ABS: Anti-lock Braking Sistem
Sommario
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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.
•ABS
è uno
dei primi
sistemi
di
• Adattarsi rapidamente alle variazioni di
sicurezza
attiva sulle vetture.
aderenza (ad esempio asfalto asciutto con
tratti bagnati).
•Standard
1978
• Garantire la direzionalità e una
decelerazione
ottimale del veicolo anche in
•Leader
BOSCH
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: 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
ABS 8 modulare
forniti da Bosch
Nasce ABS 5.3
100.000 sistemi ABS forniti
Dopo 25 anni Bosch ha
venduto 118 milioni di pezzi
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
Centralina ibrida 5.3
ABS 5.0(1993) vs ABS 5.3
1978 1981 1986 1988 1992 1995 2001 2003 2006
ABS: Anti-lock Braking System
Evoluzione ABS
Sistema
Evoluzione
di sicurezza
in 25 anni:
di
grande utilità, tanto da
• -75% circa del peso
diventare obbligatorio
sulle
•maggiore
auto in integrazione
produzione
dal
dei2004
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
SIGNAL
CONDITIONING
FAILSAFE
µCONTROLLER
FAILSAFE
SWITCH
DRIVER
D.C.
MOTOR
FLUID
RESERVOIR
Powertrain
Bus
MAIN
µCONTROLLER
DRIVER
System
Power
CAN
PHYSICAL
INTERFACE
Fault
Indicator
ECV
Electronically
Controlled Valves
(Solenoids)
Sensori
TEMPERATURE RANGE: -40 +130°C
TOLLERANTI ALLE VIBRAZIONI
ABS: Anti-lock Braking System
Interfaccia
E’
l’unitàfunzioni
che
verso
neldicaso
gliwatchdog
di
Svolge
E’
il
cuore
del
sistema.
malfunzionamento
attuatori
rilevato
(ottimizzato)
da
FµC disconnette
Gestisce
Si
occupa
ladella
connessione
conversione
Microcontrollore
cheedel con
Interpreta
i
comandi
µC
con
istruzioni
8presenti
biti
preserva
gliper
attuatori
gli
dei
altri
segnali
dispositivi
sul
elabora
i dati
e renderli
pilota
MµC e pilota
valvole
e
veicolo
disponibili
attraverso
alattuatori
microcontrollore
la rete
driver
Integra
componenti
pompadegli
di
ogni
ruotaanaloghe
CAN
(Controller Area
al
MµC
(ad
es. frequenza/tensione)
µC
istruzioni
Network) 16 bit
Deve
garantire il
Integra:
Si
tratta
tipicamente
di un
contenimento
del guasto:
tranceiver
convertitori A/D, EEProm
ha
alimentazione
Dati,
generatori diseparata,
clock e
timer,
seriale,
pilota ilinterfaccia
failsafe switch
moduli PWM
programmabili e modulo
CAN 2.0 A e B
compatibile.
Convertitori A/D
Modulo CAN
Interfaccia Seriale
Modulo PWM
ABS: Anti-lock Braking System
Main Microcontroller
Motorola 68HC12D60
EEProm Dati
Power
ABS: Anti-lock Braking System
Failsafe Microcontroller
Motorola 68HC08AZ32
Memorie
Proprietà fondamentali:
•funzionalità di protezione/compatibilità con µC
•Capacità di lavorare a tensioni elevate (0,3–45V)
ABS: Anti-lock Braking System
DRIVER MC33186
La logica di controllo interpreta i
segnali provenienti dal MµC
secondo una True Table
predefinita dal costruttore del
componente
Integrato/supervisiona la
CPU ed esegue se
necessario un HW reset.
Sempre attivo tranne
all’inizializzazione del chip
Stm
E’ presente un registro di
reset per verificare l’origine
del comando di restart.
CPU 40 Mhz
with DSP function
ASIC10KB
solution
memoria
RAM remain the owners of
In oureXtension
concept customers
their IC architecture, having the capability to
define and drive their products autonomously,
gaining the full control of product differentiation
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ABS: Anti-lock Braking System
ST10F269
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
• Non è possibile (economicamente) misurare le forze
chemantenere
il pneumatico
trasmette
a terra,
quindi
la la
chiuse per
la pressione
nel circuito
idraulico.
Si osserva
dello scorrimento.
grandezza principale che si vuole controllare nonstima
è misurabile.
Stato 2:
• Lo scorrimento non è misurabile. Infatti la velocità
dell’auto si ricava tramite quella delle ruote le quali
(Valvola Inlet= CHIUSA, Valvola exhaust=APERTA, Pompa=OFF)
però sono soggette allo scorrimento che si vuole Lo
misurare...
può èstimare
lo la
scorrimento
scorrimentoSi
stimato
sceso sotto
soglia impostata (0.15).
L’ABS
entra
effettivamente
in
funzione
riducendo
la pressione sui freni
determinando la velocità dell’auto tramite accelerometri.
per lavorare nell’intorno dello scorrimento ottimale.
• Anche stimando lo scorrimento non si conosce ilStato
valore
di scorrimento ottimale perchè dipende dallo
3:
(Valvola
Inlet=CHIUSA, Valvola exhaust=CHIUSA, Pompa=OFF)
stato del fondo stradale (asciutto, bagnato, ghiaccio,
neve,...).
L’accelerazione della ruota è salita sopra la soglia a1. Le valvole vengono
• Non è disponibile un sensore di pressione. La forza
sulle pastiglie dei freni non è dunque controllabile
chiuse per mantenere la pressione nel circuito idraulico.
con una retroazione.
Stato 4:
(Valvola di
Inlet=
CHIUSA, dell’ABS
Valvola exhaust=
CHIUSA, Pompa=OFF)
• La grandezza misurabile fondamentale nella strategia
controllo
è la velocità
delle ruote.
L’accelerazione della ruota è salita sopra la soglia a2. Le valvole
Altre grandezze (come lo scorrimento) sono stimate
mediante
tipicamente
rimangono
chiusealgoritmi
per mantenere
la pressioneeuristici.
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.
Stato 2:
(Valvola Inlet= CHIUSA, Valvola exhaust=APERTA, Pompa=OFF)
L’accelerazione della ruota è scesa ancora sotto la soglia a1. Il ciclo 2-34-6-5-2-... ricomincia da capo.
ABS: Anti-lock Braking System
Sviluppi futuri: by wire
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•
•
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