Analysis of a single-valve actuation system for a bicycle ABS

Along this thesis, a single-valve actuation system for a bicycle ABS was analyzed. The objective was to modulate the pressure in the front braking system of a bicycle for avoiding the wheel lock-off. As the dynamics of the system were completely unknown, the whole identification process was required to check the viability of an ABS with the available hardware. In order to do this, the solenoid valve operation was analyzed from the basics. First the electrical model of the valve was identified and a current control loop designed, this made easy and efficient the commanding of the valve. In order to understand the valve behavior, an extensive and detailed pressure data analysis was done. The characteristics of the pressure dynamics indicate that the analysis of the system had to be focused in fast and partial apertures of the valve. These type of impulses minimizes the changes in the circuit pressures. A discrete modulation of the pressure was achieved. The brake and bicycle model were created with the purpose of knowing how this discrete modulation of the pressures in the front and rear circuit would affect the system. An improvement on the braking performance was evident, simulations showed the avoidance of a lock-off situation and a reduction of the time required to completely stop the vehicle. Relying on the complete model of the valve and the bicycle dynamics, a solution for the control of the system was proposed. A controller that read the front angular acceleration and sent fast current pulses was implemented. These fast current pulses produced the required changes in pressure and prevented the wheel lock-off. Simulations show very optimal results and a remarkable improvement on braking performance for an adequate tuning of the controller variables.

Durante questo lavoro di tesi, è stato analizzato un sistema di attuazione di una sola valvola per un ABS di bicicletta. L’obbiettivo è stato controllare la pressione del freno anteriore di una bicicletta per evitare il bloccaggio della ruota. La dinamica del sistema era completamente sconosciuta e, per tale motivo, tutto il processo di identificazione è stato fatto per avere una maggiore consapevolezza sulla possibilità di creare un ABS con lo hardware disponibile. Per questo scopo, l’operazione della valvola solenoide è stata analizzata in maniera completa. In un primo momento, è stato identificato il modello elettrico della valvola e disegnato un anello di controllo per la corrente, questo ha facilitato la modalità con cui il comando viene dato alla valvola. Per capire il comportamento della valvola, è stato fatta un’analisi dettagliata sui dati di pressione. Una volta conosciuta la dinamica di pressione, lo studio del sistema è stato focalizzato sull’apertura veloce e parziale della valvola, perché in questa circostanza si ha il minimo cambio nella pressione del sistema. In fine è stata ottenuta una modulazione discreta del sistema. I modelli della valvola e della bicicletta sono stati creati con lo scopo di sapere come questa modulazione discreta delle pressioni modificherebbe il sistema. È stato evidenziato un miglioramento nella performance di frenata, infatti, le simulazioni hanno dimostrato un annullamento del bloccaggio della ruota e un minor tempo di frenata. Esaminando il modello del sistema, `e stata proposta una soluzione per il controllo dei freni della bicicletta. È stato disegnato e implementato un controllore, capace di leggere l’accelerazione angolare ed inviare impulsi di corrente veloci. Tali impulsi di corrente producono cambi necessari nella pressione per evitare il bloccaggio della ruota. Le simulazione hanno evidenziato ottimi risultati e un notevole miglioramento nella performance di frenata, per un’adeguata messa a punto delle variabili del controllore.