Automóveis Inteligentes (ART3209)

Os automóveis evoluíram tremendamente nos últimos anos com a utilização em maior escala dos circuitos eletrônicos no controle das principais funções mecânicas. A Eletrônica Embarcada, como é chamado o setor desta ciência que cuida dos circuitos utilizados em veículos, faz uso cada vez em maior quantidade de microcontroladores e microcontroladores e isso vem trazendo ao técnico comum e ao eletricista de automóveis a necessidade de assimilar uma nova modalidade de conhecimento a qual não está habituado. Neste artigo daremos uma visão geral de como os microcontroladores são usados nos automóveis e o que o técnico precisa saber para trabalhar com tais circuitos.

Este artigo é de 1998, mostrando a tendência de a eletrônica estar presente cada vez mais em todos os tipos de veículos, o que hoje é uma realidade.

 

Os microcontroladores são circuitos integrados que contêm num único chip as funções básicas para a elaboração de um computador. A arquitetura básica de um microcomputador é mostrada na figura 1.

 

Arquitetura básica de um microprocessador
Arquitetura básica de um microprocessador

 

 

Por esta figura vemos que o circuito de um microcontrolador realiza funções que podem ser programadas externamente em função de dados entregues a qualquer momento ao circuito, fornecendo resultados que podem ser usados para acionar dispositivos os mais diversos, tanto de controle como de indicação.

Isso significa que um microcontrolador se adapta perfeitamente ao controle dos diversos dispositivos mecânicos e elétricos que formam um automóvel a partir de dados fornecidos por sensores ou comandos enviados pelo motorista.

A possibilidade de construir microcontroladores extremamente complexos com programação previamente estabelecida de fábrica a um custo bastante baixo e um grau de confiabilidade muito grande torna este tipo de dispositivo ideal para o uso em automóveis.

 

AS APLICAÇÓES DOS MICROCONTROLADORES NO AUTOMÓVEL

Os microcontroladores podem ser usados num carro numa central de controle que gerencie todo seu funcionamento como em funções especificas.

Dentre as funções específicas podemos citar os freios antibloqueio (ABS), sistemas de alarmes, sistemas de posicionamento automático dos bancos, temperatura interna, .etc.

Na figura 2 temos o diagrama de blocos de um microcontrolador de uso automotivo que pode ser usado com as mais diversas finalidades.

 

Arquitetura de um microprocessador para uso automotivo.
Arquitetura de um microprocessador para uso automotivo.

 

Observe que o circuito tem um bloco de memória ROM onde pode ser estabelecido o programa básico de acordo com a função do circuito. A memória RAM (de gravação e leitura) serve para armazenar dados obtidos pelos sensores durante o funcionamento do veículo.

Estes dados modificam-se constantemente, mas em determinadas funções, a tomada de decisões em função de um dado momentâneo pode exigir o conhecimento de um dado anterior armazenado nesta memória.

 

O CONTROLE DE UM MOTOR COM O USO DE UM MICROCONTROLADOR

O movimento de um veículo depende fundamentalmente do motor. O controle do motor é, portanto, o ponto principal a ser focalizado quando pretendemos implementar o uso de um microcontrolador neste tipo de aplicação.

Na figura 3 mostramos o conceito básico do uso do microcontrolador no controle eletrônico de um motor.

 

Sistema de controle eletrônico de um motor
Sistema de controle eletrônico de um motor

 

 

Um conjunto de sensores fornece as variáveis de controle para o circuito, que deve tomar as decisões em função de uma programação prévia.

Quem recebe estas informações é a unidade eletrônica de controle, que tem por base um microcontrolador.

O processamento das variáveis de controle determina as saídas para os diversos dispositivos que devem ser acionados para obter o comportamento desejado do motor.

Um exemplo de como um controle eletrônico pode ser usado num veículo é dado pelo diagrama da figura 4 onde temos os sinais de entrada.

 

Variáveis e sensores usados no controle de um motor.
Variáveis e sensores usados no controle de um motor.

 

 

A mistura ar + combustível deve ser dosada de acordo com as necessidades do motor (rotação, potência, temperatura, etc.).

Assim, o primeiro elemento analisado é o dosificador de combustível que fornece como dado de entrada a posição da válvula borboleta do sistema' de entrada juntamente com a posição do acelerador que é dado pelo motorista.

Outra informação que também entra e a referente à pressão absoluta no sistema múltiplo de admissão.

Um chip de silício que se deforma com a pressão mudando sua condução, é o sensor de pressão que envia os sinais para o controle eletrônico.

O bloco seguinte é o próprio motor que deve ser controlado e isso é feito com a realimentação dos sinais, conforme veremos mais adiante. Este bloco tem sensores que enviam diversas informações importantes para o bloco de controle.

A primeira delas é a temperatura do motor, que é obtida por um sensor em contato com o próprio líquido de arrefecimento.

Outra informação obtida deste bloco, importante para seu controle, é a rotação. Sensores de efeito Hall ou mesmo ligados ao sistema elétrico de distribuição podem ser usados para esta finalidade.

Outra informação muito importante nos veículos modernos que reciclam a mistura não queimada através da válvula de recirculação do gás de escapamento é a fornecida pelo sensor desta válvula.

Finalmente, temos como informação final para o controle do motor a quantidade de oxigênio ainda existente na mistura dos gases de escape. Um sensor apropriado e usado para detectar este conteúdo, pois ele determinará a recirculação e o próprio rendimento do motor.

Os dados fornecidos pelos sensores são processados, resultando num certo número de sinais de controle mostrados na figura 5.

 

Sinais de controle emitidos pelo circuito de processamento.
Sinais de controle emitidos pelo circuito de processamento.

 

 

O primeiro sinal de controle analisado é o que atua sobre a válvula borboleta do dosificador de combustível.

Este controle permite encontrar a dosagem exata de combustível que o motor necessita para funcionar nas condições detectadas pelos sensores e exigidas pelo usuário em determinado momento.

Em suma, ele vai injetar combustível suficiente para que o motor tenha o máximo rendimento nas condições exigidas naquele momento. Outro controle importante é sobre a ignição, determinando a intensidade da faísca que a vela deve produzir, ao mesmo tempo temos a sincronização que determina o instante exato em que essa faísca deve ser produzida.

Sabemos que um dos problemas dos veículos sem estes recursos é que temos uma intensidade de faísca que depende do tempo de abertura e fechamento dos platinados. O resultado é que nas altas rotações a energia da faísca diminui e o rendimento do motor cai, veja a figura 6.

 

Rendimento comparado da ignição eletrônica.
Rendimento comparado da ignição eletrônica.

 

 

Com a possibilidade de ajustar a intensidade e a duração da faísca à rotação do motor, temos uma melhor queima de combustível em alta velocidade, manutenção da potência e menor gasto de combustível. Esta é uma das grandes vantagens do controle eletrônico sobre o sistema de ignição feito por um microcontrolador.

Outro sinal importante que obtemos para o controle do motor é o que vai para a válvula que circula o gás de escape.

Esta válvula, pelo teor de oxigênio na saída, determina quanto de gás pode ser reciclado e queimado novamente, obtendo-se com isso melhor aproveitamento do combustível.

 

ANÁLISE DAS VARIÁVEIS

Se bem que o microcontrolador usado seja digital, as variáveis assumem uma infinidade de valores entre dois limites numa determinada escala, ou seja, são analógicas.

Isso significa que a conversão destas variáveis para a forma digital, por meio de um conversor analógico digital deve levar em conta a quantidade de variáveis a ser usada no processamento, figura 7.

 

Um conversor A/D (Analógico/digital) converte as variaveis dos sensores para a forma digital.
Um conversor A/D (Analógico/digital) converte as variaveis dos sensores para a forma digital.

 

 

Assim, se dois sensores fornecerem digitalmente 256 valores possíveis para uma variável após a digitalização, isso significa que combinados teremos 256 x 256 = 65 536 combinações possíveis de dados que devem ser levadas em conta no processamento.

Na prática são feitos mapas com regiões determinadas de funcionamento para as variáveis combinadas, reduzindo-se assim a quantidade de valores separados das variáveis que devem ser considerados.

Assim, podem ser elaborados programas relativamente simples em função da combinação de todos os dados possíveis, levando a resultados satisfatórios de funcionamento.

Por exemplo, a posição X da válvula borboleta não é determinada apenas quando a mistura estiver na proporção Y, mas sim numa faixa determinada entre Y1 e Y2. Da mesma forma, para a posição Y da válvula, a mistura deve estar entre Y2 e Y3, figura 8.

 

A conversão para a forma digital pode levar em conta faixas de valores de entrada.
A conversão para a forma digital pode levar em conta faixas de valores de entrada.

 

 

Este raciocínio é válido para todas as variáveis de modo a resultar numa simplificação que leve o motor a um comportamento o mais próximo do ideal em termos de desempenho e consumo de combustível.

 

SENSORES E ATUADORES

A utilização de microcontroladores para o controle de um motor exige a utilização de certo número de sensores especiais e de atuadores.

A Eletrônica Embarcada se baseou em muitos casos na Eletrônica usada nas viagens espaciais, onde os motores dos foguetes devem ser controlados de uma forma muito mais precisa.

É claro que muitas vezes, as soluções encontradas pela tecnologia espacial, por serem muito complexas ou caras, não puderam ser adotadas pela indústria automobilística mas, sem dúvida, inspiraram a criação de dispositivos semelhantes de custo muito mais baixo.

Hoje contamos com uma série de dispositivos sensores e de atuação baseados nas mais diversas tecnologias que os mecânicos de automóveis e eletricistas devem conhecer.

As chamadas “cebolinhas”, os relés e outros dispositivos que eram comuns nos carros antigos cedem seus lugares a transdutores semicondutores de pressão, sondas lambda, sensores de efeito Hall e muitos outros.

 

OS MICROCONTROLADORES DOS CARROS

Os microcontroladores usados nos carros são semelhantes a qualquer outro tipo de microcontrolador como, por exemplo, os encontrados em computadores.

São dispositivos semicondutores em invólucros herméticos montados em placas de circuito impresso, que por sua vez, ficam em centrais herméticas, já que tanto a umidade como o calor podem facilmente afetá-los, observe afigura 9.

 

Um microprocessador está na forma de um circuito integrado e contém milhares de transistores numa diminuta pastilha de silício.
Um microprocessador está na forma de um circuito integrado e contém milhares de transistores numa diminuta pastilha de silício.

 

Mexer nestes componentes não é algo que o técnico comum possa fazer. Nas suas entradas e saídas encontramos sinais que podem ser detectados com instrumentos especiais.

As oficinas especializadas que trabalham com veículos dotados destes microcontroladores de controle podem interfaceá-los com outros circuitos de modo a fazer a leitura dos dados que entram e saem e assim diagnosticar os defeitos, conforme sugere a figura 10.

 

O diagnóstico de problemas pode ser facilmente por meio de computador.
O diagnóstico de problemas pode ser facilmente por meio de computador.

 

 

Assim, uma central de diagnóstico de motores moderna consta de um computador que pode interagir por meio de uma interface de leitura e mesmo de envio de dados com o microcontrolador específico de determinada marca de carro ou modelo, de modo a testá-lo enviando todas as variáveis possíveis e lendo os resultados ou dados enviados pelos sensores.

Comparando esses dados com os que devem ocorrer na condição determinada, a central pode dizer se o problema é dos sensores, do microcontrolador ou mesmo dos atuadores.

A possibilidade de um mecânico comum ter um sistema de análise como o indicado o que dificulta bastante a análise dos sinais.

No entanto, existem testes simples que podem permitir a verificação dos sensores e dos atuadores, desde que se conheça o seu princípio de funcionamento, mas.isso é assunto para um outro artigo.

 

Artigo publicado originalmente no formato impresso em 1998, reeditado em 2017.

 


Verdade
Platão é meu amigo, mas a verdade é mais minha amiga. (Amicus Plato, sed magis amica beritas.)
Atribuído a Aristóteles (384 - 322 a.C.) - Ver mais frases

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