Hamulce przewodowe

W przemyśle motoryzacyjnym technologia brake-by-wire to możliwość elektrycznego sterowania hamulcami . Może być zaprojektowany jako uzupełnienie zwykłych hamulców roboczych lub może być samodzielnym układem hamulcowym.

Technologia ta jest szeroko stosowana we wszystkich pojazdach hybrydowych i elektrycznych, w tym w Toyocie Prius . Hamulec po przewodzie jest również powszechny w postaci elektrycznego hamulca postojowego , który jest obecnie szeroko stosowany w pojazdach głównego nurtu.

Technologia uzupełnia tradycyjne komponenty, takie jak pompy, węże, płyny, paski i serwomechanizmy próżniowe oraz pompy główne o elektroniczne czujniki i siłowniki. Technologia drive-by-wire w przemyśle motoryzacyjnym zastępuje tradycyjne mechaniczne i hydrauliczne systemy sterowania elektronicznymi systemami sterowania wykorzystującymi siłowniki elektromechaniczne i interfejsy człowiek-maszyna, takie jak emulatory pedałów i układu kierowniczego.

Niektóre technologie x-by-wire zostały już zainstalowane w pojazdach użytkowych, takie jak steer-by-wire i przepustnica-by-wire. Technologia hamulca po przewodzie została szeroko skomercjalizowana wraz z wprowadzeniem pojazdów elektrycznych na baterie i pojazdów hybrydowych. Najszerzej stosowane przez Toyotę zastosowanie w wysokonakładowym Priusie było poprzedzone GM EV1, Rav4 EV i innymi pojazdami elektrycznymi, w których technologia ta jest wymagana do hamowania rekuperacyjnego . Ford, General Motors i większość innych producentów stosuje ten sam ogólny projekt, z wyjątkiem Hondy, która zaprojektowała wyraźnie inny projekt.

Podczas gdy układy hamulcowe w tych pojazdach są wzmacniane elektromechanicznie i sterowane elektronicznie za pomocą pomp hydraulicznych, bezpieczeństwo wymaga posiadania redundantnej kopii zapasowej na wypadek awarii zasilania elektrycznego lub awarii sprzętu. Osiąga się to za pomocą mechanicznego połączenia między pedałem hamulca a pompą hamulcową. Jeśli zasilanie zostanie odłączone, układ hamulcowy będzie nadal działał hydraulicznie za pomocą pedału, ale bez wspomagania.

Pasażer i lekka ciężarówka

Brake-by-wire jest stosowany w większości popularnych pojazdów hybrydowych i elektrycznych produkowanych od 1998 roku, w tym we wszystkich modelach Toyoty, Forda i General Motors Electric i hybrydowych. Toyota Synergy Drive i Rav4 EV wykorzystują system, w którym zmodyfikowany siłownik ABS (układ przeciwblokujący) jest połączony ze specjalnym hydraulicznym głównym cylindrem hamulcowym, tworząc układ hydrauliczny połączony z jednostką sterującą hamulcami (komputerem). System Forda jest prawie identyczny z systemem Toyoty, a system General Motors używa innej nomenklatury dla komponentów, podczas gdy działanie jest praktycznie identyczne.

Siła hydrauliczna generowana przez naciśnięcie pedału hamulca jest wykorzystywana wyłącznie jako sygnał wejściowy czujnika do komputera, chyba że wystąpi poważna awaria, w tym utrata zasilania elektrycznego 12 V. Siłownik hamulca jest wyposażony w pompę elektryczną, która dostarcza ciśnienie hydrauliczne do układu, oraz zawory zwiększające ciśnienie w każdym zacisku koła w celu uruchomienia hamulca ciernego, gdy wymaga tego układ.

System obejmuje całą złożoność układu kontroli stabilności pojazdu (VSC), układu zapobiegającego blokowaniu się kół podczas hamowania (ABS) oraz wymaga zastosowania hamowania regeneracyjnego jako podstawowego trybu spowalniania pojazdu, chyba że akumulator trakcyjny (akumulator wysokonapięciowy) stan naładowania jest zbyt wysoki, aby przyjąć dodatkową energię lub system wykrył zatrzymanie napadowe lub sytuację ABS.

Czujniki monitorowane jako sygnały wejściowe dla układu hamulcowego obejmują czujniki prędkości kół, stan naładowania akumulatora trakcyjnego, czujnik odchylenia, pedał hamulca, czujnik skoku, kąt skrętu kierownicy, ciśnienie siłownika hydraulicznego, ciśnienie hydrauliczne każdego obwodu zacisku koła i położenie pedału przyspieszenia. Monitorowane są również inne informacje i dane wejściowe.

Standardowa lub typowa operacja jest następująca:

Operator pojazdu naciska pedał hamulca
Główny cylinder przekształca ruch pedału hamulca w ciśnienie hydrauliczne
czujnik skoku mierzy ruch pedału, aby zidentyfikować stan „zatrzymania paniki”.
Przetwornik ciśnienia zapewnia żądaną siłę hamowania.
Jednostka sterująca hamulców (komputer) wykrywa sygnały wejściowe, a następnie sprawdza czujniki prędkości kół, aby określić prędkość pojazdu i określić, czy zablokowanie kół wymaga algorytmu ABS.
System kontroli hamulców sprawdza następnie czujnik odchylenia, kąt skrętu kierownicy i stan naładowania akumulatora trakcyjnego.
Jeśli prędkość pojazdu przekracza około 7 mil na godzinę, generator silnika trakcyjnego pojazdu jest używany jako generator do przekształcania energii kinetycznej w energię elektryczną i magazynuje energię w akumulatorze. Spowalnia to pojazd.
Jeśli operator (kierowca) mocniej wciśnie pedał hamulca, system uruchomi hydrauliczne hamulce cierne w celu zwiększenia siły hamowania.
Gdy prędkość pojazdu spadnie poniżej około 7 mil na godzinę, hydrauliczny układ hamulcowy całkowicie przejmie kontrolę, ponieważ hamowanie regeneracyjne nie działa skutecznie.
Jeśli czujnik odchylenia wykryje odchylenie pojazdu, system zainicjuje algorytmy i procesy stabilności pojazdu (VSC).
Jeśli czujniki prędkości kół wykryją zablokowanie kół, system zainicjuje algorytm zapobiegający blokowaniu kół (ABS).

EBS

Układ hamulcowy typu „by-wire” występuje w ciężkich pojazdach użytkowych pod nazwą Electronic Braking System ( EBS ). Układ ten zapewnia elektroniczną aktywację wszystkich elementów układu hamulcowego, w tym zwalniacza i hamulca silnikowego . EBS obsługuje również przyczepy i komunikuje się między pojazdem ciągnącym a przyczepą za pomocą ISO 11992 . Komunikacja między przyczepą a pojazdem ciągnącym odbywa się za pośrednictwem specjalnego złącza przeznaczonego dla układu ABS/EBS zgodnego z normą ISO 7638-1 dla układów 24 V lub ISO 7638-2 dla układów 12 V.

EBS nadal opiera się na sprężonym powietrzu do hamowania i steruje powietrzem tylko przez zawory, co oznacza, że nie jest zależny od wyższych napięć stosowanych przez elektromechaniczne lub elektrohydrauliczne układy hamulcowe, w których do wywierania ciśnienia hamowania wykorzystywana jest również energia elektryczna.

EBS zwiększa precyzję hamowania w porównaniu z konwencjonalnym hamowaniem, co skraca drogę hamowania. Awaryjny system EBS w przypadku awarii polega na wykorzystaniu zwykłego ciśnienia sterującego hamulcami pneumatycznymi, więc nawet w przypadku awarii elektroniki pojazd powinien być w stanie bezpiecznie się zatrzymać.

Architektura elektromechanicznego układu hamulcowego

Ogólna architektura systemu EMB.

Ogólną architekturę elektromechanicznego układu hamulcowego (EMB) w samochodzie typu drive-by-wire przedstawiono na rys. 1. Układ składa się głównie z pięciu typów elementów:

Procesory , w tym elektroniczna jednostka sterująca (ECU) i inne lokalne procesory
Pamięć (głównie zintegrowana z ECU)
Czujniki
Siłowniki
Sieć komunikacyjna).

Po wprowadzeniu przez kierowcę polecenia hamowania do systemu za pośrednictwem interfejsu człowiek-maszyna – HMI (np. pedału hamulca ), ECU generuje cztery niezależne polecenia hamowania w oparciu o funkcje hamowania wysokiego poziomu, takie jak układ przeciwblokujący (ABS). lub kontrola stabilności pojazdu (VSC). Te sygnały sterujące są przesyłane do czterech elektrycznych zacisków (e-zacisków) za pośrednictwem sieci komunikacyjnej. Ponieważ ta sieć może nie być w stanie prawidłowo komunikować się z e-caliperami z powodu awarii sieci, dane sensoryczne HMI są również przesyłane bezpośrednio do każdego e-calipera przez oddzielną magistralę danych .

W każdym e-zacisku sterownik wykorzystuje polecenie hamowania (otrzymane z ECU) jako wejście referencyjne. Sterownik dostarcza polecenia sterowania napędem dla modułu sterowania zasilaniem. Moduł ten steruje trójfazowymi prądami napędowymi siłownika hamulca, którym jest stałego z magnesami trwałymi , zasilany ze źródeł 42 V. Oprócz śledzenia polecenia hamowania referencyjnego, sterownik zacisku kontroluje również położenie i prędkość siłownika hamulca. do pomiaru położenia i prędkości siłownika w każdym e-zacisku niezbędne są dwa czujniki . Ze względu na krytyczny dla bezpieczeństwa charakter aplikacji, nawet pominięcie ograniczonej liczby próbek tych danych sensorycznych powinno zostać zrekompensowane.

Głosowanie

Układ hamulcowy typu „brake-by-wire” jest z natury systemem krytycznym dla bezpieczeństwa i dlatego odporność na awarie jest niezwykle ważną cechą tego systemu. W rezultacie system hamulca po przewodzie jest zaprojektowany w taki sposób, że wiele jego podstawowych informacji pochodziłoby z różnych źródeł ( czujników ) i było obsługiwanych przez coś więcej niż niezbędny sprzęt. W systemie hamulca-by-wire zwykle występują trzy główne typy redundancji :

Nadmiarowe czujniki w elementach krytycznych dla bezpieczeństwa , takich jak pedał hamulca .
Nadmiarowe kopie niektórych sygnałów, które mają szczególne znaczenie dla bezpieczeństwa, takie jak pomiary przemieszczenia i siły pedału hamulca, kopiowane przez wiele procesorów w zespole interfejsu pedału.
Nadmiarowy sprzęt do wykonywania ważnych zadań przetwarzania, takich jak wiele procesorów dla ECU na ryc. 1.

Aby wykorzystać istniejącą redundancję, algorytmy głosowania muszą zostać ocenione, zmodyfikowane i przyjęte w celu spełnienia rygorystycznych wymagań systemu hamulca po przewodzie. Niezawodność , tolerancja błędów i dokładność to główne docelowe wyniki technik głosowania, które należy opracować szczególnie w celu rozwiązania problemu redundancji w systemie „brake-by-wire”.

Przykład rozwiązania tego problemu: rozmyty wyborca opracowany w celu połączenia informacji dostarczanych przez trzy czujniki zaprojektowane w konstrukcji pedału hamulca.

Kompensacja brakujących danych

W samochodzie wyposażonym w system hamowania awaryjnego niektóre czujniki są elementami o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa , a ich awaria zakłóci działanie pojazdu i zagrozi ludzkiemu życiu. Dwa przykłady to czujniki pedału hamulca i czujniki prędkości kół . Elektroniczna jednostka sterująca musi być zawsze informowana o zamiarze kierowcy hamowania lub zatrzymania pojazdu. Dlatego brak danych czujnika pedału stanowi poważny problem dla funkcjonalności układu sterowania pojazdu.

W obecnych układach hamulcowych typu „brake-by-wire” stosowanych w samochodach osobowych i lekkich samochodach ciężarowych system jest zaprojektowany tak, aby wykorzystywał istniejące czujniki, które okazały się niezawodne w elementach i układach układu hamulcowego, w tym w systemach ABS i VSC.

Największym potencjalnym ryzykiem awarii układu hamulcowego okazało się oprogramowanie systemu kontroli hamulców. Powtarzające się awarie wystąpiły w ponad 200 przypadkach udokumentowanych w dokumentach NTSB. Ponieważ każdy producent strzeże poufności projektu swojego systemu i oprogramowania, nie ma niezależnej walidacji systemów.

Od 2016 r. NTSB nie badała bezpośrednio wypadków samochodów osobowych i lekkich ciężarówek z hamulcami przewodowymi, a producenci zajęli stanowisko, że ich pojazdy są całkowicie bezpieczne, a wszystkie zgłoszone wypadki są wynikiem „błędu kierowcy”.

Dane dotyczące prędkości kół są również niezbędne w systemie hamulca by-wire, aby uniknąć poślizgu. Projekt samochodu typu „brake-by-wire” powinien zapewniać zabezpieczenia przed pominięciem niektórych próbek danych dostarczanych przez czujniki krytyczne dla bezpieczeństwa . Popularne rozwiązania to zapewnienie redundantnych czujników i zastosowanie fail-safe . Oprócz całkowitej utraty czujnika, elektroniczna jednostka sterująca może również doznać sporadycznej (tymczasowej) utraty danych. Na przykład dane z czujników mogą czasem nie dotrzeć do elektronicznej jednostki sterującej . Może się to zdarzyć z powodu chwilowego problemu z samym czujnikiem lub torem transmisji danych. Może to być również spowodowane chwilowym zwarciem lub rozłączeniem, awarią sieci komunikacyjnej lub nagłym wzrostem szumów. W takich przypadkach, dla bezpiecznej pracy, system musi być kompensowany za brakujące próbki danych.

Przykład rozwiązania tego problemu: Kompensacja braków danych przez filtr predykcyjny.

Dokładne oszacowanie położenia i prędkości siłowników hamulca w e-zaciskach

Sterownik zacisku steruje położeniem i prędkością siłownika hamulca (oprócz jego głównego zadania, jakim jest śledzenie jego wzorcowego polecenia hamulca). W związku z tym czujniki położenia i prędkości są niezwykle potrzebne w każdym e-suwmiarce, a także wymagany jest wydajny projekt mechanizmu pomiarowego do wykrywania położenia i prędkości siłownika. Najnowsze projekty układów hamulca po przewodzie wykorzystują resolwery do zapewniania dokładnych i ciągłych pomiarów zarówno bezwzględnego położenia, jak i prędkości wirnika siłowników . Enkodery inkrementalne to czujniki położenia względnego, a ich błąd addytywny musi być kalibrowany lub kompensowany różnymi metodami. W przeciwieństwie do enkoderów, resolwery dostarczają dwa sygnały wyjściowe, które zawsze pozwalają na wykrycie bezwzględnego położenia kątowego. Ponadto tłumią szumy w trybie wspólnym i są szczególnie przydatne w hałaśliwym otoczeniu. Z tych powodów resolwery są zwykle stosowane do pomiaru położenia i prędkości w systemach typu brake-by-wire. Jednak nieliniowi i solidni obserwatorzy są potrzebni do wyodrębnienia dokładnych szacunków pozycji i prędkości z sygnałów sinusoidalnych dostarczanych przez resolwery.

Przykład rozwiązania tego problemu: Hybrydowy schemat konwersji resolwera na cyfrę z gwarantowaną solidną stabilnością i automatyczną kalibracją resolwerów używanych w systemie EMB.

Pomiar i/lub oszacowanie siły docisku w zaciskach elektromechanicznych

Czujnik siły docisku jest stosunkowo kosztownym elementem zacisku EMB. Koszt wynika z jego wysokiej wartości jednostkowej od dostawcy, a także znacznych kosztów produkcji z powodu jego uwzględnienia. Ta ostatnia wynika ze złożonych procedur montażowych obejmujących małe tolerancje, a także kalibracji on-line pod kątem zmienności wydajności między czujnikami siły docisku. Pomyślne zastosowanie czujnika siły zacisku w systemie EMB stanowi trudne zadanie inżynierskie. Jeśli czujnik siły docisku zostanie umieszczony w pobliżu klocka hamulcowego , zostanie wystawiony na działanie ekstremalnych temperatur sięgających 800 stopni Celsjusza, co zagrozi jego integralności mechanicznej. Należy również kompensować dryfty temperaturowe. Tej sytuacji można uniknąć poprzez osadzenie czujnika siły docisku głęboko w zacisku . Jednak osadzenie tego czujnika prowadzi do histerezy , na którą ma wpływ tarcie pomiędzy czujnikiem siły docisku a punktem styku klocka wewnętrznego z wirnikiem. Ta histereza uniemożliwia pomiar rzeczywistej siły docisku. Ze względu na koszty i wyzwania inżynieryjne związane z włączeniem czujnika siły docisku pożądane może być wyeliminowanie tego elementu z systemu EMB. Potencjalną szansą na osiągnięcie tego celu jest dokładne oszacowanie siły docisku na podstawie alternatywnych pomiarów sensorycznych systemu EMB, prowadzących do pominięcia czujnika siły docisku.

Przykład rozwiązania tego problemu: oszacowanie siły docisku na podstawie położenia siłownika i pomiary prądu za pomocą fuzji danych z czujników .

Elektryczne hamulce postojowe

Hamulec drutowy jest obecnie dojrzałą koncepcją w zastosowaniu do hamulców postojowych pojazdów . Elektroniczny hamulec postojowy (EPB) został wprowadzony na początku XXI wieku przez BMW i Audi w ich najlepszych modelach ( odpowiednio serii 7 i A8 ), aby zrezygnować z tradycyjnego systemu obsługiwanego linką (obsługiwanego za pomocą dźwigni między siedzeniami lub za pomocą stopy pedał), który zwykle działał na tylne koła samochodu. EPB wykorzystują jednak mechanizm silnikowy wbudowany w zacisk tylnego hamulca tarczowego i jest sygnalizowany za pomocą przełącznika na konsoli środkowej lub desce rozdzielczej. Elektryczny hamulec postojowy jest zwykle zintegrowany z innymi systemami pojazdu za pośrednictwem CAN i może zapewniać dodatkowe funkcje, takie jak

Automatyczne zwalnianie hamulca postojowego przy ruszaniu
Automatyczne włączanie hamulca postojowego, gdy pojazd jest zatrzymywany na wzniesieniu – znane jako „Hold Assist”

Systemy EPB zapewniają postęp w zakresie pakowania i produkcji, ponieważ pozwalają na uporządkowaną konsolę centralną w przypadku braku tradycyjnej dźwigni hamulca ręcznego (wielu producentów wykorzystało zwolnioną przestrzeń do umieszczenia elementów sterujących swoich systemów informacyjno-rozrywkowych), a ponadto zmniejsza złożoność produkcji , ponieważ eliminuje konieczność prowadzenia linek Bowdena pod pojazdem.

EPB stopniowo przefiltrował się do tańszych pojazdów, na przykład w ramach Grupy Volkswagen , EPB stał się teraz standardowym wyposażeniem Passata (B6) z 2006 roku , podczas gdy Opel wprowadził go w Insignii z 2008 roku .

Zobacz też

Dalsza lektura

Hoseinnezhad, R., Bab-Hadiashar, A., Kompensacja brakujących danych dla komponentów krytycznych dla bezpieczeństwa w systemie przewodowym (2005), IEEE Transactions on Vehicular Technology, tom 54, wydanie 4, s. 1304–1311.
Hoseinnezhad, R., Signal Processing Methods and Apparatus (przetwarzanie brakujących danych przez wieloetapowy filtr predykcyjny z wyprzedzeniem) , patent międzynarodowy nr PCT/AU2005/000888.
Hoseinnezhad, R., Bab-Hadiashar, A., Fusion of redundant information in brake-by-wire systems, using a fuzzy Voter (2006), Journal of Advances in Information Fusion , tom 1, wydanie 1, s. 35–45 .
Hoseinnezhad, R., Wykrywanie położenia w zaciskach hamulcowych przewodowych za pomocą resolwerów (2006), IEEE Transactions on Vehicular Technology, tom 55, wydanie 3, s. 924–932.
Hoseinnezhad, R., Harding, P., Aparatura i metody przetwarzania sygnału i określania pozycji , międzynarodowe zgłoszenie patentowe nr PCT/AU2006/000282.
Hoseinnezhad, R., Bab-Hadiashar, A., Automatyczna kalibracja czujników resolwera w elektromechanicznych układach hamulcowych: Zmodyfikowana rekurencyjna ważona metoda najmniejszych kwadratów (2007), IEEE Transactions on Industrial Electronics, tom 54, wydanie 2, s. 1052 –1060.
Anwar, S., Zheng, B., An antilock-braking Algorytm dla systemu hamulca-by-wire opartego na prądach wirowych (2007) IEEE Transactions on Vehicular Technology, 56 (3), s. 1100–1107.
Anwar, S., Anti-lock braking control of a hybrid brake-by-wire system (2006) Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 220 (8), s. 1101–1117.
Lee, Y., Lee, WS, Symulacja sprzętu w pętli dla hamulca elektromechanicznego (2006) 2006 Międzynarodowa wspólna konferencja SICE-ICASE, art. NIE. 4109220, s. 1513–1516.
Canuto, F., Turco, P., Colombo, D., Control development process of the brake-by-wire system (2006) Proceedings of 8th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, ESDA2006, 2006,
Lang, H., Roberts, R., Jung, A., Fiedler, J., Mayer, A., The road to 12V brake-by-wire technology (2006) VDI Berichte, (1931), s. 55–71 .
Emereole, OC, Good, MC, Porównanie skuteczności hamowania elektromechanicznych i hydraulicznych układów abs (2005) American Society of Mechanical Engineers, Dynamic Systems and Control Division (publikacja) DSC, 74 DSC (1 CZĘŚĆ A), s. 319– 328.
Murphey, YL , Masrur, A., Chen, Z., Zhang, B., A rozmyty system do diagnostyki błędów w energoelektronicznym systemie hamulca-by-wire (2005) Doroczna konferencja North American Fuzzy Information Processing Society - NAFIPS , 2005, art. NIE. 1548556, s. 326–331.
Masrur, A., Zhang, B., Wu, H., Mi, C., Chen, Z., Murphey, YL , Diagnostyka usterek w energoelektronicznym systemie hamulca-by-wire (2005) 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion Konferencja, VPPC, 2005, art. NIE. 1554615, s. 560–566.
Anwar, S., Sterowanie trybem ślizgowym oparte na momencie obrotowym układu hamulcowego wiroprądowego do zastosowań motoryzacyjnych (2005) Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Mechaników, Dynamic Systems and Control Division (publikacja) DSC, 74 DSC (1 CZĘŚĆ A), s. 297 –302.
Anwar, S., Anti-lock braking control of an elektromagnetyczny system hamowania przez przewód (2005) American Society of Mechanical Engineers, Dynamic Systems and Control Division (publikacja) DSC, 74 DSC (1 CZĘŚĆ A), s. 303– 311.