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Simulation of Control Functions

Simulação de Funções de Controle

Wagner de Camargo Orlof

Marco Antônio Iskandar

Ricardo Andrade Ranal

Robson Alves Nascimento MWM International Motores ltda.

ABSTRACT

With the growing demand for new control functions for electronic fuel injection systems, it is needed often changes in the software base of that systems, that expends long time for developing and high costs until the function be validated and approved. The reason for this is the fact of the software and hardware developing in the most of the suppliers of fuel injection systems are made in the developing centers spread in the world. Taking in count of this premise, and know how are the software developing basic phases:

Requirements description

Modeling

Simulation

Prototyping

Functional tests

Coding

Modules implementation

Homologation tests

Final release

The objective of this paper is to present a low cost proposal for a simulating and prototyping of control software functions for electronic fuel injection systems, based in a programmable external controller with FPGA (Field Programmable Gate Array ) technology [2, chap 12] to implementing of prototype functions modeled, and only

after the model reaches a good maturity level, it would be send to supplier to do the final development, then reducing the cost once the initial development would be made at the place where has generated demand for the software function.

RESUMO

Com a crescente demanda por novas funções de

controle nos sistemas de injeção eletrônica de combustível,

são requeridas freqüentes alterações no software base

desses sistemas, que tem longos prazos e elevados custos de desenvolvimento até que a função esteja validada e aprovada. Isso se deve ao fato de que o desenvolvimento de hardware e software, na maioria das empresas fornecedoras de sistemas de injeção, é realizado nos centros de desenvolvimento espalhados pelo mundo. Levando em conta tal premissa, e sabendo que o desenvolvimento de software possui, pelo menos, as seguintes etapas:

Descrição dos requisitos

Modelagem

Simulação

Prototipagem

Testes funcionais

Codificação

Implementação em módulos

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Testes de homologação

Liberação final

O objetivo desse trabalho é abordar o tema de maneira

a apresentar uma proposta de baixo custo para simulação e prototipagem de funções de software para sistemas de

injeção eletrônica de combustível, baseado em um controlador programável externo com tecnologia FPGA (Field Programable Gate Array) [2, CAP 12] para implementação dos protótipos das funções. E somente após

o modelo da função ter alcançado um nível de maturidade

satisfatório seria então encaminhado para sua finalização nos centros de desenvolvimento, diminuindo os custos totais de projeto já que a parte inicial do desenvolvimento

seria realizada no local de origem da demanda.

INTRODUÇÃO

Os fornecedores de sistemas de injeção eletrônica de

combustível possuem toda estrutura necessária para desenvolver as funções de software e circuitos específicos

de hardware, porém esses recursos estão espalhados ao

redor do mundo, o que dificulta o acesso a eles. Quando um cliente solicita algum desenvolvimento em software ou hardware os custos são elevados e o prazo geralmente é

muito longo, o que muitas vezes inviabiliza o desenvolvimento do projeto na sua melhor forma. Esse é o paradigma da engenharia versus custos e prazos. O que acaba sendo implementado, na prática, é um software com as funcionalidades reduzidas ou são utilizados blocos prontos (black boxes) já desenvolvidos previamente para

outras aplicações, onde nem sempre todas as funções serão

utilizadas.

Cada vez mais o desenvolvimento de funções de

software é considerado uma questão estratégica pelas

montadoras e fabricantes de motores de combustão, pois

aqueles que tiverem a capacidade de desenvolver e testar protótipos de funções específicos para sua necessidade

terão uma vantagem competitiva no mercado. Se fosse possível realizar as etapas iniciais do desenvolvimento das

funções (Descrição dos Requisitos, Modelagem, Simulação,

Prototipagem e Testes Funcionais) na própria montadora ou

no fabricante de motores, possivelmente, haveria uma redução significativa nos custos totais juntamente com a propriedade intelectual da função específica ou do algoritmo. Como seria possível realizar tal desenvolvimento

em uma montadora ou fabricante de motores?

A descrição de requisitos e a modelagem de funções

de software realizadas utilizando as técnicas da engenharia

de software [1] através de abordagens de modelos

estruturados ou orientados a objetos, são essenciais. Porém,

sendo considerados pré-requisitos, não fazem parte desse

estudo.

A simulação, a prototipagem de funções e os testes funcionais dependem de softwares aplicativos e hardware para implantação. Para realizar essas etapas existem basicamente duas opções no mercado:

1) Utilizar o mesmo software e hardware do fornecedor de sistemas de injeção para desenvolver a

simulação e os protótipos de funções. É uma alternativa

excelente do ponto de vista técnico, pois possui integração

total com a plataforma de hardware e software originais. Suas desvantagens são o elevado custo (centenas de milhares de dólares) e a dificuldade de treinamento de

pessoal (aplicativos altamente complexos).

2) Utilizar um controlador externo e uma plataforma de software aberta para realizar as simulações e testes com

as funções protótipos. As maiores vantagens são o baixo

custo (poucos milhares de dólares) e a facilidade de implementação de modelos em plataforma aberta. A desvantagem é a necessidade de utilizar um controlador

externo, não sendo possível implementar as funções no

módulo controlador do motor.

Esse trabalho irá abordar a segunda alternativa: utilizar um controlador externo e uma plataforma de software aberta. Com essa configuração é possível construir

um sistema de baixo custo e fácil implementação, o que

sempre é interessante do ponto de vista financeiro,

viabilizando assim, sua aplicação.

DESCRIÇÃO

O sistema de simulação e prototipagem de funções de

software proposto nesse artigo, é baseado na plataforma de

software de desenvolvimento LabVIEW [4] e no controlador externo CompactRIO [3], ambos da National Instruments.

O software de desenvolvimento consiste em um ambiente gráfico [4], com várias ferramentas para sistemas de medição, análise e controle, com uma linguagem de

programação através de símbolos e blocos funcionais gráficos. Possui plataforma aberta, o que facilita a sua �interface� com outros sistemas e equipamentos e suporta múltiplos protocolos de comunicação.

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Figura 1. Exemplo de um controlador PID implementado no ambiente de desenvolvimento.

O controlador [3] externo é robusto e reconfigurável. Possui um processador local para obter performance ultra rápida podendo processar funções de controle em tempo

real. Baseado em dispositivos FPGA, que são dispositivos

programáveis formados por células com milhares de portas lógicas configuráveis utilizadas de acordo com a necessidade da aplicação, possui também módulos de I/O

que são instalados de acordo com a aplicação, inclusive

com I/O para barramento CAN.

Figura 2. Detalhe construtivo do controlador externo.

O sistema utilizado para simulação e teste das funções

protótipos, consiste na função implementada na plataforma

do software de desenvolvimento e no controlador externo.

A função desenvolvida é carregada no controlador externo que processa os algoritmos e realiza as funções de controle.

A flexibilidade é total, sendo possível implementar

controladores digitais de malha aberta ou fechada, com atuação direta de dispositivos via saída PWM ou analógica. Também é possível realizar a conexão direta com sensores

analógicos ou digitais. O conjunto funciona como um �by-pass� trazendo para fora do controlador original os

parâmetros necessários para o processamento no

controlador externo, ou seja, independente do sistema de injeção eletrônica. A comunicação é feita via barramento CAN ou conexão direta com sensores e atuadores.

A simulação pode ser realizada em computador,

através de estímulos padrões ou através de algum modelo

específico previamente modelado no software de

desenvolvimento.

Figura 3. Algoritmo de controle implementado no controlador externo.

APLICAÇÃO

Nas montadoras e nos fabricantes de motores há

sempre necessidade de desenvolvimento e testes de novas funções de software de controle de algum dispositivo, bem como os algoritmos de diagnose do sistema.

O tipo de situação mais comum de se encontrar é a

impossibilidade de se ter acesso aos desenvolvedores do software que, geralmente, estão alocados em outros continentes. Por isso, faz-se necessário diversas reuniões

com os representantes locais para descrição do software que

serão posteriormente encaminhados para os especialistas.

Quando a informação chega ao programador ela pode

conter erros que resultam em �bugs� no software que só

serão descobertos, muitas vezes, na hora do teste no dinamômetro ou no veículo. Esse tipo de problema obriga a

repetição da parte final do ciclo de desenvolvimento,

gerando várias versões de software até se corrigir todos os �bugs�, acarretando atrasos e aumento dos custos.

Grande parte desses problemas podem ser evitados, com a utilização prática da simulação e testes dentro da

própria montadora ou fabricante de motores, pois o

algoritmo somente seria entregue para codificação depois

de ter atingido um nível de maturidade sem �bugs� e,

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conseqüentemente, haveria uma sensível diminuição no número de liberações de software com erros.

ESTUDO DE CASO

Apresentação de um caso prático onde foi necessário

desenvolver uma função de controle protótipo para a válvula EGR de um motor de combustão, pois a função

existente no módulo de injeção eletrônica não era capaz de

controlar uma válvula não �smart�. A função de controle foi

então desenvolvida e implementada no controlador externo, baseada na descrição dos requisitos segundo a engenharia

de combustão, sendo necessário também construir um

�drive� de potência na configuração de ponte H com

�transistores Darlington� de alto ganho para o acionamento

do motor elétrico da válvula.

Figura 4. Diagrama de ligação controlador EGR.

A função de controle foi escrita no software de desenvolvimento através de blocos de programação e tabelas para geração do �set-point� da válvula EGR. O controle de posição da válvula foi implementado através de

um bloco controlador PID gerado no mesmo software.

CONCLUSÃO

A utilização de um controlador externo em conjunto com um software aberto para testar as funções modeladas é

bastante viável. Durante as fases de desenvolvimento do sistema de combustão e aplicação em veículo, propiciou-se resultados consideráveis em curto prazo e com baixo custo, tanto na pesquisa quanto no dêsenvolvimento.

REFERÊNCIAS

1) ENGENHARIA DE SOFTWARE � ROGER S. PRESSMAN � ISBN 85 346 0237 9, Pearson Makron Books, 1995.

2) SISTEMAS DIGITAIS PRINCÍPIOS E

APLICAÇÕES � RONALD J. TOCCI � NEAL S. WIDMER � ISBN 85 216 1179 X.

3) TUT_2856_COMPACTRIO.PDF � http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/2856 � ACESSADO EM 22/12/2006.

4) LabVIEW fundamentals Manual � http://www.ni.com/pdf/manuals/374029a.pdf � ACESSADO EM 18/01/2007.

+ VCC

sensorpos. real

MAFRPMdo sistemade injeção