Progetto e sviluppo di un banco HIL per sistemi automobilistici di controllo attivo del rollio

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1 POLITECNICO DI TORINO III Facoltà di Ingegneria dell Informazione Corso di Laurea in Ingegneria Meccatronica Tesi di Laurea Specialistica Progetto e sviluppo di un banco HIL per sistemi automobilistici di controllo attivo del rollio Relatori: Prof. Nicolò D Alfio Prof. Mauro Velardocchia Candidati: Maggio 2006

2 INTRODUZIONE ARC: Active Roll Control Veicolo Sistemi di sicurezza attivi ABS, ESP/VDC. ARC Diapositiva 1 di 38

3 Analisi del Problema Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Problema Iniziale Vettura sottoposta a rollio Rollio Vettura Momento Rollante Obiettivo di Progetto Generazione di un momento antirollante per contrastare il rollio della vettura Momento Antirollante Soluzione: Utilizzo barre antirollio a controllo elettronico ARC: Active Roll Control idraulico a 2 canali Diapositiva 2 di 38

4 Barre antirollio tradizionali: Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Innalzamento uguale ruote no torsione barra Rollio vettura torsione barra Sollevamento di 1 ruota torsione barra Assale anteriore Le barre reagiscono ai movimenti relativi delle ruote dello stesso assale Diapositiva 3 di 38

5 Barra Attiva ARC: funzionamento ARC veicolo Bielletta Attuatore Idraulico Barra Antirollio Input CENTRALINA ARC Input Angolo Volante Accelerazione Laterale Velocità Velocità di Imbardata Diapositiva 4 di 38

6 OBIETTIVI ARC IDRAULICO A CANALE DOPPIO Miglioramento Comfort Miglioramento Handling Irrigidire BARRA ANTERIORE Irrigidire BARRA POSTERIORE Aumentare FORZA ATTUATORE ANTERIORE Aumentare SOTTOSTERZO Aumentare FORZA ATTUATORE POSTERIORE Aumentare SOVRASTERZO Diapositiva 5 di 38

7 Flusso di Progetto PROBLEMA STUDIO DEL SISTEMA DIMENSIONAMENTO SISTEMA MODELLO DI PROGETTO DEL CONTROLLO Lineare 1 gdl PROGETTO DEL CONTROLLO COSTRUZIONE BANCO PROVA MODELLO DI VERIFICA DEL CONTROLLO Non - Lineare 8 gdl VERIFICHE DEL CONTROLLO (Simulazione) PROVE SPERIMENTALI OBIETTIVI Diapositiva 6 di 38

8 Progetto Sistema (1) Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Barra Anteriore Dati Barre Antirollio Lunghezza parte torcente Lunghezza lever arm Diametro barra L a b a d a m m m Barra: schema funzionale Barra Posteriore Lunghezza parte torcente Lunghezza lever arm Diametro barra L p b p d p m m m Rigidezze Barre Antirollio Rigidezza Torsionale 6035 Nm/rad Barra Anteriore Rigidezza al Rollio Nm/rad Rigidezza Verticale N/m Rigidezza Torsionale 1912 Nm/rad Barra Posteriore Rigidezza al Rollio Nm/rad Rigidezza Verticale N/m Rigidezze al Rollio Sospensioni Sospensione Anteriore Nm/rad Sospensione Posteriore Nm/rad K K K M ϑ t t = r Rigidezza Torsionale M ϕ = roll Fz z K K t r G I = L Rigidezza al Rollio p 2 L = b Rigidezza Verticale 1 b z = K z = K 2 t K z = K 2 r K t G= modulo di elasticità tangenziale Ip= momento di inerzia polare di una sezione circolare 1 L Diapositiva 7 di 38

9 Progetto Sistema (2) Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio M antiroll barre M antiroll sosp M roll Equazione di progetto a y CG m vett M + M = antiroll sosp antiroll barre M roll H roll CR ( K r sosp a + K r sosp p ) ϕ + M antiroll barre = mvett H rolla y Ripartizione Momenti Ant/Post Momenti Torcenti M t = b L M antiroll Forze e corse attuatori idraulici Diapositiva 8 di 38

10 Banco Prova Sperimentale H.I.L.: Layout Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Unità di Controllo Struttura POST Banco ARC Banco Simulatore di rollio Struttura ANT Schede I/O Elettronica di potenza Diapositiva 9 di 38

11 Layout di Sistema Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio PLANT Segnali di comando PW Elettronica di potenza Scheda Output Struttura ANT Struttura POST Meccanica ECU Banco ARC Banco Simulatore rollio Elettro-idraulica Unità di Controllo S Sensori Scheda Input Segnali di misura Diapositiva 10 di 38

12 Struttura posteriore: Layout Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio E B F A A. Barra da 23 mm di diametro B. Traversa porta-barra C. Cavallotti + celle di carico C C D. Piastre centrali di sostegno E. Bielletta + piantone D G F. Attuatore ARC + piantone G. Attuatore simulatore rollio Angolo di rolliomax: ±3 Diapositiva 11 di 38

13 Struttura anteriore: Layout C B C A E D F Barra anteriore Ø28 mm A. Barra da 28 mm di diametro B. Traversa porta-barra C. Cavallotti + celle di carico D. Piastre centrali di sostegno E. Piantone + bielletta F. Piantone + attuatore ARC Diapositiva 12 di 38

14 Elettro-idraulica (1): ARC, circuito idraulico Accumulatori Valvola di ritegno Attuatori idraulici Motopompa Elettrovalvole proporzionali Valvola di massima Filtro olio Elettrovalvole ON-OFF Diapositiva 13 di 38

15 Elettro-idraulica (2): ARC, caratteristiche tecniche Attuatori idraulici: Diametro cilindro: 25 mm Diametro stelo: 12 mm Corsa MAX: 100 mm pressione MAX: 130 bar Forza MAX: 6300 N Accumulatori: Volume nominale: 1.5 L Pressione precarica: 110 bar Pressione min: 130 bar Pressione MAX: 170 bar Volume utile: 0.2 L Motopompa: Potenza motore AC: 2.2 kw Coppia:15 Nm Cilindrata pompa:6.2 cm 3 /giro Pressione MAX: 200 bar Portata : 6.3 L/min Elettrovalvole proporzionali: Portata: 45 L/min con p di 70 bar 4 bocche, bi-solenoide Tensione di alimentazione: 24 VDC Tensione di riferimento: ±10 VDC Potenza MAX: 30 W Elettrovalvole ON-OFF: Portata: 100 L/min 4 bocche, mono-solenoide Tensione di alimentazione: 24 VDC Potenza MAX: 52 W Tempo di risposta: 50 msec Diapositiva 14 di 38

16 Elettro-idraulica (3): Simulatore rollio, circuito idraulico Accumulatore Valvola di ritegno Attuatori Motopompa Valvola di massima Filtro olio Elettrovalvole proporzionali Diapositiva 15 di 38

17 Elettro-idraulica (4): Simulatore rollio, caratteristiche tecniche Attuatore ANT: Diametro cilindro: 40 mm Diametro stelo: 18 mm Corsa MAX: 200 mm pressione MAX: 130 bar Forza MAX: N Attuatore POST: Diametro cilindro: 32 mm Diametro stelo: 14 mm Corsa MAX: 200 mm pressione MAX: 130 bar Forza MAX: N Accumulatore: Volume nominale: 3 L Pressione precarica: 100 bar Pressione min: 130 bar Pressione MAX: 170 bar Volume utile: 0.45 L Motopompa: Potenza motore AC: 1.5 kw Coppia:10.1 Nm Cilindrata pompa:3.5 cm 3 /giro Pressione MAX: 200 bar Portata : 4.9 L/min Elettrovalvole proporzionali: Portata: 70 L/min con p di 70 bar 4 bocche, bi-solenoide Tensione di alimentazione: 24 VDC Tensione di riferimento: ±10 VDC Potenza MAX: 30 W Diapositiva 16 di 38

18 Sensori Posizione lineare Attuatore ARC Ant Attuatore ARC Post Posizione angolare Angolo rollio anteriore Angolo rollio posteriore - Range mm - Range Alimentazione 9 V - Alimentazione 9 V - Uscita 0 9 V - Uscita 0 9 V Forza (celle di carico) Barra anteriore Barra posteriore - Range kg - Alimentazione 24 V - Uscita 0 10V Pressione Attuatori ARC Accumulatori ARC Accumulatore Simulatore rollio - Range bar - Alimentazione 24 V - Uscita 0 10 V Diapositiva 17 di 38

19 Elettronica di potenza Circuito interfaccia/comando Scheda di Output 5 V, 10 ma 24 V, 10 A Circuiti comando motori Valvole ON-OFF Scheda di Output 5 V, 10 A 220 V, 16 A Motopompa ARC Motopompa Simulatore rollio Diapositiva 18 di 38

20 Schede di Input/Output Scheda di Input: NI PCI 6031E Scheda di Output: NI PCI canali di ingresso analogico - risoluzione a 16 bit - input range 0 10 V - 16 canali di uscita analogici - risoluzione a 16 bit - output range ±10 V Base di interconnessione Connettore e cavo 68 pin 16 canali ingresso 8 canali uscita Diapositiva 19 di 38

21 Banco prova sperimentale Hardware In the Loop (H.I.L.) Diapositiva 20 di 38

22 Layout di Sistema Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio PLANT Segnali di comando PW Elettronica di potenza Scheda Output Struttura ANT Struttura POST Meccanica ECU Banco ARC Banco Simulatore rollio Elettro-idraulica Unità di Controllo S Sensori Scheda Input Segnali di misura Diapositiva 21 di 38

23 Layout di Sistema: Strutturazione Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Diapositiva 22 di 38

24 ECU - Unità di Controllo Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Segnali PLANT - ECU Segnali di Misura NOME SEGNALE Angolo Rollio ANTERIORE Angolo Rollio POSTERIORE Trasduttore di Posizione Lineare ARC ANTERIORE Trasduttore di Posizione Lineare ARC POSTERIORE Cella di Carico DX - ARC ANTERIORE Cella di Carico DX - ARC POSTERIORE Cella di Carico SX - ARC POSTERIORE Trasduttore Pressione Accum ARC ANT Trasduttore Pressione Accum ARC POST Trasduttore Pressione Accum BANCO Trasduttore di Pressione Bocca A - ARC ANT Trasduttore di Pressione Bocca B - ARC ANT Trasduttore di Pressione Bocca A - ARC POST Traduttore di Pressione Bocca B - ARC POST Segnali di Comando NOME SEGNALE Comando Valvola Banco ANTERIORE Comando Valvola Banco POSTERIORE Comando Valvola ARC ANTERIORE Comando Valvola ARC POSTERIORE Comando Valv ON-OFF ANTERIORE Comando Valv ON-OFF POSTERIORE Comando Motore BANCO Comando Motore ARC Diapositiva 23 di 38

25 CONTROLLO: Schema a blocchi Comandi Controllo Pressioni Frenanti Pressione_fr_LF Pressione_fr_RR Pressione_fr_RF Pressione_fr_LR SEGNALI I/O: Tabelle Input Controllo Pressione Camera SUP Cilindro Anteriore Pressione Camera INF Cilindro Anteriore Pressione Camera SUP Cilindro Posteriore Pressioni ARC Pressione Camera INF Cilindro Posteriore Pressione Accumulatore ARC Anteriore Pressione Accumulatore ARC Posteriore Trasduttori Rollio Trasduttore Rollio BANCO anteriore BANCO Trasduttore Rollio BANCO posteriore Pressione Accumulatore BANCO Output Veicolo Angolo Volante Accelerazione Laterale Velocità Velocità di Imbardata Angolo Rollio Riferimento Comandi ARC Comandi BANCO Output Controllo Comando Elettrovalvola Cilindro Anteriore Comando Elettrovalvola Cilindro Posteriore Comando Motore ARC Comando Elettrovalvola ON-OFF Anteriore Comando Elettrovalvola ON-OFF Posteriore Comando Elettrovalvola BANCO Anteriore Comando Elettrovalvola BANCO Posteriore Comando Motore BANCO Diapositiva 24 di 38

26 LOGICHE DI CONTROLLO IMPLEMENTATE Logiche BASSO LIVELLO Banco Simulatore di Rollio Controllo Motore Controllo Elettrovalvole Proporzionali Controllo Motore ARC Basso Livello Controllo Elettrovalvole Proporzionali CONTROLLO ARC Controllo Valvole ON-OFF Controllo Rollio ARC Alto Livello Controllo Assetto Controllo Imbardata ESP Logiche ALTO LIVELLO Diapositiva 25 di 38

27 Logiche ARC: STRUTTURA Diapositiva 26 di 38

28 Veicolo: Vista superiore Logica ESP: STRUTTURA Legenda Controllo Simulatore Rollio: STRUTTURA Diapositiva 27 di 38

29 PILOTA: Manovre Comandi Pilota Angolo Volante Pedale Acceleratore ANGOLO VOLANTE determina il tipo di manovra effettuata Manovra Semi-stazionaria Manovre Dinamiche 140 Manovra di Chiocciola 100 Manovra di Colpo di Sterzo 100 Manovra di Doppio Colpo di Sterzo Angolo Volante [ ] Angolo Volante [ ] Angolo Volante [ ] Tempo [s] Chiocciola (pendenza ±15 /s ; saturazione ±130 ) Tempo [s] Colpo di Sterzo (CdS) (pendenza ±400 /s ; saturazione ±100 ) Tempo [s] Doppio Colpo di Sterzo (DCdS) (pendenza ±400 /s ; saturazione ±100 ) Diapositiva 28 di 38

30 Logiche ALTO LIVELLO Logiche ARC Alto Livello Controllo Rollio Controllo Assetto Controllo Imbardata Logica ESP OBIETTIVI 1. Miglioramento Comfort (ROLLIO) 2. Miglioramento Handling (ASSETTO e IMBARDATA) Condizioni SIMULAZIONE 1. Veicolo Passivo Logiche ARC OFF 2. Veicolo Attivo Logiche ARC ON Diapositiva 29 di 38

31 Logiche ARC Alto Livello Verifiche in Simulazione (1) Miglioramento Comfort Manovre Semi-stazionaria e Dinamiche ROLLIO - Chiocciola ROLLIO Doppio Colpo di Sterzo Diapositiva 30 di 38

32 Logiche ARC Alto Livello Verifiche in Simulazione (2) Miglioramento Handling Manovre Dinamiche IMBARDATA Colpo di Sterzo ASSETTO Doppio Colpo di Sterzo Diapositiva 31 di 38

33 ARC + ESP Verifiche in Simulazione ESP: interviene in manovre dinamiche agendo sulle 4 pressioni frenanti Integrazione ARC + ESP ROLLIO Colpo di Sterzo ASSETTO Doppio Colpo di Sterzo IMBARDATA Doppio Colpo di Sterzo Integrazione ARC - ESP necessaria durante manovre estreme in condizioni di bassa aderenza Diapositiva 32 di 38

34 PROVE SPERIMENTALI Stadio finale progetto: verificare sperimentalmente il comportamento delle logiche di controllo implementate su banco prova H.I.L. CONTROLLO Logiche ALTO LIVELLO Logiche BASSO LIVELLO OBIETTIVI: 1. Miglioramento Comfort (ROLLIO) 2. Miglioramento Handling (ASSETTO e IMBARDATA) Condizioni PROVE: 1. Veicolo Passivo Logiche OFF 2. Veicolo Attivo Logiche ON Diapositiva 33 di 38

35 ROLLIO - Chiocciola Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio Miglioramento COMFORT ROLLIO Colpo di Sterzo ROLLIO Doppio Colpo di Sterzo Diapositiva 34 di 38

36 ASSETTO Colpo di Sterzo IMBARDATA Colpo di Sterzo Miglioramento HANDLING ASSETTO Doppio Colpo di Sterzo IMBARDATA Doppio Colpo di Sterzo Diapositiva 35 di 38

37 CONCLUSIONI (1) - Grafici Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio OK COMFORT veicolo HANDLING veicolo SVILUPPI FUTURI Miglioramento strutturale banco Ottimizzazione sistema idraulico Grafici CONCLUSIVI ROLLIO - Chiocciola ASSETTO - Doppio Colpo di Sterzo IMBARDATA - Colpo di Sterzo Diapositiva 36 di 38

38 CONCLUSIONI (2) Parametri Numerici Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio In manovra dinamica (CdS) si calcola il rapporto: R ass ( t) = M front front ( t) ( t) + M ( t) M rear Distribuzione di momento antirollante tra gli assali della vettura Angolo Rollio Angolo Rollio Banco Anteriore ± 3.7 Banco Posteriore ± 3 Momenti Antirollanti & Forze Attuatori Condizione Manovra Semistazionaria Banco Anteriore Banco Posteriore Manovre Dinamiche Banco Anteriore Banco Posteriore Momento 2700 Nm 1700 Nm 4000 Nm 2700 Nm Forza 3400 N 2100 N 5000 N 3400 N Diapositiva 37 di 38

39 CONCLUSIONI (3) - Statistiche Active Roll Control Idraulico a Canale Doppio IN CIFRE Indice Indice Confronto rollio rollio assetto assetto attivo passivo attivo passivo Istogrammi imbardata imbardata attivo passivo ROLLIO ASSETTO IMBARDATA Indice 0,8 0,6 0,4 0,2 0,45 1 Logiche ON Logiche OFF Indice 0,8 0,6 0,4 0,2 0,34 1 Logiche ON 0,8 Logiche OFF 0,6 0,71 Indice 0,4 0,2 1 Logiche ON Logiche OFF % % % Incremento Prestazioni ROLLIO 57% Incremento Prestazioni ASSETTO 67% Incremento Prestazioni IMBARDATA 29% Diapositiva 38 di 38