado según lo
explica [2]. Bajo estos
criterios sería despreciable la escala de tensión y corriente que se muestra en
la figura 1, siendo importante más bien el patrón generado en las pruebas que
se realice.

Fig. 1. Comportamiento del diagnóstico por imágenes para un circuito
abierto

Un cortocircuito es una línea vertical, debido a
que el flujo de corriente para cualquier tensión aplicada es infinito, se
representa por una línea vertical sobre el eje de corriente debido ya que no
existe voltaje en las puntas de prueba, esto se argumenta en [2]. Así mismo, la escala
de tensión y corriente al igual que el criterio explicado en el párrafo
anterior es despreciable ya que orienta a un patrón específico de
comportamiento, esto se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2. Comportamiento del diagnóstico por imágenes para un corto
circuito

El trazado de la curva para
un elemento resistivo resulta una línea inclinada. Esta forma se produce debido
a las ondas senoidales de intensidad y voltaje en la resistencia varían según
el grado de circulación de corriente en dependencia del valor de la resistencia
según explica [4]. Se entiende en
dependencia de la resistencia que se tendrá una determinada inclinación, y si
se analiza un patrón de cualquier componente no sería necesario considerar la
escala de tensión y corriente, sino más bien el patrón de la figura que genera
el componente bajo prueba ya que se puede comparar cuando este elemento tenga
falla, determinando fácilmente su desplazamiento angular y por ende su evidente
defecto. Esto se evidencia en la Fig. 3.

Fig. 3. Comportamiento del diagnóstico por imágenes para un elemento
resistivo

El trazo de la curva para un elemento capacitivo indica
una forma elíptica, esta forma se produce debido a un desfase que existe de 90
grados en la onda senoidal del voltaje con respectos a la onda senoidal de la
intensidad; el ancho de la forma elíptica indicará el valor capacitivo de
acuerdo con [4]. Se muestra en la
Fig. 4.

Fig. 4. Comportamiento del diagnóstico por imágenes para un elemento
capacitivo. Fuente: [4]

El trazado de curva según lo explica [4] para un elemento
semiconductor (diodo) indica una forma de L como se observa en la Fig. 5 en a)
y para el caso de un diodo Zener se observa una forma de dos L invertidas en
b). Se muestra en la figura 5

a)
(b)

Fig. 5. Imágenes para elementos semiconductor. a) Diodo, b) Diodo Zener.
Fuente: [4]

Dependiendo del fabricante, el pedal del acelerador
cuenta con dos o tres sensores que miden la posición ya sea del pedal o del
cuerpo de aceleración. Al presionar el pedal, se envía una señal analógica a la
computadora de motor, la cual interpreta la solicitud del conductor y ordena al
cuerpo de aceleración la apertura de la mariposa, en función del requerimiento
y de las condiciones de desempeño del vehículo [9].
Fabricantes como General Motors (GM) y Ford utilizan hasta tres sensores para
la verificación de la posición exacta del pedal.  El pedal y cuerpo de aceleración en estudio
consta de dos sensores de posición interna, a los cuales se les conoce con la
nomenclatura Accelerator Pedal Position (APP1 y APP2); estos sensores sirven
para el monitoreo de la posición exacta del pedal según [9]
y (TPS1, TPS2) para los sensores de posición de aleta de aceleración.

III.RESULTADOS

La construcción del
circuito se realiza de acuerdo con lo que se establece en la metodología. El
circuito que se sugiere en [2]
y[10]￼ es adaptado para el estudio y replica el proceso de diagnóstico por
imágenes, con una adaptación que permite el uso de un osciloscopio normal de la
marca Hantek 1008C
según sugieren[11]￼[12]￼. Para la fuente de corriente alterna se utiliza un
transformador de 120Voltios de Corriente Alterna (VAC) a 12VAC, el cual se
muestra en la Fig. 6.

Fig. 6. Diagrama de trazador de imágenes

Fuente:
Adaptado de [2]

El procedimiento
de construcción requiere la adquisición de los componentes y materiales para su
fabricación, tales como estaño, cautín, pasta de soldar, placa perforada, conos
banana, el transformador de corriente, resistencia de 1Kohm y potenciómetro de
10KOhm. Se ubican los componentes en una caja donde se podrá manipular y
realizar las pruebas con la técnica desarrollada, lo cual se muestra en la Fig.
7.

Fig. 7. Trazador de imágenes desarrollado

La configuración del pedal
se muestra en la Fig. 8 en la forma de la disposición de sus pines. Estos pines
de izquierda a derecha en vista frontal del conector llevan +5V de alimentación
para los dos sensores de posición, una señal del primer sensor de posición de
la aleta y a continuación una masa. El cuarto pin dispone una masa para el
segundo sensor, y a continuación la señal del segundo sensor de posición de la
aleta de aceleración. Finalmente, en el pin seis existe la alimentación de +5V
para el segundo sensor de posición.

Fig. 8. Disposición de pines del pedal electrónico

La configuración del cuerpo
de aceleración electrónico se muestra en la Fig. 9 en forma de la disposición
de pines; éstos, de izquierda a derecha en vista frontal del conector llevan
una alimentación de +5V del TPS2, una señal del primer sensor de posición de la
aleta y a continuación otra señal del segundo sensor de posición; el cuarto pin
corresponde a una masa del TPS1. En la fila inferior, en el primer pin, se
identifica una masa del TPS2, y seguidamente el pin de control del motor eléctrico
del cuerpo de aceleración, el pin de alimentación de +5V del TPS1 y el último
nuevamente el pin de control del motor.

Fig. 9. Disposición de pines del cuerpo de aceleración

Se mide las señales de los
sensores utilizando una técnica convencional de diagnóstico mediante el
osciloscopio en las diferentes aperturas aproximadas al 25%, 50%, 75%, 100% de
control PWM aplicado para las señales de TPS y de movimiento del pedal para las
señales APP. Se identifica la variación de voltaje en dicha señal. Como ejemplo
se muestra la señal del pedal APP1 ascendente al 25% de apertura que inicia con
un valor de 0,84 voltios, lo cual se muestra en la Fig. 10. La escala de la
figura capturada por el osciloscopio muestra en el eje X el tiempo en una
escala de 500ms por división y en el eje Y una escala de Tensión (V).

Fig. 10 Accionamiento del pedal al 25%

Se nota que el
potenciómetro se encuentra completamente funcional debido a que no presenta
ninguna deformación ni entrecorte a lo largo del desplazamiento del pedal,
desde la posición de reposo hasta el desplazamiento total. Sucede lo mismo con
las señales de los otros sensores de posición analizados tanto en el pedal como
en el cuerpo de aceleración.

Los resultados, aplicando
el método de diagnóstico por imágenes obtenidos al pedal de aceleración señal
del APP1 entre los pines dos (señal) y tres (masa), se muestran en la Fig. 11.
La pendiente de la recta que se obtiene dependerá directamente del valor de
resistencia eléctrica del sensor, por lo que con la apertura del 25% aplicado
se obtiene siempre este patrón de imagen, teniendo un valor específico para
esta prueba. Siendo así, no es necesario tener la escala en los ejes XY sino
más bien el patrón para que de esta forma, cuando se compare con otro componente
de las mismas características, se pueda valorar el elemento solo con el patrón
de la imagen obtenida más no con su comportamiento de tensión y corriente. De
esta forma, la técnica de diagnóstico por imágenes permite tener una base de
datos de múltiples componentes en condiciones de operación específicas para que
se pueda comparar elementos con sospecha de fallo.

Fig. 11. Señal APP1 pines 2 y 3 utilizando la
técnica de diagnóstico por imágenes

Los resultados aplicando la
técnica de diagnóstico por imágenes al tomar las muestras en el sensor de
posición TPS1 con un 25% de PWM se identifican en la Fig. 12. La figura
obtenida corresponde con una resistencia y ésta varía en función de la apertura
de la aleta. Se obtiene el mismo comportamiento en ambos sensores.

Fig. 12. Figura por medio de diagnóstico por imágenes en el sensor

TPS 1

El proceso de diagnóstico
por imagen empleando el trazador de curvas tiene limitaciones en la
visualización de imágenes en circuitos donde la resistencia es muy baja o alta.
Las pruebas efectuadas en el motor eléctrico del cuerpo de aceleración muestran
un valor muy cercano a un cortocircuito, ya que su resistencia se encuentra en
valores cercanos a 3ohmios. Se recomienda caracterizar su comportamiento con el
ajuste que se puede realizar por medio del potenciómetro del trazador
implementado. Éste permite un ajuste para una visualización más adecuada; sin
embargo, se debe contrastar con métodos tradicionales de diagnóstico como un
multímetro donde se puede determinar de forma exacta su resistencia o la
medición de corriente del motor por medio de una pinza amperimétrica. En el
cuerpo de aceleración en estudio se determina un valor de 3ohmios de
resistencia eléctrica.

IV.CONCLUSIONES

El control PWM desarrollado se mantiene a una frecuencia fija de 1Khz y se
varía el ancho de pulso para llegar a obtener el rango de apertura de la aleta.
Se determina que se encuentra entre el 55% al 75% para una apertura total de
aleta bajo estas condiciones de operación en las pruebas realizadas. Con esto,
la aleta de aceleración electrónica puede ser operada para su total apertura
permitiendo aplicar la técnica de diagnóstico por imágenes y caracterizando su
comportamiento.

Se registra la figura
típica de una resistencia eléctrica en los sensores TPS y APP utilizando la
técnica de diagnóstico por imágenes; esto según lo descrito en la metodología
donde la variación de dicha resistencia se encuentra en función de la posición
de la aleta o pedal; sin embargo, es de notar que aplicando esta metodología no
es necesario establecer los valores típicos punto a punto para determinar un
cambio de señal, como se realiza con la técnica convencional mediante el
osciloscopio; más bien, al variar la posición de cualquier sensor, éste
simplemente registra un cambio en la pendiente de dicha gráfica y es más
sencillo identificar si existe algún problema en la pista resistiva de los
elementos en análisis, siendo subjetiva la escala de tensión – corriente de la
técnica utilizada. Sumado a la ventaja de no necesitar alimentación para su
comprobación y por consecuente no necesitar el vehículo para su respectivo
análisis por técnicas convencionales de diagnosis, simplifica efectivamente el
proceso para definir el recambio del componente con el uso de esta metodología,
ya que se puede establecer un banco de patrones de distintos componentes.

RECONOCIMIENTOS

Este trabajo ha sido financiado
parcialmente por el Proyecto de Investigación denominado “Desarrollo de un
laboratorio didáctico para la evaluación funcional de sistemas de aceleración
electrónicos automotrices en el Instituto Superior Tecnológico Luis Rogerio
González, utilizando la técnica de diagnóstico por imágenes”.

REFERENCIAS

[1]       F. Augeri,
“Cise Electronic,” Feb. 08, 2015. [Online].
Available: http://www.cise.com/portal/notas-tecnicas/item/757-diagn%C3%B3stico-por-im%C3%A1genes.html?tmpl=component&print=1

[2]
G. Erazo, L.
Murillo and E. Guangaje, “Diagnóstico por Imagen del
Sistema de Control Electrónico de Inyección Diésel Riel Común CRDI,” Quito:
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, 2016.

[3]
J. P.
Peñafiel, “Diseño de manual para diagnóstico por imágenes de circuitos
electrónicos automotrices a través del software Fados,” Guayaquil: Universidad
Internacional del Ecuador, 2017.

[4]
E. cajas and
A. Cevallos, “Diseño e implementación de un software para la detección de
fallos en los sistemas electrónicos del vehículo, aplicando la técnica de
diagnóstico por imagen.,” Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana., 2017.

[5]       R. Bosch, “Sistema EGAS,” Bosch,
Jul. 17, 2018. [Online]. Available: http://br.bosch-automotive.com/es/internet/parts/parts_and_accessories_2/motor_and_sytems/benzin/more_sensors/sistema_egas_pedal_acelerador_eletronico/sistema_egas__pedal_acelerador_eletronico.html

[6]       J. L. Orozco, “Sistema de Encendido Electrónico,”
México: Electrónica y Servicio., 2014.

[7]
F. Figueroa,
“Circuitos para armar,” Jul. 25, 2017. [Online]. Available: https://sensoricx.com/circuitos-para-armar/reto-del-dia-construye-este-trazador-de-curvas/

[8]
R. A.
Arrieta, “Autosoporte,” Nov. 15, 2016. [Online]. Available: https://www.autosoporte.com/index.php/blog-automotriz/item/471-conoce-el-sistema-de-aceleracion-electronico

[9]       M. Laloa, “Implementación de
un banco de pruebas para la unidad de control electrónico de vehículos con
sistemas de inyección electrónica para la Escuela de Ingeniería Automotriz,”
Riobamba: Escuela Superior Politécnica De Chimborazo, 2012.

[10]     R. Núñez, “Diagnóstico Por Imágenes Del Sistema De
Inyección Electrónico,” Guayaquil: Universidad Internacional Del Ecuador, 2018.