Caratterizzazione di valvole per il controllo della frenatura attiva di autoveicoli

L’articolo è rivolto alla caratterizzazione dei gruppi valvolari di impianti oleodinamici progettati per sistemi frenanti di veicoli passeggeri e all’impiego di tali caratteristiche per l’impostazione di strategie di controllo.

I gruppi valvolari sono componenti essenziali per il funzionamento di sistemi di frenatura attiva, rivolti alla prevenzione del bloccaggio di una ruota (ABS), al controllo della dinamica del veicolo (ESC), a sistemi ADAS. Si tratta di sistemi obbligatori sugli autoveicoli, o che lo diventeranno, la cui conoscenza di dettaglio è essenziale per progettare una strategia di controllo della pressione che assicuri un desiderato comportamento del veicolo sia in termini di prestazioni dinamiche, principalmente in ottica sicurezza, sia di comfort. La logica di controllo di basso livello, su cui si focalizza il presente lavoro in termini di esemplificazione di risultati sperimentali ottenibili, è costituita da un controllore in retroazione, di tipologia proporzionale-integrativo (PI), e in anello aperto, di tipologia Feed-Forward (FF). La validazione sperimentale si vale di un banco di prova di frenatura Hardware-In-the-Loop (HIL) disponibile presso il Laboratorio di Meccanica del veicolo e ADAS del Politecnico di Torino. I risultati ottenuti dimostrano che strategie di controllo innovative del gruppo valvolare possono essere applicate a sistemi di frenatura convenzionali per raggiungere obiettivi che, insieme a quelli essenziali di frenata, possono rivolgersi anche al comfort o a pre- stazioni nell’ambito del rumore e delle vibrazioni (NVH).

Analisi del circuito elettroidraulico

La Figura 1 mostra uno schema di un tipico circuito frenante elettroidraulico finalizzato alla realizzazione di un sistema ABS. Il puntale di comando della pompa doppia (TMC) viene azionato dal guidatore, agendo sul pedale del freno, attraverso un servofreno non rappresentato in figura. Il comando determina l’incremento delle pressioni all’interno delle due camere del TMC.

Le elettrovalvole, sempre presenti nei sistemi di frenatura attiva (ABS, ESC…), possono controllare la portata d’olio e, di conseguenza, la pressione delle pinze freno durante le manovre di frenata, in generale finalizzate all’ottenimento della prestazione dinamica desiderata. Le valvole di alimentazione delle pinze freno, normalmente aperte, lasciano passare l’olio per aumentare la pressione, mentre le valvole di scarico, normalmente chiuse, vengono attivate insieme ad una motopompa (MP) per la riduzione della pressione. La presenza di un accumulatore a molla (SA) fornisce un valore di pressione di riferimento alla via di aspirazione della motopompa.

Secondo gli obiettivi esposti nel sommario, occorre anzitutto caratterizzare sperimentalmente il comportamento dinamico della pressione all’interno di una pinza freno conseguente all’azione di controllo. Quest’ultima è eseguita applicando la tecnica della modulazione in larghezza di impulso (PWM) al comando delle valvole di alimentazione e di scarico di una pinza freno. Si considera come condizione operativa che il puntale di comando della pompa doppia (TMC) venga spinto fino a quando le pressioni nelle sue camere raggiungono un livello di pressione desiderato e che le elettrovalvole di alimentazione e di scarico delle pinze freno siano alternativamente comandate, rispettivamente, per aumentare o diminuire la pressione di frenatura. La motopompa MP si attiva solo quando le valvole di scarico ricevono un comando.

Nella descrizione che segue si analizza un solo ramo del circuito, senza alcuna perdita di generalità poiché la stessa procedura può essere replicata per le altre pinze. Considerando una pinza, due portate ne influenzano la dinamica della pressione: QIn, portata in alimentazione, regolata dalla corrispondente valvola QOut, portata in scarico, regolata dalla corrispondente valvola e dall’azionamento della MP.

Le portate delle valvole di alimentazione e scarico sono espresse dalle equazioni:

dove cq è il coefficiente di portata, AIn e AOut sono la sezione di passaggio della portata corrispondente alle valvole di alimentazione e scarico, pb la pressione nella pinza freno, p1 la pressione nel TMC, pa la pressione dell’accumulatore a molla e ρ la densità dell’olio. Le sezioni di passaggio effettivo della portata AIn e AOut sono controllate applicando un comando digitale UIn o UOut a ciascuna valvola. Ogni pinza freno è una camera chiusa, il cui comportamento dinamico della pressione pb è descritto da:

dove β è il bulk modulus dell’olio e V il volume del cilindro del freno. Il bulk modulus, come tutti i parametri legati alla viscosità dell’olio frenante, è di difficile misura e richiede opportune metodologie di stima [1].

Come anticipato, la modalità di comando scelta è la modulazione in larghezza di impulso (PWM) a frequenza costante e Duty Cycle (DC) variabile. Questa soluzione permette di avere un controllo sostanzialmente continuo delle portate in alimentazione e in scarico della pinza freno:

dove ∆In = p1-pb è la diminuzione di pressione attraverso la valvola di alimentazione e ∆Out = pb – pa è quella attraverso la valvola di scarico, approssimata a ∆Out ≈ pb, come riportato in [2,3,4]. Poiché fIn e fOut sono funzioni non lineari e alcuni parametri (cq, ρ, β) non sono costanti e non sono agevolmente identificabili, l’effetto della regolazione del Duty Cycle del PWM sulla pressione pb nella pinza freno è caratterizzato sperimentalmente, come spiegato nella sezione seguente.

 

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