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

•ABS è uno dei primi sistemi di sicurezza attiva sulle vetture.

•Standard 1978

•Leader BOSCH

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.

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Centralina ibrida 5.3

Introduzione: storia del sistema ABS

1978 1981 1986 1988 1992 1995 2001 2003 2006

ABS 2E della Bosch è disponibile come optional sulla Mercedes Benz classe S e poco dopo sulla BMW serie 7

100.000 sistemi ABS forniti

ABS montato sui veicoli commerciali

1.000.000 di sistemi ABS forniti da Bosch

ABS 2E l’unità di controllo è integrata con l‘unità idraulica

10.000.000 di unità vendute da Bosch

Nasce ABS 5.3

ABS 8 modulare

Dopo 25 anni Bosch ha venduto 118 milioni di pezzi

ABS 8.1 riduce del 20% ingombro e peso rispetto alla 8.0

ABS 5.0(1993) vs ABS 5.3

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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)

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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

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

ECU: Electronic Control Unit

CANPHYSICAL

INTERFACE

MAINµCONTROLLER

FAILSAFEµCONTROLLER

DRIVER

FAILSAFESWITCH

D.C. MOTOR

FLUID

RESERVOIR

SIGNALCONDITIONING

Sensori

Powertrain Bus

SystemPower

FaultIndicator

ECVElectronically

Controlled Valves(Solenoids)

DRIVER

Si occupa della conversione dei segnali per renderli disponibili al microcontrollore

(ad es. frequenza/tensione)

E’ l’unità che nel caso di malfunzionamento rilevato da FµC disconnette e preserva gli attuatori

Interfaccia verso gli attuatori

Interpreta i comandi del MµC e pilota valvole e pompa di ogni ruota

TEMPERATURE RANGE: -40 +130°CTOLLERANTI ALLE VIBRAZIONI

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Main

Mic

rocon

troller

M

oto

rola

68

HC

12

D6

0

Modulo CANModulo CAN

Convertitori A/DConvertitori A/D

Modulo PWMModulo PWMInterfaccia SerialeInterfaccia Seriale

EEProm DatiEEProm Dati

ABS: Anti-lock Braking System

Failsafe

Mic

rocon

troller

M

oto

rola

68

HC

08

AZ

32

PowerPower

MemorieMemorie

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DR

IVER

MC

33

18

6

La logica di controllo interpreta i segnali provenienti dal MµC secondo una True Table predefinita dal costruttore del componente

Proprietà fondamentali:

•funzionalità di protezione/compatibilità con µC

•Capacità di lavorare a tensioni elevate (0,3–45V)

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Stm

ST10F269

Integrato/supervisiona la Integrato/supervisiona la CPU ed esegue se CPU ed esegue se necessario un HW reset.necessario un HW reset.

Sempre attivo tranne Sempre attivo tranne all’inizializzazione del chipall’inizializzazione del chip

E’ presente un registro di E’ presente un registro di reset per verificare l’origine reset per verificare l’origine del comando di restartdel comando di restart..

10KB memoria10KB memoria eXtension RAM eXtension RAM

CPU 40 MhzCPU 40 Mhzwith DSP functionwith DSP function

ASIC solutionASIC solution

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ABS: Anti-lock Braking System

HCU: unità di controllo idraulicaValvola 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.

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Principi del controllo• 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.

Stato 0: Stato 0: (Valvola Inlet=APERTA, Valvola exhaust=CHIUSA, Pompa=OFF)Frenata in condizioni normali, l’ABS non entra in funzione.Stato 1: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: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:Stato 3: (Valvola Inlet=CHIUSA, Valvola exhaust=CHIUSA, Pompa=OFF)L’accelerazione della ruota è salita sopra la soglia a1. Le valvole vengono chiuse per mantenere la pressione nel circuito idraulico.Stato 4: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: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: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.Stato 2:Stato 2: (Valvola Inlet= CHIUSA, Valvola exhaust=APERTA, Pompa=OFF)L’accelerazione della ruota è scesa ancora sotto la soglia a1. Il ciclo 2-3-4-6-5-2-... ricomincia da capo.

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