BRPI0303319B1 - Sistema de controle de freio para um veículo com rodas - Google Patents
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Abstract
sistema de controle de freio para um veículo com rodas um sistema de controle de freio para um veículo com rodas inclui uma rede pré-difundida programável no campo configurada para executar o algoritmo de subsistemas de controle de freio em um sistema de controle de freio típico para um veículo com rodas. o subsistema de controle de freio tipicamente inclui um controle anti-derrapagem, monitoramento de temperatura do freio, testes embutidos, e, no caso de uma aeronave, governo da roda de nariz. o sistema também inclui sensores de velocidade de roda, monitores de temperatura de freio, válvula de freio e circuitos de controle associados, e monitores de válvula de freio com relação à corrente e tensão da válvula de freio. o emprego de redes pré-difundidas programáveis no campo para configurar um sistema de controle de freio evita a obsolescência e vida abreviada de sistemas de controle previamente subordinados a microprocessadores e semelhantes.
Description
[1] A presente invenção reside na técnica de sistemas de controleeletrônicos e, mais especificamente, em sistemas de controle para freios de aeronaves. Especificamente, a invenção refere-se a um sistema de controle de freios definido por disposições de portas programáveis em campo e circuitos integrados de aplicação específica de tal a oferecer uma implementação em hardware de um algoritmo de controle de freio/anti-derrapagem baseado em software, inclusive frenagem a cabo, frenagem automática, e monitoramento da temperatura dos freios. A invenção é genericamente aplicável a uma ampla gama de sistemas de controle, dos quais os freios de aeronaves são simplesmente um exemplo.
[2] A invenção apresentada em detalhe aqui é exposta com relaçãoa um sistema de frenagem de aeronaves e, mais especificamente à parte de controle anti-derrapagem de um sistema de frenagem dessa natureza. A invenção, todavia, contempla adaptação a uma ampla gama de sistemas de controle nos quais disposições de portas programáveis em campo podem ser empregadas para finalidades que se evidenciarão aqui.
[3] Na técnica anterior de sistemas de controle, e particularmenteaqueles para freios de aeronaves, o sistema de controle era elaborado de conjuntos de circuito compreendendo componentes discretos. Com o transcurso de tempo, os ditos sistemas de controle de freio de aeronaves evoluíram para a implementação de microprocessadores dedicados ou chips eletrônicos, de tal maneira a construção do sistema de controle era basicamente controlada por software e dependente de algoritmo. O mercado para chips eletrônicos em sido substancialmente motivado tendo em vista os consumidores, com reduzida consideração quanto ao suporte segundo o mercado. Conseqüentemente, a vida útil prevista para muitos sistemas eletrônicos é da ordem de cinco anos. Novos componentes de alta densidade e alta velocidade são previstos para ter durações operacionais da ordem de cerca de sete anos. Enquanto isto está ocorrendo componentes “Mil-spec” estão sendo removidos de produção. Porém, os fabricantes de estrutura de avião esperam que a aviônica da aeronave dure e seja suportada para a vida útil da aeronave - freqüentemente da ordem de trinta anos ou mais.
[4] As tendências de mercado atuais exacerbam o problema decomponentes obsoletos. A indústria de aviônica, e outras igualmente, são assim levadas a alterar a maneira pela qual conduzem suas atividades. Embora consideração possa ser dada a aquisições para a vida toda (adquirir e manter uma quantidade adequada de componentes eletrônicos para atender às aeronaves desde o início), uma abordagem deste tipo pode ser tanto dispendiosa como arriscada. De modo similar, reconstruções periódicas para obter a mesma funcionalidade são dispendiosas e consumidoras de tempo. Uma melhor abordagem é adotar uma nova tecnologia que seja flexível e tenha um longo período de disponibilidade projetada.
[5] As disposições de portas programáveis em campo (FPGA),embora não previamente aplicadas a sistemas de controle em geral ou sistemas de frenagem particularmente, comprovaram ser atraentes para se ajustar aos requisitos de aviônica da indústria aeronáutica. É atualmente previsto que os FPGA’s são projetados para serem disponíveis por um longo período de tempo. Mostram-se eficazes em termos de custo, são tanto escalonáveis como flexíveis em aplicação, envolvem um fator de risco de baixo a moderado, e servem para reduzir a dependência sobre microprocessadores que são suscetíveis à obsolescência.
[6] À vista do precedentemente exposto, um primeiro aspecto dainvenção é proporcionar um sistema de controle definido basicamente por disposições de portas programáveis em campo de maneira a evitar a obsolescência e duração abreviada dos ditos sistemas de controle previamente subordinados a microprocessadores e semelhantes.
[7] Outro aspecto da invenção é a apresentação de um sistema decontrole de freios definido por FPGA’s, inclusive todas as suas partes previamente subordinadas à configuração de software ou algoritmo.
[8] Ainda um outro aspecto da invenção é a apresentação de umsistema de controle de freios definido por FPGA’s, no qual todos subsistemas do sistema de controle de freios, tais como direção da roda de nariz antiderrapante, monitoração da temperatura do freio, testes embutidos, e semelhantes são todos implementados através de FPGA’s ou circuitos integrados de aplicação específica (ASIC).
[9] Os precedentes e demais aspectos da invenção que seevidenciarão do decorrer da descrição detalhada são realizados por um sistema de controle de freio para uma aeronave no qual os seus vários subsistemas e componentes, tais como filtros, integradores, amplificadores e semelhantes são todos replicados por FPGA’s que dessa maneira proporcionam uma implementação em hardware que era previamente configurada em software nos sistemas precedentemente conhecidos.
[10] Outros aspectos da invenção são alcançados por um sistema defreios para um veículo sobre rodas compreendendo uma disposição de porta programável no campo configurado para executar um algoritmo de subsistemas de controle de freio tomado do grupo compreendendo controle anti-derrapagem, direção da roda do nariz, monitoração da temperatura do freio, e testes embutidos; uma interface de velocidade da roda interposta entre transdutores de velocidade de roda do dito veículo sobre rodas e disposição de porta programável no campo para apresentar sinais à disposição de porta programável no campo correspondentes à velocidade instantânea da roda e uma interface de temperatura de roda interposta entre freios do veículo e a disposição de porta programável no campo e fornecendo sinais correspondentes à temperatura dos freios.
[11] Para uma completa compreensão dos objetivos, técnicas eestrutura da invenção referência deve ser feita à descrição detalhada e aos desenhos apensos, de acordo com os quais:A fig. 1 é um diagrama em blocos de um sistema de controle de freio construído de acordo com a invenção;A fig. 2 é uma vista esquemática do circuito de simulação anti- derrapagem do sistema de controle da fig. 1;A fig. 3 é um diagrama esquemático da configuração FPGA de um filtro de banda baixa empregado no subsistema da fig. 2; eA fig. 4 é um diagrama esquemático da implementação FPGA de um filtro de banda baixa de segunda ordem empregado na modalidade da fig. 2.
[12] Reportando-se a seguir aos desenhos e mais especificamente àfig. 1, pode ser visto que um sistema de controle de freios construído de acordo com a invenção é designado genericamente pelo numeral 10. Mais uma vez, embora o conceito da invenção seja descrito no contexto de um sistema de controle de freios, será apreciado que o conceito geral é aplicável a uma ampla gama de estruturas de controle.
[13] No âmago do sistema de controle de freios 10 existe umadisposição de porta programável no campo (FPGA) 12, que é de dimensão suficiente para acomodar as funções a serem desempenhadas pelo sistema de controle de freios 10. Uma interface de velocidade de roda 14 é interligada entre os transdutores de velocidade de roda e o FPGA 12 para fornecer sinais de velocidade de roda de uma freqüência correspondente a velocidades de roda instantâneas de uma maneira bem conhecida e entendida por aqueles versados na técnica. De maneira similar, uma interface de temperatura de freio 16 pode ser interligada com um sensor de temperatura apropriado tal como par termelétrico, termistor ou similar, para receber sinais correspondentes à temperatura do freio. A saída da interface de temperatura de freio 16 fornecida a um comparador analógico apropriado 18 que serve como um sistema de monitoração de temperatura de freio, fornecendo saídas ao FPGA 12, conforme mostrado.
[14] Um segundo comparador analógico 20 é interligado com asválvulas de freio anti-derrapagem para monitorar a tensão (voltagem) da válvula e corrente da válvula e proporcionar saídas correspondentes pertinentes às mesmas ao FPGA 12, como mostrado. Um terceiro comparador analógico 22 é mostrado para as ditas outras funções de monitoração conforme possa ser desejado. Aqueles versados na técnica apreciarão que a monitoração de tensões de correntes de válvula, assim como da temperatura do freio é um encargo comum e necessário na maioria dos sistemas de controle de freio, o comparador 22 sendo previsto para o dito monitoramento adicional conforme pode ser desejado.
[15] Um buffer 24 é fornecido para receber sinais externos taiscomo o sinal do peso sobre as rodas ou similar para fornecer as ditas entradas ao FPGA 12 conforme desejado.
[16] Um relógio 26 e um temporizador de alerta 28 são fornecidosem associação com o FPGA 12 para fins de operação sincrônica e temporização.
[17] Uma entrada de memória de programa 30 é interligada comuma porta serial de programa para programação do FPGA 12 para operar de acordo com um algoritmo desejado. A programação do FPGAA é bem conhecida e entendida por aqueles versados na técnica e, uma vez que as funções de transferência apropriadas sejam estabelecidas, pode ser facilmente implementada.
[18] Um conjunto de buffers de saída discretas 32 é previsto paramonitorar questões de controle tal como velocidade de roda como determinada a partir da interface de transdutor 14, ou monitoração adicional de sinais de acionamento de roda e semelhantes provenientes de fontes externas. Os sinais de controle de válvula são saídas de modulação por duração de pulso do FPGA 12 e são fornecidos através de filtros 34, 36 e comandos de válvula 38, 40 às válvulas anti-derrapagem na modalidade ilustrada. As saídas dos comandos de válvula são introduzidas como sinais de tensão e corrente de válvula aplicados ao comparador analógico 20. De maneira similar, a saída modulada por duração de pulso do FPGA 12 é passada através do filtro 42 e para os vários comparadores analógicos 18, 20, 22 para estabelecer o sinal de rampa analógico mencionado para ser empregado pelos comparadores nos seus modos operativos.
[19] Os filtros 44, 46 recebem saídas do FPGA 12 correspondentesaos sinais de velocidade de roda de rodas associadas e passam, aqueles sinais para equipamento periférico conforme desejado. De maneira similar, as saídas das portas seriais do FPGA 12 são passadas para equipamento periférico apropriado tal como equipamento de teste incorporado e semelhantes.
[20] Fundamentalmente, deve ser apreciado que a fig. 1 apresenta aestrutural total de um sistema de controle de freios, com o FPGA 12 servindo para executar o algoritmo dos seus vários subsistemas. Uma subsistema deste tipo é o sistema anti-derrapagem, mostrado na simulação do FPGA na fig. 2 e designado genericamente pelo numeral 50. Como mostrado, os pulsos de sinal de velocidade de roda da interface 14 são aplicados são conversor digital 52 e a seguir assados através de um filtro de banda baixa 54 para isentar de ruído o sinal. Um segundo filtro de entalhe 56 refina adicionalmente o sinal eliminando ou rejeitando freqüências de sinal atribuídas à freqüência de montante natural da roda associada. Um comparador de valor limiar ou circuito de queda 58 recebe o sinal de velocidade de roda filtrado e bloqueia quaisquer ditos sinais indicativos de velocidade de roda abaixo de um determinado valor limiar. Como é bem conhecido daqueles versados na técnica, é geralmente conveniente que a operação anti-derrapagem seja obstada abaixo de um valor limiar de velocidade específico tal como, por exemplo, de 5,13 m/s (16,9 pés/segundo).
[21] Ao operar acima do valor limiar de queda, sinal de velocidadede roda filtrado passa do circuito 58 para um filtro de banda alta 60 que opera como um diferenciador para gerar um sinal correspondente à desaceleração da roda. Aquele sinal é então passado para um segundo filtro de banda alta 62 que, operando como um diferenciador, gera a segunda derivada de velocidade de roda, a mesma sendo um sinal correspondente à velocidade de mudança de desaceleração. Aqueles versados na técnica apreciarão que a saída do segundo filtro de banda alta 62, correspondente à velocidade de mudança de desaceleração, é empregado para antecipar derrapagens pela roda associada. Um circuito limitador 64 responde à saída do filtro de banda alta 62 e limita a sua saída de tal modo que o sistema anti-derrapagem responda somente à iniciação da saída de segunda derivada do circuito 62, de tal modo que a segunda derivada é uma força iniciadora, porém não uma força acionadora na operação anti-derrapagem.
[22] A saída do limitador 64 é passada, juntamente com a saída domodulador 72 para um circuito de adição 66, a sida do qual é a média instantânea do sinal de velocidade de roda. A saída do circuito de adição 66 passa através de um circuito de controle de ganho não-linear 68 e a seguir para o multiplexador 70, a saída do qual passa para o acionador de válvula da válvula anti-derrapagem.
[23] A simulação FPGA anti-derrapagem 50 inclui um detector dederrapagem 74, recebendo o sinal de velocidade de roda filtrado do filtro de entalhe 56. Como será apreciado por aqueles versados na técnica, o detector de derrapagem 74 detecta grandes alterações instantâneas na velocidade da roda, identifica as mesmas, e passa os ditos sinais para o multiplexador 70 para liberação instantânea da pressão do freio, se necessário. A saída do detector de derrapagem 74 é também passada para o modulador 72 para carregar o modulador que, como é conhecido daqueles versados na técnica, é um integrador estabelecendo um sinal de saída, aplicado à válvula anti- derrapagem, correspondente à atividade de derrapagem média da roda associada. Neste particular, a saída do detector de derrapagem 74 é passa através de circuitos de controle de ganho escalonados 76 para o modulador 72. Um temporizador 78 é interposto para retardar qualquer transferência de sinais que possa ser atribuída à reação do montante à atividade de frenagem proveniente do primeiro diferenciador para o modulador 72 imediatamente após o detector de derrapagem ser desativado. Em outras palavras, o temporizador 78 permite um retardo na transferência do sinal suficiente para permitir que reações do montante sejam amortecidas em seguida à recuperação da roda.
[24] A simulação FPGA anti-derrapagem 58 inclui um filtro debanda alta 80, recebendo o sinal de saída de desaceleração do filtro de banda alta 60. Este filtro 80 serve para passar todos os sinais exceto aqueles que tem um valor relativamente constante. A saída do filtro 80 é passada do filtro de banda baixa de segunda ordem 80a para um retificador 82 de tal maneira que a sua saída é um sinal retificador (valor absoluto) correspondente a variações em desaceleração da velocidade da roda. Os pulsos do sinal retificado são passados para um detector de pico 84 no qual pares de dados seqüenciais são comparados, e o valor máximo mantido. A saída do detector de pico 84 é passada para o somador 86 e deste para o modulador 72. Assim, será apreciado que o circuito anti-derrapagem 58 recebe uma multiplicidade de sinais correspondentes à atividade de derrapagem da roda de aeronave associada. Um sinal liga/desliga é recebido do detector de derrapagem 74, um sinal integrado ou médio é recebido do modulador 72 e um sinal antecipatório ou derivado é recebido dos diferenciadores 60, 62.
[25] Consentaneamente com o conceito da presente invenção, oalgoritmo de controle anti-derrapagem 58 da fig. 2 é reduzido à implementação da disposição de porta programável no campo pelo emprego de funções de transferência apropriadas que devem ser percebidas por aqueles versados na técnica da tecnologia do FPGA. Com referência à fig. 3, pode ser visto que o filtro de banda baixa 54 pode ser definido por simulação pelo FPGA da maneira representada na fig. 3. O filtro de banda baixa 54 inclui um multiplicador ou amplificador 90 interligado com um circuito de adição 92, a saída do qual é realimentada através de um amplificador 94 a um circuito de subtração 96, a saída do qual passa através de um circuito de retardo de período de amostra 98 e é a seguir alimentado ao circuito de adição 92. Aqueles versados na técnica apreciarão que a fig. 3 apresenta o conjunto de bloco para o filtro de banda baixa, que permite ao FPGA 12 ser corretamente roteado para desempenhar a função do filtro de banda baixa.
[26] O conjunto de bloco 70 para o filtro de banda baixa desegunda ordem 80a da fig. 2 é mostrado na fig. 4. A entrada passa para um multiplicador ou amplificador 100 que passa para um circuito somador ou de adição 102, a saída do qual passa para um circuito de subtração 104 que inclui um circuito de realimentação de retardos de amostra 106, 108 e multiplicador ou amplificador 110. Um segundo circuito de realimentação interliga a saída do subtrator 104 e do somador 102 através do retardo de amostra 106 e amplificador ou multiplicador 112. Mais uma vez, aqueles versados na técnica apreciarão que a implementação de funções de escalonamento e transferência apropriadas permite ao FPGA 12 ser corretamente roteado para desempenhar as funções expostas na fig. 4 para realizar a configuração de filtro de banda baixa de segunda ordem.
[27] Cada uma das várias funções da simulação anti-derrapagem dafig. 2 pode ser reduzida a um conjunto de bloco com funções de escalonamento e transferência apropriadas para permitir o roteamento apropriado do FPGA 12 para desempenhar as funções associadas. Conseqüentemente, a totalidade da função anti-derrapagem da fig. 2 pode ser incorporada à estrutura do FPGA 12. De maneira idêntica, outros subsistemas do sistema de controle de freio 10 podem ser igualmente reduzidos a uma implementação de FPGA, tais como direção da roda de nariz, frenagem automática, monitoramento da temperatura do freio, e semelhantes.
[28] Pode ser visto assim que os objetivos da invenção foramsatisfeitos pela estrutura apresenta e descrita acima. Os algoritmos do sistema de controle de freio podem ser reduzidos às funções de escalonamento e transferência desejadas necessárias para implementar um roteamento do FPGA para desempenhar a função necessária, desse modo aliviando a necessidade por componentes discretos ou chips eletrônicos propensos a obsolescência.
Claims (7)
1. Sistema de controle de freio (10) para um veículo com rodas, caracterizadopelo fato de que compreende:uma disposição de porta programável no campo (12) configurada para executar um algoritmo de subsistemas de controle de freio tomados do grupo incluindo controle anti-derrapagem, direção da roda de nariz, monitoramento da temperatura do freio, e testes;uma interface de velocidade de roda (14) interposta entre os transdutores de velocidade de roda do veículo com rodas e a disposição de porta programável no campo para apresentar sinais à disposição de porta programável no campo correspondentes à velocidade instantânea de roda; euma interface de temperatura de freio interposta entre os freios do veículo e a disposição de porta programável no campo e fornecendo sinais correspondentes à temperatura dos freios.
2. Sistema de controle de freio de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende ainda um comparador (20) interposto entre as válvulas de freio anti-derrapagem e a disposição de porta programável no campo (12), o comparador (20) fornecendo sinais à disposição de porta programável no campo (12) correspondentes à corrente e tensão da válvula de freio anti-derrapagem.
3. Sistema de controle de freio de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que a disposição de porta programável no campo (12) fornece sinais de controle de freio às válvulas anti-derrapagem.
4. Sistema de controle de freio de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o subsistema de controle anti-derrapagem compreende:um conversor de freqüência em digital (52) recebendo sinais de velocidade de roda e passado os sinais de velocidade de roda através de filtros de banda baixa (54) e de entalhe (56), gerando sinais de velocidade de roda filtrados;um primeiro (60) e um segundo (62) diferenciadores interligados recebendo os sinais de velocidade de roda filtrados, gerando primeira e segunda derivadas de velocidade de roda.
5. Sistema de controle de freio de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle anti-derrapagem ainda compreende um limitador (64) conectado com os primeiro e segundo diferenciadores interligados (60, 62) para limitar o sinal correspondente à segunda derivada de velocidade de roda.
6. Sistema de controle de freio de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle anti-derrapagem ainda compreende um modulador (72) operativamente conectado com um acionador de válvula anti-derrapagem e fornecendo ao mesmo um sinal de velocidade de roda média instantâneo.
7. Sistema de controle de freio de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle anti-derrapagem ainda compreende um detector de derrapagem (74) passando sinais de saída correspondentes às grandes variações instantâneas na velocidade de roda para o acionador de válvula de controle de freio anti-derrapagem e o modulador (72).
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