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m

Electronic Engine Control Unit – FST 2007/2008

José Miguel Monteiro Guerra

(53735)

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente: Prof. Marcelino Santos

Orientador: Prof. Francisco Alegria

Co-orientador: Prof. Moisés Piedade

Vogal: Prof. António Serralheiro

Novembro 2009

ii

Resumo

Resumo

Motivado pela participação na Formula SAE series (FSAE), projectou-se, desenvolveu-se e

testou-se um módulo electrónico de correcção da injecção de combustível para um veículo de

competição automóvel, no Instituto Superior Técnico. O sistema tem como objectivo dar resposta às

necessidades operacionais do motor, reduzindo o investimento da equipa nesta área em relação aos

anos anteriores e criar uma base sólida para o desenvolvimento à medida de uma unidade de

controlo de motor completa, com construção interna.

O presente trabalho consiste no projecto do hardware para condicionamento de sinal,

desenvolvimento de software num dsPIC30f, com uma estratégia baseada num processo de

engenharia reversa, e o desenvolvimento em Visual C# de uma aplicação gráfica de interface para a

comunicação entre o módulo de injecção e um computador pessoal (PC). Este é, naturalmente, um

projecto multidisciplinar e, portanto, o autor necessitou de estudar a área mecânica directamente

relacionada com o controlo de injecção, o que também é apresentado neste documento.

O módulo desenvolvido deve ser capaz de operar no severo ambiente automóvel, com as

suas interferências electromagnéticas e vibrações mecânicas. Assim, construiu-se e testou-se

sistematicamente um protótipo do módulo, com um simulador e o motor CBR600 f4i que equipa o

veículo FSAE do Instituto Superior Técnico. Os testes finais tiveram lugar num banco de potência

com um sensor de oxigénio de escape. O módulo desenvolvido é capaz de corrigir a quantidade de

combustível calculada pela ECU standard, possibilitando melhorias de desempenho do motor até

4 Cv.

Palavras-chave: Injecção de combustível, relação Ar/Combustível, rotação do motor, UEC,

Sensor de posição de acelerador, Formula Student.

iv

Abstract

Abstract

Motivated by the participation in the Formula SAE series (FSAE), an electronic fuel injection

correction module was designed, developed and tested on a racing vehicle at Instituto Superior

Técnico. The system has the goal to fill the operational needs of the vehicle engine, reducing the

investment of the team made in this area compared to previous years and to create a solid base for

the development of a whole custom engine electronic control unit built in-house.

The present project consists on the hardware design for signal conditioning, a dsPIC30f

software development with a reverse engineering based strategy, and a GUI development in Visual

C# for communication between the injection module and a personal computer (PC). This work is,

naturally, multidisciplinary and so the author needed to study the mechanical issues directly connected

to the fuel management, which are also presented on this report.

The developed module must be able to operate in the harsh automotive environment, with its

electromagnetic interferences and vibrations. So, a prototype was built and systematically tested with

a simulator and the CBR600 f4i engine that equips the Intituto Superior Técnico 2009 FSAE vehicle.

The final tests were made in a dynamometer with an exhaust oxygen sensor. The module is able to

correct the amount of fuel that the standard ECU calculates for the engine, enableing an engine

performance improvement of up to 4 hp.

Keywords: Fuel Injection, Air/Fuel ratio, engine speed, ECU, throttle position sensor, Formula

Student.

vi

Índice

Resumo .................................................................................................................................................... ii

Abstract.................................................................................................................................................... iv

Lista de Figuras ..................................................................................................................................... viii

Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xi

Lista de Acrónimos ................................................................................................................................. xii

1 Introdução ......................................................................................................................................... 1

1.1 Objectivos ................................................................................................................................ 2

1.2 Organização do Documento .................................................................................................... 2

1.3 A Competição .......................................................................................................................... 3

1.4 Motivação ................................................................................................................................ 5

1.5 Estado da Arte ......................................................................................................................... 5

1.6 Arquitectura Geral do Sistema ................................................................................................ 8

2 Gestão de Funcionamento do Motor ...............................................................................................13

2.1 Funcionamento Geral da Gestão de Combustível ................................................................ 14

2.2 Sensores ................................................................................................................................ 27

2.2.1 Sensor de posição de acelerador ...................................................................................... 27

2.3 Injectores ............................................................................................................................... 28

2.4 Módulo de Controlo de Injecção DynoJet ............................................................................. 29

3 Engenharia Reversa do Módulo de Controlo de Injecção ..............................................................31

3.1 Simulador de Motor ............................................................................................................... 32

3.2 Processo de Engenharia Reversa ......................................................................................... 34

3.2.1 Efeitos do Ganho ............................................................................................................... 34

3.2.2 Variação do Ganho com a Rotação .................................................................................. 38

3.2.3 Variação do Ganho com a Posição de Acelerador ........................................................... 41

4 Sistema desenvolvido .....................................................................................................................43

4.1 Hardware ............................................................................................................................... 44

vii

4.1.1 Microcontrolador ................................................................................................................ 44

4.1.2 Condicionamento de Sinal do Sensor de Posição de Acelerador ..................................... 49

4.1.3 Condicionamento dos Sinais Provenientes da Centralina ................................................ 50

4.1.4 Condicionamento dos Sinais Gerados .............................................................................. 52

4.1.5 Alimentação ....................................................................................................................... 54

4.1.6 Comunicação RS-232 ....................................................................................................... 55

4.1.7 Protótipo Construído .......................................................................................................... 56

4.2 Software ................................................................................................................................. 58

4.2.1 Arquitectura do Software ................................................................................................... 58

4.2.2 Leitura da Rotação ............................................................................................................ 59

4.2.3 Leitura do Sensor de Posição do Acelerador .................................................................... 60

4.2.4 Obtenção do Ganho – Interpolação Bilinear ..................................................................... 60

4.2.5 Medidas dos Impulsos de Entrada .................................................................................... 61

4.2.6 Execução de Saídas .......................................................................................................... 64

4.2.7 Mapa de Correcções ......................................................................................................... 65

4.2.8 Comunicação ..................................................................................................................... 66

5 Aplicação para Gestão dos Mapas de Injecção ..............................................................................69

6 Testes e Resultados........................................................................................................................73

6.1 Testes em Laboratório ........................................................................................................... 74

6.2 Testes no Protótipo FST03 .................................................................................................... 77

7 Conclusões ......................................................................................................................................87

Referências ............................................................................................................................................91

Anexo A - Circuito do dsPIC ...................................................................................................................93

Anexo B – Circuito de Regulador de Tensão .........................................................................................95

Anexo C - Funcionamento do Banco de Potência .................................................................................97

viii

Lista de Figuras

Lista de Figuras

Figura 1. Projecto FST nas competições Formula Student. 4

Figura 2. Arquitectura do sistema. 9

Figura 3. Funcionamento do módulo de injecção. 10

Figura 4. Arquitectura geral do módulo de injecção desenvolvido. 10

Figura 5. Motor de combustão a 4 tempos, à esquerda. Ciclo de 4 tempos, à direita. 14

Figura 6. Localização dos injectores nas condutas de admissão do motor. Injectores a preto e rail de

injecção por cima, a amarelo. 15

Figura 7. Imagem CAD do motor e transmissão do protótipo FST02. 15

Figura 8. Movimento dos êmbolos no interior do motor. 16

Figura 9. Influência do coeficiente de ar na potência (P) e no consumo específico (be). 17

Figura 10. Diagrama de blocos de centralina do FST03. 20

Figura 11. Diagrama qualitativo que ilustra os efeitos que modificam o rendimento volumétrico. 23

Figura 12. Variação da eficiência volumétrica com abertura da borboleta, ao longo da rotação. 24

Figura 13. Imagem CAD do restritor do FST03. 25

Figura 14. Diagrama de decisão do tempo de injecção. 26

Figura 15. Válvula Borboleta e sensor TPS (a preto). 27

Figura 16. Injector, à esquerda. Secção de um Injector, à direita. 28

Figura 17. Esquema equivalente eléctrico de um injector. 28

Figura 18. Power Commander da Dynojet. 30

Figura 19. Diagrama do Simulador. 32

Figura 20. Simulador de impulsos, 1 e simulador de TPS, 2. 33

Figura 21. Ensaio de efeito de ganho positivo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a

leitura no osciloscópio à direita. 35

Figura 22. Ensaio de efeito de ganho negativo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a

leitura no osciloscópio à direita. 35

ix

Figura 23. Ensaio de variação de rotação com ganho constante. A tabela de ganhos é apresentada à

esquerda e a leitura no osciloscópio à direita. 37

Figura 24. Ensaio de variação de rotação com ganho constante. A tabela de ganhos é apresentada à


Figura 25. Ensaio de variação de rotação com ganho constante e omissão de impulso de saída. A

tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita. 38

Figura 26. Ensaio de variação de ganho com rotação antes de leitura do primeiro sinal de entrada. A


Figura 27. Ensaio de variação de ganho com rotação após leitura do primeiro sinal de entrada. A


Figura 28. Ensaio de transição de ganho negativo para positivo. A tabela de ganhos é apresentada à


Figura 29. Ensaio de transição de ganho positivo para negativo. A tabela de ganhos é apresentada à


Figura 30. Variação do ganho com o TPS ao longo dum ciclo de injecções. 41

Figura 31. Variação do ganho com o TPS e efeito durante uma injecção. 42

Figura 32. dsPIC30f4013, à esquerda. dsPIC30f6014, à direita. 49

Figura 33. Circuito para leitura de TPS. 49

Figura 34. Circuito de condicionamento dos sinais de comando dos injectores. 50

Figura 35. Circuito de condicionamento dos sinais de saída do dsPIC. 52

Figura 36. Arquitectura do LM1949 e circuito tipicamente utilizado. 53

Figura 37. Circuito de conversão de tensões para a comunicação série. 55

Figura 38. Prótipo construído para testes. 56

Figura 39. Fichas de entrada e saída do módulo. 57

Figura 40. Cablagem de ligação entre a centralina e o módulo de injecção. 57

Figura 41. Rotina principal do programa. 59

Figura 42. Representação gráfica de interpolação bilinear. 61

Figura 43. Rotina de interrupção input capture, para um impulso de entrada. 62

Figura 44. Exemplo gráfico de overflow durante leitura do impulso. 63

Figura 45. Processo de início do impulso de saída. 64

Figura 46. Processo de finalização do impulso de saída. 65

Figura 47. Exemplo de ocupação da memória EEPROM. 66

x

Figura 48. Processo de comunicação. 68

Figura 49. Threads de comunicação entre o PC e o módulo de injecção. 71

Figura 50. Aplicação para afinação do mapa 72

Figura 51. Circuito de saída do simulador. 74

Figura 52. Resposta do sistema a ganho positivo, à esquerda e a ganho negativo, à direita. Em

ambos, a entrada está representada no sinal (3)e a saída no sinal (2). 75

Figura 53. Leitura errada da rotação do motor. 78

Figura 54. Leitura correcta da rotação do motor. 79

Figura 55. Leitura do TPS sem filtro, à esquerda. Leitura do TPS com filtro passa-baixo, à direita. 79

Figura 56. Ensaios do FST03 no banco de potência. 80

Figura 57. Ensaio em banco de potência com alteração de um ponto no mapa. 82

Figura 58. Curvas de ar/combustível dos ensaios com mapa inicial e ao fim de algumas alterações ao

mapa. 83

Figura 59. Curvas de potência dos ensaios com mapa inicial e ao fim de algumas alterações ao

mapa. 83

Figura 60. Valores de correcção para 80% de TPS, no início e no final dos ensaios. Mapa inicial com

círculos e mapa final com quadrados. 85

Figura 61. Diagrama de portos do dsPIC30F4013. 94

Figura 62. Circuito de regulador de 5 V. 96

Figura 63. FST02 no banco de potência. 98

xi

Lista de Tabelas

Lista de Tabelas

Tabela 1. Características que servem de referência para escolha do microcontrolador. ......................44

Tabela 2. Variação do consumo de potência e da susceptibilidade a interferência com o valor de

resistência. .............................................................................................................................................51

Tabela 3. Dicionário de símbolos de comunicação série. ......................................................................67

Tabela 4. Mensagem de envio de dados. ..............................................................................................67

Tabela 5. Mensagem de envio de mapa. ...............................................................................................68

Tabela 6. Resultados do teste de comparação entre a rotação esperada e a lida pelo módulo. ..........75

Tabela 7. Portos do dsPIC4013 utilizados e suas funções. ...................................................................94

xii

Lista de Acrónimos

Lista de Acrónimos A/D Analógico/Digital

CAD Computer Aided Design

CAN Controller Area Network

DSP Digital Signal Processor

ECT Engine Coolant Temperature

ECU Electronic Control Unit

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

EV Eficiência Volumétrica

FIFO First In First Out

FSAE Formula SAE

FST Formula Student Técnico

GND Ground

GUI Graphical User Interface

IAT Intake Air Temperature

MAC Multiply Acumulator

MAP Manifold Air Pressure

MIPS Milhões de Instruções Por Segundo

NC Número de Cilindros

PC Personal Computer

PCB Printed Circuit Board

PDIP Plastic Dual-In-line Package

PLL Phase Lock Loop

PMS Ponto Morto Superior

PWM Pulse Width Modulation

RAM Random Access Memory

RFI Radio Frequency Interference

ROM Read Only Memory

RPM Rotações Por Minuto

SAE Society of Automotive Engineers

TPS Throttle Position Sensor

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

1

Capítulo 1

Introdução

1 Introdução

Descrição dos objectivos do trabalho, do seu enquadramento e das razões que o motivaram.

Introdução à competição Formula Student e à equipa do Projecto FST. Apresentação do Estado da

Arte e da decisão sobre o rumo tomado.

Equation Chapter (Next) Section 1

2

1.1 Objectivos

O presente documento visa descrever um trabalho que consiste no projecto e concepção de

um módulo de injecção de combustível para um motor de combustão e representa o início do que se

espera ser uma sequência de trabalhos inseridos no tema, Unidade Electrónica de Controlo. O

trabalho desenvolvido deverá poder equipar o monolugar FST 03, concebido pela equipa do Projecto

FST, a competir na Formula Student.

A par com os projectos de aquisição de dados e telemetria, esta é uma área pioneira no

Projecto FST, que até então desenvolvia apenas projecto mecânico. A crescente exigência e

competitividade da prova, leva à necessidade de alargar o âmbito à área de electrónica, como

complemento essencial do projecto mecânico (ao nível de desempenho e de detecção de problemas)

e enriquecimento do conhecimento da equipa e do produto final, com aumento de produção na

universidade.

Assim, o trabalho consiste no projecto e construção de um módulo de correcção da injecção

de combustível do motor Honda CBR600 f4i. O módulo deverá ter funcionamento comprovado e

permitir a redução do investimento da equipa nesta área da electrónica. Por outro lado, o trabalho

deverá ter em conta que é um ponto de partida para projectos sucessores e, como tal, deve contribuir

como base sólida e apresentar um estudo breve sobre o funcionamento da gestão de funcionamento

do motor.

1.2 Organização do Documento

O documento está dividido nos seguintes capítulos:

Capítulo 1. Introdução - descrevem-se os objectivos e âmbito do trabalho realizado.

Explica-se brevemente a competição Formula Student e introduz-se a equipa do Projecto FST.

Descreve-se a motivação para o trabalho realizado e o estado da arte desta área da

electrónica, orientado à competição. Apresenta-se o conceito geral do módulo desenvolvido, a

sua relação com o sistema de propulsão do protótipo FST 03 e a sua arquitectura;

Capítulo 2. Gestão de Funcionamento do Motor – apresenta-se o estudo realizado

sobre o funcionamento de um sistema de gestão electrónica de um motor, orientado à injecção

de combustível. Descrevem-se os sensores e actuadores utilizados no projecto desenvolvido.

Descreve-se brevemente o funcionamento do módulo de injecção anteriormente utilizado pela

equipa e que será substituído;

Capítulo 3. Engenharia Reversa do Módulo de Controlo de Injecção – descreve-se o

simulador construído para testar o módulo em bancada. Descrevem-se, em seguida, os

ensaios e os seus resultados que levam à formulação do algoritmo geral de funcionamento do

sistema desenvolvido;

3

Capítulo 4. Sistema Desenvolvido – documenta-se o projecto e implementação de

software e hardware do módulo de injecção desenvolvido;

Capítulo 5. Aplicação para Gestão dos Mapas de Injecção – descreve-se a

implementação da aplicação auxiliar para a afinação dos parâmetros do módulo de injecção a

partir de um PC;

Capítulo 6. Testes e Resultados - são referidas as características principais do sistema

e confirma-se que responde aos estímulos de entrada da forma pretendida. Apresentam-se os

resultados dos testes feitos em banco de potência e as potencialidades do módulo

desenvolvido;

Capítulo 7. Conclusões – Faz-se um resumo geral do que foi dito no documento e

apresentam-se sugestões para trabalho futuro;

Anexos:

Anexo A Circuito do dsPIC – Apresentação do circuito do dsPIC e portos utilizados;

Anexo B Circuito de Regulador de Tensão – Apresentação do esquema eléctrico do

circuito do regulador de 5 V;

Anexo C Funcionamento do Banco de Potência – Explicação do modo de obtenção

da característica de potência no banco utilizado para os testes finais.

1.3 A Competição

As competições FSAE, organizadas pela Society of Automotive Engineers1, iniciaram-se em

1980 sendo dedicadas a estudantes de engenharia e outras áreas relacionadas directamente com a

indústria automóvel.

O conceito da competição é a criação duma indústria fictícia que pretende produzir em série

um carro de competição do tipo fórmula, destinado a competidores não profissionais de “fim-de-

semana”. Neste contexto, as equipas de estudantes participam projectando, construindo e testando

um protótipo sujeito a um regulamento que assegura a segurança do veículo, pilotado pelos próprios

estudantes, mas que também permite a criatividade e inovação na abordagem a problemas reais da

engenharia automóvel.

Num evento FSAE, as equipas terão de concorrer numa série de provas, divididas entre

provas estáticas e dinâmicas. As provas estáticas compreendem a análise do projecto do veículo,

custos de produção em série e a capacidade da equipa de convencer a indústria de que o seu

modelo deve ser produzido. As provas dinâmicas avaliam todos os aspectos de comportamento e

capacidades do protótipo, em testes de aceleração linear e lateral, culminando numa prova de

1 SAE - Sociedade de Engenheiros de Automóveis, fundada em 1905 nos Estados Unidos com o

propósito de estabelecer normas para a emergente tecnologia automóvel e promover o intercâmbio de ideias e experiências em todo o tipo de veículos rodoviários.

4

resistência de 22Km, efectuada num percurso de carácter sinuoso. A cada prova é dada uma

pontuação, sendo vencedor do evento a equipa que apresentar a maior soma total de pontos de

todos os eventos (não necessariamente o carro mais rápido em pista ou o mais avançado

tecnologicamente). A competição permite ainda a participação em 4 classes, distinguindo os

protótipos em projecto e construção que participam apenas nas provas estáticas, como os carros em

competição que concorrem também nas provas dinâmicas.

Figura 1. Projecto FST nas competições Formula Student.

Contando com mais de 300 equipas universitárias em todo o mundo e 8 competições anuais

a terem lugar nos Estados Unidos (Michigan e West), Inglaterra, Austrália, Japão, Brasil, Itália e

Alemanha, a Formula SAE é a maior e mais competitiva prova internacional de engenharia para

estudantes.

Em 1999, um grupo de estudantes do Curso em Engenharia Mecânica do IST formou o Fórum

Mecânica, associação sem fins lucrativos, no Departamento de Engenharia Mecânica. O objectivo era

promover projectos de estudantes dentro das diversas áreas do curso, aproximar o meio académico

ao industrial e complementar o curso com actividades de carácter científico e tecnológico. De

imediato, formou-se uma equipa que visava participar nas competições FSAE, denominando-se de

Projecto FST. A primeira participação do Projecto FST foi na Fórmula Student – Inglaterra, em 2001.

Desde então e até agora, o IST esteve sempre representado anualmente nesta competição, tendo já

participado nas provas de Inglaterra, Itália e Alemanha. O primeiro protótipo, FST01, percorreu todas

as classes da competição, desde a apresentação do seu projecto em 2002 até à participação pelo 2º

ano nas provas dinâmicas (e 4º ano na competição). Ainda em 2005, simultaneamente, é

apresentado o FST02, já na classe de protótipos em construção. É com esta participação que o

Projecto FST obtém, pela primeira vez, um primeiro lugar numa prova estática (Projecto em

Engenharia). Nos dois anos seguintes, este protótipo compete nos eventos dinâmicos. Na competição

de 2006, ano em que o autor do projecto se iniciou no projecto FST, e seguindo o exemplo anterior de

acompanhar o protótipo em provas dinâmicas com a apresentação de um novo projecto, é

apresentado o FST03 que vence a classe respectiva. Com o FST03, nasce a introdução de projectos

de electrónica na equipa. Até à data de entrega deste documento, o FST03 competiu em Agosto de

5

2008 na prova da Alemanha em Hockenheim, onde, pela primeira vez na equipa do projecto FST, um

protótipo terminou a prova de 22 Km no primeiro ano em que participou. Actualmente encontra-se em

fase de projecto o FST04, com uma nova equipa.

1.4 Motivação

Um dos principais pontos do regulamento é a introdução de uma drástica restrição do caudal

de ar que alimenta o motor. Este restritor tem uma superfície de escoamento de ar máxima igual à de

um círculo de diâmetro de 20 mm e não são permitidas quaisquer entradas adicionais de ar para o

motor. Para qualquer motor existente no mercado, sobretudo para motores de alto desempenho,

como são os que equipam os motociclos (motores normalmente utilizados pelas equipas), esta regra

provoca um acentuado decréscimo do ar disponível para a combustão, altera características do

sistema original que equipa os motociclos e, consequentemente, afecta negativamente as prestações

do motor. Assim, a organização pretende que as equipas desenvolvam projectos na área do motor,

para suprimirem ao máximo os efeitos causados por esta restrição.

Nos protótipos FST01 e FST02, a equipa desenvolveu apenas projectos na área de

mecânica. Os responsáveis por esta secção do monolugar, desenvolveram corpos de admissão e

linhas de escape, de forma a obter o melhor desempenho possível dentro do compromisso global que

é um projecto de engenharia desta envergadura e com o número de elementos interdependentes

presentes no veículo. A área da gestão electrónica também tinha forçosamente de ser ajustada para

a nova tipologia do sistema motor. Há falta de elementos de electrónica, as equipas anteriores

recorreram a soluções existentes no mercado, alterando exclusivamente o necessário, para dar

resposta à alteração das características do sistema. No protótipo FST03, surge a hipótese de se

iniciar um trabalho mais profundo na área da electrónica de gestão do motor, para continuar a

procurar melhorar o desempenho do motor.

A área de electrónica, no projecto FST, encontra-se dividida em três vertentes: electrónica de

gestão do motor, aquisição de dados e telemetria. O autor do presente projecto esteve, além do

presente trabalho submetido como dissertação de mestrado na área de gestão do motor, envolvido

em outras áreas de que se destacam a introdução do sistema electrónico de mudanças, que visa

facilitar a condução e permitir um melhor desempenho do veículo e a produção da cablagem eléctrica

do protótipo.

1.5 Estado da Arte

Até à data de início deste projecto, são muito raras as equipas que desenvolvem projecto

electrónico de raiz no que diz respeito à gestão de motor. Consoante a envergadura da equipa, quer

a nível financeiro, quer a nível de conhecimentos na área, ou meios técnicos disponíveis na

universidade, as equipas tomam três rumos distintos: adquirem produtos comerciais como os usados

nos protótipos FST01 e FST02, adquirem produtos comerciais que fazem a gestão completa do motor

6

a nível da ignição e da injecção ou desenvolvem as unidades de controlo baseadas em sistemas

semi-comerciais open-source.

Dentro do espectro de soluções comerciais como as utilizadas pelo Projecto FST nos

protótipos anteriores existem dois produtos referência: Power Commander da Dynojet e Rapid Bike

da Dimsport Technology. Ambos permitem afinar a injecção, mantendo a unidade de controlo

standard do motor. Os sinais de saída desta última funcionam como sinais de entrada do módulo de

injecção, que por sua vez excita os injectores. Nas duas soluções, as alterações aos tempos de

injecção são tabeladas com respeito à rotação e à posição do acelerador.

Ao longo do tempo foram surgindo novas versões destes módulos. Neste momento,

disponibilizam funções adicionais de correcção do ângulo de ignição e oferecem a possibilidade de

montar um sistema em malha-fechada com uma sonda lambda. É também possível mapear

isoladamente cada cilindro, o que pode ser útil em motores cuja admissão de ar não é uniformemente

distribuída, podendo causar desequilíbrios no seu funcionamento. As potencialidades continuam a

evoluir, seja ao nível da estratégia de injecção ou ao nível da interface com o utilizador. Os preços

destes módulos são superiores a €300 (à presente data).

As equipas com maior disponibilidade financeira e de meios técnicos (como bancos de

potência), optam geralmente pela utilização das denominadas centralinas2 programáveis. Estes

módulos substituem as unidades de controlo standard do motor e, ao contrário destas, permitem um

elevado grau de liberdade na alteração de parâmetros do funcionamento, como sejam mapeamento

de raíz dos tempos injecção ou da ignição. Acompanhando o avanço tecnológico dos motores e da

electrónica associada, estes módulos permitem controlar outros actuadores como válvulas de ar de

ralenti, turbos e efectuar controlo de tracção e drive-by-wire. Estes avanços, levam também a um

aumento da complexidade dos sistemas, nomeadamente no aumento da quantidade de sensores que

medem parâmetros de interesse do estado do motor. De momento, o método mais eficiente para a

troca de informação com os sensores é via CAN bus (controller area network).

A marca mais utilizada em competição é a MoTeC, que com os modelos da „hundred series’,

da M400 à M880, equipa motores de competição nas mais variadas vertentes. São exemplo disso os

Subaru WRX ou os Mitsubishi Evo. Uma outra marca também por vezes escolhida pelas equipas é a

Trijekt. Os valores de aquisição dificilmente se encontram abaixo dos €2000 (valor à presente data) e

obrigam, em determinados casos à aquisição de sensores compatíveis que substituam os standards

do motor. Por outro lado, o número de horas de utilização do banco de potência para a afinação é

muito superior em relação aos módulos descritos anteriormente e põe em causa a “saúde” do motor,

quando não são feitos por técnicos com elevada experiência.

As equipas que optam por desenvolver este tipo de sistemas, baseiam-se, geralmente, numa

centralina que tem vindo a ser construída há vários anos por uma comunidade segundo o conceito

2 Centralina é a denominação utilizada na gíria para unidade electrónica de controlo. Actualmente os

automóveis são equipados com várias destas unidades para controlo de várias áreas do desempenho e segurança. No protótipo FST, este nome está associado exclusivamente à gestão electrónica do motor.

7

Open-Source, a MegaSquirt®. Este sistema segue uma filosofia de baixo custo e tem sido aplicada a

muitos modelos de automóveis e motociclos. Os testemunhos e discussões abertas realizados entre

quem adquire os componentes e o software, ajudam a criar uma base de conhecimento e a melhorar

versão após versão, o sistema. Este funciona como uma centralina programável, permitindo a

afinação da injecção e da ignição. No entanto, como se trata de um sistema que pretende ser

universal e de aprendizagem, acaba por ter de ser alterado, em determinadas situações, dependendo

do motor em que será aplicado. Assim como este, existe um outro sistema menos utilizado pelas

equipas, o VEMS - Versatile Engine Management Systems.

Tal como no caso das centralinas da MoTeC, o investimento necessário para esta área é

elevado, por necessitar de mais horas de banco de potência. Por outro lado, a decisão da equipa é

projectar um sistema de raiz, por dar maior liberdade na escolha dos componentes e ser mais

desafiante do ponto de vista didáctico.

Ao longo dos anos em que a electrónica se foi desenvolvendo no ramo automóvel, alguns

projectos na área de gestão do motor foram desenvolvidos por alunos do Instituto Superior Técnico e

serviram de base ao trabalho aqui apresentado. Em todos, o autor encontrou informação útil para o

projecto deste módulo de injecção e inclusivamente para a continuação deste trabalho para um

sistema mais complexo. No entanto, o ponto em que se pretende evoluir é a aplicação prática num

automóvel e um sistema testado e com funcionamento comprovado, visto tratar-se de um módulo de

que dependerá o funcionamento do monolugar e a sua participação em 675 dos 1000 pontos da

competição.

“O sistema de ignição e injecção foi devidamente testado em laboratório (...). Os autores

deste projecto estão conscientes que seriam necessários inúmeros testes do sistema, no ambiente

real, por forma a garantir não só a eficácia de certas estratégias de controlo (...) como garantir a

própria robustez e fiabilidade do mesmo (...).”[8]

“Conseguiram-se os objectivos propostos, com excepção do ensaio final num banco de

ensaios, que por razões alheias aos autores não pôde ser feito.” [10]

A passagem dos testes em bancada para o sistema real é, normalmente, onde surgem os

imprevistos. É objectivo deste trabalho, passar a essa fase e aprender a contornar determinados

obstáculos que por vezes são muito difíceis ou mesmo impossíveis de prever, principalmente quando

se trata um primeiro projecto de engenharia numa área muito específica.

O projecto e implementação de uma centralina completa é complexo e moroso. A aplicação

funcional no carro é um objectivo claro e, portanto deve ter-se sempre em mente aspectos práticos

como sejam os meios necessários, os custos associados e o tempo gasto.

Neste projecto é essencial a existência de um banco de ensaios e a disponibilidade de um

motor. Os próprios protótipos têm de estar totalmente funcionais para poderem ser testados, o que

nem sempre é possível, visto a própria mecânica ter de ser ajustada e portanto, muitas vezes, os

protótipos terem de ser desmontados. À data deste projecto, a equipa do Projecto FST tem acordo

8

com um banco de ensaios para redução do custo de utilização e possui dois motores em bom estado

a equipar os protótipos FST02 e FST03.

Qualquer projecto ao nível da gestão electrónica do motor exige um período de testes

alargado e um risco acrescido para o seu estado de funcionamento. Dado o orçamento reduzido da

equipa, o período de testes deve ser minimizado pelos custos adjacentes ao banco de ensaios e o

manuseamento do motor deve ser feito com grande sentido de responsabilidade, dado que qualquer

erro que comprometa o funcionamento do motor poderá pôr em causa dois anos de projecto e

concepção do carro por parte de toda a equipa.

Assim, o problema é dividido em partes. Para se poder obter um sistema concluído e

testado, adopta-se uma filosofia “dividir para conquistar”, que sirva de base para as equipas

vindouras, projectando-se e construindo uma parte integrante de uma centralina completa.

1.6 Arquitectura Geral do Sistema

O módulo de injecção desenvolvido, não é um elemento isolado, no sentido em que interage

com um sistema já existente, constituído pelo motor de combustão e pela electrónica standard

(sensores e centralina). De seguida descreve-se esta interacção entre os elementos do sistema

propulsor e a arquitectura do módulo desenvolvido.

O projecto desenvolvido permite o conhecimento do funcionamento já com algum detalhe da

injecção standard do motor e o conhecimento de algumas das dificuldades da implementação

funcional de um sistema deste tipo. É mantida a estratégia de injecção implementada pela Honda,

mantendo a centralina de fábrica do motor e apenas se altera a quantidade de combustível

necessária ao correcto funcionamento do motor.

9

Motor

Honda

CBR 600F4i

Módulo de

Injecção

desenvolvido

Centralina

standard

KeihinSinais de comando

de injectores

Sinais de excitação

dos injectores

Sensores

de interesse

para o

Módulo de

Injeccção

Outros sinais

Figura 2. Arquitectura do sistema.

No diagrama da Figura 2 são apresentadas as três principais partes do sistema e o fluxo de

sinais de sensores e comando de actuadores acoplados ao motor de combustão.

O bloco azul representa a centralina da Keihin, marca que habitualmente equipa os motores

tanto de automóveis como de motociclos da Honda. Para uma primeira aproximação a um sistema de

injecção, mantém-se intacta a estratégia de gestão electrónica do motor, implementada pelo

fabricante e, que, portanto, se assume livre de erros.

São deixadas intactas, todas as ligações referentes a sensores e actuadores do motor, à

excepção do circuito de excitação dos injectores, onde passa a estar intercalado o módulo de

injecção desenvolvido. Nos sinais de sensores utilizados como entrada deste último, é feita uma

ligação paralela ao sensor que não afecta os valores enviados para a centralina.

Os sinais representados a verde, sinais de comando dos injectores, representam o circuito que

previamente alimentava os injectores e que passa a funcionar como entrada do módulo desenvolvido.

A alimentação dos injectores passa a ser feita pelos sinais de excitação dos injectores, a amarelo,

que são as saídas do dito módulo.

A cinzento é representado o motor Honda CBR 600F4i, modelo utilizado desde o início pelo

Projecto FST, por ter havido uma parceria com a Honda Portugal, por ser um motor fiável e por se

manterem desde o FST01 as medidas do mesmo e portanto facilitar o desenvolvimento de novos

projectos a nível mecânico (chassis, admissão de ar, escape, suspensão e transmissão). É um motor

atmosférico, de quatro cilindros em linha com 599 cm3

e cuja rotação máxima ronda as 14000 rpm

(rotações por minuto).

A vermelho está representado o módulo de injecção desenvolvido. A sua função é permitir a

alteração da quantidade de combustível injectada no motor calculada pela centralina standard. Os

10

sinais de entrada são, como já referido, os sinais de comando dos injectores e o sensor de posição

do acelerador. Os sinais de saída são a excitação dos injectores.

As alterações (correcções positivas ou negativas) feitas à quantidade de combustível injectado

no motor dependem da rotação e do valor lido no sensor de posição de acelerador (TPS – throttle

position sensor). O ganho aplicado em cada instante é calculado a partir de uma tabela (mapa) de

referência que é afinável em banco de potência. A alteração traduz-se num aumento ou diminuição

da largura de impulso de abertura dos injectores, o que se pode perceber pela leitura do Capítulo 2.

Figura 3. Funcionamento do módulo de injecção.

Na Figura 3 demonstra-se, de forma simplificada, o funcionamento do sistema. As cores da

imagem são concordantes com o diagrama da Figura 2.

A partir do sinal de entrada de comando de injectores, a verde, é possível extrair duas

informações distintas, a largura de impulso calculada pela centralina para cada injector e a rotação do

motor. No capítulo 4.2 são explicados os processos de obtenção dos valores destas variáveis. O valor

de TPS é lido directamente do sensor instalado no motor. A saída é, como explicado anteriormente,

um impulso com largura maior, menor ou igual à do impulso de entrada consoante a correcção

calculada seja superior, inferior ou igual a zero, respectivamente.

Figura 4. Arquitectura geral do módulo de injecção desenvolvido.

11

O hardware do módulo de injecção pode dividir-se conforme apresentado na Figura 4. No

capítulo 4 serão apresentados e explicados em pormenor tanto o circuito de cada bloco, como o

software desenvolvido no microprocessador. Os blocos de condicionamento de sinal dizem respeito

aos circuitos de tratamento dos sinais tanto de entrada como de saída e estão ligados ao

Microprocessador onde são processadas as informações e geradas as decisões respeitantes aos

sinais de saída. O bloco de comunicação representa o condicionamento necessário à comunicação

do módulo com um PC, com o objectivo de poder afinar a tabela de correcções. Sendo a única fonte

de alimentação existente no carro uma bateria de 12 V, surge a necessidade de reduzir esta tensão

para 5 V (tensão de funcionamento dos integrados utilizados no circuito).

13

Capítulo 2

Gestão de Funcionamento do

Motor

2 Gestão de Funcionamento do Motor

Introdução à teoria da gestão electrónica do motor. Explicação breve sobre o funcionamento do motor

de combustão e introdução ao parâmetro λ. Interpretação da estratégia de dosagem de combustível

standard do motor. Explicação dos principais efeitos que levam à necessidade de alterações

electrónicas no controlo do motor.


14

2.1 Funcionamento Geral da Gestão de Combustível

O presente capítulo visa dar a conhecer os fundamentos básicos teóricos por detrás do

trabalho desenvolvido. É apresentado o modo de funcionamento geral de um motor de injecção

electrónica. O funcionamento mecânico incluído é o que se julga estritamente necessário ao

entendimento dos termos técnicos utilizados ao longo do documento e para ajudar o leitor a

enquadrar-se no problema.

Dada a impossibilidade de conhecer exactamente o funcionamento da unidade de controlo do

motor standard, apresenta-se uma interpretação do hardware (sensores e actuadores) com base no

estudo teórico do funcionamento geral destes circuitos e do motor. A área aprofundada é a injecção,

deixando-se a ignição para um futuro projecto, apesar desta última também ter sido objecto de

análise com alguma profundidade.

O motor de combustão interna é uma máquina térmica cujo funcionamento se traduz na

transformação de energia química em energia mecânica. Para tal, é forçada uma reacção entre os

reagentes ar e combustível (gasolina) numa câmara de combustão (cilindro).

Na figura1 acima são apresentados alguns dos elementos constituintes do motor e um ciclo

de funcionamento do mesmo. As condutas e as válvulas de admissão e de escape, a câmara de

combustão, a vela de ignição, o pistão, a biela e a cambota.

A mistura de ar com o combustível é iniciada na conduta de admissão. O ar do exterior é

aspirado para o cilindro quando a válvula de admissão abre, pelo movimento de sucção do pistão. À

chegada ao cilindro, encontram-se os injectores, responsáveis pela introdução de gasolina no

processo. Por se encontrarem antes da válvula, denomina-se o conjunto por injecção indirecta. Tal

significa que a mistura deverá ser iniciada antes do tempo de admissão, em que a válvula abre. Por

outro lado, existem 4 injectores, um para cada cilindro do motor, sendo por isso multiponto.

1 Imagem adaptada de [10].

Figura 5. Motor de combustão a 4 tempos, à esquerda. Ciclo de 4 tempos, à direita.

15

Figura 6. Localização dos injectores nas condutas de admissão do motor. Injectores a preto e rail de injecção por cima, a amarelo.

A reacção química, apelidada de combustão, é iniciada aquando da ignição de uma vela no

topo do cilindro. Esta produz uma faísca eléctrica que provoca a queima do combustível. A expansão

do gás força o movimento do pistão para baixo produzindo um movimento circulatório na cambota.

Esta última é o veio responsável pela transmissão de movimento do interior do motor para o exterior.

É a velocidade de rotação deste elemento que é apelidado de rotação do motor, medida em rotações

por minuto (rpm) e que no motor utilizado varia entre a rotação de ralenti (repouso), normalmente

acima das 1000 rpm, até á rotação limiar de 14500 rpm. Este movimento da cambota é

desmultiplicado numa caixa sequencial de 6 velocidades, no interior do motor, e é levado às rodas

através de um conjunto de duas engrenagens (uma à saída do motor e outra no veio de tracção do

veículo) ligadas por uma corrente.

Figura 7. Imagem CAD do motor e transmissão do protótipo FST02.

16

O trabalho fornecido à cambota traduz-se na potência do motor. Esta é o resultado da

multiplicação da rotação do motor pelo binário fornecido à cambota.

O funcionamento do motor é normalmente dividido em quatro estágios: Admissão,

Compressão, Combustão e Escape.

Na admissão, a válvula de admissão abre e a válvula de escape mantém-se fechada. O ar e o

combustível são introduzidos pelo cilindro, cujo volume vai aumentando com o movimento

descendente do pistão.

Na compressão, as válvulas de escape e de admissão estão fechadas. O movimento do pistão

é ascendente, reduzindo o volume do cilindro e aumentando, consequentemente, a pressão sobre a

mistura. Quando o pistão se encontra perto do PMS1, a vela inflama a mistura dando início à

combustão.

Na combustão, as válvulas também se encontram fechadas. Conforme descrito acima, o

aumento da temperatura e da pressão da mistura durante a compressão e inflamação, culminam na

expansão do gás e consequente movimento descendente do pistão.

No escape, a válvula dessa conduta abre e o movimento ascendente do pistão expulsa os

gases resultantes da combustão, concluindo-se um ciclo de 4 tempos.

O motor utilizado é constituído por 4 cilindros em linha, sendo tudo o acima referido, repetido

pelos 4 cilindros sincronizadamente. A cada momento, todos os 4 estados estão a ser executados em

cada um dos cilindros. Por razões de equilíbrio do motor, a sequência de funcionamento não é

consecutiva. Os dois pistões do meio, o segundo e o terceiro, deslocam-se em simultâneo e

opostamente aos das pontas, o primeiro e o quarto. Assim, se por exemplo, o primeiro cilindro se

encontra na fase de Admissão, o segundo encontrar-se-á na fase de Escape, o terceiro em

Compressão e o quarto em Combustão.

Figura 82. Movimento dos êmbolos no interior do motor.

1 PMS - Ponto Morto Superior, é o ponto mais alto que o êmbolo atinge no cilindro. O ponto de

volume mínimo. 2 Fonte: [1].

17

O motor de combustão necessita de uma mistura Ar/Combustível bem definida para operar

correctamente. Para uma combustão completa, a relação teórica entre estes dois elementos é 14,7:1.

Esta relação corresponde a uma mistura de 14,7 Kg de ar para 1 Kg de combustível. Note-se que a

relação é definida em termos de massa e não de volume.

A reacção química que conduz a uma combustão completa da mistura, dá-se para uma

relação ar/combustível mínima igual à referida anteriormente, relação que recebe o nome de

estequiométrica.

Dependendo do regime de funcionamento (carga entre outros factores) a mistura poderá variar

consoante a resposta pretendida, procurando maior potência ou menor consumo. Partindo da

referência da relação estequiométrica, quando a relação ar/combustível tem mais peso no

combustível é denominada rica, e, no caso de ter menos, diz-se pobre. Cabe ao sistema de gestão, a

decisão sobre que tipo de mistura aplicar a cada momento.

Associado ao tipo de mistura, surge um factor de medida do afastamento desta em relação à

estequiometria (14,7:1). Este factor recebe o nome de coeficiente de ar (λ) e é representado pela

equação:

ar

e

Q

Q (2.1)

Onde:

Qar, é a quantidade de ar presente na mistura;

Qe, é a quantidade de ar para cumprir a estequiometria;

e para a qual:

λ=1, a quantidade de ar admitido é igual à de ar teoricamente necessária, correspondendo a

mistura à relação estequiométrica;

λ<1, escassez de ar admitido, mistura rica. Aumento de potência até um certo limite (λ≈0,85);

λ>1, excesso de ar admitido, mistura pobre. Consumo de combustível e potência reduzidos;

λ>1,3, o limite de inflamação é ultrapassado. Deixa de haver combustão.

Figura 9. Influência do coeficiente de ar na potência (P) e no consumo específico (be).

18

O motor de combustão fornece a potência máxima para uma escassez de ar entre 5% e 15%

(λ=0,95…0,85). A redução máxima de consumo dá-se para um excesso de ar da ordem dos 20%

(λ=1,1…1,2) e um bom funcionamento do ralenti ocorre para λ=1. A Figura 91 mostra a potência e

consumo específico2 em função do coeficiente de ar para o qual os outros factores sejam os ideais.

Se, contudo, for preciso manter o coeficiente de ar dentro de limites apertados, então torna-se

necessário medir com precisão a quantidade de ar admitida para o motor, e fornecer a quantidade

exacta de combustível correspondente. A alternativa a esta medição pode ser uma estimativa

compensada com realimentação.

Em motores de competição automóvel, a afinação é feita, procurando normalmente uma

maior potência em detrimento de um menor consumo. São identificadas as regiões onde

normalmente o motor irá operar, e introduzem-se propositadamente misturas ricas. Para pistas de

competição, normalmente os regimes do motor são de rotações elevadas. No entanto, nas

competições da Formula Student, os traçados são bastante sinuosos, sendo posta à prova a

agilidade dos monolugares e não tanto a velocidade de ponta. A velocidades mais baixas, para obter

potência à saída das curvas, os motores devem operar com potências mais elevadas nas regiões de

baixa/média rotação. Para este factor, como se poderá perceber adiante, embora a electrónica

contribua, o papel principal cabe ao projecto mecânico da estrutura de admissão e escape.

Conforme referido acima, para diferentes fases de funcionamento, assim a relação

ar/combustível deve ser alterada para satisfazer o funcionamento correcto do motor. De seguida

descrevem-se alguns dos períodos ou condições relevantes e os respectivos tipos de resposta por

parte do sistema de controlo.

Arranque a frio

A velocidades muito baixas de rotação, o fluxo de ar admitido não é suficiente para fazer uma

boa mistura das partículas ar/combustível. As temperaturas baixas não há uma boa evaporação da

gasolina e ocorre condensação nas paredes frias do colector de admissão e do cilindro. Estes

fenómenos provocam o empobrecimento da mistura que tem que ser compensada com uma

quantidade adicional de gasolina. Esta compensação é feita durante algumas voltas do motor ou até

que seja atingido um limiar de rotação em função da temperatura. Para conseguir uma mistura mais

homogénea de combustível e evitar o depósito de gasolina na vela, que impede a ignição, a gasolina

é injectada mais do que uma vez por volta do motor. Durante o arranque e para velocidades de

rotação baixas, a quantidade de ar admitido por volta motor é constante e independente da rotação.

Temperatura do motor

Após o arranque a frio começa a fase de aquecimento gradual do motor. Nesta fase é ainda

necessário o enriquecimento da mistura pois parte do combustível condensa-se nas paredes ainda

frias do colector de admissão e do cilindro. Este enriquecimento é função da temperatura, da carga e

da rotação do motor. Para grandes cargas e rotação o enriquecimento é fraco.

1 Imagem adaptada de [9].

2 Representa o consumo de combustível por unidade de potência (g/kWh ou g/Cvh).

19

Durante o aquecimento do motor, existem três objectivos em conflito: a suavidade do

funcionamento, o aumento da temperatura do escape para atingir a temperatura de funcionamento de

elementos, como a sonda de gases de escape (lambda) e o catalisador e assegurar o consumo e as

emissões em valores mínimos. No projecto FST, os pontos em foco são o funcionamento suave e o

consumo (não tão importante como o anterior), já que não existe limitação nas emissões de escape e

o veículo não está equipado com sonda lambda nem com catalisador.

Ralenti

A rotação de ralenti, ou repouso, é normalmente baixa, mantendo um funcionamento suave. Há

dois tipos de controlo para este modo, por ignição ou por quantidade de ar. No motor CBR600 F4i é

utilizado o segundo tipo. A rotação do ralenti nas injecções é controlada por uma válvula de ar

adicional. Esta fornece uma quantidade de ar adicional ao motor fazendo um bypass à borboleta do

acelerador. Abrindo mais a válvula, o motor tem mais ar e aumenta a rotação, assim, como fechando

a válvula a rotação diminui. A injecção é sempre feita de acordo com o ar admitido. Deste modo

torna-se possível fazer o controlo da rotação de ralenti de acordo com a carga a que o motor está

sujeito, como seja por exemplo, uma carga elevada do sistema eléctrico. Por razões de consumo, a

rotação de ralenti deve ser a mínima possível. No entanto, em automóveis de competição é natural

que esta assuma valores superiores, mais próximos dos valores de funcionamento em pista.

No protótipo FST, não é permitida por regulamento a utilização de um bypass na admissão de

ar, razão pela qual, a válvula borboleta é afinada de modo a permitir sempre um fluxo de ar tal que

permita a estabilização do ralenti.

Carga máxima

Em regime de carga máxima, o objectivo é a obtenção da máxima potência, pelo que o

consumo passa a ser secundário. A mistura é então enriquecida em toda a gama de rotações,

obtendo-se o máximo binário disponível. Este é obtido com misturas na gama λ=0,9…0,95.

Transição

Este modo compreende as fases de aceleração e desaceleração.

Se a borboleta do acelerador abrir abruptamente, a uma rotação de motor constante, a mistura

vai empobrecer momentaneamente. Então, é necessário enriquecer a mistura num curto espaço de

tempo, para que a transição se faça suavemente, sem solavancos e com um tempo de resposta

reduzido. A taxa de mudança da carga e do ângulo da borboleta são usados para determinar a

quantidade de combustível durante a aceleração. Esta correcção é tanto maior quanto menor for a

temperatura do motor. O coeficiente de ar toma valores na gama λ=0,85…0,75.

Na desaceleração não existe necessidade de binário. Pode cortar-se alimentação de

combustível até haver mudança no TPS ou a rotação estar próxima da rotação do ralenti.

Flutuações da tensão da bateria

A tensão da bateria é particularmente importante, pois dela depende a quantidade de

combustível fornecido, nas injecções. O injector é uma válvula electromagnética que abre e fecha

20

muito rapidamente. O atraso na abertura depende bastante da tensão da bateria, sendo portanto

necessário fazer uma compensação com a tensão que a comanda. O tempo de injecção é

prolongado com a queda da tensão da bateria.

A gestão da quantidade de combustível é desempenhada electronicamente. Na evolução do

sector automóvel, a implementação através da electrónica suplantou as opções mecânicas utilizadas,

nomeadamente por permitir uma monitorização do estado do motor e, portanto, poder dar uma

resposta mais eficaz aos diferentes regimes e modos de funcionamento do mesmo.

A complexidade dos sistemas utilizados hoje em dia é variável, dependendo da utilização do

motor. Além disso, para cumprir o mesmo objectivo, existem diferentes opções quer a nível de

hardware (tipos de sensores) quer a nível de estratégias (algoritmos de decisão de actuação).

Actualmente, com a preocupação com o consumo e emissões de escape dos veículos, existem

sistemas de elevada complexidade e são tomados compromissos que podem afectar o desempenho

do veículo.

De um modo geral, uma UCM – Unidade de controlo de motor – é um sistema que comporta

leitura de sensores que equipam o motor e decide o modo como actua sobre um conjunto de

actuadores. Na figura abaixo é apresentado o sistema standard que equipa o motor do projecto FST.

Apenas estão representados os sensores e actuadores que equipam de facto o protótipo

FST03. Alguns elementos como a válvula de retorno de gases de escape são eliminados por

regulamento da prova. Ao longo do documento as referências aos sensores representados serão

feitas através dos seus acrónimos:

Figura 10. Diagrama de blocos de centralina do FST03.

21

RotaçãoRPM1 – Rotações Por Minuto;

Pressão absoluta MAP – Manifold Air Pressure;

Temperatura do motor ECT – Engine Colant Temperature;

Temperatura do ar IAT – Intake Air Temperature;

Posição do acelerador TPS – Throttle Position Sensor;

A gestão da injecção tem como princípio de funcionamento, o cumprimento de uma

determinada relação Ar/Combustível pré-definida para um determinado ponto de funcionamento do

motor. Este é conseguido através do doseamento do combustível, dada a massa de ar admitida pelo

motor naquele momento. A massa de combustível injectada cumpre a equação:

/

AmFm

A F (2.2)

onde Fm é a massa de combustível a injectar, Am a massa de ar admitida e A/F a relação

ar/combustível estabelecida.

O conhecimento da massa de ar admitida a cada instante de injecção é, então um ponto de

grande importância para o correcto funcionamento do motor. No sistema implementado, a massa de

ar é calculada a partir do cálculo da sua densidade e do conhecimento do volume que ocupa no

cilindro.

Am Av Ad (2.3)

Onde:

Am, é a massa de ar admitida;

Av, volume máximo disponível no cilindro;

Ad, densidade do ar admitido.

O fundamento teórico em que assenta o cálculo da densidade do ar admitido é a lei dos

gases perfeitos. Esta é aplicada a um dado cilindro de volume V [dm3], conhecidas as condições de

temperatura do ar média T [ºK] e a pressão média no interior do cilindro P [bar].

P V n R T (2.4)

Onde:

R = 0,083148 bar.dm3.mol

-1.K

-1;

n, número de moles do gás (ar).

O estudo sobre a composição química das moléculas do ar, constituído essencialmente por

Nitrogénio, N2 e Oxigénio, O2, no caso de se considerar ar seco, afasta-se do âmbito deste projecto.

No entanto, para um qualquer composto químico sabe-se que a sua massa molar é a soma da

contribuição das massas molares de cada um dos componentes que o constituem. Para uma

1 Ao longo do documento o autor refere-se ao parâmetro rotação através de RPM (maiúsculas) e à

unidade de medida rotações por minuto através de rpm (minúsculas).

22

determinada quantidade do composto, medida em moles, tem-se que a sua massa total é o produto

da massa molar do composto pelo número de moles presente na amostra.

( )arm M ar n (2.5)

Partindo destas duas últimas equações, a densidade do ar traduz-se:

3( ) [Kg.dm ]ar

ar

m P PM ar K

V T R T

(2.6)

Uma função dependente dum valor constante K, e de dois parâmetros variáveis e controlados

por sensores, pressão, P, e temperatura, T.

Dada a densidade do ar, através dos dois parâmetros atrás referidos, resta calcular o volume

disponível no cilindro onde o composto se vai alojar misturado com a gasolina. Numa primeira

aproximação, o volume poderia ser calculado dividindo a cilindrada total do motor pela sua

distribuição, ou seja pelo número de cilindros. No entanto, a massa de ar admitida não é aquela que

resulta de preencher completamente o volume do cilindro com ar nas condições de pressão e

temperatura exteriores ao motor. Regra geral, a quantidade de ar admitida é menor.

Define-se rendimento volumétrico, ηv, como sendo a razão entre a massa de ar que fica retida

em cada cilindro e a massa de ar correspondente ao volume de cilindrada individual completamente

preenchida com ar nas condições de pressão e temperatura exteriores ao motor. O rendimento

volumétrico traduz assim o desempenho do sistema de admissão1.

av

ar c

m

V

(2.7)

Onde Vc é o volume do cilindro e ma é a massa de ar retida no fim da fase de admissão. Esta

última depende de diversos parâmetro que, embora não actuem de forma independente, é possível

individualizar e analisar os seus efeitos separadamente sem grande perda de rigor.

Considerando uma situação ideal de um rendimento volumétrico de 100%, a Figura 11 mostra

como o influenciam vários efeitos de a) a f), para uma situação de carga máxima e ao longo da

variação da rotação do motor. A traço contínuo encontra-se representada a curva final. De seguida

descreve-se brevemente cada um dos efeitos considerados.

1 Note-se que outros sistemas também influenciam de forma significativa este desempenho,

nomeadamente o sistema de escape.

23

Figura 111. Diagrama qualitativo que ilustra os efeitos que modificam o rendimento volumétrico.

a) O ar admitido no cilindro não se encontra isolado. Este é acompanhado de vapor de água e

de gasolina. Assim o volume disponível é ocupado pela mistura dos compostos e não pelo ar

isoladamente. A influência do vapor de água é, geralmente, muito pequena. Já a do combustível pode

ser pouco significativa, mas nalguns casos atinge valores consideráveis.

b) O ar que fica retido no cilindro quando termina a admissão não está à temperatura ambiente.

Por um lado sofre um abaixamento de temperatura devido à vaporização do combustível líquido, por

outro lado é aquecido pelas paredes quentes das condutas de admissão e da câmara de combustão.

Como resultado destas duas componentes o ar admitido aquece e, consequentemente, a sua

densidade diminui. Este aumento da temperatura diminui quando a velocidade do ar aumenta, isto é,

quando aumenta a velocidade de rotação do motor.

c) O ar de admissão no seu escoamento para o interior do cilindro vai sendo sujeito a perdas de

carga, quer singulares em cada “acidente” de percurso quer em linha. Assim, a pressão no interior do

cilindro é inferior à pressão atmosférica. Também no escoamento do gás de escape se têm perdas de

carga, pelo que a pressão no interior do cilindro durante o escape impulsionado é superior à pressão

atmosférica. Esta sobrepressão no escape é muito importante no desempenho do sistema de

admissão porque, se o gás de escape sair com uma elevada sobrepressão, o gás residual fica a uma

pressão elevada, diminuindo a quantidade de ar fresco que pode ser admitida.

As perdas de carga num escoamento turbulento completamente desenvolvido são

proporcionais ao quadrado da velocidade do escoamento e à densidade do fluido. A maior

contribuição para as perdas de carga é a passagem em válvulas, como a borboleta. De facto, é

através desta que se controla a carga do motor. Para qualquer que seja a rotação, o rendimento 1 Fonte: [7].

24

volumétrico aumenta com a abertura da borboleta, mas esse aumento é muito maior para pequenas

aberturas. Nestes casos, a importância relativa da perda de carga é muito grande face à dos outros

efeitos que condicionam o rendimento volumétrico.

Figura 121. Variação da eficiência volumétrica com abertura da borboleta, ao longo da rotação.

Este efeito da borboleta é importante para as decisões que se tomam ao longo do projecto

desenvolvido.

d) A maior velocidade do gás de admissão é atingida na zona de área mínima de passagem.

Nos regimes mais elevados e durante uma parte do tempo de admissão o ar atinge condições

sónicas na passagem desta zona. Quando se atinge a velocidade do som, o caudal deixa de ser uma

função da diferença de pressão a montante e a jusante dessa área mínima de passagem. Então,

durante o período em que existem condições sónicas, um aumento da velocidade do êmbolo não

pode provocar um aumento do caudal de ar de admissão. Esta manutenção de caudal para um

aumento da velocidade do êmbolo corresponde a uma efectiva diminuição de admissão de ar por

ciclo. Verifica-se, assim, que o aparecimento de condições sónicas na passagem da válvula se traduz

numa redução do rendimento volumétrico.

À medida que a velocidade de rotação do motor vai aumentando, o período em que ocorrem as

condições sónicas vais aumentando, provocando uma diminuição cada vez mais acentuada do

rendimento volumétrico. Estas perdas sónicas são, geralmente, a contribuição mais importante para a

diminuição do rendimento volumétrico nos regimes mais elevados.

O regulamento da Formula Student impõe a utilização de uma área máxima de passagem de ar

de um círculo de diâmetro 20 mm. Para o motor utilizado no protótipo FST 03 esta dimensão

representa uma restrição à passagem do ar muito superior ao corpo admissão original. Assim, as

1 Fonte:[7].

25

condições sónicas são atingidas muito mais cedo limitando a eficiência volumétrica do motor a

valores inferiores aos apresentados pelo sistema com a admissão original, o que se reflecte na

potência como se poderá verificar nos resultados finais. É esta a razão pela qual, no fundo, a gestão

electrónica do combustível deverá, obrigatoriamente, sofrer alterações face à original.

Figura 13. Imagem CAD do restritor do FST03.

e) Associado às velocidades elevadas que o ar atinge, surge um efeito provocado pela sua

inércia nos instantes perto do fim da admissão. Quando o êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior a

entrada do ar não termina. Pelo contrário, dada a sua inércia, esta mantém-se e vai diminuindo com o

tempo, beneficiando o rendimento volumétrico. Este tempo, depende da inércia do gás, logo da sua

velocidade e, portanto, da rotação. Quando o êmbolo inicia a ascensão, por outro lado, tende a fazer

o sair o gás do interior do cilindro. O resultado do balanço destes dois fenómenos depende dos

tempos de abertura e fecho das válvulas, interessando reter que dependendo das rotações de

funcionamento paras as quais o motor é projectado e sendo estes ângulos de abertura e fecho das

válvulas, fixos, estes fenómenos podem ser em determinados regimes favoráveis e noutros

desfavoráveis ao rendimento volumétrico.

Ao nível dos gases de escape verifica-se uma situação semelhante. A válvula de escape fecha

com atraso permitindo tirar partido da inércia do gás na saída do cilindro, mesmo após o Ponto Morto

Superior, mas se o atraso for demasiado, há uma aspiração de gás de escape de volta para o

cilindro. Este efeito não é tão acentuado como na admissão porque, estando o gás de escape muito

mais quente do que o gás admitido, a sua densidade é menor e, assim, a sua energia cinética é

também menor.

f) Os escoamentos nas condutas de admissão e escape estão sujeitos a grandes acelerações e

desacelerações, que os tornam pulsados. Estas bruscas variações de velocidade dão origem a ondas

de pressão. É possível tirar partido deste tipo de escoamentos para aumentar a eficiência

volumétrica.

Um dos objectivos para a melhoria do desempenho do motor é retirar o máximo de gás de

escape do interior do cilindro e introduzir o máximo de gás de admissão. As ondas de pressão podem

ajudar ou dificultar este objectivo. Relativamente ao escape, o ideal é ter uma depressão junto da

válvula de escape no fim do escape impulsionado. Relativamente à admissão, o ideal é ter uma

26

sobrepressão no fim da admissão. Para uma geometria de admissão fixa, como no FST 03, o

sincronismo entre estes fenómenos e os momentos de abertura e fecho das válvulas é um projecto

delicado e de compromisso. Há que procurar privilegiar as rotações onde o motor deverá funcionar,

sacrificando as rotações menos relevantes.

Concluindo, o rendimento volumétrico é uma característica do sistema de propulsão (admissão,

motor e escape), que deve ser conhecida aquando do desenvolvimento do projecto de controlo de

injecção de combustível. A alteração desta característica do sistema, pelas modificações

implementadas no protótipo ao nível da admissão e escape, face ao sistema standard, obriga à

alteração da gestão de combustível.

Para efeitos de controlo de injecção, a eficiência volumétrica é tabelada na centralina com

referência à velocidade de rotação do motor. O volume ocupado pela mistura é, então:

3

cf v

c

VV E dm

N (2.8)

onde:

V, é a cilindrada total do motor;

Nc, é o número de cilindros;

Ev, é a eficiência volumétrica.

Então, a massa de ar que efectivamente é admitida pelo motor, resulta da multiplicação da sua

densidade pelo volume calculado na equação anterior. A quantidade de combustível pode, então ser

calculada, conforme referido anteriormente.

A duração de excitação dos injectores, passa, normalmente por vários passos. O diagrama

abaixo pretende demonstrar um processo geral de decisão do tempo de injecção.

Figura 14. Diagrama de decisão do tempo de injecção.

27

Os passos identificados na Figura 14, após o tempo base, correspondem às situações de

funcionamento referidas anteriormente. Estas correcções são nulas, no caso do referente modo de

funcionamento não se verificar.

Para o tempo base de injecção são tomados em conta aspectos como as características do

actuador, isto é, da correspondência entre o tempo de excitação do injector e o caudal de combustível

que passa para o motor. É também tido em conta, a relação ar combustível base. As correcções

seguintes são avaliadas segundo as leituras feitas a partir dos sensores de ECT e TPS e da medição

da tensão da bateria.

O módulo desenvolvido, representa uma correcção adicional. O valor representado na Figura

14 como valor final, é o valor de entrada no módulo que, consoante o ponto de funcionamento do

motor, corrige o tempo de injecção. Pretende-se com este módulo, dar resposta às modificações

físicas que o sistema mecânico sofre em relação ao original, conforme explicado anteriormente.

Conclui-se assim, o estudo base para o dispositivo desenvolvido e para as decisões tomadas

durante o projecto. O módulo comercial que até à data deste projecto era utilizado será descrito mais

à frente.

2.2 Sensores

2.2.1 Sensor de posição de acelerador

No protótipo FST, a válvula que controla o fluxo de ar na admissão é denominada borboleta. O

veio desta válvula encontra-se solidário com o eixo rotacional de um potenciómetro que funciona

como sensor da posição do acelerador (TPS – Throttle Position Sensor).

Figura 15. Válvula Borboleta e sensor TPS (a preto).

Este sensor tem por objectivo gerar uma tensão indicadora da posição angular do acelerador.

Para tal é alimentado a 5V e é lido o valor de tensão à saída do potenciómetro que é linearmente

proporcional à posição angular em que se encontra a válvula borboleta.

28

Dadas as diferentes possibilidades de construção da válvula de admissão de ar, assim como

de afinação dos limites mínimo e máximo de abertura da mesma, é necessário proceder à calibração

do TPS aquando da montagem final no carro.

2.3 Injectores

Os injectores são os actuadores electromecânicos que permitem o doseamento da quantidade

de combustível injectada na câmara de combustão do motor.

Figura 161. Injector, à esquerda. Secção de um Injector, à direita.

O injector consiste numa válvula de solenóide. Existem dois estados: aberto e fechado.

Para abrir, uma agulha é atraída magneticamente ao alimentar-se electricamente a bobine

concêntrica com o canal de passagem de combustível. Ao deslocar-se, a agulha destapa o orifício por

onde escoa o combustível. Este último encontra-se num canal de alimentação dos injectores a

pressão regulada. O fluxo de combustível com respeito ao tempo depende do diâmetro do orifício de

saída e da pressão no canal de alimentação, logo é constante.

Para fechar, a mesma agulha retorna a tapar o orifício de escoamento do combustível,

pressionada por uma mola helicoidal.

Então, o controlo da quantidade de combustível é feito através do tempo em que o injector

está aberto. Para uma tensão de bateria de 12 V, o tempo de abertura é sempre superior a 1ms e

normalmente andará sempre num intervalo de tempo desta ordem de grandeza.

Para efeitos de controlo do injector interessa por fim conhecer o modelo eléctrico equivalente,

que se apresenta na figura abaixo.

1 Imagem da secção adaptada de figura pesquisada no google images.

Figura 17. Esquema equivalente eléctrico de um injector.

29

Este modelo é simplificado no sentido em que se consideram constantes R e L. A resistência

equivalente R apresenta valores entre 11,1 e 12,3 Ω segundo o fabricante. A existência do efeito

indutivo é relevante para o projecto do hardware de excitação dos injectores, como será explicado

mais à frente. A expressão analítica da corrente apresenta-se em baixo.

I t 1t

Vbate

R

(2.9)

Onde =L/R.

Habitualmente o circuito de excitação dos injectores recorre à utilização de um transístor MOS

ou bipolar em montagem de colector aberto, associado a um circuito de protecção do mesmo como

uma malha RC de amortecimento e/ou um díodo de Zener. No desenvolvimento do hardware, parte-

-se deste princípio, por não haver possibilidade de conhecer o circuito da centralina original do motor.

2.4 Módulo de Controlo de Injecção DynoJet

Até à data deste projecto, a equipa do projecto FST utilizava um módulo comercial de injecção,

solução chave-na-mão, desconhecendo por completo como havia sido desenvolvido e estando,

portanto, limitada às potencialidades do produto.

Este produto da DynoJet denominado Power Commander serviu de inspiração ao trabalho

realizado e foi utilizado como ponto de partida para o desenvolvimento do mesmo. No capitulo 3 é

explicado o processo de engenharia reversa feito a este módulo de modo a obter informações úteis

ao desenvolvimento do trabalho.

Este módulo permite adicionar uma correcção ao tempo de injecção calculado pela centralina.

Geralmente é utilizado em motociclos para melhorar o desempenho através da afinação da relação

ar/combustível. Os parâmetros de referência são a rotação do motor e o ângulo de abertura do

acelerador. Para as utilizações comuns, estes dois parâmetros traduzem o modo de condução do

piloto e as suas necessidades de potência. No caso do projecto FST e em competição em geral,

quando há alterações do sistema de admissão e/ou escape, estas duas variáveis são, também, as

que melhor se adequam para contornar o efeito provocado pelas alterações feitas ao rendimento

volumétrico. A rotação, porque é, normalmente, o parâmetro segundo o qual a eficiência volumétrica

é tabelada e referencia os efeitos sónicos. O TPS, porque a válvula borboleta representa a maior

contribuição para um dos efeitos que sofrem alterações, as perdas de carga, através da alteração da

geometria da admissão.

A tabela de correcções é referenciada, então por intervalos de 250 rpm, entre as 500 rpm e as

14500 rpm e por 9 valores de TPS [0%,2%,5%,10%,20%,40%,60%,80%,100%]. Os valores de TPS

não são igualmente espaçados, porque, como referido anteriormente, a eficiência volumétrica é mais

sensível a variações entre os valores mais baixos de abertura da borboleta.

30

Figura 18. Power Commander da Dynojet.

31

Capítulo 3

Engenharia Reversa do Módulo

de Controlo de Injecção

3 Engenharia Reversa do Módulo de Controlo de Injecção

Descrição do processo de engenharia reversa de software, ao qual se submeteu o módulo de

controlo da Dynojet. Implementação de um simulador do motor, para o exercício dos testes e

formulação de um algoritmo geral de controlo para implementar no sistema desenvolvido.


32

3.1 Simulador de Motor

Para permitir o desenvolvimento do projecto, assim como para permitir testá-lo em bancada

sem depender do funcionamento do motor, implementa-se um simulador de sinais necessários ao

funcionamento do sistema.

Simulador

µP

Inj.1

Inj.2

Inj.4

Inj.3

TPS

Gerador de

Funções

HP33120A

Figura 19. Diagrama do Simulador.

Conforme indicado anteriormente, os sinais de entrada do módulo de injecção da DynoJet,

assim como do módulo desenvolvido, são os impulsos de comando dos injectores e a tensão lida no

sensor TPS.

Para reproduzir os impulsos de comando dos injectores, utiliza-se um microprocessador. No

seu funcionamento base, este é programado para receber uma onda quadrada de um gerador de

sinais que serve para referenciar os 4 impulsos de saída (4 sinais de comando de Injectores). De

forma geral, o sinal de entrada pode ser dividido em grupos consecutivos de 4 impulsos invertidos

aos quais correspondem os 4 sinais de comando dos injectores pela ordem de funcionamento no

motor 1-2-4-3 e gerados em 4 portos distintos do microprocessador.

Variando a frequência do sinal do gerador, simula-se a variação da rotação do motor.

60

*4[ ]2

G

RPM

F Hz (3.1)

Na equação acima encontra-se a relação entre a frequência do sinal gerado, FG, e a rotação

(RPM) que se pretende simular. Dado um valor de RPM, divide-se por 60 segundos e por 2 rotações

correspondentes a um ciclo de 4 injecções. O produto por 4 surge devido a divisão de frequência

verificada entre a entrada e as saídas do microprocessador, conforme explicado anteriormente.

33

A duração dos impulsos de saída, assim como o momento em que são originados e a sua

quantidade por ciclo de 2 rotações, são controlados por software consoante o teste que se pretenda

realizar.

O sinal de TPS é simulado utilizando um potenciómetro linear alimentado entre 5 V e a massa

do circuito, tal como acontece no sistema real.

No simulador, as RPM e a largura dos impulsos de comando dos injectores são independentes

do valor de TPS. Tal não acontece no sistema real, sendo fácil perceber que, para diferentes

percentagens de abertura da borboleta, são admitidas concentrações diferentes de ar/combustível,

misturas cujas explosões provocam diferentes binários aplicados ao eixo da cambota e possibilidade

de alteração da rotação, dependendo de factores de atrito ou inclinação do plano onde se desloca o

carro. No entanto, para o objectivo pretendido, não é necessário contemplar a referida dependência

entre variáveis, o que torna o simulador mais simples de desenvolver.

Figura 20. Simulador de impulsos, 1 e simulador de TPS, 2.

A escolha do microprocessador recai sobre um modelo da família 18F da Microchip. Um

microprocessador de 8 bits que opera a 5 V. A escolha deve-se à facilidade de obtenção dos mesmos

através de amostras de oferta da Microchip, pelo conhecimento da programação em C dos mesmos,

pelo número de portas digitais disponíveis, pela existência de encapsulamento PDIP que permite o

desenvolvimento em breadboard e pelo material disponível em laboratório para programação de

microcontroladores da Microchip.

34

3.2 Processo de Engenharia Reversa

Existem diversas formas de atingir o objectivo pretendido no que diz respeito tanto ao projecto

de hardware como software. Embora no hardware se saiba à partida qual a função a desempenhar, é

a nível de software que surgem mais hipóteses de implementação como por exemplo no que diz

respeito ao momento, em que é lida a rotação, o momento em que se calcula a correcção, etc.

Dada a existência de um módulo comercial que executa a mesma função que o desenvolvido,

optou-se por proceder a engenharia reversa1 para extrair a informação útil ao desenvolvimento do

módulo. Sendo impossível aceder ao hardware do produto comercial, centrou-se o estudo na

obtenção de um algoritmo geral do funcionamento do programa de controlo.

Conhecida a base de funcionamento da centralina standard e do motor, configura-se o

simulador para estimular o módulo Dynojet e observam-se os sinais de saída num osciloscópio digital

com o objectivo de tirar conclusões em relação ao aspecto em estudo (cálculo do ganho, leitura da

rotação, etc).

Em todos os testes efectuados, os injectores são substituídos por resistências de 100 Ω ligadas

entre os 12 V e o terminal do sinal de saída do módulo Dynojet. Desta forma, evita-se a degradação

dos injectores provocada pelo seu aquecimento.

Nos ensaios realizados utilizam-se os aparelhos disponíveis em laboratório:

Osciloscópio - Tektronix TDS 2014;

Gerador de Funções – Hewlett Packard 33120;

Fonte de alimentação 5 V e 12 V – Metrix AX322;

À medida que os testes vão sendo realizados, formulam-se hipóteses de funcionamento. De

seguida faz-se um conjunto de testes exaustivo para tentar derrubar a hipótese proposta e formular

uma nova. Como se poderá observar, o mapeamento dos ganhos será um ponto-chave para a

obtenção de resultados úteis ao estudo a efectuar.

3.2.1 Efeitos do Ganho

A primeira fase tem como objectivo compreender a forma como é aplicada a correcção aos

impulsos de entrada. Para tal programa-se a tabela de ganhos com um determinado valor no ponto

de funcionamento (TPS;RPM) e, aplicando um sinal de excitação com frequência entre os 16 Hz e os

480 Hz (500 RPM e 14500 RPM aproximada e respectivamente), recolhe-se o sinal de saída e o sinal

de entrada no osciloscópio.

1 “Engenharia reversa: é o processo de analisar um sistema com a finalidade de criar sua representação de uma

forma diferente ou em um nível mais alto de abstração do que o código fonte.” [16].

35

Nos ensaios apresentados, Figura 21 e Figura 22, o ponto de funcionamento é RPM=3000 e

TPS=0%. Valores correspondentes, no simulador, ao valor mínimo de tensão à saída do

potenciómetro (aproximadamente 0 V) e frequência de 100Hz no gerador de funções. As correcções

estabelecidas para o estudo são 20 e -20, como é possível verificar no excerto da tabela de interface

de afinação do módulo de injecção.

Nas imagens obtidas, o sinal (1) representa a onda quadrada do gerador de funções e o sinal

(3), a saída do módulo de injecção referente a um dos injectores.

A partir da observação das figuras acima, é possível concluir dois aspectos importantes.

Figura 21. Ensaio de efeito de ganho positivo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

Figura 22. Ensaio de efeito de ganho negativo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

36

Em primeiro lugar, tanto para a correcção negativa como para a positiva, o valor do ganho

tabelado corresponde à percentagem de diminuição ou de aumento aplicada à largura de impulso de

entrada. Assim o valor mínimo a constar na tabela de ganhos será -100.

No caso da Figura 21, a largura de impulso do sinal de entrada mede 5 ms e o sinal de saída

tem 6 ms, correspondendo a um aumento de 20%. No ensaio da Figura 22, para um sinal de entrada

com a mesma largura do anterior, o sinal de saída mede 4 ms, o que equivale a uma redução de

20%. Em ambos os casos, os valores medidos são aproximados, dado verificar-se uma desfasagem

constante no valor de 250 µs (aproximadamente e visível no flanco ascendente da figura 22) entre os

flancos de entrada e de saída, que se acredita corresponder a um atraso inerente ao funcionamento

do sistema, que fundamentalmente se deverá ao tempo de cálculo do valor de saída no processador.

O segundo aspecto sobre o qual se retira conclusões prende-se com a forma como são

geradas as saídas consoante o sinal do ganho aplicado. Quando o sinal do ganho é positivo, o

impulso de saída é prolongado para além do final do impulso de entrada. Quando o sinal é negativo,

o início do impulso de saída é atrasado em relação ao início do impulso de entrada e termina com o

fim do mesmo.

É realizado um segundo estudo com o objectivo de perceber com que atraso é aplicada a

correcção, isto é, se é aplicada ao impulso de entrada actual ou se existe atraso de um ou mais ciclos

de injecções no funcionamento do módulo.

Neste estudo, os impulsos de saída do simulador, têm a mesma largura que os impulsos da

onda quadrada do gerador de funções. Trabalha-se sempre com um valor fixo de TPS e faz-se variar

bruscamente a frequência do sinal do gerador entre dois valores pré-determinados. No mapa de

ganhos, na coluna do valor de TPS de trabalho, programa-se um ganho constante ao longo da

rotação. Fazendo variar a frequência do sinal do gerador de funções, altera-se directamente a largura

dos impulsos, mas a correcção aplicada mantém-se igual, visto ser constante ao longo da rotação.

Com um osciloscópio digital captam-se os sinais de entrada e saída num momento de transição da

frequência para se poder observar os resultados.

Nos testes apresentados abaixo, Figura 23 e Figura 24, os sinais (1) são a saída do gerador e

(3) são uma das saídas do módulo. O ponto de funcionamento tem TPS=0% e rotação que tem como

ponto de partida as 6000 rpm e como valor final as 3000 rpm, 100 Hz e 200 Hz no gerador de

funções, respectivamente.

37

Pela análise dos sinais, é possível concluir que tanto para os ganhos positivos como para os

ganhos negativos o cálculo da largura de impulso de saída é feito a partir do impulso de entrada

anterior do mesmo injector.

Verifica-se nos dois ensaios, o tempo de prolongamento do impulso de saída como o atraso

no início do mesmo, respectivamente, têm uma duração constante, embora o impulso de entrada

tenha o dobro da duração. Concretamente, com um ganho de 40% ou -40% a o tempo de correcção

para um impulso de 2,5 ms é de 1 ms e para um impulso de 5 ms é de 2 ms. O valor de correcção

que se observa é para os dois casos de 1 ms, no impulso de 5 ms.

Figura 23. Ensaio de variação de rotação com ganho constante. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

Figura 24. Ensaio de variação de rotação com ganho constante. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

38

Em determinados caso, quando existe redução brusca da largura de impulso de um ciclo para

o outro e se aplica uma correcção negativa, pode não existir injecção à saída do módulo. Tal

acontece, se o instante calculado para o início do impulso de saída ocorrer após o fim do sinal de

entrada.

Para exemplificar este fenómeno apresenta-se, na Figura 25, um teste com ganho constante

de -85, TPS=0% e um salto de rotação de 6000 rpm para 3000 rpm com o intuito de forçar a variação

da largura de impulso.

3.2.2 Variação do Ganho com a Rotação

Após o estudo sobre a influência da correcção nos sinais, interessa perceber como esta

deverá variar em relação aos parâmetros de funcionamento do motor, RPM e TPS. Neste capítulo

tratar-se-á da variação com RPM.

Para este estudo, a largura dos impulsos de saída do simulador é constante. Estes estão

sincronizados com o início dos impulsos do gerador de funções, mantendo-se a correspondência

entre frequência do sinal gerado e rotação, descrita anteriormente. Trabalha-se sempre com um valor

fixo de TPS e faz-se variar a frequência do sinal do gerador entre dois valores pré-determinados. No

mapa de ganhos, na coluna do valor de TPS de trabalho, tabelam-se dois valores diferentes para a

rotação inicial e final do ensaio. Fazendo variar a rotação, altera-se directamente o ganho. Com o

osciloscópio digital captam-se os sinais de entrada e saída num momento de transição da frequência

para se poder observar os resultados.

Durante os testes, Figura 26 e Figura 27, deve haver o cuidado de, nos campos intermédios

entre a rotação de partida e a de chegada, se programar o ganho que se pretende final no ensaio.

Isto porque assim se garante que qualquer que seja a rotação lida no momento de transição de

frequência, a correcção aplicada será a que se programou como final.

Figura 25. Ensaio de variação de rotação com ganho constante e omissão de impulso de saída. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

39

Nas figuras, Figura 26 e Figura 27, o TPS é mantido a 0% e a rotação varia entre 3000 rpm e

as 6000 rpm. Os sinais representados são o sinal do gerador de funções (1), o sinal de saída do

simulador (2) e o sinal de saída do módulo respeitante ao Injector 4 (3).

No primeiro teste quando se verifica alteração na frequência do sinal gerado, o impulso

apresentado de saída pouco se distingue do impulso de entrada (vermelho), dada a escala temporal

definida no osciloscópio, evidenciando que a correcção se mantém a 20%. Já no segundo teste, o

primeiro impulso de saída do Injector 4 (terceiro na sequência de injecções de um ciclo) após

variação da frequência do sinal do gerador, apresenta uma diferença em relação ao anterior.

Sabendo-se previamente que a largura de impulso usada para o cálculo do tempo de injecção é a do

impulso anterior, conclui-se que o ganho evoluiu para 60.

Figura 26. Ensaio de variação de ganho com rotação antes de leitura do primeiro sinal de entrada. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

Figura 27. Ensaio de variação de ganho com rotação após leitura do primeiro sinal de entrada. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

.

40

Ao fim de alguns testes para os 4 injectores, conclui-se que o efeito da alteração do ganho

(concordante com a variação da frequência do sinal) só é notado após passagem pelo primeiro

injector, o que denuncia o facto de apenas nesse momento ser lida a rotação e portanto só aí ser

recalculada a nova correcção.

Ao nível de funcionamento do motor a leitura da rotação é, então, feita a cada ciclo de 4

injecções, ou seja, a cada duas voltas do veio da cambota.

De seguida fazem-se simulações com a mesma base das anteriores, mas com mudança de

sinal no ganho entre a rotação de partida e a de chegada. Assim pretende-se perceber melhor o

funcionamento do módulo numa situação mais aproximada à aplicação real.

Figura 28. Ensaio de transição de ganho negativo para positivo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

Figura 29. Ensaio de transição de ganho positivo para negativo. A tabela de ganhos é apresentada à esquerda e a leitura no osciloscópio à direita.

41

Nos ensaios acima representados, o impulso de saída lido é o do Injector 1. Sendo neste que é

lida a rotação, é também aquele para o qual terá maior interesse conhecer as transições de sinal do

ganho.

Nos casos em que se verifica variação do ganho de negativo para positivo, também durante a

leitura do impulso de entrada, o impulso de saída é iniciado de acordo com o cálculo para o ganho

negativo e é prolongado para além do fim do sinal de saída o tempo calculado com referência ao

ganho positivo.

Nos casos em que se verifica mudança de sinal do ganho de positivo para negativo durante a

leitura do impulso de entrada, o impulso de saída, que já havia sido iniciado, não é prolongado após o

fim do sinal de entrada.

3.2.3 Variação do Ganho com a Posição de Acelerador

Após estudar-se o efeito da variação das RPM no cálculo do ganho, estuda-se a variação deste

com a posição angular do acelerador.

Para efectuar os testes, utiliza-se um gerador de funções suplementar que substitui a o

simulador do sensor de posição do acelerador. A análise divide-se em dois testes. No primeiro

pretende-se perceber se o valor de TPS só tem efeito a cada ciclo de injecções ou se pode influenciar

isoladamente cada injector. No segundo, estuda-se o efeito da variação do ganho durante a leitura de

um impulso isoladamente.

A Figura 30 representa o primeiro dos dois testes referidos. A simulação do valor de tensão do

sensor TPS é feita com um sinal dente-de-serra com amplitude entre 0 V e 5 V e com frequência

baixa o suficiente para incluir um ciclo de 4 injecções num período. Para a rotação a que o teste se

desenvolveu, 3000 rpm, tabelam-se vários ganhos de modo que seja possível observar diferenças

entre as larguras dos impulsos de saídas consecutivas.

Figura 30. Variação do ganho com o TPS ao longo dum ciclo de injecções.

42

A linha (4) representa o sinal de excitação do TPS, as (2), (1) e (3) representam 3 impulsos

sequenciais do ciclo de injecções. Dada a limitação do osciloscópio a 4 canais, opta-se por

representar deste modo, sendo suficiente para o estudo efectuado.

A partir deste ensaio, é possível concluir que a variação do TPS tem, então, efeito no cálculo

do ganho para cada injecção isoladamente, o que indica que o valor do sensor é adquirido várias

vezes ao longo do ciclo de duas rotações.

No segundo ensaio, o ponto de funcionamento do sistema mantém-se ao nível da rotação

mas o sinal de simulação do TPS passa a ser uma onda quadrada com uma frequência tal que existe

uma mudança de flanco durante a leitura de um impulso de entrada. O objectivo é perceber se uma

variação brusca de TPS, terá consequências durante a execução de um impulso. Como é esperado

que o circuito de leitura do TPS tenha um filtro passa-baixo, os valores de correcção são disposto ao

longo da coluna da respectiva rotação de teste de tal modo que tenham sinais contrários para acima

e abaixo do valor médio do TPS.

Na Figura 31 representam-se o sinal de excitação do sensor de posição de acelerador, (4),

um impulso de entrada, (2), e o respectivo sinal de saída, (3).

Como é possível verificar pela figura, fica confirmada a leitura do valor de TPS durante o

processamento do impulso de entrada, evidenciada pelo facto de o impulso de saída começar por

corresponder a um efeito de uma correcção negativa e ser prolongado para além do final do sinal de

entrada conforme sucede para uma correcção positiva.

Fica assim determinado o funcionamento geral do sistema comercial que servirá de base

para o algoritmo utilizado no sistema desenvolvido.

Figura 31. Variação do ganho com o TPS e efeito durante uma injecção.

43

Capítulo 4

Sistema Desenvolvido

4 Sistema desenvolvido

No presente capítulo apresenta-se o projecto e implementação do módulo de injecção desenvolvido

ao nível do hardware e do software.


44

4.1 Hardware

4.1.1 Microcontrolador

No projecto desenvolvido, a escolha do microcontrolador tem de contemplar vários aspectos.

Na decisão tomada tem-se sempre em conta que o projecto deve poder ser expansível e que o

processador é um dos pontos fulcrais para que o desenvolvimento até determinada fase não tenha de

ser totalmente refeito por constrangimentos associados ao défice de capacidades daquele.

Durante o processo de pesquisa de mercado encontraram-se várias soluções como, por

exemplo, o modelo 68HC908GP32 da Motorola utilizado em unidades de controlo de motor ou

modelos da Texas Instruments utilizados noutros projectos semelhantes ao desenvolvido. No entanto,

estes acabam por servir como referência para comparação de capacidades com o que de facto é

utilizado.

Característica 68HC908GP32

Frequência máxima de operação

8MHz

Memória de programa 32Kb Flash

RAM 512bytes

Timers 2 - 16bit

Canais A/D 8 – 8bit Tabela 1. Características que servem de referência para escolha do microcontrolador.

Além destas características destaca-se a necessidade de memória de dados cuja

disponibilidade mínima necessária para este projecto é de 513bytes, correspondentes à tabela de

correcções com 57 linhas e 9 colunas e gravada em palavras de 8-bit.

A escolha recai, então sobre um DSP de 16 bit da Microchip, da família dsPIC30F. Além das

capacidades do próprio microcontrolador, que são exploradas abaixo, existem outras razões para a

escolha. Por um lado, o custo reduzido dos integrados, que muitas vezes são disponibilizados pela

Microchip como amostras, e a existência de software e material como programadores para estes

chips nos laboratórios utilizados. Por outro lado o autor possui já algum conhecimento na

programação de microcontroladores da Microchip de 8-bits da família PIC18F.

A decisão passa também pelos restantes membros da equipa de electrónica do Projecto FST,

sendo que se opta pela família dspic30F para o desenvolvimento da aquisição de dados e telemetria

e também para o display do volante. O objectivo desta decisão tem dois factores de peso. Por um

lado uniformizar ao máximo o desenho e produção de placas PCB que integram os diversos sistemas

electrónicos que integram o protótipo, baixando drasticamente o tempo de desenho e o custo de

produção das mesmas. Por outro lado, facilita-se a transmissão de conhecimento entre membros da

equipa sobre a programação dos microcontroladores, reduzindo o tempo de desenvolvimento de

45

software e facilitando a passagem de conhecimento para equipas vindouras. É importante referir que

mesmo dominando a programação, as diversas funcionalidades necessitam de algum tempo de

aprendizagem para compreender o seu funcionamento e saber configurá-las. Neste sentido torna-se

importante a possibilidade de haver bibliotecas de funções disponíveis para a equipa do projecto, que

agilizem os projectos paralelos ou seguintes.

As principais características encontram-se listadas abaixo divididas por áreas, para melhor

compreensão.

RISC CPU:

Arquitectura Harvard Modificada para acesso simultâneo a dados e programa

Arquitectura com conjunto de instruções optimizado para compilador C;

16-bit data path;

144 Kbytes de memória de programa Flash on-chip;

8 Kbytes de memória RAM on-chip;

4 Kbytes de memória de dados EEPROM não-volátil:

o 100,000 ciclos de escrita (min.) para gama de temperaturas em ambiente

industrial, 1M (valor típico);

o Programável por Software;

Até 30 MIPS (milhões de instruções por segundo);

Input para oscilador 4 MHz-10 MHz com PLL (4x, 8x, 16x);

41 fontes de interrupção;

8 níveis de prioridade de interrupção seleccionáveis;

Watchdog Timer (WDT).

O termo microcontrolador advém do facto de no mesmo chip serem incluídos os componentes

principais de um microcomputador: microprocessador, memórias RAM e ROM, portos de entrada e

portos de saída.

Os processadores de 16 bits, são utilizados em controlo de motores eléctricos ou para

processamento áudio, representam uma boa escolha a nível de precisão e velocidade de

processamento para o tipo de aplicação em causa. Ao nível do processamento, a variedade de

opções e conjugações de osciladores com PLL revela-se de grande interesse, por criar maior

flexibilidade no compromisso entre a velocidade de execução e a leitura de intervalos de tempo

relativamente elevados (em geral >1 ms).

A escolha do clock recai sobre um oscilador externo de 6.144 MHz cuja frequência é

aumentada internamente 8 vezes num modo PLL. O cálculo da velocidade de processamento das

instruções é:

8

4

FoscFcy

(4.1)

46

Onde:

Fcy, é o número de instruções executadas por segundo;

Fosc, é a frequência de oscilação do cristal;

4, é o valor da divisão interna efectuada pelo microcontrolador.

O funcionamento do programa desenvolvido baseia-se na utilização de interrupções a uma rotina

cíclica. As interrupções são chamadas a funções que geralmente gerem um ou mais periféricos e são

geradas por hardware, evitando a ineficiência da utilização de pooling1 principalmente tratando-se de

vários sinais de entrada nos portos do dsPIC. Por outro lado, a possibilidade de atribuir vários níveis

de prioridade às interrupções pode ser um elemento de grande relevância como se poderá verificar

na explicação do funcionamento do programa.

A nível da escolha de memória, pela dificuldade de estimação da capacidade necessária em

projectos futuros, adoptam-se os valores máximos disponibilizados na família 30F. 144 Kbytes de

memória de programa FLASH, qualificada para utilização em ambiente automóvel, 8Kbytes de

memória RAM e 4Kbytes de memória de dados EEPROM com capacidade de escrita elevada e

testada para ambientes de temperaturas elevadas, cuja principal função será o armazenamento de

tabelas de tempos e correcções de Injecção de avanços de ignição.

O Watchdog Timer (WDT) é um elemento que poderá contribuir para aumentar a fiabilidade do

sistema. Consiste num contador independente do oscilador do microcontrolador que provoca um

RESET geral ao programa quando não é limpo. Em termos práticos, poderá ser colocado numa

região crítica do programa que ao não ser executada durante a contagem do WDT significará que o

funcionamento necessita de ser reiniciado.

Capacidades DSP:

Multiplicador 17-bit x 17-bit single-cycle por hardware de variáveis fraccionário/inteiro;

Operação Multiplicador-acumulador (MAC) single-cycle

Os DSP‟s são utilizados frequentemente para controlo em malha fechada por permitirem

velocidades e precisões elevadas. São elementos chave para este tipo de desempenhos

multiplicações de ciclo único por hardware e a operação multiplicador-acumulador. No presente

projecto, não se revelou necessária a utilização destas funcionalidades, mas crê-se que poderão vir a

ser úteis com o aumento natural da complexidade do software desenvolvido em projectos seguintes.

Periféricos:

5 timers 16-bit com possibilidade de emparelhar formando timers de 32-bit;

Funções de16-bit Capture input;

Funções de 16-bit Compare/PWM output;

Módulos UARTcom FIFO-First In First Out;

Módulos CAN bus;

1 Denominação, em programação, do acto de verificação cíclica de um parâmetro.

47

No que diz respeito aos periféricos descrevem-se os utilizados e alguns dos que num futuro

próximo se crêem ser relevantes.

São utilizados dois timers de 16-bit a operar a 1/8 da frequência de relógio (Fcy). Tal é

conseguido através das opções existentes para divisão da frequência de contagem dos mesmos.

Assim, reduz-se os número de overflows durante as leituras de tempos necessárias durante o

funcionamento do módulo e cujo tratamento seria mais crítico na leitura da rotação (cada 2 voltas do

motor). A frequência de contagem dos timers é calculada para que o período de tempo entre

overflows seja superior ao período de tempo lido para a rotação mínima a que se espera que o motor

funcione. Para a frequência utilizada o overflow acontece a cada 340 ms, a rotação equivalente a este

período é 353 rpm, valor que se pode afirmar que o motor em funcionamento não atinge. No caso do

timer associado aos portos de saída, para além de funcionar à mesma frequência do primeiro por

razões de cálculos (não é necessária conversão da frequência de leitura para a de actuação das

saídas), é configurado para provocar overflow aos 65534 em vez de aos 65535 para se poder fazer

uso de uma das potencialidades dos periféricos Output Compare como será explicado mais à frente.

Os dois timers estão continuamente a correr durante o funcionamento do sistema.

Para o processamento das entradas são utilizadas as funções de Input Capture associadas a

interrupções onde se executam leituras de tempos e se tomam decisões quanto às saídas. Estas

funções identificam flancos no sinal de entrada activando assim a flag de interrupção e quando

associadas a um timer permitem a leitura do tempo em que se deu o flanco. Existem vários modos de

operação no que diz respeito ao tipo de flanco que se pretende captar (ascendente, descendente,

ambos, de 4 em 4 etc.). No modo utilizado através da configuração ICxCON<2:0>=1, cada módulo

input capture (4 no total, 1 por cada injector) capta ambos os flancos de cada impulso de entrada.

Em relação aos sinais de saída, são gerados através de funções dos periféricos Output

Compare. Tal como nas funções de entrada, estes módulos podem ser associados a um timer para

gerar sinais de com duração controlada através de várias estratégias. Pode-se inclusivamente gerar

uma onda quadrada de duty-cycle controlado (vulgarmente conhecido por PWM – Pulse Width

Modulation) utilizada frequentemente para controlo de motores eléctricos, que no caso dos

automóveis pode ser aplicado a válvulas de admissão de ar secundárias para controlo do ralenti. Na

aplicação desenvolvida, são aplicadas modos de geração de impulsos únicos. No caso da correcção

negativa, o início do impulso é agendado no registo OCxR e configura-se OCxCON<2:0>=1 para que

no momento em que o timer atinja o valor guardado no registo, se inicie um impulso a high (vdd).

Como neste caso é impossível prever o fim do impulso de saída, este é terminado aquando da

detecção do fim do impulso de entrada através da função de impulso simples OCxCON<2:0>=4.

Neste modo, a saída passa imediatamente para low e espera que o timer atinja um valor definido no

registo OCxR = 65535, que, conforme dito anteriormente não chega a acontecer e portanto o efeito

deste modo é apenas o corte do impulso iniciado antes. No caso do ganho positivo, utiliza-se a

função descrita antes com OCxCON<2:0>=4, mas neste caso programa-se o início do impulso em

OCxR para o instante actual do timer e o instante final do impulso no registo OCxRS para o valor

65535 ,criando um impulso sem fim determinado. Aquando do fim do impulso de entrada, altura em

48

que se calcula o tempo que a saída será prolongada, utiliza-se a função OCxCON<2:0>=2 que,

quando encontra o valor OCxR calculado através do ganho e do impulso de entrada anterior, força a

saída a low.

O módulo UART é o periférico utilizado para a comunicação série RS-232 com o PC - personal

computer – para interacção com o utilizador, tanto para debug como para a interface gráfica para

afinação da tabela de ganhos. Este módulo de comunicação é bidireccional de 8 ou 9 bits e necessita

de condicionamento de sinal externo para se poder converter para um sinal RS-232. O modo como é

utilizado e o circuito externo é explicado mais à frente.

Embora não sejam utilizados neste projecto, os módulos CAN deverão vir a fazer parte de uma

continuação do mesmo. Neste momento, o protocolo CAN é implementado para a aquisição de dados

dos sensores instalados no monolugar e para a informação transmitida ao piloto no volante. Um ponto

importante no funcionamento de qualquer sistema vital num automóvel, dada a complexidade da

instrumentação do mesmo é o diagnóstico de erros através de electrónica. Num ambiente de

competição esta área adquire maior importância sendo que com o pouco tempo disponível para

resolução de problemas, toda a ajuda para encontrar as anomalias tem um grande peso no

desempenho final da equipa. Sendo assim, é natural que a comunicação CAN com o volante venha a

ser implementada para a se fazer diagnóstico e se informar o piloto do estado dos componentes do

protótipo.

Conversão analógico/digital

16 canais de conversor A/D – Analógico-Digital - de12-bit;

Os conversores A/D são os principais elementos em qualquer sistema que utilize sensores

analógicos. No caso do projecto implementado é utilizado apenas um dos 16 canais disponíveis, para

o sensor TPS, mas no caso de uma centralina como a standard do motor seriam necessários também

para os sensores ECT, IAT e MAP. A precisão de 12 bits é considerada suficiente dados os valores

utilizados por outras soluções para o mesmo objectivo. Uma das capacidades interessantes neste

conversor é a possibilidade de se utilizarem referências negativas e positivas diferentes da

alimentação do próprio chip. Durante o funcionamento, o conversor está continuamente a recolher

amostras do valor de acelerador na rotina principal.

Tecnologia CMOS:

Gama de temperaturas de operação elevada (-40ºC a 85ºC);

Baixo consumo de potência.

A utilização de Tecnologia CMOS permite para além de um baixo consumo de potência, a

operação do sistema em condições de temperaturas elevadas que facilmente podem ser atingidas em

alguns pontos do monolugar, normalmente na área entre o escape e o banco do piloto, região onde,

habitualmente são colocados os módulos electrónicos.

No que diz respeito ao microcontrolador, o projecto desenvolvido divide-se em várias fases.

Numa primeira aproximação, utiliza-se uma placa de demonstração dsPICDEM™ 1.1 Plus General

49

Purpose Development Board equipada com um dsPIC6014A. Deste modo é possível centrar-se o

esforço no desenvolvimento do software, recorrendo o máximo possível ao hardware de interesse

existente na placa, como é o caso de circuitos com potenciómetros ligados a portos de conversão

A/D.

Posteriormente, continua a utilizar-se a placa de demonstração mas utilizam-se os pinos

disponíveis para ligar circuitos exteriores aos portos e desenvolvem-se as primeiras versões de

software em bancada.

Numa segunda fase, com o objectivo de fazer testes no monolugar, constrói-se uma placa

perfurada com o circuito. Como o dsPIC30F6014A não existe com encapsulamento PDIP, recorre-se

a um modelo em tudo idêntico embora com capacidade de memória ROM menor, mas que serve o

propósito. Escolhe-se o dsPIC30F4013. É com o mesmo software, mas com este microcontrolador

que são feitos os testes no carro.

4.1.2 Condicionamento de Sinal do Sensor de Posição de Acelerador

Como é referido no Capítulo 2, a posição angular do acelerador do protótipo FST03 é medida

através de um potenciómetro. A sua função é a transdução de uma determinada posição rotacional,

num intervalo de tensões ]0 ; 5 [ V que constituem a sua alimentação. Apresenta-se de seguida o

circuito de condicionamento de sinal utilizado para ler os valores do sensor TPS.

Figura 33. Circuito para leitura de TPS.

Figura 32. dsPIC30f4013, à esquerda. dsPIC30f6014, à direita.

50

Este circuito realiza uma filtragem passa-baixo R-C de primeira ordem constituído pela

resistência R1 de 10 kΩ e pelo condensador C2 de valor 22 nF. O que pela equação do filtro,

1

2fc

RC (4.2)

onde fc é a frequência de corte, R a resistência e C o condensador, se traduz numa frequência de

corte de aproximadamente 70Hz. Não sendo possível através de bibliografia chegar a um consenso

sobre uma frequência de corte ideal para este tipo de aplicação, utiliza-se um valor na gama que é

utilizada normalmente nas centralinas estudadas, nunca demasiado baixo que possa provocar uma

resposta demasiado lenta para o correcto funcionamento do motor.

Aquando da instalação do circuito no protótipo, este circuito deve ser calibrado. Este processo

consiste em colocar a borboleta nas posições extremas de funcionamento (totalmente aberta e

fechada) registar os valores lidos pelo conversor A/D e introduzi-los no programa de controlo do

dsPIC. Este processo deverá repetir-se de cada vez que a válvula de admissão for afinada (os seus

limites de funcionamento) e haja possibilidade de reprogramar a tabela de correcções.

4.1.3 Condicionamento dos Sinais Provenientes da Centralina

Partindo do conhecimento dos modos de actuação dos injectores utilizados normalmente no

mercado e com o conhecimento adquirido do funcionamento da centralina standard do motor, através

da leitura dos seus sinais, projecta-se um circuito que produza um sinal com a mesma informação

que o original (largura dos impulsos e instantes em que acontecem) mas com uma forma legível pelos

portos do dsPIC.

Figura 34. Circuito de condicionamento dos sinais de comando dos injectores.

51

Este circuito executa basicamente duas funções: geração do sinal de comando de injectores e

protecção dos portos de entrada do dsPIC. Por não se conhecer exactamente o circuito de excitação

dos injectores utilizado pela centralina, mas apenas o seu funcionamento, este é apresentado na

imagem acima como um interruptor o que para o pretendido, é suficiente. Na realidade poderá estar a

representar um transístor MOSFET ou um bipolar, dependendo do projecto realizado pelo fabricante.

A resistência R1, substitui, electronicamente, o injector que previamente se encontrava

conectado directamente à centralina. Alimentando a resistência com 5 V provenientes da alimentação

do dsPIC, existem dois estados de funcionamento. Quando o interruptor da centralina se encontra

fechado, impõe 0 V na entrada Input Capture do microcontrolador. Quando é aberto, a resistência R1

funciona como pull-up para os 5 V da alimentação. Assim o sinal é constituído por impulsos de

duração igual à dos sinais que anteriormente excitavam directamente os injectores.

O valor de R1 é determinado através de um compromisso entre o consumo de potência quando

o interruptor é fechado e o isolamento do sinal ao ruído electromagnético causado principalmente

pela injecção e pela ignição.

Valor de R1 Consumo de

potência Susceptibilidade a interferência

Tabela 2. Variação do consumo de potência e da susceptibilidade a interferência com o valor de resistência.

Existe um outro factor a ter em conta. Sempre que é inicializada, a centralina executa um

processo de diagnóstico de erro nos injectores. Este pode detectar, por exemplo, uma situação de

falta de continuidade (que representa a falta de injector) e portanto impede o arranque do motor.

Assim, o valor de R1 é também limitado superiormente, de tal modo que não pode dar a entender à

centralina que não existe continuidade. Pesados os aspectos a ter em conta, opta-se pelo valor

10 kΩ.

Num circuito em que se espera um tipo de funcionamento de interruptor, a funcionar entre os

valores de alimentação, deve instalar-se um sistema de protecção dos portos do dsPIC contra as

oscilações de tensão que os possam danificar. É essa a função dos dois díodos de Schottky 1N5819

D1 e D2. No caso do dsPIC utilizado, os valores de tensão máxima nos portos que não sejam de

alimentação são -0,3 V e Vdd+0,3 V. Sendo a tensão Vd dos díodos escolhidos 0,3 V, quando a

tensão no porto é Vdd+0,3 V ou superior, o díodo D1 conduz e limita a tensão a Vdd+0,3 V, quando a

tensão é -0,3 V ou inferior, D2 conduz fixando a tensão em -0,3 V.

O condensador C1 de 10nF exerce função de filtragem (debouncing).

52

4.1.4 Condicionamento dos Sinais Gerados

O circuito de condicionamento dos sinais gerados pelo dsPIC tem como objectivo principal,

excitar os injectores.

Também neste caso, é necessária a utilização de um circuito de protecção dos portos do

integrado de drive dos injectores. Para tal são montados também dois díodos 1N5819 a operar do

mesmo modo do circuito de entrada.

O principal ponto de decisão neste circuito é a forma como se faz a excitação dos injectores.

Efectuado um estudo sobre as hipóteses existentes, opta-se por utilizar um integrado dedicado a este

tipo de aplicações da National Semiconductor, o LM1949. As suas principais características são:

Baixa tensão de alimentação (3V-5,5V);

Temperaturas de funcionamento entre -55ºC e 125ºC;

22 mA de corrente de drive de saída;

Não emissão de interferência em frequência rádio (RFI – Radio Frequency Interference);

Adaptável a todos os níveis de corrente de injectores;

Níveis lógicos de input compatíveis com TTL/CMOS;

Protecção de curto-circuito;

Input de alta impedância;

Este integrado tem a potencialidade de funcionar como Peak & Hold com parâmetros definidos

pelo utilizador. Devido a fenómenos como a inércia mecânica, a corrente necessária para abrir o

injector, é bastante superior à necessária para o manter aberto. Esta funcionalidade permite definir

externamente uma corrente de manutenção (Hold) que é multiplicada internamente por 4 para

estabelecer a corrente de abertura ou pico (Peak). É também possível estabelecer um time-out para

atingir a corrente de pico, o que é particularmente útil para situações em que por algum motivo, como

por exemplo baixa carga da bateria, o circuito não consegue atingir este valor de corrente mas

Figura 35. Circuito de condicionamento dos sinais de saída do dsPIC.

53

mantém-se durante todo o impulso num valor já suficiente alto para abrir o injector e que possa

sobreaquecê-lo.

A Figura 361 representa o circuito proposto na datasheet do integrado para uma utilização

típica com injectores de combustível. Identificam-se vários circuitos como: sensor de corrente,

temporizador, lógica de controlo da saída, comparadores e o circuito de potência para excitação dos

injectores.

O sensor de corrente funciona a partir da leitura de tensão lida numa resistência de potência RS

em série com o circuito do injector e é através da variação do valor desta que se estabelece o valor

da corrente de manutenção. Sendo a tensão de referência do comparador de corrente de

manutenção 0,1V, para uma resistência de 0,1 Ω esta corrente equivale a 1 A. Se, por exemplo RS for

0,2 Ω, a corrente necessária para se atingir o valor de referência de 0,1 V é 0,5 A. Significando neste

caso que o valor de pico é 4x0,5 A=2 A.

A definição do time-out é feita a partir do circuito composto RT e CT através da constante de

tempo RTCT.

No módulo desenvolvido para testes, a função descrita não foi utilizada apenas para diminuir a

complexidade do circuito e diminuir potenciais fontes de erro aquando dos testes, agilizando a fase de

debug. É, no entanto, descrita por se considerar um modo que deve ser explorado numa segunda

fase, num projecto consequente.

Na Figura 35 é apresentado o circuito tal como foi montado no módulo de testes. Utiliza-se um

par de Darlington equivalente ao apresentado na datasheet do integrado, o BDX53C. Este consiste

basicamente num par de transístores num mesmo integrado, ligados da forma representada na

Figura 36 e caracterizado por um ganho de corrente bastante elevado correspondente ao produto

1 Fonte:[18].

Figura 36. Arquitectura do LM1949 e circuito tipicamente utilizado.

54

entre os ganhos dos dois transístores. Este circuito é ligado em série com o injector, ligado por sua

vez à alimentação positiva da bateria, e fecha o circuito à massa para permitir a passagem de

corrente pela bobine.

A ligação de massa nos transístores é feita por um cabo de grande secção incluído

exclusivamente para o efeito. Ao contrário da massa de alimentação de controlo e de sensores, que

provém da centralina, GND, este cabo liga directamente ao terminal da bateria. Desta forma

pretende-se evitar os picos na alimentação gerados pelos elevados transitórios deste circuito.

Como a carga é indutiva, é produzido um pico de tensão no colector de Q1 sempre que haja

redução brusca da corrente no injector. Isto acontece aquando da transição Peak para Hold (quando

a corrente é reduzida para um quarto do seu valor de pico) e também no fim de cada impulso de input

(quando a corrente é reduzida para zero). O Zener Z1 fornece um caminho para o pico de corrente

criado pela carga indutiva, protegendo Q1 de valores de tensão que o podem danificar.

Uma outra vantagem da utilização deste circuito é não haver necessidade de calcular uma

malhar RC de amortecimento como é normal noutros circuitos utilizados para o mesmo efeito. Esta

malha tem como função absorver a energia gerada quando o injector é desligado, protegendo o

circuito de excitação.

O condensador C1 tem função de compensação do amplificador de erro do integrado e é

também aconselhado pelo circuito típico da datasheet.

C2 é um condensador de desacoplamento.

4.1.5 Alimentação

No protótipo FST 03, a única fonte disponível é a bateria de 12 V. Dado que os circuitos

utilizados, LM1949 e dsPIC, operam a 5 V, surge a necessidade de converter a tensão.

Os reguladores utilizados são do tipo 7805, cujas principais características são:

Corrente de output até 1 A;

Tensão mínima de entrada 7 V;

Protecção de curto-circuito;

Protecção Térmica.

Estes circuitos são responsáveis pela alimentação de todo o circuito de controlo e excitação

dos injectores. Existem várias limitações próprias destes sistemas previstos para utilização em

veículos automóveis. A principal tem a ver com a alimentação de 12 V, que nos veículos automóveis,

é muito irregular. Com efeito a alimentação disponível num automóvel é de 12 V, mas este valor é só

um valor nominal, pois na realidade a tensão varia de 7 V a 15 V. em condições normais de

utilização. O mínimo é normalmente atingido quando o motor de arranque funciona e o máximo é

atingido com a bateria carregada, pouco consumo eléctrico, e a altas rotações.

55

Por outro lado, existem também picos de ruído na fonte. Embora livre de algumas aplicações

críticas neste sentido como o ar condicionado, motores eléctricos de janelas, ou limpa pára-brisas, o

protótipo FST03 apresenta fontes originadoras de ruído na alimentação como o motor da ventoinha

de arrefecimento do radiador ou o actuador eléctrico das mudanças.

No sistema desenvolvido, a alimentação +12 V, provém da centralina, sendo que desse modo

se terá, à partida, um sinal já filtrado e menos influenciado pelos efeitos apontados acima.

4.1.6 Comunicação RS-232

A comunicação do microcontrolador com o PC é implementada através do protocolo RS-232.

O dsPIC possui um módulo UART que apenas necessita de conversão de sinal para poder operar às

tensões de RS-232, [-12;-3] V e [3;12] V. Utiliza-se, para a conversão, um integrado Max232N.

Figura 37. Circuito de conversão de tensões para a comunicação série.

56

4.1.7 Protótipo Construído

Para execução de testes, constrói-se um protótipo do circuito em placa perfurada por uma

questão de facilidade e velocidade de encontrar os materiais necessários à sua execução.

Na Figura 38:

1. Circuito de alimentação;

2. Circuito de leitura de TPS;

3. Condicionamento dos sinais de entrada;

4. Microcontrolador dsPIC30f4013;

5. Condicionamento dos sinais de saída.

Figura 38. Prótipo construído para testes.

57

A numeração das áreas é correspondente com a figura anterior, à excepção da área 4 que,

na Figura 39 identifica as fichas de comunicação com o PC e de programação do dsPIC. Utilizam-se

fichas do tipo banana para os sinais de controlo e de actuação dos injectores pelo baixo custo e

facilidade na ligação. A alimentação é constituída por +12V da bateria e a massa da centralina. A

saída 6 diz respeito à massa dos injectores.

Figura 39. Fichas de entrada e saída do módulo.

Figura 40. Cablagem de ligação entre a centralina e o módulo de injecção.

58

4.2 Software

4.2.1 Arquitectura do Software

O presente capítulo tem como objectivo a descrição do programa de controlo do módulo de

injecção desenvolvido, a correr no dsPIC. Adquirido o conhecimento sobre quais os resultados a

obter face a determinados tipos de entradas, pelo processo de engenharia reversa, formula-se um

programa que execute o algoritmo encontrado.

O programa pode dividir-se numa rotina permanente1 e 4 rotinas que a interrompem quando

accionada a respectiva interrupção input capture.

No fluxograma da Figura 41 encontram-se os passos principais da rotina permanente.

Existem duas operações executadas sempre que se inicializa o funcionamento e então inicia-se um

ciclo de operações de funcionamento do módulo.

Na operação de configurações, define-se, em geral, o modo de funcionamento dos portos do

dsPIC, como o conversor A/D, os portos dos sinais de entrada e de saída, os timers e a UART.

Na segunda operação, inicializam-se as variáveis necessárias, assim como os portos de

saída e os timers. É também nesta operação que se transfere a tabela de correcções da memória

EEPROM para a memória de programa, consoante será explicado mais à frente.

No ciclo principal, a leitura da rotação é feita sempre que, nas interrupções se tenha

detectado uma leitura do primeiro injector. De seguida é feita a leitura do valor do TPS. Com as duas

informações anteriores calcula-se o ganho e por fim executa-se uma subrotina de comunicação série

com o PC. Estas operações serão explicadas em mais detalhes nas secções seguintes.

1 Aplica-se a denominação permanente por oposição a principal visto que para o funcionamento do

motor, tanto esta rotina como as de interrupção são essenciais. No entanto, enquanto não se arranca o motor, apenas existe a rotina permanente.

59

4.2.2 Leitura da Rotação

A cada vez que o flanco de início do injector 1 é lido na entrada, regista-se o valor do timer

associado e, subtraindo a este o valor timer do ciclo anterior, obtém-se o intervalo de tempo

correspondente a 2 rotações.

Para efeitos de cálculo de ganho, interessa calcular o índice da tabela de correcções

correspondente às RPM actuais. Como a tabela está dividida de 250 em 250 rotações começando em

500, a equação utilizada para calcular o índice é:

2IntervaloRPM

índicerotação

(4.3)

onde:

intervaloRPM é o valor de timer correspondente a 250 rpm (contemplando leituras de

duas em duas rotações);

rotação é o valor de timer para intervalo de tempo actual entre dois sinais do injector

1;

o valor 2 que é subtraído corresponde ao offset das 500 rpm do índice da tabela.

A constante intervaloRPM é inicializada durante o arranque do programa e depende da

definição, das configurações do relógio e do timer associado à leitura da rotação.

Figura 41. Rotina principal do programa.

60

4.2.3 Leitura do Sensor de Posição do Acelerador

A leitura do sinal do TPS é feita a cada execução do ciclo da rotina permanente. O valor é lido

do conversor A/D que está constantemente a executar conversões.

Neste caso, a conversão do valor do sinal para o índice da tabela não é feita através de uma

função visto o intervalo entre os índices não ser constante. Como o número de índices pode querer-

se diferente e maior do que o utilizado no módulo desenvolvido, aplica-se um algoritmo simples de

procura binária que aumenta a velocidade da pesquisa.

Num vector, são guardados os valores de TPS correspondentes às percentagens de

acelerador que indiciam as tabelas de correcções. A posição em que o valor de TPS se encontra no

vector, é o índice da tabela de ganhos. A procura baseia-se na divisão consecutiva deste vector em

duas partes, até encontrar o índice que corresponde ao valor de TPS. Este é devolvido como

resultado da função. O vector é dividido ao meio, inicialmente, se o valor lido for superior ao valor

guardado no índice do meio do vector, então executa-se o mesmo processo para a metade superior

do vector, caso contrário faz-se o mesmo para a metade inferior.

4.2.4 Obtenção do Ganho – Interpolação Bilinear

O cálculo do ganho, tal como a leitura do tps, é feito a cada execução do ciclo da rotina

permanente. Os campos definidos na tabela são apenas referências para os pontos de

funcionamento (TPS;RPM) em que, de facto, consiste o funcionamento do motor. Os índices do mapa

representam apenas uma ínfima parte dos pontos de funcionamento realmente atingidos. Por

exemplo: entre os pontos (10%;2500 rpm) e (20%;2750 rpm), pode ser atingido o ponto

(12%;2600 rpm).

De forma a tornar a afinação das correcções menos brusca entre os pontos de referência, o

ganho aplicado num determinado ponto de funcionamento depende dos quatro pontos de referência

mais próximos. No exemplo anterior isto significa que para o ponto de funcionamento

(12%;2600 rpm), a correcção a aplicar ao sinal de entrada é afectada pelos valores programados na

tabela para (10%;2500 rpm), (10%;2750 rpm), (20%;2500 rpm) e (20%;2750 rpm). Sendo 10% e 20%

índices consecutivos de TPS e 2500 rpm e 2750 rpm, índices consecutivos de RPM.

O cálculo do ganho é feito através de interpolação bilinear que é basicamente a aplicação de

interpolação linear em duas direcções TPS e RPM. Na Figura 421 está representada graficamente

uma situação geral do problema.

O ponto P representa um ponto de funcionamento (TPS;RPM), com valor de correcção f(P) e

situado entre os quatro pontos Q11, Q21, Q12 e Q22, que são referências da tabela de correcções. O

cálculo da correcção para o ponto P consiste em aplicar interpolação linear, em primeiro lugar num

1 Imagem adaptada de figura constante na Wikipedia.

61

dos eixos, para encontrar o ganho para os pontos R1 e R2, obtidos a partir dos pares de extremos

(Q11,Q21) e (Q12 e Q22) respectivamente.

2 11 11 21

2 1 2 1

( ) ( ) ( )TPS TPS TPS TPS

f R f Q f QTPS TPS TPS TPS

(4.4)

Onde R1=(TPS,RPM1) e f(R1), f(Q11) e f(Q21) são os valores da função correcção no ponto R1,

Q11 e Q21, respectivamente.

2 12 12 22

2 1 2 1

( ) ( ) ( )TPS TPS TPS TPS

f R f Q f QTPS TPS TPS TPS

(4.5)

Onde R2=(TPS,RPM2) e f(R2), f(Q12) e f(Q22) são os valores da função correcção no ponto R2,

Q12 e Q22, respectivamente.

Seguidamente, utilizam-se estes pontos extremos auxiliares para calcular, através, também

de interpolação linear, o valor do ganho para o ponto P.

2 11 2

2 1 2 1

( ) ( ) ( )RPM RPM RPM RPM

f P f R f RRPM RPM RPM RPM

(4.6)

A correcção aplicada ao sinal de entrada será então, influenciada pelos pontos de referência

adjacentes ao ponto de funcionamento, o que deverá ser considerado quando se afina o mapa de

correcções. A alteração de um valor na tabela, afecta os pontos à sua volta e, portanto, a afinação

deve ser feita pensando em regiões de funcionamento e não apenas em determinados pontos.

Apenas na situação de arranque, existe uma salvaguarda em relação ao ganho aplicado, que

é sempre 0. Durante o programa, se o arranque é detectado, situação em que todos os injectores

actuam em simultâneo, o cálculo do ganho fica sem efeito.

4.2.5 Medidas dos Impulsos de Entrada

Conforme referido anteriormente, os impulsos de entrada são tratados por rotinas de

interrupção associadas aos portos do dsPIC através dos módulos input capture. Na Figura 43

Figura 42. Representação gráfica de interpolação bilinear.

62

encontra-se representado o fluxograma da rotina de interrupção. Nesta, encontram-se operações

relacionadas com a leitura dos impulsos de entradas, mas também o tratamento dos impulsos de

saída, que serão explicados em pormenor mais adiante.

No início da rotina é feita uma verificação da validade do impulso de entrada. Esta consiste

numa verificação repetida do estado da entrada durante um curto intervalo de tempo que tem como

finalidade despistar eventuais picos de ruído na entrada do porto que possam provocar interrupções

indesejadas. Se o sinal for constante durante esse período de verificação, então é considerado um

impulso válido.

Como não existe feedback acerca do funcionamento do motor, isto é, o motor pode deixar de

trabalhar por algum motivo, verifica-se a cada interrupção se o sinal de comando dos injectores diz

respeito ao arranque. Esta verificação consiste em detectar se todos os sinais de comando dos

injectores são activados ao mesmo tempo. No caso de se confirmar, procede-se à execução dos

sinais de saída adequadamente.

Na situação de funcionamento normal do motor, com injecção sequencial, existem dois casos

possíveis: o flanco detectado é descendente, indicando início do impulso de comando, ou é

ascendente, o que indica o final do impulso de comando. No primeiro, regista-se o valor do timer

relativo ao início do impulso de entrada e procede-se à execução do início do sinal de saída,

conforme será explicado mais adiante. No caso em que o flanco de entrada é ascendente, regista-se

o instante de tempo do fim do impulso de entrada, calcula-se a largura do impulso e procede-se à

finalização do impulso de saída.

Figura 43. Rotina de interrupção input capture, para um impulso de entrada.

63

O cálculo da largura do impulso de entrada é feito por um cálculo simples em que se subtrai o

valor de timer do instante inicial ao do final. No entanto, visto o timer ser um contador circular, que

chega a um determinado valor de contagem e volta a zero, há que ter em conta se houve overflow

durante o impulso de entrada.

Como foi referido anteriormente, a frequência de contagem do timer associado à leitura dos

impulsos de entrada é calculada de tal modo que salvaguarda que a duração dos impulsos de

entrada é consideravelmente inferior ao ciclo de contagens do timer.

Para o caso particular do exemplo apresentado na Figura 44, o cálculo efectuado para a

largura de impulso é:

16 16(2 1) ( ) (2 1) 64981 2 556impulso inicial finall inst inst (4.7)

O período de contagem do timer,

1 5,2 timertimer

µsf

(4.8)

representa a precisão com que é possível medir a largura dos impulsos de entrada. No caso de um

impulso de entrada de 1 ms, um erro máximo de leitura seria

1 0,0052 1,0052 ms (4.9)

Se a este impulso for aplicada uma correcção de 1%, o erro relativo será de:

(1,0052 1,0052 0,01)

1 100 0.5%(1 1 0.01)

(4.10)

Este será então o erro relativo máximo expectável no funcionamento do módulo. O valor é

bastante baixo no contexto da actuação de injectores, podendo afirmar-se que não tem

representatividade na alteração da quantidade de combustível.

No caso apresentado na Figura 44, a largura do impulso de entrada é .

Figura 44. Exemplo gráfico de overflow durante leitura do impulso.

64

4.2.6 Execução de Saídas

Para a execução dos impulsos de saída, utiliza-se um segundo timer, que também funciona

ininterruptamente. Este está associado aos módulos output compare que permitem execução de

impulsos digitais de diferentes modos e é configurado, como referido anteriormente, para fazer

overflow no valor 216

-2.

Nas figuras abaixo, estão representados os fluxogramas dos processos de disparo e corte

dos impulsos dos sinais de saída. Em qualquer um dos processos é conhecida a largura do impulso

de entrada anterior do respectivo injector e a correcção a aplicar.

No processo da Figura 45, o sinal do ganho é avaliado, decidindo activar nesse exacto

instante o impulso de saída ou agendar o disparo do impulso para um instante posterior. No caso de

a correcção ser positiva ou zero, é criado um impulso com instante inicial igual ao valor actual do

timer e sem fim previsto (ou infinito), através da introdução do valor inexistente na contagem, 65535,

como valor de condição de paragem. Na segunda condição, o início do impulso de saída é agendado

para um instante tdisparo:

disparo actual impantt timer G l (4.11)

onde G é a correcção aplicada e limpant é a largura do impulso anterior.

O processo de corte do impulso da saída, na Figura 46, também se divide em dois casos

dependentes do sinal do ganho. No caso do ganho ser negativo ou igual a zero, o impulso de saída é

interrompido nesse instante. Para tal, configura-se o porto output compare para que o sinal de saída

seja imposto e permaneça a low até encontrar um valor de disparo, inexistente para este timer

(65535). Na segunda situação repete-se o sucedido no agendamento do início do impulso mas neste

caso para impor o impulso de saída a low num instante calculado a partir da equação (4.11).

Figura 45. Processo de início do impulso de saída.

65

Na situação de arranque, existe um processo específico mas que utiliza as funções de

disparo e de corte descritas nos parágrafos anteriores. De facto, no arranque, o ganho é forçado a

zero e portanto o impulso de saída é igual ao de entrada. O processo de arranque inicia a injecção

simultânea em todos os injectores quando recebe o flanco de início de sinal de entrada e interrompe

os impulsos de saída quando detecta o fim dos de entrada.

4.2.7 Mapa de Correcções

O mapa de correcções é o elemento que merece maior atenção ao nível de gestão de

memória de dados. Este é constituído por 57 linhas e 9 colunas, sendo as primeiras indexadas por

rotação entre as 500 rpm e as 14500 rpm com intervalo de 250 rpm e as segundas indexadas pelo

vector de índices TPS [0%; 2%; 5%; 10%; 20%; 40%; 60%; 80%; 100%]. É declarado com variáveis

de 8 bits com sinal, cujos limites de representação [-27-1 ; 2

7-1] são suficientes para representar as

correcções necessárias [-100% ; 100% ] e, portanto, ocupa 513 byte de memória, o que equivale a

metade da memória de dados EEPROM disponibilizada pelo dsPIC4013 utilizado nos testes e a 1/8

da disponibilizada pelo dsPIC6014.

É também o elemento do sistema que deve estar mais acessível ao utilizador, visto que

durante os testes são feitas muitas reprogramações dos ganhos até se encontrar a afinação do motor

desejada. Por outro lado, tem de se conservar intacta a tabela de ganhos após o período de

afinações, mesmo quando a alimentação é cortada. Assim, o mapa fica registado na memória de

dados EEPROM, que conserva as alterações que lhe são feitas durante o decorrer do programa e

não as apaga, nem volta aos valores de origem, quando se faz RESET. Deste modo, a afinação pode

ser feita online, sem precisar de reprogramar o dsPIC para alterar os valores de ganho da tabela.

A memória EEPROM está organizada em palavras de 16 bit. Então, na gestão dos dados

feita no programa, os campos da tabela são agrupados dois a dois em cada palavra.

Figura 46. Processo de finalização do impulso de saída.

66

Na Figura 47, é dado um exemplo da posição de quatro pontos consecutivos da tabela de

correcções na memória EEPROM. Dado número de operações necessárias tanto à escrita como à

leitura das palavras a partir desta memória, opta-se por descarregá-la no início do programa para

uma matriz na memória de programa a cujo acesso é mais rápido e que é utilizada para todos os

cálculos em que é necessária a correcção.

4.2.8 Comunicação

Dada a necessária interacção com um utilizador, a comunicação série tem um papel

importante no funcionamento do módulo de injecção. É através desta que se faz a maior parte do

debug ao funcionamento do sistema, se adquire resultados que o comprovem e se faz a programação

da memória EEPROM.

O módulo UART, presente no dsPIC, apresenta vários modos de configuração e hipóteses de

provocar interrupções no programa à chegada de informação. Tendo como objectivo a afinação da

injecção online, com o motor a funcionar, opta-se por interferir o mínimo possível no funcionamento

da rotina permanente, ainda que se corra o risco de tornar a comunicação um pouco mais lenta, o

que no fim acaba por nem se revelar notório ou impeditivo de um bom desempenho.

Na Figura 48 está representado o fluxograma do processo de comunicação série do

programa. Este encontra-se integrado na rotina permanente e, portanto, é executado ciclicamente.

A comunicação só é executada quando existe informação recebida no buffer de recepção do

módulo UART. Caso não exista, é abandonado este processo, continuando o funcionamento normal

da rotina permanente.

A informação é lida palavra a palavra de 8 bits através do registo U1RXREG que lê o primeiro

valor de uma FIFO de 4 posições, a cada passagem pela rotina. Cada mensagem é constituída por

uma ou mais palavras que vão sendo armazenadas num vector, Buffer, declarado para o efeito.

A diferenciação da informação é feita a partir de um dicionário de símbolos, que encabeçam a

mensagem e definem o seu tipo.

Figura 47. Exemplo de ocupação da memória EEPROM.

67

Símbolo Tipo de Mensagem

s Stop da comunicação

v Recepção de mapa

d Envio de ponto status

g Envio de mapa

Tabela 3. Dicionário de símbolos de comunicação série.

A mensagem de Stop é constituída por uma só palavra que tem a capacidade de interromper

qualquer uma das outras e todo o processo de comunicação. Quando o utilizador deseja interromper

a comunicação, o PC envia um caracter „s‟. Na rotina de comunicação verifica-se sempre se a palavra

coincide com este símbolo e, em caso afirmativo, o índice do Buffer é posto a 0, ignorando-se a

mensagem que se estava a constituir, se fosse esse o caso.

Para os outros 3 tipos de mensagem, existe um processo dedicado. As mensagens de

resposta do dsPIC ao pedido do PC, embora constituídas por várias palavras, são enviadas de uma

vez, isto é, sem precisarem de vários ciclos da rotina permanente. O cabeçalho destas mensagens é

sempre o carácter da mensagem de pedido, para poder ser tratada devidamente no PC.

O envio de dados consiste no envio do ponto de funcionamento actual do motor (RPM;TPS) e

do ganho. Dado que as variáveis de trabalho para as grandezas RPM e TPS são de 16 bits, é

necessário dividi-las em palavras de 8 bits para poder enviá-las via série.

Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6

‘d’ Ganho MSb1(TPS) LSb

2(TPS) MSb(RPM) LSb(RPM) ‘\n’

Tabela 4. Mensagem de envio de dados.

Na recepção do mapa, cada mensagem recebida transporta informação sobre qual o ponto

da tabela a alterar e o valor da alteração. O novo valor de correcção que transporta é gravado na

tabela na EEPROM e ao mesmo tempo actualiza a matriz do mapa utilizada para calcular os ganhos

durante o programa.

O envio do mapa é feito, por exemplo, no início de uma sessão do utilizador e tem por

objectivo recuperar os valores do mapa de ganhos que está a ser utilizado naquele momento. A

tabela é pedida ponto a ponto pelo PC. As mensagens de resposta do dsPIC são apresentadas

abaixo.

1 Most Signicant bits – bits mais significativos. Representa os 8 bits mais altos da palavra.

2 Less Significante bits – bits menos significativos. Representa os 8 bits mas baixos da palavra.

68

Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4

‘g’ Mapa[linha][coluna] linha coluna ‘\n’

Tabela 5. Mensagem de envio de mapa.

Onde:

Mapa[linha][coluna] – é o valor de correcção na matriz, para os índices pedidos pelo

PC;

linha e coluna – são os valores da mensagem de pedido e servem para tratamento da

mensagem enviada no PC;

„\n‟ – é a terminação de todas mensagens enviadas pelo dsPIC para tratamento de

mensagens no PC.

Figura 48. Processo de comunicação.

69

Capítulo 5

Aplicação para Gestão dos

Mapas de Injecção

5 Aplicação para Gestão dos Mapas de Injecção

Neste capítulo descreve-se a implementação de uma aplicação de interface entre o utilizador e o

módulo de injecção, para fins de afinação do mapa de correcções.


70

Para agilizar a afinação da injecção, é desenvolvida uma aplicação gráfica de interface com o

utilizador. Em banco de potência, é do interesse da equipa que o mapeamento das correcções seja

um processo rápido e prático.

A interface é programada em C#, uma linguagem de programação orientada a objectos

desenvolvida pela Microsoft como parte da plataforma .NET. Escolhe-se esta linguagem pela

familiaridade do autor com programação por objectos e pela facilidade de criar um ambiente gráfico

inteligível através de drag-and-drop. A cada elemento adicionado, faz-se corresponder depois um ou

mais e eventos, ou acções consoante o que se pretende, como por exemplo: botões, caixas de texto,

etc.

A aplicação tem como elemento principal uma tabela de correcções indexada com os valores

referência de RPM e TPS. Esta oferece a possibilidade de alterar isoladamente cada campo ou por

regiões seleccionadas pelo utilizador. Os valores são alterados através dos botões de soma (+1, +10)

e de valores de subtracção (-1, -10), que adicionam ou subtraem aos valores de cada campo

seleccionado, o valor do botão premido. Os valores escolhidos para os botões são os que se

consideram adequados às alterações efectuadas. O modo como são feitas as alterações em banco

de potência são explicadas no capítulo sobre os testes e resultados.

O utilizador tem a possibilidade de começar um mapa a zero, ou o que está naquele momento

a ser usado pelo módulo de injecção. Sempre que necessário, é possível guardar o mapa num

ficheiro .xls que por um lado permita criar backup do mapa de correcções e por outro permita, no

Excell, trabalhar os valores, por exemplo para obter gráficos (RPM,TPS,Ganho), para comparação de

tabelas.

No painel principal, são mostrados os valores de RPM TPS e ganho actuais e existe uma caixa

de texto utilizada para fazer debug, denominada Status. A comunicação é basicamente dividida em

três acções: envio do mapa, recepção do mapa e aquisição do ponto de funcionamento. Em qualquer

destas últimas, o PC espera que o microprocessador lhe indique que já processou a última

informação e está pronto a receber. As acções de envio e recepção do mapa apenas acontecem

quando o utilizador deseja e prime o botão correspondente. A leitura do ponto de funcionamento é um

processo que decorre enquanto a ligação série estiver aberta e nenhum dos outros dois processos

estiver a decorrer. Cada um dos processos é uma thread que funciona em paralelo com o processo

principal, o painel de interface.

Na Figura 49 estão representados os fluxogramas das threads mencionadas acima. Da

esquerda para a direita: envio do mapa, recepção do mapa e aquisição do ponto de funcionamento.

As rotinas das threads propriamente ditas encontram-se dentro dos limites a tracejado. As saídas da

rotina, são para o funcionamento principal da aplicação de interface. Nos casos da aquisição do ponto

de funcionamento e do mapa, o PC envia uma mensagem de pedido de informação ao dsPIC e este

responde com a mensagem requisitada informando, assim, que está pronto para receber outra

mensagem. No caso do envio do mapa, o PC envia uma mensagem com a informação do campo a

actualizar e do valor novo e o dsPIC envia uma mensagem de Acknowledge para informar que está

pronto a receber um novo campo. Para o envio e recepção da tabela, este processo repete-se campo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Linguagem_de_programa%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Orienta%C3%A7%C3%A3o_a_objeto

http://pt.wikipedia.org/wiki/Microsoft

http://pt.wikipedia.org/wiki/.NET

71

a campo, até a completar. Para o ponto de funcionamento, e se nenhuma das outras threads estiver

activa, o processo repete-se de 100 em 100 ms, e no restante tempo, a thread encontra-se inactiva.

O tratamento das mensagens recebidas no PC e a actualização dos valores da interface

gráfica são efectuados no processo principal. A janela de apresentação tem um aspecto prático e de

fácil compreensão, como demonstra a Figura 50.

Figura 49. Threads de comunicação entre o PC e o módulo de injecção.

72

Figura 50. Aplicação para afinação do mapa

73

Capítulo 6

Testes e Resultados

6 Testes e Resultados

Neste capítulo apresentam-se os ensaios realizados em laboratório e no FST03. Nos primeiros,

confirma-se o respeito da estratégia formulada no processo de engenharia reversa e analisam-se as

características do módulo desenvolvido. Nos segundos, apresenta-se um caso prático de resolução

de um problema de implementação no sistema real e os ensaios realizados no banco de potência que

conduzem aos resultados finais e confirmação do funcionamento desejado.


74

6.1 Testes em Laboratório

Ao longo do projecto, são efectuados testes ao sistema. Os testes descritos, neste capítulo,

visam comprovar a funcionalidade do sistema de uma forma geral e medir algumas das suas

características.

Para os ensaios utiliza-se o simulador descrito acima, assim como o osciloscópio, o gerador de

sinais e a fonte de tensão. O simulador sofre apenas uma modificação. A saída deixa de ser

directamente ligada do microcontrolador do simulador para o dsPIC do módulo de injecção, passando

a excitar quatro transístores, pretendendo-se simular o drive de saída da centralina.

Figura 51. Circuito de saída do simulador.

O sistema é ensaiado para confirmar o cumprimento de todos os requisitos descritos no

processo de engenharia reversa. Os efeitos do ganho assim como a sua variação em relação ao TPS

e à rotação são testados nas mesmas condições que nesse processo. Porque os testes finais

corroboram o cumprimento dos objectivos, apresentam-se aqui os resultados que se consideram

exemplificativos: os efeitos do ganho e a precisão da leitura na rotação.

O ganho aplicado aos sinais de entrada é verificado na aplicação de interface no PC. Nos

ensaios apresentados, o ganho positivo é 35 e o ganho negativo é -35%.

75

Nas imagens acima, o sinal de saída apresenta um pico de tensão no flanco ascendente, ou

seja quando o injector fecha. Este fenómeno deve-se à já referida componente indutiva do injector e é

a razão da existência de protecção do sistema de drive. Em ambos os ensaios é possível verificar o

cumprimento do efeito tanto do ganho positivo como do ganho negativo. No primeiro caso o sinal de

saída é 35% maior que o de entrada. No segundo caso, o sinal de saída representa 65% do sinal de

entrada.

Para verificar se a leitura da rotação é feita correctamente, faz-se a correspondência entre a

rotação esperada a partir da frequência do sinal do gerador de funções, com a rotação calculada pelo

dsPIC e apresentada na janela de interface do PC. São verificados alguns valores apresentados na

tabela abaixo.

Freq. Gerador Rotação gerada Rotação lida Erro %

107 3210 3209 0,03

138 4140 4138 0,04

200 6000 6000 0

480 14400 14400 0 Tabela 6. Resultados do teste de comparação entre a rotação esperada e a lida pelo módulo.

O erro máximo apresentado nas leituras efectuadas é da ordem das 2 rpm, o que não tem

representatividade no contexto em questão.

Em termos de velocidade de funcionamento do sistema, existem dois parâmetros de

relevância: o tempo de execução da rotina principal e o atraso entre a detecção do impulso de

entrada e o início do de saída.

Figura 52. Resposta do sistema a ganho positivo, à esquerda e a ganho negativo, à direita. Em ambos, a entrada está representada no sinal (3)e a saída no sinal (2).

76

Para medir o primeiro, o ensaio consistiu em observar no osciloscópio um pino do dsPIC

programado para se activar (high) imediatamente antes e desactivar (low) imediatamente depois da

rotina principal. Como resultado obtém-se um tempo de 450 µs. Para uma rotação de 14500 rpm,

correspondente a 2 ms de intervalo entre dois impulsos de injecção, este valor significa que o dsPIC,

nas mesmas condições de velocidade de processamento, se encontra entre 20% a 25% da sua

capacidade. Pode-se assumir que existe a capacidade de este processador, nestas condições,

englobar todos os sensores necessários ao funcionamento da injecção: ECT, IAT, TPS, sensor de

rotação e MAP.

O atraso de leitura do impulso de entrada registado é 100 µs. Este valor é inferior ao

apresentado pelo módulo ao qual se fez engenharia reversa e não provoca perturbações ao

desempenho do sistema desenvolvido.

Dadas as oscilações esperadas da tensão da bateria, o módulo é testado para valores de

alimentação que se esperam que a fonte atinja (7 V e 15 V). Não se verificam alterações no controlo

dos injectores para qualquer uma destas situações.

O consumo de corrente médio do controlador é medido com um amperímetro em série com o

circuito. O valor medido é 100 mA, ou seja uma potência consumida de 0.5 W. No regulador, a

potência dissipada, para a alimentação nominal, 12 V, é:

(12 5 ) 100 0.7 V V mA W (6.1)

Este valor justifica a utilização de um dissipador térmico acoplado ao regulador de tensão.

77

6.2 Testes no Protótipo FST03

Após os primeiros testes em bancada, iniciam-se os testes no protótipo. Estes dois processos

são complementares. Durante os testes no ambiente real, surgem anomalias no funcionamento que,

normalmente advêm de condições não previstas durante o desenvolvimento. O processo seguinte é

identificar a origem do funcionamento incorrecto e, se a sua resolução não for imediata, força-se a

que aconteça em bancada, para se desenvolver uma solução. De facto, na maioria dos casos, o

processo mais moroso e complicado é a identificação exacta da origem do problema, inclusivamente

saber se é de hardware (ruído electromagnético, maus contactos, etc.) ou de software.

Os testes com o motor, são divididos em duas fases. Numa primeira, o módulo desenvolvido

é ligado a receber os sinais de entrada, deixando o módulo da Dynojet a funcionar normalmente.

Numa segunda fase, retira-se o módulo anterior e passa a ser o sistema desenvolvido a controlar os

injectores. Assim, pretende-se salvaguardar a integridade do motor. Para efectuar o debug, recorre-

se a um osciloscópio digital de quatro canais e a observação de variáveis do programa do dsPIC

através da comunicação com o PC.

De seguida descreve-se o problema mais crítico durante os testes, cuja dificuldade de

encontrar a origem, exemplifica o acima descrito. Descrevem-se, também, de seguida os testes de

confirmação do correcto funcionamento do módulo para poder ser levado a banco de potência,

nomeadamente seguimento de rotação e seguimento de tps.

Durante uma das fases de testes verificam-se erros em algumas injecções. De vez em

quando as injecções são prolongadas para além do tempo suposto. A causa deste fenómeno pode ter

muitas origens. Inicia-se então um conjunto vasto de testes, principalmente ao software que incluem

por exemplo: os cálculos dos ganhos e o funcionamento das interrupções. Num teste realizado com

envio da rotação lida para o PC, verifica-se que esta leitura, apesar de ser bem executada no geral,

apresenta desvios não periódicos e de valor máximo ao longo do teste.

78

Figura 53. Leitura errada da rotação do motor.

Na origem deste problema podem encontrar-se várias causas, por exemplo:

Ruído electromagnético que faça disparar as interrupções dos impulsos de entrada e

assim afecte o cálculo da rotação;

Oscilações na alimentação que provoquem reset no dsPIC;

Falhas na leitura dos impulsos de entrada devidos ao circuito utilizado;

Sobreposição de sinais de entrada vindos da centralina;

Erros no cálculo da rotação no dsPIC.

Todas estas hipóteses são testadas, mas o problema persiste. Num dos ensaios, decide-se

confirmar o sinal vindo da centralina e verifica-se que, em determinados momentos, existem impulsos

da centralina sobrepostos e fora do tempo de injecção dos respectivos cilindros. Formula-se então a

teoria de que em determinadas condições, como por exemplo na fase de aquecimento, se, durante

um ciclo de injecções, a centralina detecta uma exigência de maior quantidade de combustível num

cilindro, executa uma correcção de combustível aos cilindros anteriores. Assim, o como a rotação é

lida a partir do tempo entre dois impulsos do primeiro injector, quando esta correcção é feita

precisamente neste cilindro, provoca leituras de tempos erradas e consequentemente cálculo da

rotação errado. As razões para este fenómeno podem ter a ver com o aumento da velocidade de

aquecimento do motor, mas não são comprovadas. O facto de os testes feitos ao motor, ainda antes

do desenvolvimento do sistema, não revelarem este fenómeno e a partir de determinada temperatura,

este deixar, praticamente, de aparecer, torna-o difícil de detectar.

Encontrada a sua origem, regressa-se aos testes em bancada, com o objectivo de resolver o

problema. O programa do simulador é alterado para que, de vez em quando, faça coincidir impulsos

fora do tempo. Para solucionar o problema, cria-se uma variável associada ao ciclo de injecções.

Para haver leitura da rotação no primeiro injector, esta variável terá que ter passado nas restantes

três injecções pela ordem em que devem acontecer num ciclo normal, 1-2-4-3. Por segurança,

acrescentam-se prioridades escalonadas pela ordem anterior. Assim, pretende-se evitar situações em

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55

Ro

taçã

o [

rpm

]

Amostra

79

que apesar de simultâneos os impulsos sejam lidos por ordem errada. Os ensaios seguintes

confirmam a resolução do problema.

Figura 54. Leitura correcta da rotação do motor.

Como este, outros efeitos apenas presentes no sistema real vão surgindo como, por exemplo, a

destruição dos pinos do dsPIC, devido a sobretensão, a qual é evitada com o circuito de segurança

anteriormente descrito, ou a implementação de buffers de leitura, que permitem confirmar se um

determinado flanco corresponde a um impulso de injecção válido ou se é apenas ruído

electromagnético.

Para completar a fase de confirmação de funcionamento, ensaia-se a leitura do tps. Com o motor

a funcionar, transmite-se os valores lidos para o PC e analisam-se os dados. Apenas para confirmar o

efeito do filtro, apresentam-se em baixo dois gráficos, sem filtro e com filtro e conclui-se esta fase.

Figura 55. Leitura do TPS sem filtro, à esquerda. Leitura do TPS com filtro passa-baixo, à direita.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1

23

45

67

89

11

1

13

3

15

5

17

7

19

9

22

1

24

3

26

5

28

7

30

9

33

1

35

3

37

5

rota

ção

[rp

m]

Amostra

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1

19

37

55

73

91

10

9

12

7

14

5

16

3

18

1

19

9

valo

r d

e T

PS

Amostra

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1

31

61

91

12

1

15

1

18

1

21

1

24

1

27

1

30

1

33

1

valo

r d

e T

PS

Amostra

80

O teste que verdadeiramente confirma se o objectivo do sistema desenvolvido é cumprido, é

efectuado num banco de potência. Este consiste num sistema de aparelhos que permitem medir,

através de sensores, o estado do motor e várias das suas características.

O parâmetro mais importante para avaliar as correcções feitas pelo módulo de injecção, é a

relação ar/combustível. Para tal, uma sonda de gases de escape é inserida no escape do FST 03,

cujas leituras são processadas num PC com software desenvolvido pela Dynojet que permite, depois,

comparar sucessivos ensaios e observar a evolução dos efeitos das correcções na injecção.

A finalidade de uma afinação deste tipo é a melhoria do desempenho do protótipo, avaliada pela

potência do motor ou à roda (como é feita no banco de potência). Para obter a potência do veículo, o

banco dispõe de rolos onde assentam as rodas motrizes (traseiras no caso do FST 03).

Para proceder aos testes, o monolugar é colocado com as rodas traseiras sobre os rolos, sendo

o chassis seguro com cintas a pontos fixos e as rodas dianteiras seguras e travadas em apoios

próprios. Para reproduzir a deslocação do ar, quando o carro está em movimento, que escoa no

radiador de arrefecimento do motor, o banco dispõe de uma conduta de ventilação e de ventoinhas

para o efeito.

Figura 56. Ensaios do FST03 no banco de potência.

A afinação das correcções à injecção é um processo iterativo. O motor é mantido na terceira

mudança da caixa de velocidades, por ser a mudança que permite fazer um varrimento mais vasto

em rotações. A afinação é feita por colunas de valor TPS. É colocado um batente de fim de curso

para o pedal de acelerador cujo limite se altera para cada coluna de afinação e correspondendo a um

valor de referência da tabela de correcções. Cada ensaio consiste em acelerar desde a rotação mais

baixa até á rotação limite, com o pedal encostado ao batente de fim de curso. A afinação para cada

coluna compreende uma série de sucessivos ensaios observados e comparados no PC, onde é

possível analisar as alterações que vão sendo feitas aos valores no mapa de correcções. As

alterações aos ganhos são feitas a partir da aplicação para gestão do mapa de injecção.

81

Normalmente associado ao aumento da potência, surge o aumento do consumo de combustível.

Em motores de motociclos para competição, procura-se manter uma relação ar/combustível perto de

13.2, correspondente a um factor λ≈0.9. Com o decorrer dos ensaios, o utilizador analisa a

sensibilidade do motor às correcções na injecção. Através de um cálculo teórico para a correcção a

aplicar num determinado ponto, chega-se a um valor apenas aproximado do que se deve introduzir

no mapa. Por exemplo, se a relação ar/combustível lida for 13.94 e considerando que corresponde a

13.94 Kg de ar para 1 Kg de combustível; se se quiser obter 13.2 de mistura partindo do princípio que

a quantidade de ar não se altera (13.94 Kg), a correcção ao combustível teórica é:

13.94 1 6%13.2

Ganho (6.2)

Mas este resultado só pode ser considerado se o ganho inicial for 0%. Além disso, são várias as

razões que afectam este cálculo: a precisão da sonda de gases de escape e o facto de as leituras

não serem absolutamente constantes ao longo dos ensaios, o atraso de resposta desta em relação à

leitura da rotação do motor e o facto de os valores das correcções serem influenciados pelos valores

mapeados na região ao ser redor. Se se conhecerem com precisão as características acima

descritas, então será possível desenvolver um algoritmo para afinar o mapa de correcções. Como

não é o caso, o processo é iterativo, mas não necessariamente lento, a partir do momento que se

adquira alguma sensibilidade e prática na afinação do mapa.

Em seguida apresentam-se os testes de confirmação do cumprimento dos objectivos do projecto

e os efeitos provocados no desempenho do veículo. Os testes demonstrados são realizados para

80% de acelerador. O mapa de correcções com que serve de ponto de partida para a afinação é uma

versão anterior usada na Power Commander que equipou os protótipos anteriores. Assim consegue-

se que o motor já tenha um funcionamento estável para poder fazer o varrimento de rotações. Os

resultados apresentados são excertos dos gráficos visualizados no PC do banco de potência.

Numa primeira abordagem, testa-se a influência da alteração de um só ponto do mapa na curva

de relação ar/combustível. O ponto alterado é nas 10000 rpm, onde se passa de um ganho -10% para

um ganho 0%. Ou seja, deixa de se encurtar o tempo de injecção. O resultado é apresentado na

Figura 57.

82

A linha (1) representa o ensaio com a alteração do ganho. São apresentados também outros

3 ensaios anteriores para se poder verificar a variação nas leituras da sonda de escape mesmo sem

alteração do mapa. É possível verificar, que tal como esperado, a curva de ar/combustível evidencia

um decréscimo acentuado em valores muito próximos de 10000 rpm.

De seguida efectua-se um conjunto de ensaios procurando corrigir os valores de mistura para

valores mais próximos de 13. Ao mesmo tempo observam-se os efeitos das alterações, sobre as

curvas de potência. Nas figuras abaixo apenas são apresentadas as curvas inicial e final, na gama de

rotações em que se efectuam alterações nas correcções.

Figura 57. Ensaio em banco de potência com alteração de um ponto no mapa.

83

Em ambos os gráficos, a curva (1) corresponde ao ensaio inicial e a curva (2) corresponde ao

ensaio final. No que diz respeito à mistura, na Figura 58, interessa verificar que no intervalo de

rotações entre 5500 rpm e 11000 rpm, a curva de relação ar/combustível passa da gama de valores

próximos de 14, para o nível dos 13. Como consequência, é possível verificar alterações significativas

nas curvas de potência.

Figura 58. Curvas de ar/combustível dos ensaios com mapa inicial e ao fim de algumas alterações ao mapa.

Figura 59. Curvas de potência dos ensaios com mapa inicial e ao fim de algumas alterações ao mapa.

84

Analisando a região de rotações entre as 4500 rpm e as 7000 rpm, verifica-se a atenuação de

duas depressões nas curvas de potência. Pelo que se pode observar a partir dos dados da sonda de

gases de escape, deverá existir mais do que uma causa para estes efeitos. A princípio pensa-se que

na gama entre as 4800 rpm e as 5800 rpm, a depressão deverá ser originada por se ter uma mistura

demasiado rica. Conforme dito anteriormente, a partir de determinado grau de riqueza, a mistura

começa a provocar perda de potência em vez de aumento. Neste caso, em vários pontos do intervalo

λ<0.85. No entanto, após alguns ensaios em que se pretende testar o efeito da sobre-elevação de

ar/combustível, presente às 6000 rpm na curva inicial, conclui-se que esta afecta a potência na região

mencionada anteriormente. Na zona mais à direita deste intervalo de rotações, a depressão acentua-

se quando a sobre-elevação aumenta e atenua-se quando a sobre-elevação diminui. Apesar de estar

representada às 6000 rpm, esta sobre-elevação deverá acontecer um pouco antes, mas como já foi

referido, existe um atraso entre a leitura dos valores lidos pela sonda e a leitura da rotação do motor.

Assim, conclui-se que a origem desta depressão na curva de potência deverá estar relacionada com

os dois factores.

Também no intervalo entre as 8000 rpm e as 14000 rpm, é possível verificar que a curva de

potência sobe em relação ao nível inicial e se torna mais regular. Os ganhos de potência atingem os

4 Cv representando 5% a 6% de diferença em relação à curva inicial. Nesta região, o factor de

diferença é a riqueza da mistura, ao longo das rotações, o aumento da quantidade de combustível

injectada corresponde ao aumento da potência.

A partir das 8000 rpm, verifica-se que o declive da curva de potência diminui muito.

Inclusivamente, a partir das 10000 rpm, estabelece-se um patamar de potência. Este fenómeno deve-

se à existência de estrangulador, tanto pelas perdas de carga provocadas como pelos efeitos

sónicos, referidos anteriormente.

Na Figura 60, estão representados graficamente as correcções nos mapas inicial e final para

80% de TPS. As alterações consistem em aumentar o débito de combustível em toda a gama entre

as 5000 rpm e as 13000 rpm. Conforme esperado, zonas de maior diferença entre os mapas

correspondem, no gráfico da Figura 58, às zonas de maior diferença entre as curvas de relação

ar/combustível. Por exemplo o ponto de maior diferença entre os mapas, às 5500 rpm, corresponde à

depressão na curva de potência também às 5500 rpm, provocada pela existência da sobre-elevação

com valor máximo nas 6000 rpm.

85

Figura 60. Valores de correcção para 80% de TPS, no início e no final dos ensaios. Mapa inicial com círculos e mapa final com quadrados.

Conclui-se assim que o módulo cumpre o funcionamento pretendido, permitindo fazer uma

gestão da injecção de combustível que melhore o desempenho do motor.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

50

0

10

00

15

00

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00

25

00

30

00

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00

40

00

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00

50

00

55

00

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00

65

00

70

00

75

00

80

00

85

00

90

00

95

00

10

00

0

10

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0

11

00

0

11

50

0

12

00

0

12

50

0

13

00

0

13

50

0

14

00

0

14

50

0

Gan

ho

RPM

87

Capítulo 7

Conclusões

7 Conclusões

Descrição das conclusões do autor acerca do trabalho realizado e propostas de trabalho futuro.


88

O trabalho apresentado consistia no projecto e concepção de um módulo de injecção de

combustível. Os seus objectivos eram, fundamentalmente, a aplicação do sistema desenvolvido no

protótipo FST 03 e criar um ponto de partida para a realização de futuros projectos realizados pela

equipa do Projecto FST nesta área. Apresenta-se de seguida uma síntese do trabalho e conclusões

das várias etapas:

Descreveu-se o intuito do projecto, a competição Formula Student e a equipa

Projecto FST. As decisões fundamentais sobre o caminho a tomar para o desenvolvimento do

projecto, foram tomadas de acordo com o que se considera útil e do melhor interesse para a

equipa. De facto, este projecto encontra-se condicionado à partida pela situação financeira e

logística da equipa. Para todos os efeitos, qualquer projecto de electrónica desenvolvido no

Project FST, vê a sua prioridade reduzida quando comparada com qualquer projecto vital para

a construção de um protótipo pronto a competir, seja por razões financeiras ou por falta de

recursos humanos nessas áreas. Cabe assim à equipa de electrónica, tornar os seus trabalhos

uma mais-valia que justifique o investimento. Neste trabalho, isso é conseguido por se deixar

de ter de adquirir produtos comerciais, como a Power Commander, que desempenham a

mesma função. Em vez disso, a equipa passa a produzir o seu próprio módulo de injecção, o

que, como se mantêm os custos associados ao tempo de utilização do banco de potência,

reduz os custos totais desta área. Se a placa de circuito impresso for produzida no Instituto

Superior Técnico, o custo dos componentes, incluindo conectores fiáveis para este tipo de

aplicação, rondará os €30, 90% mais barato que a Power Commander. Por outro lado,

aumenta o interesse do projecto do protótipo e consequentemente a pontuação atribuída pelos

júris, nas provas estáticas.

Efectuou-se e apresentou-se um estudo sobre o tema da gestão electrónica do

motor, orientada à injecção de combustível, com o qual se pretende descrever os conceitos

fundamentais de um trabalho deste tipo. São explicadas as razões principais da necessidade

de existência de alterações à gestão de combustível e a estratégia geral do funcionamento de

uma centralina. Além de servir de base ao projecto desenvolvido, espera-se que sirva de

referência para os projectos vindouros.

O processo de engenharia reversa permitiu recolher informação importante sobre as

características de funcionamento do módulo comercial. Formulou-se um algoritmo que regeu o

desenvolvimento do software, a partir da análise dos efeitos das correcções e o modo como

estas eram calculadas dado o ponto de funcionamento do motor (RPM;TPS). Para tal, excitou-

se a Power Commander simulando os seus sinais de entrada e observou-se as suas respostas

nos sinais de saída.

As decisões de escolha de hardware, nomeadamente o microcontrolador, tiveram em

conta as especificações do projecto, principalmente no que diz respeito à sua expansibilidade.

Optou-se por um dsPIC 30f6014 de 16 bits com características que satisfazem os requisitos do

trabalho, pelo seu baixo custo, pela familiaridade com a linguagem de programação e pelo fácil

89

acesso a ferramentas da Microchip existentes no laboratório. O desenvolvimento do software

foi feito à medida do algoritmo formulado anteriormente no processo de engenharia reversa.

Para agilizar o processo de afinação da tabela de correcções do módulo de injecção,

desenvolveu-se uma aplicação de interface em C#, que comunica via série com o dsPIC. Esta

permite a adquirir, ou enviar novos mapas de ganhos, gravá-los num ficheiro .xls e obter

informação periódica sobre o ponto de funcionamento do motor. No dsPIC, a tabela de

correcções fica gravada numa memória EEPROM. A afinação do mapa é um processo iterativo,

com a aplicação desenvolvida, o tempo de ajuste é bastante reduzido face ao método de

reprogramação do dsPIC a cada alteração da tabela, além de que o funcionamento do sistema

não necessita de ser interrompido.

O módulo foi testado, em primeiro lugar, em bancada. Foi verificado o cumprimento

do funcionamento pretendido e mediram-se algumas das suas características mais

importantes. Um tempo de atraso na resposta inferior ao da Power Commander, 100 µs e um

consumo médio do circuito de controlo de 100 mA de corrente, apenas 10% do valor limite do

regulador de tensão. O tempo de execução da rotina principal é 450 µs o que, para uma

rotação máxima de 14500 rpm significa que o dsPIC é tem capacidade para executar pelo

menos 4.4 vezes um processo desta ordem, mesmo não estando a operar no máximo da

frequência de clock.

Os testes no protótipo revelaram o cumprimento dos requisitos. Um dos principais

objectivos deste trabalho era colmatar a falta de resultados no sistema real dos trabalhos da

mesma área no Instituto Superior Técnico. Os ensaios finais tiveram lugar num banco de

potência onde a relação de mistura ar/combustível era medida por uma sonda de gases de

escape ao mesmo tempo que a rotação do motor e a potência à roda. Os resultados

comprovaram que o módulo permite a alteração consistente da relação ar/combustível e

permite melhorar substancialmente o desempenho. Nos ensaios realizados, houve aumentos

de potência na ordem dos 6%, mas facilmente existirão pontos de funcionamento em que este

valor poderá ser bastante superior.

À data da escrita deste documento, o módulo de injecção encontra-se em fase de protótipo e

pronto para ser produzido em placa de circuito impresso PCB, para reduzir as suas dimensões e

aumentar a resistência da fixação dos componentes, face às vibrações mecânicas que se fazem

sentir no monolugar em funcionamento.

Os objectivos principais do trabalho consideram-se alcançados com sucesso. O autor

considera, no entanto, que se deveriam ter realizados testes com a configuração de Peak & Hold dos

LM1949, por forma a verificar a sua eficiência energética.

Futuramente, o autor pensa haver diferentes rumos a seguir paralela e complementarmente,

nesta área do projecto. Em primeiro lugar e porque num futuro mais próximo terá implicações

financeiras e técnicas mais vantajosas, o autor defende que, a par com o projecto de banco de

potência on road que está a ser desenvolvido, a equipa deve implementar uma sonda de gases de

90

escape e o seu condicionamento de sinal no protótipo. Deste modo a equipa poderá efectuar testes

eficazes à gestão electrónica da injecção e reduzir drasticamente, ou mesmo dispensar, a utilização

do banco de potência. A eliminação das implicações financeiras (custos de utilização) e logísticas

(transporte do protótipo e disponibilidade por parte do serviço do banco), contribuem para que esta

área da electrónica se torne fulcral para a continuidade do projecto FST. Por outro lado, o próprio

desenvolvimento dos projectos desta área é acelerado, ao poderem fazer-se ensaios nas instalações

do Instituto Superior Técnico.

As funcionalidades do módulo desenvolvido deverão evoluir. Seguindo a linha da sugestão

anterior. Um dos caminhos será implementar um algoritmo de auto-aprendizagem das correcções à

injecção com realimentação da sonda de gases de escape. Estabelecendo-se um intervalo de relação

ar/combustível alvo, centrado num valor desejado, como 13.2, e, se accionado um modo de

aprendizagem, o módulo procura corrigir os valores do mapa de ganhos até a resposta da sonda se

encontrar no intervalo desejado.

A evolução natural do sistema será a implementação de um controlador da injecção e da

ignição do motor que substitua o standard. Esse desenvolvimento deverá ser progressivo, por

exemplo, iniciando-se pela leitura da rotação directamente do sensor instalado no motor para o efeito

e confirmar que o funcionamento se mantém consistente. Uma solução que também será

interessante estudar é a implementação de um sensor de massa de ar (hot wire), que calcule com

precisão a massa de ar admitida pelo motor, eliminando a necessidade de cálculos indirectos ou de

um processo iterativo e longo de encontrar a quantidade base de combustível necessária para

cumprir a relação ar/combustível.

O autor considera que além de deixar um projecto concluído e pronto a funcionar, deixa

também uma base para um trabalho a ser continuado e expandido, contribuindo para o crescimento

do capital intelectual da equipa do Projecto FST. O sistema desenvolvido não deverá apresentar

problemas de falta de capacidades a médio/longo prazo.

91

Referências

Referências

[1]. Honda. 2001-2003 Service Manual CBR 600f4i.2001.

[2]. Tom Denton. Automobile Electrical and Electronic Systems. Elsevier Ltd, Third Edition, 2004.

[3]. Manuel de Medeiros Silva. Circuitos com Transistores Bipolares e MOS. Fundação Calouste

Gulbenkian, 2ª Edição, 2003.

[4]. Manuel de Medeiros Silva. Introdução aos Circuitos Eléctrivos e Electrónicos. Fundação

Calouste Gulbenkian, 2ª Edição, 2001.

[5]. Robert Sedgwick. Algorithms in C. Addison – Wesley, Third Edition, 2004.

[6]. José Miguel C Mendes Lopes. Motores de Combustão Interna – uma abordagem termodinâmica,

texto provisório. AEIST, Fevereiro de 2003.

[7]. António Mota, Eduardo Pinto. Ignição e Injecção Electrónica para Motores a Gasolina – Trabalho

Final de Curso. IST, 1994/1995.

[8]. Robert Bosch GmbH. Gasoline Fuel-Injection System L-Jetronic. Department of Technical

Information, Edition 95/96.

[9]. Paulo Jorge Tenreiro dos Santos Martins, Pedro Palla e Carmo Reinas Martins. Sistema de

Gestão Para Motores de Combustão Interna (OTTO) – Trabalho Final de Curso. IST, Maio de

1993.

[10]. Microchip Tecnhology Inc. dsPIC® Language Tools Libraries, 2004.

[11]. Microchip Tecnhology Inc. dsPIC30F6011A/6012A/6013A/6014A Data Sheet, 2006.

[12]. ST®. AN1797 Application Note - COMMUNICATION WITH A PC USING RS232, 2005.

[13]. Microchip Tecnhology Inc. PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, 2007.

[14]. MOTOROLA, Inc. SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA – 2N6040 thru 2N6045, 1997.

[15]. Ana Elisa Tozetto Piekarski, Marcos Antonio Quináia. Reengenharia de software: o quê, por quê

e como. Departamento de Informática - UNICENTRO, Maio de 2000.

[16]. Fairchild Semiconductor

Corporation. KA78XX/KA78XXA 3-Terminal 1A Positive Voltage

Regulator Datasheet, 2001.

[17]. National Semiconductor Corporation. LM1949 Injector Drive Controller datasheet, December 14,

2008.

93

Anexo A

Circuito do dsPIC

Anexo A - Circuito do dsPIC

Descrição dos portos do dsPIC utilizados.

94

Em seguida apresenta-se um esquema1 dos portos do dsPIC utilizado no protótipo

desenvolvido e uma listagem dos portos utilizados. Todos os pares de portos Vdd e Vss estão ligados

por condensadores de acoplamento de 100 nF.

Figura 61. Diagrama de portos do dsPIC30F4013.

Pin Porto Função

38 AN9 Entrada analógica TPS

6 IC7 Entrada Input Capture



19 OC4 Saída Output Compare



25 U1TX Transmissão de dados UART

26 U1RX Recepção de dados UART


34 OC1 Saída Ouput Compare

Tabela 7. Portos do dsPIC4013 utilizados e suas funções.

1 Fonte: [12].

95

Anexo B

Circuito de Regulador de

Tensão

Anexo B – Circuito de Regulador de Tensão

Esquema eléctrico do circuito do regulador de tensão.

96

Na Figura 62 é apresentado o circuito de alimentação de 5 V, um 7805. Tanto os 12 V como

GND são provenientes da centralina. Vdd corresponde aos 5 V de alimentação do microcontrolador,

dos circuitos de condicionamento de sinais e dos integrados LM1949.

Figura 62. Circuito de regulador de 5 V.

97

Anexo C

Funcionamento do banco de

potência

Anexo C - Funcionamento do Banco de Potência

Explicação sucinta sobre o funcionamento do banco de potência utilizado para os testes.


98

Um banco de potência é um aparelho que permite medir força ou potência. No banco

potência utilizador para o trabalho documentado, a potência é medida à roda do protótipo. Esta é

obtida a partir da medição do binário e da velocidade rotacional (rpm).

P (C.1)

Onde:

P está em W;

está em N.m;

ω está em rad.s-1

.

Em unidades métricas:

9549

Nm rpm

kWP

(C.2)

Num banco de potência de inércia, o binário é calculado a partir do raio dos rolos e da 2ª lei

de Newton:

Força massa aceleração (C.3)

A aceleração é calculada para a superfície dos rolos a partir do conhecimento da sua

velocidade de rotação e do tempo. Tratando-se de um movimento rotacional, o dos rolos, a massa

que figura na equação acima, não é a massa total dos rolos, mas sim a sua massa equivalente ou

momento de inércia.

A rotação do motor é lida a partir do sinal de ignição, com uma sonda amperimétrica.

Figura 63. FST02 no banco de potência.

Electronic Engine Control Unit FST 2007/2008 José Miguel · PDF filem Electronic Engine...

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