I sensori di velocità e gli anelli sensore : tutto quello che dovresti sapere

Ci siamo ormai abituati al fatto che i sensori di velocità si trovino attorno al cuscinetto della ruota, ma non è sempre stato così. Prima dell'entrata in gioco dell'ABS, la velocità era spesso misurata direttamente dalla scatola del cambio o dal differenziale. In seguito, i sensori sono stati spostati sui cuscinetti delle ruote, passando per l'albero di trasmissione. Nel corso del tempo, sono apparse diverse varianti, di cui ci occuperemo una per una, insieme alle loro caratteristiche.

Diversi tipi di anelli sensore

Per consentire al sensore di velocità di misurare la rotazione, il sistema ABS si serve di anelli sensore, ovvero anelli dotati di denti in metallo o poli magnetici variabili per poter generare un segnale.

Dato che gli anelli dentati presentavano diversi svantaggi (peso, malfunzionamenti a causa della sporcizia e propensione ai danni e all'usura) e poiché i progressi nel campo ormai consentivano precisione e funzionalità maggiori, si è passati all'uso di anelli magnetici situati direttamente sul cuscinetto. Questo tipo di anelli è stato integrato talmente bene che non è più possibile capire a prima vista se un cuscinetto abbia o meno una funzione ABS.

Spostato il campo magnetico dal sensore all'anello sensore, questa nuova configurazione ha offerto ulteriori possibilità di sviluppo per il sensore di velocità.

In caso di sporcizia o danni/usura agli anelli sensore, il segnale potrebbe essere inviato in modo diverso e causare dunque anomalie. Pertanto, qualora dovessero apparire guasti, vi consigliamo caldamente di controllare per prima cosa gli anelli sensore!

Sensori passivi (DF6)

Più o meno fino al 2003 i veicoli erano dotati principalmente di sensori ruota passivi, chiamati anche DF6. Questo tipo di sensore in realtà funziona sempre con anelli sensore dentati in metallo. Il sensore è dotato di un magnete permanente avvolto da una bobina.

Quando la ruota gira, i denti dell’anello garantiscono un campo magnetico variabile, che genera una tensione alternata costante nella bobina: un segnale sinusoidale di tensione analogica viene inviato all'ECU dell'ABS. Più alta è la velocità di rotazione, maggiore sarà l’ampiezza del segnale. A velocità molto basse, l’ampiezza sarà talmente ridotta che l'ECU dell'ABS non noterà alcun segnale. Si può dire che il segnale sarà sufficientemente forte a partire dai 30 km/h.

Potete testare piuttosto facilmente sia il sensore passivo sia l’anello sensore dentato. Molti strumenti di diagnosi sono in grado di visualizzare in tempo reale i dati relativi alla velocità della ruota. Qualora non disponiate di un tale strumento, vi basterà usare un oscilloscopio: potete controllare il segnale del sensore collegando il cavo di trasmissione del segnale del sensore all’oscilloscopio; quindi, facendo girare la ruota, dovrebbe comparire un segnale sinusoidale (di solito 0,5 V - 1,0 V). Fate attenzione alle anomalie nel segnale, causate da danni/usura a uno o più denti. Per controllare solo il sensore, vi basterà spostare rapidamente e più volte un cacciavite in metallo lungo il sensore. Anche se la forma del segnale non è particolarmente rappresentativa, potete almeno verificare se il sensore reagisce.

Sensori attivi (DF10)

Dal 2003, molte case automobilistiche sono passate ai sensori ruota attivi, la cui prima versione è conosciuta come DF10. Questo tipo di sensore ha una precisione molto più elevata e non dipende più dalla velocità: ogni impulso ha un’ampiezza uguale, per cui ogni velocità (anche in caso di veicolo fermo) è misurabile. Questo tipo di segnale viene chiamato anche segnale quadro.

Nonostante i sensori DF10 abbiano molti vantaggi rispetto al vecchio standard DF6, inizialmente utilizzavano ancora gli anelli dentati. Pertanto, erano dotati di un magnete interno per poter generare un campo magnetico. A partire dal 2006 è arrivato sul mercato un numero sempre maggiore di sistemi con anello magnetico, i quali non hanno pertanto più bisogno di un magnete interno.

Per poter funzionare, il sensore DF10 ha bisogno di tensione, ed è per questo motivo che questo tipo di sensore viene definito attivo. Il sensore è infatti dotato di due cavi: il primo per l’alimentazione (solitamente 12 V, talvolta 5 V), il secondo per la massa. Il segnale in uscita verso l'ECU dell'ABS passa da uno solo di questi cavi, in funzione del tipo di veicolo. Nel sensore è presente un semiconduttore, chiamato anche MRE (magneto resistive element, elemento magnetoresistente), che può funzionare sia da conduttore sia da isolante. Tramite la rotazione dell’anello sensore, il semiconduttore alternerà l'attivazione e la disattivazione dell’output. In questo modo viene a crearsi un’onda quadra digitale che viene inviata all'ECU dell'ABS. Con un oscilloscopio è possibile analizzare questo segnale.

Valori utili per la diagnosi

Come si vede nello schema qui sotto, il segnale quadro ha un valore fisso di 7, 14 o 28 mA. La visibilità della retromarcia era il prossimo obiettivo e per questo è stato progettato il DF10-RotDir, un sensore in grado di inviare, oltre al segnale quadro standard, anche un segnale supplementare in caso di guida in retromarcia. Il segnale appare come segue:

Intelligenza superiore (DF11i)

Grazie al frequente utilizzo della rete CAN e di altri sistemi di comunicazione in altre parti del veicolo, ci si è resi conto che un segnale in uscita da un sensore di velocità avrebbe potuto trasportare molte più informazioni rispetto alla semplice velocità di rotazione. Oltre alla direzione della rotazione, una funzionalità già aggiunta con il DF10-RotDir, è stato ad esempio possibile integrare nel segnale anche un controllo ulteriore del campo magnetico disponibile.

Perché fosse possibile, il sensore di velocità avrebbe dovuto essere in grado di generare segnali differenti per situazioni differenti. Per questo motivo si è scelto il protocollo PWM (Pulse Width Modulation, ovvero modulazione dell'ampiezza d'impulso), il cui principio è davvero molto semplice: viene determinata una lunghezza standard per l'impulso (nel caso del DF11i, in genere 45 μs) e tale valore viene moltiplicato per 2, 4, 8 o 16, in modo tale da consentire all'ECU dell'ABS di ricevere più informazioni oltre al momento dell'impulso. Lo schema che segue vi spiega questo concetto in maniera chiara:

I sensori DF11i sono dotati anche di un'altra funzionalità intelligente, che permette di distinguere fra la velocità nulla e un sensore non funzionante. In caso il veicolo sia fermo, infatti, il DF11i invierà comunque a intervalli regolari un impulso all'ECU dell'ABS per confermare la propria operatività alla centralina (in genere ogni 737 ms con un impulso moltiplicato per 32).

Lo sapevate?

Magari la risposta non vi sorprenderà, ma sapete perché le denominazioni di tutti questi sensori iniziano con "DF"? Il motivo è da ricercarsi nei laboratori di Bosch GmbH, dove le moderne tecnologie dei sensori hanno visto originariamente la luce: "DF" sta semplicemente per "Drehzahlfühler", ovvero "sensore di rotazione" in tedesco.

Anche del DF11i esiste una versione dotata di magnete interno, per consentirne il funzionamento (come talune versioni del DF10) con il classico anello dentato. Questa variante è denominata DF11iM. Di seguito, vi presentiamo un esploso di questo sensore (M indica il magnete).

Il nuovo standard (VDA)

Grazie a sviluppi quali il PSI5 per altri fini, tra i quali il sistema airbag, anche il sensore di velocità ha fatto un passo in avanti. I sensori VDA, infatti, tagliano definitivamente con il passato e non trasmettono più soltanto un impulso. Infatti, dopo aver inviato l'impulso generano un messaggio di nove bit con ampiezza equivalente alla metà di quella dell'impulso. In questo modo, diventa possibile non soltanto inviare informazioni estremamente specifiche, ma anche programmare il sensore. Il protocollo impiegato in questo caso è denominato "AK". Sappiamo che determinati sensori di Infineon funzionano con il protocollo AK 4.0, proposto da Daimler AG nel febbraio 2008, ma nel frattempo sono già entrate in uso varianti più recenti.

Vi starete chiedendo quali sono le funzioni svolte da questi nove bit, ma in questa sede possiamo fornirvi soltanto una spiegazione parziale perché la maggior parte dei bit è programmabile a piacere e, pertanto, la loro funzione può variare non sono da una casa automobilistica all'altra, ma anche da modello a modello.

Utilizzare sempre sensori ruota originali durante la sostituzione!

ACTRONICS consiglia di scegliere sempre OEM quando si sostituiscono i sensori ruota. Questi sensori devono essere selezionati in base al numero di telaio, perché sono disponibili molti tipi diversi che sembrano tutti uguali all'esterno. L'ECU quindi di solito fornisce codici di errore relativi all '"impedenza" del sensore ruota.

Contaminazione, danneggiamento e gioco sui cuscinetti delle ruote

In caso di reclami sui sensori ruota, controllare sempre che i cuscinetti delle ruote non siano sporchi, danneggiati e che non vi sia gioco. Il segnale che l'anello deve generare ha poca tolleranza e quindi una piccola deviazione può causare immediatamente un malfunzionamento.

Controllo dei sensori ruota

Fortunatamente, potete controllare senza problemi tutti questi tipi di sensore ruota servendovi di un oscilloscopio. Imprimendo una rotazione decisa a una ruota dopo aver attivato il quadro di avviamento (punto molto importante!), potete determinare con relativa facilità se i sensori e gli anelli sensore funzionano correttamente. Anche l'uso di un cacciavite in metallo (anello dentato) o magnetico (anello magnetico) può ovviamente dare un risultato. Una valutazione corretta del segnale è di estrema importanza: pertanto, servitevi sempre di un segnale di riferimento per poter eseguire un confronto. Di seguito, illustriamo brevemente le caratteristiche di questi segnali per chiarire ulteriormente le differenze.

DF6

Segnale sinusoidale, in genere fra 0,5 e 1,0 V. L'ampiezza aumenta all'aumentare della velocità di rotazione della ruota.

DF10

Segnale quadro con un'ampiezza fissa di 7, 14 o 28 mA. La frequenza del segnale aumenta all'aumentare della velocità di rotazione della ruota. Le versioni RotDir generano un segnale quadro a due fasi in retromarcia.

DF11i

Segnale PWM con lunghezza di 45 μs. Con rotazione in avanti, il segnale viene moltiplicato per 4, pertanto deve corrispondere a 180 μs, mentre con rotazione all'indietro deve corrispondere a 360 μs perché moltiplicato per 8. In caso la ruota sia ferma, ogni 737 ms il sensore genera un segnale di 1440 μs (32 volte la lunghezza del segnale). Un segnale di qualche tipo è pertanto sempre misurabile.

VDA

Mentre la ruota gira, un sensore VDA genera un impulso di velocità seguito da un segnale a nove bit, che contiene informazioni quali la direzione di rotazione. In caso la ruota sia ferma, verrà comunque sempre inviato questo segnale, ma non l'impulso di velocità. Un segnale di qualche tipo è pertanto sempre misurabile.