Sterowane mikrokomputerem - elektroniczne układy regulacji hamulców. Układ przeciwblokujący ABS, układ przeciwpoślizgowy ASR, układ stabilizacji toru jazdy ESP.

Trzy elektroniczne układy regulacji hamulców: ABS (ang. Anti-Lock Braking System), ASR (ang. Acceleration Slip Regulation), ESP (niem. Elektronisches Stabilitäts-Programm) w znacznym stopniu poprawiają bezpieczeństwo. Fakt zmniejszenia liczby ciężkich wypadków prawie o 50% potwierdzają takie marki jak Mercedes i Toyota, a także szwedzki krajowy zarząd dróg. Choć system ABS obchodzi w tym roku  prawie 30 urodziny to jednak znacznie zasłużył się w zapoczątkowaniu rozbudowy układów zwiększających stabilność pojazdu. Pozostałe układy również nie są nowościami, ale montowane są w nowoczesnych samochodach.

Krótko o budowie i działaniu układu ABS

Układ ABS zapobiega blokowaniu kół podczas hamowania na śliskiej powierzchni, bądź w razie zaistnienia potrzeby wykonania gwałtownego manewru przez kierowcę. W skład tego układu wchodzą zamontowane w każdym z kół czujniki prędkości, zespół hydrauliczny oraz urządzenie sterujące.

Komputer składa się z dwóch mikroprocesorów, działających niezależnie. Do każdego z mikroprocesorów biegną dwa kanały sygnałów z dwóch czujników (architektura 4-kanałowa). Kontrola zachowania kół rozpoczyna się od momentu uruchomienia samochodu. Komputer zbiera sygnały o prędkości obrotowej z czujników. Jeśli zaistnieje niebezpieczeństwo zablokowania kół, CPU uruchomi zawory elektromagnetyczne zespołu hydraulicznego, wytwarzające jak największe ciśnienie do zatrzymania koła. Cały proces regulacji jest bardzo szybki, ciśnienie jest dawkowane pulsacyjnie.


Sterownik ABS

1 - czujnik prędkości koła,
2 - złącze diagnostyczne
3 - akumulator,
4 - układ wejściowy,
5 - regulator cyfrowy,
6 - mikroprocesor,
7 - pamięć stała,
8 - stabilizator napięcia i pamięć usterek,
9 - stopnie wyjściowe ze wzmacniaczami,
10 - podwójne zwory elektromagnetyczne do zwiększania lub zmniejszania ciśnienia,
11 - przekaźnik,
12 - stabilizowane napięcie akumulatora, 13 - lampka kontrolna

Rys. 25. Sterownik 4-kanałowego układu ABS

 

Komputer układu ABS ustawia zawory elektromagnetyczne w jeden z trzech sposobów:

  • zawór wlotowy otwarty, wylotowy zamknięty - siła hamowania może rosnąć,
  • zawór wlotowy zamknięty - siła hamowania nie zmienia się,
  • zawór wylotowy otwarty - siła hamowania spada.

Układ przeciwpoślizgowy ASR - budowa i działanie

Koncerny motoryzacyjne różnie nazywają ten system: TSC (ang. Traction Color System), ASC (ang. Automatic Stability Control). Jednak najbardziej popularna nazwa w Polsce to ASR (ang. Acceleration Slip Regulation). Układ ten jest odpowiedzialny za unikanie niebezpiecznych sytuacji spowodowanych śliską nawierzchnią w trakcie ruszania, przyspieszania i hamowania.

Elementy ASR

 1 - czujniki prędkości kół, 2 - hamulce kół, 3 - zespół hydrauliczny ABS i ASR, 4 - sterownik ABS i AST, 5 - sterownik Motronic, 6 - przepustnica silnika

Rys. 26. Elementy układu ASR wykorzystującego hamulce i przepustnicę silnika.

Zbudowany jest z tych samych elementów co układ ABS, ale dodatkowo czujniki, komputer i zespół hydrauliczny posiadają funkcje niezbędne do prawidłowego działania ASR. "Sercem" tego układu jest komputer analizujący sygnały  z czujników. Oprócz sterowania układem ABS steruje także układem ASR. Zbudowany jest z dwóch mikroprocesorów, pracujących równolegle. Sygnały wejściowe są na bieżąco przewarzane przez komputer, który analizuje czy prędkość obrotowa kół napędowych jest większa od prędkości obrotowej kół nie napędzanych. Oblicza różnicę tych prędkości, jeśli przekracza ona założoną wartość - zmniejsza doprowadzany do nich moment napędowy. Celem takiej regulacji jest uzyskanie jak najlepszej przyczepności pojazdu do podłoża. Zmniejszanie momentu obrotowego kół w zależności od silnika może odbywać się na kilka sposobów:

  • silnik z zapłonem samoczynnym, zmniejszanie dawki paliwa podawanej przez pompę,
  • silnik z zapłonem iskrowym, zmniejszanie za pomocą zmiany kąta ustawienia przepustnicy przy pomocy elektronicznego sterownika przepustnicy (ETC). Efekt zmniejszenia momentu obrotowego kół można też uzyskać sterowaniem układem zapłonowym, wtryskowym.

Komputer steruje też układem hamulcowym. Gdy zaistnieje potrzeba regulacji poślizgu, dodatkowy zawór przełączający zostaje przestawiony z położenia w trybie hamowania na tryb ASR. Pompa przetłaczająca zasysa płyn z pompy hamulcowej, aby wytworzyć odpowiednie ciśnienie w kołach napędowych.


Układ stabilizacji toru jazdy ESP

Omówione wyżej układy ABS i ASR przeciwdziałają niekontrolowanemu zachowaniu pojazdu tylko w ruchu prostoliniowym. Aby poprawić przyczepność samochodu gdy na pojazd działają poprzeczne siły dynamiczne (np. na zakrętach) -wprowadzono układ stabilizacji toru jazdy ESP.
System ten aktywnie steruje układami ABS i ASR, a także w przypadku marki Mercedes seruje układem pełnego wykorzystania siły hamowania BAS (ang. Brake Assist System). Regulacja sterowności pojazdu polega na hamowaniu odpowiednich kół: np. lewego tylnego w przypadku podsterowności lub prawego przedniego w przypadku nadsterowności. Sytuację tę pokazano na poniższych rysunkach:

a) Pojazd bez ESP

b) Pojazd z ESP

Rys. 26. Pojazd bez układu ESP (a), pojazd wyposażony w układ ESP (b)


Budowa układu ESP

Układ ESP jest zbudowany jest podobnie jak układy ABS i ASR z czujników, komputera (sterownika), zespołu hydraulicznego oraz z pompy wstępnej. Czujniki wchodzące w skład układu ESP:

  • czujnik kąta obrotu koła kierownicy,
  • czujnik przyspieszenia poprzecznego,
  • czujnik prędkości kątowej,
  • czujnik ciśnienia,
  • czujnik prędkości obrotowej.

Przy pomocy komputera układ ESP steruje momentem obrotowym kół oraz siłą hamowania. Ponadto:

  • steruje zasilaniem elektrycznym podrzędnych mu czujników,
  • nadzoruje stan pracy układu,
  • zajmuje się wstępną obróbką sygnałów (Rys. 35),
  • oblicza wartości potrzebne do sterowania elementami podrzędnymi,
  • nadzoruje działanie złączy i innych elementów wchodzących w skład układu,
  • komunikuje się i wymienia dane z innymi komputerami sterującymi (ABS/ASR) za pomocą magistrali CAN.

Na wejściu komputer może otrzymywać z czujników sygnały: cyfrowe, analogowe przekształcane na sygnały cyfrowe w przetworniku A/C oraz sygnały cyfrowe wymagające wstępnej obróbki w przetworniku komputera w celu wyeliminowania szumów i zamiany na sygnały prostokątne.
Sygnały wejściowe mogą zawierać informacje o:

  • położeniu wyłącznika zapłonu,
  • kącie obrotu koła kierownicy pobranym z odpowiedniego czujnika,
  • prędkości kątowej pojazdu,
  • prędkości obrotowej kół,
  • wartości przyspieszenia poprzecznego,
  • wartości ciśnienia płynu w układzie hamulcowym,
  • stopniu położenia pedału hamulca oraz o położeniu hamulca ręcznego.

Przetwarzanie sygnałów

Rys. 27. Przetwarzanie sygnałów w sterowniku

Jak przedstawia to (Rys.27) mikroprocesor posiada pamięć nieulotną ROM, EPROM lub Flash EPROM. W pamięci tej zapisany jest program, w którym zawarte są instrukcje przetwarzające sygnały wejściowe. Natomiast pamięć EEPROM zawiera dane o pojeździe, dane producenta ESP oraz dane regulacyjne. W pamięci EPROM dane są zapisane jako zestawy, odnoszą się do różnych pojazdów ze względu na dostosowanie regulacji układu do danego samochodu. W komputerze funkcjonują jako dane wzorcowe, na podstawie których mikroprocesor oblicza odpowiednie wartości regulacyjne. Kodowanie wariantowe pozwala wybrać odpowiednią paczkę informacji. Zestaw ten jest pobierany poprzez magistralę CAN z innego układu elektronicznego lub z pamięci EEPROM, gdzie dane te są zapisane przez producenta lub wprowadzone za pomocą złącza diagnostycznego. W pamięci RAM (pamięć zapisu i odczytu) zapisywane są zmienne dane - wyniki obliczeń, kody usterek. Dane adaptacyjne są zapisywane w pamięci EEPROM ze względu na możliwość wystąpienia awarii akumulatora, gdyż pamięć RAM wymaga prądu do przechowywania danych.
Sygnały na wyjściu komputera są przekazywane do wzmacniaczy, których zadaniem jest wytworzenie prądu o odpowiedniej mocy do sterowania elementami podrzędnymi. Dzięki temu możliwe jest także sterowanie układem napędowym i hamowania.
Gniazdo diagnostyczne pozwala komputerowi analizować pracę poszczególnych elementów układu ESP. Ta samokontrola przebiega w następujący sposób: procesor kontroluje swoją pracę z pomocą wzorca testowego zapisanego w pamięci, sygnały z czujników są sprawdzane pod katem wiarygodności czy seria sygnałów tworzy ciąg logiczny, kontrolowaniu podlegają jednostki wykonawcze, sprawdzana jest prawidłowość wykonywanych poleceń. Awaria układu ESP jest sygnalizowana na wyświetlaczu komputera pokładowego. Komputer stabilizacji toru jazdy czerpie informacje o tym jakie komunikaty wyświetlić, w jaki tryb pracy przejść z zakodowanego programu bezpieczeństwa. Wszystkie informacje o usterkach zachowywane są w pamięci diagnostycznej nawet w przypadku braku zasilania. Dopiero mechanik w warsztacie może je usunąć za pomocą odpowiedniego urządzenia (testera).

Schemat blokowy komputera

1 - czujnik prędkości obrotowej kół, 2 - czujnik prędkości kątowej pojazdu z czujnikiem przyspieszenia poprzecznego, 3 - czujnik kąta obrotu kierownicy, 4 - wyłącznik zapłonu, 5 - czujnik ciśnienia płynu w układzie hamulcowym, 6 - włączniki sygnalizujące położenie pedału hamulca i dźwigni hamulca pomocniczego, 7 - akumulator, 8 - moduł wejściowy, 9 - stabilizator napięcia, 10 - procesor cyfrowy, 11 - złącze magistrali CAN, 12 - moduł wyjściowy, 13 - pamięć diagnostyczna, 14 - napięcie stabilizowane, 15 - zawory elektromagnetyczne (zawory: wlotowe, wylotowe, stabilizowane), 16 - gniazdo diagnostyczne, 17 - lampka kontrolna, 18 - lampka ostrzegawcza

Rys. 28. Schemat blokowy komputera 

Kolejne wersje ESP

W roku 2005 wprowadzono seryjnie do produkcji system ESPplus. W stosunku do układu ESP skonstruowanego przed dziesięcioma laty w nowej wersji ulepszono moc obliczeniową komputera, mocniejszą i bardziej precyzyjną siłę hamowania uzyskano dzięki wprowadzeniu dwóch zaworów elektromagnetycznych. W innowacyjnym systemie ESPplus zastosowano dodatkowe funkcje takie jak Electronic Brake Prefill, Brake Disc Wiping, Hill Hold Control. Pierwsza z nich to przygotowanie układu hamulcowego do nagłego hamowania, uaktywnia się gdy kierowca nagle zdejmuje nogę z gazu.  Natomiast Brake Disc Wiping jest przydatna w razie deszczowej pogody, gdy nawierzchnia jest mokra. Jej zadanie to osuszanie tarcz hamulcowych, w sposób nieodczuwalny dla kierowcy przez zbliżanie klocków do tarcz hamulcowych. Hill Hold Control przeciwdziała staczaniu się pojazdu przy podjeżdżaniu pod górę. Działanie tego systemu opiera się na układzie hamulcowym, który samoczynnie utrzymuje ciśnienie hamowania do chwili, gdy kierowca ponownie naciśnie pedał gazu.
W roku 2006 wprowadzono do produkcji seryjnej samochodów klasy wyższej system ESPpremium. System ten jest wyposażony w wydajniejszą sześciotłokową pompę. Zastosowanie takiej konstrukcji pozwoliło przyspieszyć działanie układu, pulsacja ciśnienia w porównaniu do poprzednich wersji ESP jest o 90% mniejsza. Przewiduje się że kierunek rozwoju będzie biegł ku skonstruowaniu w przyszłości automatycznego hamulca awaryjnego oraz połączeniu ESP w sieć z biernymi systemami bezpieczeństwa.