ABS: Anti-lock Braking Sistem

ABS: Anti-lock Braking System Sommario Introduzione: storia del sistema ABS Struttura/Analisi del sistema Principi del controllo Futura evoluzione del sistema ABS: Anti-lock Braking System

Introduzione: storia del sistema ABS Requisiti ABS: Ottimizzare l’efficienza della frenata, mantenendo la possibilità di sterzare il veicolo minimizzando lo spazio di arresto. • Adattarsi rapidamente alle variazioni di aderenza (ad esempio asfalto asciutto con tratti bagnati). • Garantire la direzionalità e una decelerazione ottimale del veicolo anche in caso di superfici sconnesse. • Garantire la direzionalità e la stabilità del veicolo nel caso di frenata in curva. • Riconoscere e rispondere al fenomeno dell’acquaplaning. • Adattarsi all’isteresi del freno e all’influenza del freno motore. • Evitare fenomeni di risonanza (come beccheggio,...). • Disattivarsi in caso di malfunzionamento. ABS è uno dei primi sistemi di sicurezza attiva sulle vetture. Standard 1978 Leader BOSCH ABS: Anti-lock Braking System

Introduzione: storia del sistema ABS ABS 2E l’unità di controllo è integrata con l‘unità idraulica 10.000.000 di unità vendute da Bosch 1.000.000 di sistemi ABS forniti da Bosch ABS 8 modulare Nasce ABS 5.3 Centralina ibrida 5.3 ABS 5.0(1993) vs ABS 5.3 Dopo 25 anni Bosch ha venduto 118 milioni di pezzi 100.000 sistemi ABS forniti ABS montato sui veicoli commerciali ABS 8.1 riduce del 20% ingombro e peso rispetto alla 8.0 ABS 2E della Bosch è disponibile come optional sulla Mercedes Benz classe S e poco dopo sulla BMW serie 7 1978 1981 1986 1988 1992 1995 2001 2003 2006 ABS: Anti-lock Braking System

ABS: Anti-lock Braking System Evoluzione ABS Sistema di sicurezza di grande utilità, tanto da diventare obbligatorio sulle auto in produzione dal 2004 Evoluzione in 25 anni: -75% circa del peso maggiore integrazione dei componenti aumento della memoria ABS 8.1 (febbraio 2006) riduce del 20% peso e ingombro (~1,3 Kg) ABS: Anti-lock Braking System

Struttura/Analisi del sistema Accanto alla classica unità idraulica abbiamo una unità di controllo idraulica (HCU) con l’unità di controllo elettronica (ECU) che ne coordina le strategie di funzionamento ABS: Anti-lock Braking System

ECU: Electronic Control Unit PHYSICAL INTERFACE CAN MAIN µCONTROLLER FAILSAFE DRIVER SWITCH D.C. MOTOR FLUID RESERVOIR SIGNAL CONDITIONING Sensori Powertrain Bus System Power Fault Indicator ECV Electronically Controlled Valves (Solenoids) Interfaccia verso gli attuatori Interpreta i comandi del MµC e pilota valvole e pompa di ogni ruota E’ l’unità che nel caso di malfunzionamento rilevato da FµC disconnette e preserva gli attuatori Svolge funzioni di watchdog (ottimizzato) µC con istruzioni 8 bit Integra componenti analoghe al MµC Deve garantire il contenimento del guasto: ha alimentazione separata, pilota il failsafe switch E’ il cuore del sistema. Microcontrollore che elabora i dati e pilota i driver degli attuatori µC istruzioni 16 bit Integra: convertitori A/D, EEProm Dati, generatori di clock e timer, interfaccia seriale, moduli PWM programmabili e modulo CAN 2.0 A e B compatibile. Gestisce la connessione con gli altri dispositivi presenti sul veicolo attraverso la rete CAN (Controller Area Network) Si tratta tipicamente di un tranceiver Si occupa della conversione dei segnali per renderli disponibili al microcontrollore (ad es. frequenza/tensione) TEMPERATURE RANGE: -40 +130°C TOLLERANTI ALLE VIBRAZIONI ABS: Anti-lock Braking System

Main Microcontroller Motorola 68HC12D60 Convertitori A/D EEProm Dati Interfaccia Seriale Main Microcontroller Motorola 68HC12D60 Modulo CAN Modulo PWM ABS: Anti-lock Braking System

Failsafe Microcontroller Motorola 68HC08AZ32 Memorie Failsafe Microcontroller Motorola 68HC08AZ32 Power ABS: Anti-lock Braking System

ABS: Anti-lock Braking System La logica di controllo interpreta i segnali provenienti dal MµC secondo una True Table predefinita dal costruttore del componente DRIVER MC33186 Proprietà fondamentali: funzionalità di protezione/compatibilità con µC Capacità di lavorare a tensioni elevate (0,3–45V) ABS: Anti-lock Braking System

ABS: Anti-lock Braking System Integrato/supervisiona la CPU ed esegue se necessario un HW reset. Sempre attivo tranne all’inizializzazione del chip E’ presente un registro di reset per verificare l’origine del comando di restart. ST10F269 Stm CPU 40 Mhz with DSP function ASIC solution In our concept customers remain the owners of their IC architecture, having the capability to define and drive their products autonomously, gaining the full control of product differentiation versus competition. ST's semicustom organization structure focusses on getting your product into volume production in the shortest possible time. www.stm.com 10KB memoria eXtension RAM ABS: Anti-lock Braking System

HCU: unità di controllo idraulica Valvola inlet: permette di isolare il cilindro principale dal cilindro ruota in modo da mantenere o aumentare la pressione sulle pastiglie. Valvola exhaust: permette di ridurre la pressione sulle pastiglie. Scarica olio verso il serbatoio o accumulatore. Pompa: permette di aumentare la pressione sulle pastiglie. Preleva olio dall’accumulatore. Serbatoio o Accumulatore: Riserva di olio per il circuito idraulico. ABS: Anti-lock Braking System

Principi del controllo Stato 0: (Valvola Inlet=APERTA, Valvola exhaust=CHIUSA, Pompa=OFF) Frenata in condizioni normali, l’ABS non entra in funzione. Stato 1: (Valvola Inlet=CHIUSA, Valvola exhaust=CHIUSA, Pompa=OFF) L’accelerazione della ruota è scesa sotto la soglia a1. Le valvole vengono chiuse per mantenere la pressione nel circuito idraulico. Si osserva la stima dello scorrimento. Stato 2: (Valvola Inlet= CHIUSA, Valvola exhaust=APERTA, Pompa=OFF) Lo scorrimento stimato è sceso sotto la soglia impostata (0.15). L’ABS entra effettivamente in funzione riducendo la pressione sui freni per lavorare nell’intorno dello scorrimento ottimale. Stato 3: L’accelerazione della ruota è salita sopra la soglia a1. Le valvole vengono chiuse per mantenere la pressione nel circuito idraulico. Stato 4: (Valvola Inlet= CHIUSA, Valvola exhaust= CHIUSA, Pompa=OFF) L’accelerazione della ruota è salita sopra la soglia a2. Le valvole rimangono chiuse per mantenere la pressione nel circuito idraulico. Stato 6: (Valvola Inlet=APERTA, Valvola exhaust=CHIUSA, Pompa=ON) L’accelerazione della ruota è salita sopra la soglia a3. La decelerazione della ruota è troppo bassa (la ruota accelera!) quindi si attiva la pompa e si azionano le valvole per aumentare la pressione sui freni. Stato 5: (Valvola Inlet= APERTA 50%, V. exhaust=CHIUSA, Pompa=ON) L’accelerazione della ruota è scesa sotto la soglia a3. La pressione nel circuito idraulico viene fatta aumentare gradualmente. L’accelerazione della ruota è scesa ancora sotto la soglia a1. Il ciclo 2-3-4-6-5-2-... ricomincia da capo. Non è possibile (economicamente) misurare le forze che il pneumatico trasmette a terra, quindi la grandezza principale che si vuole controllare non è misurabile. Lo scorrimento non è misurabile. Infatti la velocità dell’auto si ricava tramite quella delle ruote le quali però sono soggette allo scorrimento che si vuole misurare... Si può stimare lo scorrimento determinando la velocità dell’auto tramite accelerometri. Anche stimando lo scorrimento non si conosce il valore di scorrimento ottimale perchè dipende dallo stato del fondo stradale (asciutto, bagnato, ghiaccio, neve,...). • Non è disponibile un sensore di pressione. La forza sulle pastiglie dei freni non è dunque controllabile con una retroazione. La grandezza misurabile fondamentale nella strategia di controllo dell’ABS è la velocità delle ruote. Altre grandezze (come lo scorrimento) sono stimate mediante algoritmi tipicamente euristici. ABS: Anti-lock Braking System

Sviluppi futuri: by wire Oggi ABS con EBD (Electronic Brake Distribution) Domani EHB (Electro-Hydraulic Braking): il sistema idraulico sarà utilizzato solo come backup nel caso di guasto di quello elettronico Futuro EMB Electro-Mechanical Breaking (Brake-by-wire): un sistema meccatronico “secco”. Vantaggi: flessibilità nell’integrazione con altri sistemi/nel piazzamento ingombro ridotto (non si avrà più l’intero sistema idraulico) riduzione del peso del veicolo… Svantaggi: totale fault tolerance (aspetto di primaria importanza nel progetto) costi competitivi, per rimpiazzare le tecnologie che sono ormai assodate e cost-effective gestione di nuovi livelli di tensione/corrente: per fermare un SUV i sistemi EMB richiedono correnti elevate ABS: Anti-lock Braking System