SISTEMA DE CONTROLO ADAPTATIVO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção enquadra-se na área dos dispositivos electrónicos para controlo de sistemas eletromecânicos, como motores elétricos ou motores de combustão interna.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os veículos automóveis, korts, motociclos, barcos motorizados e muitos outros dispositivos móveis, utilizam uma unidade de controlo eletrónico (2/ECU) para efetuar o controlo dos motores elétricos (3) e/ou motores de combustão interna (4), responsáveis pela tração do veículo. Como se mostra na Figura 1, a intenção do condutor é adquirida, pela unidade de controlo eletrónico, por intermédio de um sensor de posição (1). Este sensor é crítico para o correto controlo dos sistemas de tração e, por esse motivo, pode apresentar duas saídas independentes (redundantes). As tecnologias mais utilizadas para este componente são os sensores resistivos, vulgos potenciómetros, e os sensores de efeito de Hall. Como se mostra na Figura 2, estes sensores apresentam saídas analógicas, tipicamente com uma escala de saída dos 0V aos 5V, caracterizadas pela sensibilidade e derivas de zero (offset).

Sistemas eletromecânicos que tradicionalmente eram controlados por uma ligação mecânica como, por exemplo, os veículos com motores de combustão interna, são atualmente controlados por sensores eletrónios para definir o seu estado de operação. Efetivamente, atualmente não existe ligação mecânica entre o pedal do acelerador e o motor de combustão interna. A unidade de controlo eletrónico recebe a "intenção" do condutor ou operador via sensor eletrónico do pedal ou comando e, mediante o valor lido e o seu algoritmo de funcionamento, atua nos sistemas eletromecânicos, de modo a otimizar o funcionamento dos mesmos.

Os motores elétricos, pela sua elevada eficiência, fiabilidade, binário/potência disponível e adaptabilidade, são utilizados na indústria, transportes e sistemas eletromecânicos, desde a sua invenção. Atualmente, século XXI, verifica-se um elevado desenvolvimento nas baterias elétricas, sistemas sensoriais e eletrónica de controlo, o que, associado a uma preocupação ambiental crescente, tem levado ao aparecimento de veículos com sistemas de tração elétrica. Os motores elétricos, independentemente da sua tecnologia, podem ser controlados com grande precisão em função da sua potência, binário e/ou velocidade, permitindo grande configurabilidade e rigor de funcionamento aos sistemas eletromecânicos em que estão instalados.

Atualmente verifica-se uma grande diversidade de sistemas eletromecânicos existentes para o mesmo fim, por exemplo, sistemas de tração para veículos automóveis, e a existência de várias marcas de unidades de controlo eletrónico para o seu controlo. No caso dos motores elétricos, as unidades de controlo eletrónico também são conhecidas como controladores, inversores e variadores, entre outros nomes.

Muitas unidades de controlo eletrónico são "fechadas", não permitindo a sua reprogramação (alteração de metodologias e variáveis de funcionamento) pelo utilizador. No caso dos motores elétricos, muitas das unidades de controlo permitem a fácil reprogramação de parâmetros, com recurso a programas dedicados. Ainda assim, nos casos em que a reprogramação é possível, verifica-se que os programas são diferentes (dedicados do fabricante), os meios de comunicação (camada de hardware e de software) são variados (UART, CAN e USB, entre outros), alguns dispositivos só podem ser reprogramados quando offline (em não utilização) e em vários casos é necessária a reiniciação dos sistemas de controlo para a atualização de parâmetros.

O pedido de patente americana de número US2004/0187845A1 divulga um dispositivo para modelação do pedal do acelerador associado a um motor de combustão interna. A modulação efetuada por este dispositivo tem um objetivo similar a presente invenção, limitar a potência do motor de combustão interna, mas a sua implementação, recorrendo a uma resistência fixa, uma resistência variável e um díodo de silício, apresenta uma funcionalidade e compatibilidade muito limitada. Apresentam-se as principais limitações deste dispositivo relativamente à presente invenção. O dispositivo aqui divulgado não permite a alteração do fator de modelação, de modo automático e em tempo real, via comando eletrónico, ou a afinação do valor em que a tensão de saída é igual à entrada. Este dispositivo também não apresenta entrada de alta impedância e saída de baixa impedância, para ser compatível com as várias tecnologias de sensores e de unidades de controlo eletrónico, respetivamente, nem apresenta proteção para quebra de massa no sinal do sensor, levando, em caso de avaria, a uma resposta descontrolada da unidade de controlo eletrónico e a falta de segurança no funcionamento dos sistemas. Adicionalmente, este dispositivo não apresenta proteção contra um curto-circuito da saída do sensor para a alimentação do mesmo, resultando numa resposta descontrolada da unidade de controlo eletrónico e a falta de segurança no funcionamento dos sistemas. Finalmente, no dispositivo descrito neste pedido a saída é sempre função da entrada, em qualquer instante de tempo, levando a situações de arranque descontrolado do veículo caso o sistema seja ativo com o condutor a ativar o pedal do acelerador, e não apresenta capacidade de autodiagnóstico.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O presente invento diz assim respeito a um sistema de controlo adaptativo para um sensor, a instalar entre um dado sensor eletrónico e a unidade de controlo eletrónico que processa o seu sinal elétrico. Ao adaptar o sinal do sensor numa escala de entre 0% e 100% do seu valor, na gama útil de utilização do mesmo pela unidade de controlo eletrónico, o presente invento permite ajustar, limitar ou controlar o funcionamento de um dado sistema eletromecânico. O presente invento permite que o controlo do funcionamento do sistema eletromecânico seja efetuado por um dispositivo eletrónico, por ligação com ou sem fios, com total independência do funcionamento da unidade de controlo eletrónico que atua o sistema eletromecânico.

É assim objecto da presente invenção um sistema de controlo adaptativo adequado para instalação entre um sensor (1) e uma unidade de controlo eletrónico (2) de processamento de sinais eléctricos para o controlo de um sistema eletromecânico, o sistema de controlo adaptativo compreendendo:

• pelo menos uma unidade de processamento (CA);

• pelo menos um circuito de interface para comunicação com a unidade de processamento (C3);

• um elemento de controlo adaptativo configurado de tal forma que:

^■ uma sua tensão de saída (A8) não é superior a uma sua tensão de entrada, correspondente a uma tensão na saída do referido sensor (Al); ^■ a referida saída (A8) apresenta um valor entre 100% e 0% da tensão de saída do sensor (Al), na gama útil de funcionamento do sensor;

^■ na zona superior de diagnóstico do sensor (B20), a sua saída (A8) ser nula (apresentar um valor de 0V);

^■ numa zona inferior de diagnóstico do referido sensor (B21), a referida saída (A8) é igual ou inferior à referida tensão de saída do sensor (Al);

^■ controlar o funcionamento dos sistemas eletromecânicos (B)(4) sem recorrer a reconfiguração e/ou reprogramação da unidade de controlo eletrónico (2);

^■ atualizar o nível de adaptação do sinal do sensor e o valor mínimo da gama útil do sensor, em tempo real, via circuito interface (C3) com ligação ao microcontrolador (CA),

o elemento de controlo adaptativo compreendendo um circuito de controlo analógico configurado tal que não tem latências e/ou está dependente da execução de um programa, o circuito de controlo analógico estando adicionalmente configurado para adaptar o sinal de saída do sensor.

O sistema permite assim controlar o funcionamento dos sistemas eletromecânicos (3)(4) sem recorrer a reconfiguração e/ou reprogramação da unidade de controlo eletrónico (2).

Adicionalmente, pela adaptação da função de transferência do sensor, numa escala de 0% a 100%, o sistema da presente invenção permite o controlo proporcional do funcionamento dos sistemas eletromecânicos, por exemplo, permite controlar a velocidade máxima de um veículo elétrico numa escala dos 0% aos 100% da velocidade máxima permitida pelo controlador do motor. A presente invenção combina as vantagens dos circuitos programáveis, microcontroladores, e dos circuitos de controlo analógico. A adaptação do sinal de saída do sensor é feita em modo analógico, sem latências e sem dependências da execução de código e, ao mesmo tempo, é possível a configuração da sua função de transferência, em tempo real, por um dispositivo com ou sem fios. A invenção dispõe ainda de todas as proteções necessárias ao nível de Hardware e de capacidade de autodiagnóstico. Ao intervir no sinal elétrico dos sensores, a presente invenção não necessita de ajustes nas unidades de controlo eletrónico e é compatível com todos os sistemas de controlo eletrónico existentes. O sistema da presente invenção permite assim i) controlar o funcionamento dos sistemas eletromecânico pela adaptação do sinal dos sensores utilizados para determinar a sua operação, ii) efetuar a adaptação da função de transferência dos sensores em modo analógico, iii) ser totalmente configurável e adaptável a todos os sensores e sistemas de controlo eletrónico, iv) manter ou aumentar os mecanismos de diagnóstico e de segurança efetuados pelas unidades de controlo eletrónico aos sensores.

Por outro lado, a presente invenção apresenta as seguintes vantagens relativamente aos sistemas existentes no estado na técnica :

• compatibilidade com todos as tecnologias de sensores eletrónicos e com todas as unidades de controlo eletrónico;

• efetua a adaptação da saída do sensor por controlo analógico, sem latências e/ou dependências com a execução de código;

• apresenta a capacidade de programação da função de transferência aplicada entre a saída do sensor e a saída do sistema de controlo adaptativo, em tempo real e via circuito eletrónico de interface;

• permite a total configurabilidade, possibilidade de configurar o valor do limite inferior da gama útil do sensor;

• garantir que a saída do sistema de controlo adaptativo seja sempre inferior ou, no máximo, igual ao valor da saída do sensor;

• capacidade de detetar que a saída do sensor se apresenta na zona de diagnóstico superior e, em consequência, desativar, em modo analógico, a saída do sistema de controlo adaptativo;

• segurança total de funcionamento contra todas as falhas e erros em todos os terminais de ligação dos sensores (quebras de ligações e curto-circuitos para a tensão de alimentação positiva ou negativa);

• capacidade de realização de autodiagnostico. O sistema monitoriza as tensões de entrada e de saída e verifica, via software, o correto funcionamento do controlo analógico;

• capacidade de adicionar rotinas de segurança por software. Por exemplo, o microcontrolador pode ser programado para, após entrada em funcionamento do sistema de controlo adaptativo, só ativar a saída do sistema quando a saída do sensor passar por um valor abaixo da gama útil de funcionamento (i.e. dentro da zona inferior de diagnóstico).

É igualmente objecto da presente invenção a utilização do sistema da presente invenção, em qualquer um dos modos de realização descritos, com um sistema eletromecânico pela adaptação da saída do sensor, o sistema eletromecânico compreendendo um motor de combustão interna, um motor elétrico, um travão elétrico, uma electroválvula, uma resistência de aquecimento, um sistema de ar condicionado ou um circuito de iluminação.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - representação do circuito simplificado de controlo de motores elétricos (3) e/ou motores de combustão (4). É utilizado um sensor (1, PPS Sensor), com uma ou duas saídas, para indicar à unidade de controlo eletrónico (2, ECU) o nível de atuação pretendido para os motores.

Figura 2 - gráfico com curvas típicas dos sensores analógicos utilizados no controlo dos motores. Por exemplo, o sensor do pedal do acelerador pode apresentar funções de transferência (B3 a B5) com diferentes valores para a sensibilidade e para a deriva de zero (offset).

Figura 3 - representação da aplicação da presente invenção, sistema de controlo adaptativo para sensor (5, PPAC), no exemplo aplicado ao pedal do acelerador. O sistema de controlo adaptativo para sensor é instalado entre o sensor (1, PPS Sensor) e a unidade de controlo eletrónico correspondente. O sistema de controlo adaptativo ajusta os sinais elétricos dos sensores de modo a ajustar o funcionamento dos sistemas que este controla. Nas figuras seguintes são apresentadas várias versões do referido sistema (5, PPAC), com os sinais de referência PPAC1, PPAC2, PPAC3, PPAC4, PPAC5, PPAC6, PPAC7, PPAC8, PPAC9, PPAC10, PPAC11 e PPAC12.

Figura 4 - gráfico que apresenta a zona de atuação (B8) do sistema de controlo adaptativo para sensor. São apresentadas as funções de transferência do sensor de posição do pedal com uma sensibilidade de 50% (B6) e 0% (B7), relativamente à função de transferência normal (sensibilidade de 100%) (B3). Figura 5 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num potenciómetro analógico (Cl).

Figura 6 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num potenciómetro analógico e na utilização de amplificadores de ganho unitário (C2), para adaptação de impedâncias de entrada e saída. Figura 7 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo, tendo por base um potenciómetro analógico. São apresentadas as funções de transferência para a saída igual a 100% (Bll), 50% (B12), 25% (B13) e 0% (B14) da entrada.

Figura 8 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (C4) com entrada analógica e com saída analógica. Um sistema de comunicação digital (C3), com ou sem fios, permite a configuração da função de transferência implementada pelo sistema de controlo adaptativo.

Figura 9 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (CA) e num potenciómetro digital (CS). Um sistema de comunicação digital (C3), com ou sem fios, permite a configuração da função de transferência implementada pelo sistema de controlo adaptativo.

Figura 10 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo, tendo por base um microcontrolador com uma saída analógica ou um microcontrolador e um potenciómetro digital. A tensão de saída é igual à tensão de entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero. São apresentadas as funções de transferência para a saída igual a 100% (Bll), 50% (B15), 25% (B16) e 0% (B14) da entrada.

Figura 11 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (C4), com entrada analógica e com saída analógica, e num amplificador de instrumentação (C6). Um sistema de comunicação digital (C3), com ou sem fios, permite a configuração da função de transferência implementada pelo sistema de controlo adaptativo.

Figura 12 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (CA), num potenciómetro digital (CS) e num amplificador de instrumentação (C6). Um sistema de comunicação digital (C3), com ou sem fios, permite a configuração da função de transferência implementada pelo sistema de controlo adaptativo.

Figura 13 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo, tendo por base um microcontrolador com uma saída analógica e um amplificador de instrumentação ou um microcontrolador, um potenciómetro digital e um amplificador de instrumentação. A tensão de saída é nula (0V) (B22 e B23) quando a tensão de entrada está no limite superior de diagnóstico (B20) ou no limite inferior de diagnóstico e/ou de banda morta (B21).

Figura 14 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo, tendo por base um microcontrolador com uma saída analógica e um amplificador de instrumentação ou um microcontrolador, um potenciómetro digital e um amplificador de instrumentação. A tensão de saída é igual à tensão de entrada (B22 e B23) quando a tensão de entrada está no limite superior de diagnóstico (B20) ou no limite inferior de diagnóstico e/ou de banda morta (B21).

Figura 15 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (CA), num potenciómetro digital (CS) e amplificadores de ganho unitário (C2). Neste sistema o microcontrolador apenas configura o valor do potenciómetro digital e a saída do sistema de controlo adaptativo para sensor é uma função analógica da entrada.

Figura 16 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo de acordo com a Figura 15. São apresentadas as funções de transferência para a saída igual a 100% (Bll), 75% (B26), 50% (B27), 25% (B28) e 0% (B29) da entrada.

Figura 17 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (CA), dois potenciómetros digitais (C5) e amplificadores de ganho unitário (C2). Neste sistema o microcontrolador apenas configura o valor dos potenciómetros digitais e a saída do sistema de controlo adaptativo para sensor é uma função analógica da entrada.

Figura 18 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo de acordo com a Figura 17. A tensão de saída é igual à tensão de entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero. São apresentadas as funções de transferência para a saída igual a 100% (Bll), 75% (B30), 50% (B31), 25% (B32) e 0% (B33) da entrada.

Figura 19 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (C4), dois potenciómetros digitais (C5), um amplificador operacional (C8) e amplificadores de ganho unitário (C2). Neste sistema o microcontrolador apenas configura o valor dos potenciómetros digitais e a saída do sistema de controlo adaptativo para sensor é uma função analógica da entrada.

Figura 20 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo de acordo com a Figura 19. A tensão de saída é igual à tensão de entrada quando a tensão de entrada está no limite inferior de diagnóstico e/ou de banda morta (B34). São apresentadas as funções de transferência para a saída igual a 100% (Bll), 75% (B30), 50% (B31), 25% (B32) e 0% (B33) da entrada.

Figura 21 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (C4), dois potenciómetros digitais (C5), dois amplificadores operacionais (C8), uma porta lógica "E" (C9) e amplificadores de ganho unitário (C2). Neste sistema, o microcontrolador apenas configura o valor dos potenciómetros digitais e a saída do sistema de controlo adaptativo para sensor é uma função analógica da entrada. Figura 22 - gráfico com funções de transferência para o sistema de controlo adaptativo de acordo com a Figura 21. A tensão de saída é igual à tensão de entrada quando a tensão de entrada está no limite inferior de diagnóstico e/ou de banda morta (B34). A tensão de saída é nula (0V) quando a tensão de entrada está no limite superior de diagnóstico (B35). São apresentadas as funções de transferência para a saída igual a 100% (Bll), 75% (B30), 50% (B31), 25% (B32) e 0% (B33) da entrada.

Figura 23 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (C4), dois potenciómetros digitais (C5), dois amplificadores operacionais (C8), uma porta lógica "OU" (CIO), um transístor MOSFET (Cll) e amplificadores de ganho unitário (C2). Este sistema permite implementar um funcionamento semelhante ao sistema da Figura 21, mesmo utilizando potenciómetros digitais sem entrada para desativação da saída (i.e. entrada de controlo que coloca a saída no valor mínimo do potenciómetro).

Figura 24 - representação de um sistema de controlo adaptativo para sensor baseado num microcontrolador (C4), dois potenciómetros digitais (C5), dois amplificadores operacionais (C8), dois transístores MOSFET (Cll) e amplificadores de ganho unitário (C2). Este sistema permite implementar um funcionamento semelhante aos sistemas das Figuras 21 e 23, mesmo utilizando potenciómetros digitais sem entrada para desativação da saída (i.e. entrada de controlo que coloca a saída no valor mínimo do potenciómetro). Adicionalmente, permite a monitorização da entrada e da saída do sistema de controlo adaptativo para sensor e a utilização de um microcontrolador com uma tensão de trabalho inferior à do sensor a adaptar (1).

Indicação dos n^s de referência:

(1) sensor;

(2) unidade de controlo eletrónico;

(3) motor elétrico;

(4) motor de combustão interna;

(5) sistema de controlo adaptativo para um sensor;

(Al) sinal elétrico de saída do sensor, saída um;

(A2) sinal elétrico de saída do sensor, saída dois;

(A3) saída da unidade de controlo eletrónico para alimentação de sensores;

(A4) entrada de alimentação da unidade de controlo eletrónico;

(A5) negativo/massa da alimentação da unidade de controlo eletrónico;

(A6) saídas/entradas para o controlo de um motor elétrico; (A7) saídas/entradas para o controlo de um motor de combustão;

(A8) saída um do sistema de controlo adaptativo para um sensor;

(A9) saída dois do sistema de controlo adaptativo para um sensor;

(A10) sinal do sensor após circuito de adaptação de impedâncias, com ganho unitário;

(All) sinal proporcional, com aplicação de um fator de escala ao sinal do sensor;

(A12) sinal de configuração do sistema de controlo adaptativo de um sensor;

(A13) sinal digital de configuração e leitura de potenciómetro digital;

(A14) sinal de ativação da saída de potenciómetro digital;

(A15) saída analógica de microcontrolador;

(A16) saída analógica de potenciómetro digital;

(A17) sinal digital de configuração e leitura de potenciómetro digital;

(A18) sinal de ativação da saída de potenciómetro digital;

(A19) saída analógica de potenciómetro digital;

(A20) sinal analógico para definir a deriva de zero (offset) da saída do sistema de controlo adaptativo de um sensor;

(A21) sinal de saída de circuito comparador entre tensão de saída e a tensão de entrada do sistema de controlo adaptativo de um sensor;

(A22) sinal de saída de circuito comparador entre tensão de entrada do sistema de controlo adaptativo para um sensor e uma tensão de referência;

(A23) sinal de ativação da saída de potenciómetros digitais;

(A24) saída analógica de potenciómetro digital, após circuito de adaptação de impedância;

(A25) sinal analógico de saída do sistema de controlo adaptativo para um sensor, antes da aplicação de circuito para adaptação de impedâncias;

(A26) sinal analógico proporcional à saída do sensor;

(A27) sinal analógico proporcional à saída do sistema de controlo adaptativo para um sensor;

(Bl) eixo y, das ordenadas, para gráficos de tensão analógica, valor em função da tensão de funcionamento dos sensores;

(B2) eixo x, das abcissas, para gráficos de tensão analógica, escala em função da posição do pedal do acelerador, dos 0% aos 100%;

(B3) exemplo da representação típica da saída de um sensor de posição, com deriva de zero (offset); (B4) segundo exemplo da representação típica da saída de um sensor de posição, com deriva de zero (offset);

(B5) terceiro exemplo da representação típica da saída de um sensor de posição, sem deriva de zero (offset);

(B6) saída do sensor de posição do pedal (B3) com a sensibilidade ajustada para 50%;

(B7) saída do sensor de posição do pedal (B3) com a sensibilidade ajustada para 0%;

(B8) gama de ajuste pretendida para a sensibilidade da saída do pedal (B), entre os 100% e os 0%;

(B9) eixo y, das ordenadas, para a tensão de saída do sistema de controlo adaptativo para um sensor, valor em função da tensão de funcionamento dos sensores;

(B10) eixo x, das abcissas, para a tensão de saída do pedal do acelerador, valor em função da tensão de funcionamento dos sensores;

(Bll) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual à entrada;

(B12) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 50% da entrada;

(B13) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 25% da entrada;

(B14) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 0% da entrada;

(B15) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 50% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero;

(B16) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 25% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero;

(B17) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 0% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero;

(B18) limite superior da função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, utilizado para fins de diagnóstico; (B19) limite inferior da função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor utilizado como banda morta (sem resposta) e para fins de diagnóstico;

(B20) zona superior da tensão de saída, do sistema de controlo adaptativo para um sensor, utilizada para fins de diagnóstico, por parte dos sistemas de controlo eletrónico;

(B21) zona inferior da tensão de saída, do sistema de controlo adaptativo para um sensor, utilizada como banda morta (sem resposta) e para fins de diagnóstico, por parte dos sistemas de controlo eletrónico;

(B22) tensão de saída do sistema de controlo adaptativo que apresenta um valor nulo (0V), quando a tensão de entrada se encontra na zona inferior de banda morta e diagnóstico (B21);

(B23) tensão de saída do sistema de controlo adaptativo que apresenta um valor nulo (0V), quando a tensão de entrada se encontra na zona superior de diagnóstico (B20);

(B24) tensão de saída do sistema de controlo adaptativo que apresenta um valor igual ao da tensão de entrada, quando a tensão de entrada se encontra na zona inferior de banda morta e diagnóstico (B21);

(B25) tensão de saída do sistema de controlo adaptativo que apresenta um valor igual ao da tensão de entrada, quando a tensão de entrada se encontra na zona superior de diagnóstico (B20);

(B26) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 75% da entrada;

(B27) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 50% da entrada;

(B28) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 25% da entrada;

(B29) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 0% entrada;

(B30) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 75% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero;

(B31) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 50% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero; (B32) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 25% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero;

(B33) função de transferência do sistema de controlo adaptativo para um sensor, quando a saída é igual a 0% da entrada e a saída é igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo e diferente de zero;

(B34) tensão de saída do sistema de controlo adaptativo para um sensor que apresenta um valor igual ao da tensão de entrada, quando a tensão de entrada se encontra na zona inferior de banda morta e diagnóstico (B21);

(B35) tensão de saída do sistema de controlo adaptativo para um sensor que apresenta um valor nulo (0V), quando a tensão de entrada se encontra na zona superior de diagnóstico (B20);

(Cl) potenciómetro analógico;

(C2) amplificador operacional de ganho unitário, com elevada impedância de entrada e baixa impedância de saída;

(C3) sistema de comunicação, com e/ou sem fios, para configuração do sistema de controlo adaptativo para um sensor;

(C4) microcontrolador;

(C5) potenciómetro digital;

(C6) circuito amplificador de instrumentação;

(C7) resistência;

(C8) circuito amplificador operacional;

(C9) porta lógica do tipo "E";

(CIO) porta lógica do tipo "OU";

(Cll) transístor do tipo MOSFET.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

As configurações mais gerais e vantajosas da presente invenção foram descritas no Sumário da invenção. Tais configurações são detalhadas abaixo de acordo com outras modalidades vantajosas e / ou preferidas da implementação da presente invenção. De forma vantajosa, o sistema da presente invenção compreende:

• pelo menos dois circuitos eletrónicos configuráveis, que consistem em potenciómetros digitais (CS), circuitos amplificadores de ganho programável, transístores MOSFET de resistência variável ou séries de resistências;

• pelo menos dois circuitos de comparação (C8);

• pelo menos dois elementos de compatibilidade (C2) dispostos em cada entrada e saída configurados para compatibilidade com sensores (resistivos) e unidades de controlo, respetivamente;

• portas lógicas (C9 e CIO);

• transístores (Cll);

• potenciómetros (Cl), e/ou

• resistências (C7).

Num aspecto inventivo do presente sistema, a unidade de processamento (C4) estar configurado para comparar a tensão de saída (A8) e a tensão de entrada (Al) e avaliar o correto funcionamento do circuito de controlo analógico. Num outro aspecto inventivo, a unidade de processamento (C4) está adicionalmente configurado para, após entrada em funcionamento do sistema de controlo adaptativo, só ativar a saída (A8) quando a saída do sensor (Al) apresentar um valor abaixo da gama útil de funcionamento. Preferencialmente, a unidade de processamento (C4) consiste num microcontrolador, um microprocessador, uma FPGA, ou outro dispositivo programável e, preferencialmente, consistir num microcontrolador com entradas analógicas que operam numa escala de entrada de 0V a 5V ou de 0V a 3,3V. De outro modo preferencial, a unidade de processamento (C4) opera com uma tensão de 5V ou 3,3V.

Em ainda outro aspecto inventivo do presente sistema, os referidos circuitos de comparação compreenderem circuitos amplificadores operacionais (C8), circuitos comparadores, circuitos amplificadores diferenciais, circuitos amplificadores de instrumentação e, preferencialmente, consistirem em circuitos amplificadores operacionais (C8) de ganho unitário (Cll), que mais preferencialmente estão configurados para garantir a elevada impedância de entrada do circuito, a baixa impedância de saída do circuito e para efetuar a adaptação de impedâncias no seu circuito interno. Opcionalmente, as referidas resistências (C7) consistem em resistências de ligação à alimentação negativa (pull-down) na entrada (Al) e na saída (A8) para garantir valores nulos (0 V) nas linhas de entrada e saída, em caso de quebra de ligações.

Num outro aspecto vantajoso, o sistema compreender pelo menos dois elementos de controlo adaptativo, cada um dos elementos de controlo adaptativo estando configurado para ser aplicado numa saída de um sensor com duas ou mais saídas.

Preferencialmente, o sistema está configurado para operar com um sensor utilizado de tecnologia resistiva ou de tipo efeito de Hall.

Num outro aspecto inventivo do presente sistema, este compreende uma memória não-volátil e por estar configurado para guardar valores de configuração do nível de adaptação do sensor e o valor mínimo da gama útil do sensor na referida memória não-volátil, sendo que, preferencialmente, a unidade de processamento ou um dos referidos circuitos eletrónicos configuráveis compreendem a memória não volátil.

Numa outra configuração vantajosa, pelo menos um dos referidos circuitos eletrónicos configuráveis está configurado para configurar o valor de referência para ativação do limite superior de diagnóstico.

Preferencialmente, o circuito de interface (C3) com a unidade de processamento compreende uma ligação por fios do tipo LIN, CAN, CAN FD, SPI, I2C, FlexRay, MOST, Ethernet, ou, sem fios, do tipo Bluetooth, XBee, WiFi, GSM ou RF.

Adicionalmente, o sistema da presente invenção poderá compreender condensadores configurados para filtragem e estabilização de tensões nas suas ligações do sistema.

Em ainda outro aspecto inventivo, os referidos dois elementos de compatibilidade (C2) compreenderem amplificadores de ganho unitário (C2), buffers analógicos, circuitos amplificadores diferenciais, circuitos amplificadores de instrumentação, circuitos de isolamento ótico ou circuitos isoladores capacitivos. O dispositivo da presente invenção permite, de um modo universal e independentemente do sistema de controlo eletrónico utilizado, atuar de modo a ajustar, limitar e controlar o funcionamento dos sistemas eletromecânicos. As potencialidades de tal invento são muitas, apresentando-se de seguida algumas possíveis aplicações:

• controlo do nível de potência, binário ou velocidade máxima de um veículo a motor: carro, kart, motociclo, barco ou outro. Deste modo é possível ajustar o seu funcionamento à experiência e técnica do condutor e/ou às condições de utilização;

• implementação de sistemas de controlo e de segurança, que permitam ajustar remotamente o nível de potência, a velocidade ou o estado de funcionamento de um veículo/sistema;

• ajuste automático da velocidade de veículos para aplicações de condução autónoma e de circulação em pelotão/comboio de veículos;

• aplicação automática de sistemas de sinalização ativa e ajuste automático da velocidade máxima de veículos em função da zona de circulação;

• aplicação automática dos limites de velocidade em provas motorizadas, de competição e recreativas, pela aplicação da bandeira amarela e outras, por circulação nas boxes e por aplicação de penalizações, entre outras;

• controlo remoto de sistemas que funcionem com um valor de referência (setpoint) dado por um sensor local. Será possível ajustar remotamente o ponto de funcionamento, para um valor abaixo do valor dado pelo sensor local;

• controlo parental de dispositivos e veículos de recreio. Permitir o limite de variáveis, potência, velocidade e outras, e o desligar remoto, por razões de segurança, dos dispositivos e veículos por parte de um supervisor;

• controlo de veículos em processos de aprendizagem (exemplo: aulas de condução).

Permite limitar o funcionamento dos veículos por segurança e a intervenção do instrutor em situações de risco.

MODOS DE REALIZAÇÃO

São de seguida descritos diversos modos de realização específicos da invenção. A presente invenção diz respeito a um sistema de controlo adaptativo para um sensor (5) que combina a utilização de, pelo menos, um microcontrolador (CA), de, pelo menos, dois circuitos eletrónicos do tipo potenciómetro digital (CS) e outros componentes eletrónicos: amplificadores operacionais (C8), amplificadores de ganho unitário (C2), portas lógicas (C9 e CIO), potenciómetros (Cl), transístores (Cll) e resistências (C7), para a adaptação do sinal de saída de um sensor eletrónico (1), numa escala de entre 0% e 100% do seu valor, na gama útil de utilização do mesmo pela respetiva unidade de controlo eletrónico (2). As figuras 21, 23 e 24 apresentam exemplos da implementação prática da presente invenção.

O microcontrolador recebe, via uma ligação com ou sem fios, a informação relativa à configuração do sistema de controlo adaptativo e procede à respetiva atualização dos potenciómetros digitais, que definem a função de transferência a aplicar ao sinal de saída do sensor. O microcontrolador monitoriza as tensões elétricas de entrada e de saída do sistema de controlo adaptativo e verifica a aplicação da função de transferência pretendida, efetuando assim o autodiagnóstico ao funcionamento do sistema de controlo adaptativo. Adicionalmente, o microcontrolador pode garantir que a saída do sistema de controlo adaptativo só seja ativa (apresentar o valor da função de transferência programada), após a saída do sensor apresentar uma tensão dentro do limite inferior de diagnóstico (B21).

Os potenciómetros digitais são componentes que combinam uma saída analógica, do tipo potenciómetro, com um controlo digital, em que a posição da saída do potenciómetro é definida por um valor digital recebido. A presente invenção utiliza um potenciómetro digital (DigitalPotl) para definir o nível de adaptação da saída do sensor, ou seja, a função de transferência do sistema de controlo adaptativo na gama útil de funcionamento do sensor. Entenda-se por gama útil do sensor, a sua gama de tensão na qual a unidade de controlo eletrónico responde e ajusta o funcionamento do sistema eletromecânico associado ao sensor. Um segundo potenciómetro digital (DigitalPot2) é utilizado para definir o valor mínimo de funcionamento da gama útil do sensor: B33 (valor máximo em que a saída do sistema de controlo adaptativo é igual à tensão de saída do sensor, independentemente da percentagem de adaptação efetuada). Adicionalmente, o sistema de controlo adaptativo pode utilizar outro potenciómetro digital, em substituição de R4 (figuras 21, 23 e 24), para definir o valor de tensão mínimo do limite superior de diagnóstico (B20). Um amplificador operacional (OpAmpl) efetua a comparação entre os sinais de saída e de entrada do sistema de controlo adaptativo e alimenta o terminal positivo do potenciómetro digital, utilizado para definir o valor mínimo da gama útil do sensor. Este amplificador operacional permite que, no limite inferior de diagnóstico (zona abaixo da gama útil do sensor), a saída do sistema de controlo adaptativo seja sempre igual ou inferior à tensão de saída do sensor. É também utilizado um amplificador operacional (OpAmp2) para detetar que a tensão do sensor se encontra no limite superior de diagnóstico (B20), normalmente associado a uma falha elétrica no sensor ou ligações (exemplos: falta de alimentação negativa no sensor ou um curto circuito da sua saída à alimentação positiva) e, por segurança, desativar a tensão de saída do sistema de controlo adaptativo.

Circuitos amplificadores operacionais de ganho unitário são utilizados no sistema de controlo adaptativo proposto para: garantir a elevada impedância de entrada do circuito, garantir a baixa impedância de saída do circuito e efetuar a adaptação de impedâncias no seu circuito interno, de modo a manter tensões elétricas entre componentes resistivos. Resistências de ligação à alimentação negativa (pull-down) foram adicionadas na entrada e na saída do sistema de controlo adaptativo para garantir valores nulos (0V) nas linhas de entrada e saída, em caso de quebra de ligações.

O presente invento diz respeito a um sistema de controlo adaptativo para um sensor (5), a instalar entre as saídas do sensor (1) e as respetivas entradas da unidade de controlo eletrónico (2). A Figura 3 exemplifica a utilização do sistema de controlo adaptativo aplicado ao sensor da posição do pedal do acelerador (1). Ao alterar a sensibilidade da função de transferência do sensor, na sua gama de funcionamento (B8), como se mostra na Figura 4, o sistema de controlo adaptativo para um sensor, permite ajustar, sem necessidade de reprogramação e/ou ajuste da unidade de controlo eletrónico, o funcionamento dos sistemas eletromecânicos utilizados: motor elétrico (3), motor de combustão interna (4) ou outro.

A Figura 5 apresenta um sistema de controlo adaptativo simples, baseado num potenciómetro (Cl). Como se apresenta na Figura 7, este sistema permite uma saída entre 100% e 0% da entrada, em função da afinação do potenciómetro. Contudo, a sua afinação é fixa e não permite que a saída seja igual à entrada para um valor fixo diferente de zero. Na Figura 6 apresenta-se uma versão com a adição de amplificadores de ganho unitário na entrada e na saída do sistema de controlo adaptativo, permitindo, assim, aumentar a impedância de entrada e reduzir a impedância de saída, para uma maior compatibilidade com diferentes tipos de sensores (por exemplo: potenciómetros) e unidades de controlo eletrónico.

Os sistemas de controlo adaptativo para um sensor que se apresentam nas Figuras 8 e 9 recorrem a um microcontrolador (C4) e a um circuito de interface (C3), com ou sem fios, para permitir o ajuste externo, em tempo real, da função de transferência entre a tensão de saída e a tensão de entrada. Em ambos os casos, o microcontrolador adquire a tensão do sensor e apresenta na sua saída uma tensão analógica de acordo com a função de transferência programada. Como diferença, o sistema que se apresenta na Figura 9 recorre a um potenciómetro digital para converter uma saída digital do microcontrolador em uma saída analógica.

Como a função de transferência é realizada no microcontrolador, por código, a saída dos sistemas de controlo adaptativo pode ser ajustada, como se mostra na Figura 10, para apresentar um valor igual à entrada abaixo de um valor fixo diferente de zero. Apesar da sua flexibilidade, como se trata de um sistema com software embebido, apresenta uma latência de atualização superior à dos sistemas analógicos e uma avaria e/ou o bloquear do microcontrolador pode levar a saída do sistema de controlo adaptativo a apresentar valores fixos e acima dos apresentados pelo sensor.

Os sistemas de controlo adaptativo para um sensor que se apresentam nas Figuras 11 e 12, adicionam aos sistemas das Figuras 8 e 9, respetivamente, um circuito amplificador de instrumentação (C6). Ao efetuar a diferença entre a saída do sensor (1) e a saída analógica do microcontrolador (C4)/potenciómetro digital (C5), estes sistemas garantem que a sua saída nunca é superior à saída do sensor. Garante-se, deste modo, uma proteção adicional ao nível da tensão elétrica máxima apresentada na saída do sistema de controlo adaptativo, contudo, o correto funcionamento dos sistemas contínua a ser dependente da correta execução do código do microcontrolador.

As funções de transferência dos sistemas de controlo adaptativo para um sensor que se apresentam nas Figuras 11 e 12, estão de acordo com a Figura 10. Também, uma vez que a função de transferência é totalmente programável, é possível que a saída deixe de ser uma reta. A saída pode apresentar valores nulos (0V), quando a tensão de entrada (de saída do sensor) se encontra nas zonas, superior (B20) e inferior (B21) ou de diagnóstico (Figura 13). Ou, em alternativa, a saída pode apresentar valores iguais à tensão de entrada, quando a tensão de entrada (de saída do sensor) se encontra nas zonas, superior (B20) e inferior (B21), de diagnóstico (Figura 14).

O sistema de controlo adaptativo para um sensor que se apresenta na Figura 15 junta um microcontrolador (C4), um circuito de interface (com ou sem fios) (C3), um potenciómetro digital (C5), circuitos amplificadores de ganho unitário (C2) e resistências (C7). Neste sistema a função de transferência entre a entrada e a saída é efetuada, de modo analógico, no potenciómetro digital. O microcontrolador e o circuito de interface apenas são utilizados para ajustar a posição da saída do potenciómetro digital. O sistema utiliza amplificadores de ganho unitário na sua entrada e saída para uma maior compatibilidade com sensores (resistivos) e unidades de controlo, respetivamente. Foram adicionadas resistências de pull-down na saída e entrada do sistema para garantir valores nulos (0V) nas linhas de entrada e saída, em caso de quebra de ligações. O microcontrolador pode, por intermédio da entrada de controlo "OE" do potenciómetro digital, colocar a saída do sistema de controlo adaptativo a 0V durante as fases de arranque dos sistemas e/ou na alteração de configurações.

O sistema de controlo adaptativo para um sensor da Figura 15 apresenta como grande vantagem o facto de a função de transferência entre a entrada e a saída do sistema ser efetuada analogicamente e de não depender do funcionamento do microcontrolador. Contudo, como mostra a Figura 16, só permite funções de transferência com sensibilidade variável em torno dos 0V. Quando a saída é configurada para percentagens baixas da tensão de entrada, por exemplo 25% (B28), esta apresenta-se em grande parte dentro da zona morta de resposta dos sistemas e/ou do limite inferior de diagnóstico e, consequentemente, na resposta não linear no controlo dos sistemas (motor elétrico, motor de combustão interna ou outro).

O sistema de controlo adaptativo para um sensor que se apresenta na Figura 17 adiciona ao sistema da Figura 15 um potenciómetro digital (C5), um circuito amplificador de ganho unitário (C2) e uma resistência (C7). Com a adição destes componentes é possível que a função de transferência apresente um valor de saída igual à entrada para valores da entrada abaixo de um valor fixo diferente de zero. Como se mostra na Figura 18, tipicamente, o valor fixo em que a saída é igual à entrada, independentemente da configuração da função de transferência, é o valor máximo da gama morta do sensor (sem resposta por parte do sistema de controlo eletrónico). No sistema de controlo adaptativo para sensor da Figura 17, a respetiva saída pode ser colocada a 0V por atuação do microcontrolador nas entradas de ativação da saída (OE) dos potenciómetros digitais utilizados.

O sistema de controlo adaptativo para um sensor que se apresenta na Figura 19 adiciona ao sistema da Figura 17 um circuito amplificador operacional (C8), com a função de comparar a tensão de saída com a tensão de entrada do sistema de controlo. Ao alimentar o potenciómetro digital (DigitalPot2), que define o valor mínimo da saída, com a saída do circuito amplificador operacional, garante-se que a saída do sistema de controlo é sempre menor ou igual à entrada, inclusive na zona de diagnóstico inferior (B21) (Figura 20). O facto da tensão de saída do sistema de controlo adaptativo apresentar valores até 0V, qualquer que seja a função de transferência aplicada, permite, em caso de avaria do sensor (exemplo: falha no circuito de alimentação e tensão de saída muito baixa), a ativação dos sistemas de diagnóstico e de segurança da unidade de controlo eletrónico.

O sistema de controlo adaptativo para um sensor que se apresenta na Figura 21 adiciona ao sistema da Figura 19 um circuito amplificador operacional (C8), com a função de comparar a tensão de entrada com um valor de referência, uma porta lógica "E" (C9) e a ligação das tensões de saída e de entrada do sistema de controlo a entradas analógicas do microcontrolador (CA). Deste modo, é adicionada a funcionalidade de colocar a saída do sistema de controlo adaptativo a 0V, quer pela atuação do microcontrolador, quer, pelo circuito de controlo analógico, sempre que a tensão da entrada (saída do sensor) ultrapassar um valor pré-definido. Como se mostra na Figura 22, esta funcionalidade é importante para detetar um valor elevado na saída do sensor (B18), na zona superior de diagnóstico, e colocar a saída do sistema de controlo adaptativo a 0V (B35), independentemente da função de transferência em aplicada no sistema de controlo adaptativo. De notar que a implementação de funções de transferência abaixo dos 100% e a consequente redução da tensão de saída do sistema de controlo adaptativo, poderá levar a unidade de controlo eletrónico a não detetar que a saída do sensor se encontra na zona de diagnóstico superior, zona esta normalmente associada a um mau funcionamento do sensor (exemplo: quebra da linha de alimentação negativa).

Adicionalmente, como o microcontrolador monitoriza os valores de entrada e de saída do sistema de controlo adaptativo para um sensor, é possível executar rotinas em software que permitam atestar a correta programação/ execução da função de transferência, o correto funcionamento do controlo analógico e as ativações de segurança do sistema de controlo, entre outros, aumentando assim a segurança e a capacidade de autodiagnóstico do sistema de controlo adaptativo para um sensor.

O sistema de controlo adaptativo para um sensor que se apresenta na Figura 23 implementa as mesmas funcionalidades que o sistema da Figura 21, mas utiliza potenciómetros digitais (CS) sem entrada de controlo para colocar o potenciómetro no valor mínimo ("OE"). Em alternativa, o sistema de controlo adaptativo da Figura 23 utiliza uma porta lógica do tipo "OU" (CIO), um transístor MOSFET (Cll), um circuito amplificador de ganho unitário (C2) e resistências (C7) adicionais, para colocar a saída do sistema de controlo adaptativo a 0V, quer pela atuação do microcontrolador, quer pelo circuito de controlo analógico, sempre que a tensão da entrada (saída do sensor) ultrapassar um valor pré-definido na zona superior de diagnóstico.

O sistema de controlo adaptativo para um sensor que se apresenta na Figura 24 implementa as mesmas funcionalidades que os sistemas das Figuras 21 e 23. Relativamente ao sistema apresentado na Figura 23, o sistema apresentado na Figura 24 utiliza dois transístores MOSFET (Cll), em vez de uma porta lógica "OU" (CIO) e um transístor MOSFET (Cll), adquire a tensão de entrada do sistema de controlo (tensão de saída do sensor) via um circuito divisor de tensão e adquire a tensão de saída, também, via um circuito divisor de tensão. A utilização de circuitos divisores de tensão, para aquisição das tensões de entrada de saída, permite a utilização de microcontroladores com tensões de trabalho inferiores (às tensões de saída dos sensores) e ajustar as aquisições às escalas de entrada das entradas analógicas dos mesmos.

Como será evidente a um perito na especialidade, a presente invenção não deverá estar limitada aos modos de realização descritos no presente documento, sendo possíveis diversas alterações que se mantêm no âmbito da presente invenção.

Evidentemente, os modos preferenciais acima apresentados são combináveis, nas diferentes formas possíveis, evitando-se aqui a repetição de todas essas combinações.