Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA

Engenharia Eletrônica

Automação de uma Bancada para Ensaios eTestes De Frenagem

Autor: João Victor Avancini GuimarãesOrientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Brasília, DF2016

João Victor Avancini Guimarães

Automação de uma Bancada para Ensaios e Testes DeFrenagem

Monografia submetida ao curso de graduaçãoem (Engenharia Eletrônica) da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em (EngenhariaEletrônica).

Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Brasília, DF2016

João Victor Avancini GuimarãesAutomação de uma Bancada para Ensaios e Testes De Frenagem/ João Victor

Avancini Guimarães. – Brasília, DF, 2016-61 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA , 2016.1. Palavra-chave01. 2. Palavra-chave02. I. Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva

Teixeira. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. Automaçãode uma Bancada para Ensaios e Testes De Frenagem

CDU 02:141:005.6

João Victor Avancini Guimarães

Automação de uma Bancada para Ensaios e Testes DeFrenagem

Monografia submetida ao curso de graduaçãoem (Engenharia Eletrônica) da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em (EngenhariaEletrônica).

Trabalho aprovado. Brasília, DF, 20 de novembro de 2016:

Prof. Dr. Evandro Leonardo SilvaTeixeira

Orientador

Prof. Dr. Wellington Avelino doAmaral

Convidado 1

Prof. Dr. Marcelino Monteiro deAndrade

Convidado 2

Brasília, DF2016

Este trabalho é dedicado à todos os alunos do curso de gradução em EngenhariaEletrônica da Universidade de Brasília.

Agradecimentos

Em primeiro lugar agradeço a meus pais Rita de Cássia e Carlos e aos meus irmãosFrederico, Pedro e Ana por todo esforço, dedicação e apoio ao longo dos anos.

Aos meus tios Maria Aparecida e Luís Henrique pelo acolhimento e suporte duranteminha graduação.

Ao meu orientador Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira por sua paciência,apoio e ensinamentos dados ao longo da minha permanência na Universidade de Brasília.

Aos meus amigos Mairon, Phelippe e Joel pelo companheirismo ao longo do curso.

Aos professores Julia Peterle, Casé Marques, Patrícia Lovatti, Aline Demuner,Graciela Ramos, Genildo Ronchi, Carmen Santos, Ricardo Fragelli, Adson Rocha, EneidaValdes, Renato Lopes, Gerardo Pizo, Cristiano Miosso, Gilmar Beserra, André Penna,Fabiano Soarez, Gustavo Cueva, Richard Pearl, Josh Reynolds, Eleanor Baldwin, SteveHegarty, Wellington Amaral, Marcelino Andrade, Sebastién Rondineau e demais profes-sores que tive o privilégio de conhecer ao longo dos anos.

"Ciência, meu jovem, é feita de erros, mas esses são erros que são úteis de serem feitos,porque levam pouco a pouco a verdade"

— Júlio Verne

ResumoEsse trabalho tem como objetivo realizar a automação de uma bancada para ensaios etestes de frenagem. Já existem normas consolidadas para ensaios de frenagem, esse projetode pesquisa está focado no que diz respeito a SAE J2522 que aborda sobre ensaios defrenagem em veículos de passeio. O foco maior do projeto está em garantir uma soluçãoresiliente para a bancada afim de tornar possível a aquisição de todas as informaçõesfísicas relevantes assim como automatizar a execução do ensaio.

Palavras-chaves: Instrumentação Eletrônica. Ensaio de Frenagem. Simulação de Siste-mas Automotivos.

AbstractThis paper aims to design the automation of a testbench for brake tests. There are alreadyconsolidated standards rules for brake system testing, this research project is focused withrespect to SAE J2522 regulation that addresses on brakes tests on passenger vehicles. Themajor focus of the project is to ensure a resilient solution for the testbench in order tomake possible the acquisition of all relevant physical information and to automate thetests.

Key-words: Electronic Instrumentation. Brake Test. Automotive Systems Simulation.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Tensão de saída de Termopares (DESCONHECIDO, 2016b) . . . . . . 33Figura 2 – Medição Termopar (ECIL, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 3 – Distensão (INSTRUMENTS, 2016a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 4 – Ponte de Wheatstone (INSTRUMENTS, 2016b) . . . . . . . . . . . . . 35Figura 5 – Crankshaft Position Sensor (REMAN, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 6 – Sinal Sensor Magnético (DESCONHECIDO, 2016c) . . . . . . . . . . . 36Figura 7 – Acelerômetro Piezoelétrico (UK, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 8 – Esquemático Relê (TESCHLER, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 9 – ATmega238p (COORPORATION, 2011) . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 10 – Modelo Projeto de Sensoriamento e Atuação . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 11 – Esquema elétrico AD595 (DEVICES, 1997) . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 12 – Circuito Condicionador Termopar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 13 – Amplificador Diferencial por Junta Comum (DESCONHECIDO, 2016e) 49Figura 14 – Esquemático INA125 (INSTRUMENTS, 1998) . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 15 – Circuito Condicionador para Célula de Carga . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 16 – Circuito Condicionador Sinal Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 17 – Circuito de Condicionamento para Sinal de Vibração . . . . . . . . . . 52Figura 18 – Circuito de Interface para Entradas Digitais . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 19 – Curva característica transistor bipolar (DESCONHECIDO, 2016a) . . 54Figura 20 – Circuito de Interface para Acionamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 21 – Transistor NPN (DESCONHECIDO, 2016d) . . . . . . . . . . . . . . . 55

Lista de tabelas

Tabela 1 – Parâmetros de Pressão Teste Secção de Polimento . . . . . . . . . . . . 29Tabela 2 – Valores de Temperatura Inicial para teste de Fade . . . . . . . . . . . . 31Tabela 3 – Termopares e suas faixas de operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Tabela 4 – Saída AD595 (DEVICES, 1997) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Tabela 5 – Cronograma de Atividades Futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Lista de abreviaturas e siglas

INMETRO Instituto Nacional de Meteorologia, Qualidade e Tecnologia.

CONTRAM Conselho Nacional de Trânsito

NBR Norma Brasileira

SAE Society of Automotive Engineers

CI Circuito Integrado

GND Ground

LED Light Emitting Diode

CKP Crankshat Position Sensor

TCC Trabalho de Conclusão de Curso

RPM Rotações por Minuto

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

SRAM Static Random Access Memory

𝐼2𝐶 Inter-Integrated Circuit

Lista de símbolos

Ω Ohms, unidade de resistência

kph Quilômetros por hora

km/h Quilômetros por hora

Pa Pascal, unidade de pressão

M 106

k 103

g 9.8m/s

ms 10−6 segundos

V Volts

Vcc Voltage Supply

Vo Tensão de Saída

cv Cavalos

L Comprimento

D Comprimento

Δ𝐿 Variação do Comprimento

kB Quilo Bytes

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2 Estrutura do Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1 A Necessidade da realização do ensaio de frenagem . . . . . . . . . 272.2 Ensaio de Frenagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.1 Definições e Especificações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.2 Ensaio de Características de Fricção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.3 Ensaio de Secção de Polimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.4 Ensaio de Valor Característico 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.5 Ensaio de Sensibilidade à Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.6 Ensaio de Valor Característico 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.7 Ensaio de Frenagem Fria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.8 Ensaio de Aplicações para Vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.9 Ensaio de Valor Característico 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.10 Ensaio de Fade 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.11 Ensaio de Recovery 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.12 Ensaio de Sensibilidade à Temperatura/Pressão 1 . . . . . . . . . . . . . . 312.2.13 Ensaio de Temperatura Crescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.14 Ensaio de Sensibilidade à Temperatura/Pressão 2 . . . . . . . . . . . . . . 312.2.15 Ensaio de Recovery 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.16 Ensaio de Fade 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.17 Ensaio de Recovery 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3 Parâmetros a serem Monitorados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4 Estudo de Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.1 Termopares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.4.2 Células de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4.3 Sensor de Velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.4 Acelerômetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.4.5 Relês . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.4.6 Microcontrolador ATmega328p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1 Etapas do Estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.1 Etapa 1 - Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.2 Etapa 2 - Definição do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.3 Etapa 3 – Projeto do Sistmema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 PROJETO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO . . . . . . . . . . . . 414.1 Requisitos Funcionais da Bancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 Requisitos de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3 Componentes da Bancada de Frenagem . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3.1 Sensoriamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3.2 Atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3.3 Demais componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5 DETALHAMENTO DO PROJETO DE SENSORIAMENTO E ATU-AÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.1 Canal de Aquisição do Sinal de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . 455.2 Canal de Aquisição do Sinal de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3 Canal de Aquisição do Sinal de Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . 505.4 Canal de Aquisição do Sinal de Vibração . . . . . . . . . . . . . . . . 515.5 Canais de Entradas Digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.6 Canais de Acionamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6 CONSIDERAÇÕES E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . 576.1 Considerações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.3 Prováveis Etapas Futuras do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

25

1 Introdução

Com o avanço da tecnologia os carros estão saindo de fábrica cada vez com maispotência por preços mais acessíveis. Em 1995 o carro mais vendido (Volkswagen Gol Plus1.0) possuía 49,8cv de potencia e acelerava de 0 a 100km/h em 22,4 segundos (CNW,2016b) enquanto o carro mais vendido de 2015 (Chevrolet Onix LS 1.0) possui 80cv depotencia e acelera de 0 a 100km/h em 13,3 segundos (CNW, 2016a). Essas melhorias nodesempenho acarretam obviamente em um aumento na velocidade dos mesmos, o queexige cada vez sistemas de freio mais eficientes.

Testes de freio com veículos reais são obviamente muito custosos e inviabilizamtestes em pequenas escalas e aumentam significantemente o tempo requerido para cadateste. Com o uso de ambientes simulados pode-se reduzir o tempo de desenvolvimentoe a quantidade necessária de provas práticas em projetos reais. A economia gerada pelautilização de uma bancada de testes e simulação, poderia, por exemplo, ajudar a adoçãoem massa de sistemas de freio mais eficiêntes (GARDINALLI, 2005). Isso de certa formajá demonstra a utilidade e importância de uma bancada de ensaios.

Os ensaios de frenagem já são realizados há anos e são regulamentados há certotempo. Esse projeto será focado na regulamentação SAE J2522, que descreve como ensaiosde frenagem para veículos de passeio devem ser realizados. Essa norma é mundialmenteusada por diversos fabricantes de veículos e de componentes específicos para o sistema defreio como discos, pastilhas, pistão, pinça entre outros.

1.1 Objetivos

O objetivo desse trabalho é o desenvolvimento de um sistema de instrumentaçãoeletrônica microcontrolado para o monitoramento e controle de uma bancada de ensaiosde frenagem de acordo com a norma SAE J2522.

1.2 Estrutura do Texto

Esse trabalho está organizado em seis capítulos, uma breve descrição dos mesmosse encontra a seguir.

Capítulo 2: Faz uma revisão dos estudos necessários para desenvolvimento e com-prensão desse trabalho, desde informações sobre os ensaios quanto a sistemas eletrônicos eelementos sensoriais a serem utilizados. Possúi um foco no ensaio de frenagem em si, comoo mesmo é realizado, parâmetros necessários para sua realização, critérios de avaliação,

26 Capítulo 1. Introdução

detalhes de cada ensaio.

Capítulo 3: Traz uma breve descrição da metodologia adotada para a execuçãodesse trabalho.

Capítulo 4: Analisa o projeto como um todo, avaliando cada requisito e especi-ficação do projeto individualmente. Tem como foco levantar tudo o que é relevante parao escopo do projeto.

Capítulo 5: Faz uma avaliação individual dos canais de aquisição de grandezasfísicas, dos canais de atuação e propõe soluções para os mesmos.

Capítulo 6: Consideraçoes finais do estudo, sugestões para trabalhos futuros eum breve cronograma de atividades.

27

2 Revisão Bibliografica

2.1 A Necessidade da realização do ensaio de frenagemEvidentemente o sistema de freio é parte fundamental de um automóvel, pois

graças a ele é possível o uso do mesmo em condições seguras tanto em vias rurais e urbanas.Existem alguns requisitos gerais que um sistema de freio deve cumprir (KAWAGUCHI,2005):

∙ Reduzir a velocidade do veículo em movimento, aumentando a taxa de desaceleraçãodo mesmo.

∙ Parar o veículo completamente.

∙ Manter a velocidade do veículo, impedindo a aceleração não desejada durante o seutrajeto em um declive.

∙ Manter o veículo estacionado quando este está completamente parado.

É importante ressaltar que essas condições são de certa forma ideias visto que emcondições extremas, de risco ou de falta o sistema pode não operar de maneira que irárespeitar esses requisitos básicos. Visto a importância dos sistemas de freio é elementarque os mesmos tenham qualidade mínima de capacidade de frenagem para que os veículospossam ser desacelerados com maior eficiência. O sistema deve possuir qualidade suficientepara garantir um menino de segurança, confiabilidade e boa operação.

Em contrapartida, sistemas mais eficientes acarretam em maiores custos para osfabricantes e consequentemente para os consumidores e também para evitar que essesparâmetros claramente subjetivos sejam interpretados erroneamente no projeto existemnormas regulamentadoras para esses sistemas para garantir um padrão mínimo de fun-cionamento. No Brasil quem estabelece essas normas é o Conselho Nacional de Trânsito(CONTRAN) e o Instituto Nacional de Meteorologia, Qualidade e Tecnologia (INME-TRO) juntamente com as normas técnicas NBR-10966 (Norma NB-1253), NBR-10967(Método MB-3160), NBR-10968 (Método MB-3161), NBR-10969 (Norma NB-1254) eNBR-10970 (Norma NB-1255) da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT),que são baseadas em parte na regulamentação europeia ECE-13/05. (INMETRO, 2013)

Visto o grande número de normas regulamentadoras é visível a necessidade dediversos ensaios para garantir que o sistema em questão esteja de acordo com os parâme-tros objetivos estabelecidos pelas normas e que consequentemente isso proporcione maior

28 Capítulo 2. Revisão Bibliografica

segurança no trânsito. Muitas vezes um sistema pode aparentemente ser confiável e estarde acordo com as normas, mas quando submetido a uma certa condição de risco podecomeçar a apresentar faltas, e por isso é importante que seja realizado um ensaio onde osistema é exposto as mais diversas e extremas condições.

2.2 Ensaio de Frenagem

2.2.1 Definições e Especificações

Os ensaios de frenagem e todos os requisitos dos sistemas de frenagem são regidospor um conjunto de normas estipuladas pelo CONTRAN e pelo INMETRO. Para ensaiosde frenagem com uso de pastilhas destinados a teste de equipamentos de passeio a normaque geralmente é usada pelos fabricantes de veículos para determinar a eficiência de me-canismos de frenagem é a SAE J2522. A SAE (Society of Automotive Engineers) é umacorporação que atualmente desenvolve padrões de organização e produção para diferentesáreas da engenharia (SAE, 2016). A SAE J2522 tem como título: "Dynamometer GlobalBrake Effectiveness" (Eficácia Global de Dinamômetros dos Freios), e visa criar um pontocomum para o desenvolvimento, seleção e qualidade para sistemas de fricção e frenagem.Essa norma define um Teste de Inercia por Dinamômetro que gera resultados relevantesdo comportamento eficaz de um material de de fricção no que diz respeito à temperatura,pressão e velocidade. Abaixo está descrito o procedimento experimental ditado pela SAEJ2522 para sistemas com freios a discos, o objetivo principal desses testes é determinara eficácia do sistema de freio baseado na fricção. Fricção é basicamente uma perda deenergia cinética e momento linear entre dois corpos, também pode ser definida como arazão de torque de saída por torque de entrada de um disco de freio.

2.2.2 Ensaio de Características de Fricção

Quando rotor chega a 80kph é aplicada uma frenagem com pressão de 3MPa atéque o sistema chegue a 30kph. Esse ensaio tem apenas um ciclo com trinta iterações. Naprimeira iteração os freios devem estar com temperatura inferior a 100𝑜𝐶. Esse ensaio érealizado diversas vezes ao final de outros ensaios geralmente variando a quantidade deiterações, o mesmo é uma espécie de referência de funcionamento para o sistema.

2.2.3 Ensaio de Secção de Polimento

Semelhante ao ensaio anterior porém com seis ciclos de 32 iterações com pressãovariando. O valor de pressão para cada iteração é descrita pela Tabela 1, onde "It"é aiteração e "P"é a pressão aplicada em MPa.

2.2. Ensaio de Frenagem 29

Tabela 1 – Parâmetros de Pressão Teste Secção de Polimento

It P It P It P It P It P1 1.5 8 2.6 15 3.0 22 1.5 29 1.82 3.0 9 1.8 16 4.6 23 1.8 30 3.03 1.5 10 3.4 17 2.6 24 4.6 31 1.84 1.8 11 1.5 18 5.1 25 2.6 32 3.85 2.2 12 2.6 19 2.2 26 1.56 3.8 13 1.5 20 1.8 27 3.47 1.5 14 2.2 21 4.2 28 2.2

Esse ensaio é muito importante para analisar como a temperatura e eficiência dosistema varia de acordo com diferentes pressões de frenagem.

2.2.4 Ensaio de Valor Característico 1

É realizado um ensaio de Características de Fricção novamente somente que destavez com apenas um ciclo de seis iterações, com a intenção de verificar a variação dascaracterísticas físicas e de operação do sistema.

2.2.5 Ensaio de Sensibilidade à Pressão

Semelhante ao ensaio de Características de Fricção, porém além da pressão defreio variar os intervalos de velocidade também variam. São ao todo cinco ciclos cada umcom um intervalo de velocidade no qual o sistema é inicialmente submetido a um limitesuperior de velocidade e a frenagem é aplicada até que o sistema atinja um limite inferiorde velocidade para o sistema ser acelerado novamente posteriormente. Os intervalos develocidade são os seguintes:

∙ 40kph até 5kph

∙ 80kph até 40kph

∙ 120kph até 80kph

∙ 160kph até 130kph

∙ 200kph até 170kph

Cada intervalo de velocidade é testado em um ciclo com oito iterações onde cadaiteração possui respectivamente as seguintes pressões de frenagem: 1Mpa, 2Mpa, 3Mpa,4Mpa, 5Mpa, 6Mpa, 7Mpa e por ultimo 8MPa. Entre cada ciclo (intervalo de velocidade)é necessário esperar até que o sistema esteja à um temperatura de no máximo 100𝑜𝐶.Esse ensaio é realizado com o intuito de avaliar como o sistema se comporta ao longo de

30 Capítulo 2. Revisão Bibliografica

todo espectro de velocidade em que um veículo é geralmente submetido, e assim garantirqualidade em várias situações de aplicação. Assim como mesurar como essa variação develocidade de pressão de frenagem acarretam no desempenho e variação de temperaturado sistema.

2.2.6 Ensaio de Valor Característico 2

É realizado um ensaio de Características de Fricção novamente somente que destavez com apenas um ciclo de seis iterações, com a intenção de verificar a variação dascaracterísticas físicas do sistema.

2.2.7 Ensaio de Frenagem Fria

Sistema é acelerado até 40kph e posteriormente uma frenagem com pressão de3MPa é aplicada até que essa velocidade seja menor que 5kph. Neste teste o sistema deveestar inicialmente a uma temperatura menor que 40𝑜𝐶.Como o próprio nome já diz é usado para verificar o funcionamento do sistema quando omesmo se encontra em baixa temperatura.

2.2.8 Ensaio de Aplicações para Vias

Com o sistema a uma temperatura inferior a 50𝑜𝐶 o mesmo é acelerado até 100kphe posteriormente uma frenagem que proporciona uma desaceleração de 0.6g deve ser apli-cada até que o sistema chegue a uma velocidade inferior a 5kph. O sistema é entãoacelerado até 90% da velocidade máxima (de acordo com os requisitos do projeto até180kph) e frenado com desaceleração de 0.6g até a velocidade chegue a 50% da velocidademáxima (de acordo com os requisitos do projeto até 100kph).O objetivo da realização deste ensaio é avaliar como o sistema reage em uma situaçãomais fiéis a o que um veículo pode ser submetido em situação real em uma rodovia.

2.2.9 Ensaio de Valor Característico 3

É realizado um ensaio de Características de Fricção novamente somente que destavez com apenas um ciclo de 18 iterações, com a intenção de verificar a variação dascaracterísticas físicas do sistema.

2.2.10 Ensaio de Fade 1

Nesse ensaio é realizado um ciclo com 15 iterações onde em cada uma dessas osistema é acelerado até 100kph e depois frenado até 5kph com desaceleração de 0.4g etemperatura sendo variada em cada uma dessas iterações. A pressão máxima de frenagem

2.2. Ensaio de Frenagem 31

Tabela 2 – Valores de Temperatura Inicial para teste de Fade

It T It T It T1 100 6 398 11 4982 215 7 423 12 5133 283 8 446 13 5264 330 9 465 14 5395 367 10 483 15 550

para esse ensaio é de 16MPa. A Tabela 2 mostra quanto deve ser a temperatura inicialem cada uma dessas iterações. "It"é o número da iteração e "T"é a temperatura inicial decada temperatura em 𝑜𝐶.

O ensaio de fade é utilizado para determinar a fricção mínima que o sistema defreio pode exercer em situações extremas.

2.2.11 Ensaio de Recovery 1

É realizado um ensaio de Características de Fricção novamente somente que destavez com apenas um ciclo de 18 iterações, com a intenção de fazer o sistema recuperar assuas características padrões de ensaio.

2.2.12 Ensaio de Sensibilidade à Temperatura/Pressão 1

Muito semelhante ao ensaio de Secção de Polimento porém apenas com oito itera-ções onde em cada iteração é respectivamente aplicada as seguintes pressões de frenagem:1Mpa, 2Mpa, 3Mpa, 4Mpa, 5Mpa, 6Mpa, 7Mpa e por ultimo 8MPa. Para esse ensaio atemperatura inicial não deve ultrapassar os 100𝑜𝐶. Ensaio utilizado para determinar asensibilidade da temperatura no sistema a partir da variação de pressão.

2.2.13 Ensaio de Temperatura Crescente

Nove iterações onde em cada uma o sistema é submetido a uma velocidade de80kph de depois frenado até uma velocidade de 30kph com pressão constante de 3MPaonde as temperaturas iniciais de cada iteração são respectivamente as seguintes: 100𝑜𝐶,150𝑜𝐶, 200𝑜𝐶, 250𝑜𝐶, 300𝑜𝐶, 350𝑜𝐶, 400𝑜𝐶, 450𝑜𝐶 e 500𝑜𝐶.

2.2.14 Ensaio de Sensibilidade à Temperatura/Pressão 2

Um Ensaio de Sensibilidade à Temperatura/Pressão é realizado com temperaturainicial maior que 500𝑜𝐶.

32 Capítulo 2. Revisão Bibliografica

2.2.15 Ensaio de Recovery 2

É realizado um segundo ensaio de recovery exatamente igual ao primeiro.

2.2.16 Ensaio de Fade 2

Um segundo Ensaio de Fade é realizado exatamente da mesma forma que o ante-rior.

2.2.17 Ensaio de Recovery 3

É realizado um terceiro ensaio de recovery exatamente igual aos dois anteriores.

2.3 Parâmetros a serem MonitoradosSegundo a norma SAE J2522 é obrigatório avaliar os parâmetros de tempera-

tura, pressão e velocidade durante todo o ensaio. O parâmetro de vibração também seráadcionado como um parâmetro extra para gerar informações adcionais ao usuário.

∙ Temperatura da pastilha de freio: É importante durante todo o ensaio ter totalconhecimento da temperatura do sistema de freio, primeiramente pelo fator de se-gurança (existe uma temperatura máxima de operação para o sistema), tambémpelo desgaste do sistema que está atrelado a temperatura no mesmo. Por último po-rém não menos importante está o fato de que conhecendo a temperatura é possívelrealizar ensaios baseados na mesma, sendo possível conduzir ensaios em faixas detemperatura conhecidas.

∙ Pressão: A pressão a ser medida é a pressão que o freio está exercendo no sistemaao longo do tempo, conhecer a magnitude dessa força significa ter controle sobre oquanto a temperatura aumenta de acordo com a frenagem e o quanto a velocidadedo rotor diminui em função da frenagem.

∙ Velocidade de Rotação: Sem conhecimento da velocidade do rotor seria impossíveldetermina determinar se o freio está sendo eficaz ou o quão eficaz ele é. O monito-ramento de velocidade é o parâmetro mais crítico para o funcionamento do sistema,sem o mesmo não existe utilidade ao resto do equipamento.

∙ Vibração: Outro fator interessante a ser medido no sistema é a vibração que égerada quando o freio entra em ação no sistema, não é fundamental para o ensaiomais também é de natureza relevante. Vale lembrar que a vibração é sempre medidaem função da aceleração. Através desse parâmetro é possível avaliar a qualidade

2.4. Estudo de Componentes 33

da montagem/construção do sistema, verificar o deslocamento da pastilha e atédetectar faltas que podem ocasionar possíveis falhas no futuro.

2.4 Estudo de ComponentesPara a realização desse projeto foi necessário o estudo de alguns tipos de compo-

nentes específicos.

2.4.1 Termopares

Desde o seculo XIX já se sabe que a junção de dois metais diferentes excitados poruma certa temperatura geram uma tensão elétrica, em teoria pode-se construir um ter-mopar com a junção de quais queres metais diferentes, existem combinações normalizadasem função de possuírem uma saída de tensão previsível e por suportarem grandes faixasde temperatura. (POLLOCK, 1991)Existe uma relação entre a temperatura na junçãodos dois materiais e a tensão elétrica gerada porem a mesma não é linear, como pode servisto na Figura 1, onde E,J,K,T,R,S e B são diferentes tipos de termopares formados pordiferentes combinações de materiais.

Figura 1 – Tensão de saída de Termopares (DESCONHECIDO, 2016b)

Como foi dito previamente, a junção de dois metais submetidos a uma temperaturaira produzir uma tensão elétrica proporcional a essa temperatura. Embora isso pareca sermuito pratico existe um problema, a tensão gerada é na verdade proporcional a diferençaentre a temperatura na junção dos metais (normalmente chamada de junta quente) e najunta de referencia (também chamada de junta fria), isto é, se a junta quente for submetida

34 Capítulo 2. Revisão Bibliografica

a uma temperatura de 100oC e a junta fria estiver submetida a uma temperatura ambientede 25oC o termopar irá produzir uma tensão de saída proporcional a diferença entre asjuntas que no caso seria de 75oC. A tensão gerada só ira representar a real temperaturana junta quente se a junta de referencia estiver em 0oC (KINZIE; RUBIN, 1973).

Figura 2 – Medição Termopar (ECIL, 2016)

Existem vários tipos comerciais de termopares, eles diferem nos metais que sãocombinados na produção dos mesmos. Foi determinado que para esse projeto seriam usa-dos termopares do tipo K (formados pela junção de duas ligas metálicas, Alumel e Cro-mel). Isso porque os termopares tipo K possuem uma ampla faixa de operação (-200oC -1250oC), ou seja de acordo com os requisitos não estarão trabalhando perto do limite emmomento algum, e porque assim como os termopares do tipo J são mais fáceis de seremencontrados no mercado e possuem um custo menos elevado que outros tipos. A Tabela?? mostra os tipos mais comuns de termopares e suas respectivas faixas de temperaturas.

Tabela 3 – Termopares e suas faixas de operação

Tipo do Termopar Faixa de Operação (oC)J 0 a 750K -200 a 1250E -200 a 900T -250 a 350

2.4.2 Células de Carga

A célula de carga é um transdutor formado por strain gauges. Strain gauges sãodispositivos cuja resistência elétrica varia proporcionalmente a sua distensão. Distensãoé a quantificação da deformação adimensional de um corpo, também pode ser definidacomo a mudança fracional do comprimento de um corpo. Distensão pode ser negativa(compressão) ou positiva (tração).

Geralmente, a variação de comprimento em um strain gauge é muito pequena eisso os torna muito susceptivos a erros de medição. Em função disso é muito comum o

2.4. Estudo de Componentes 35

Figura 3 – Distensão (INSTRUMENTS, 2016a)

uso de uma ponte de Wheatstone, a mesma é formada por quatro braços resistivos e umatensão de excitação aplicada na ponte (WINDOW; HOLISTER et al., 1982).

Figura 4 – Ponte de Wheatstone (INSTRUMENTS, 2016b)

A tensão de saída 𝑉𝑂 pode ser obtida através da Equação 2.1 abaixo:

𝑉𝑂 = 𝑅3

𝑅3 + 𝑅4− 𝑅2

𝑅1 + 𝑅2(2.1)

2.4.3 Sensor de Velocidade

O elemento sensorial escolhido foi um sensor do tipo "Crankshaft Position Sensor"(Sensor de Posição da Arvore de Manivela), mostrado na Figura 16.

Figura 5 – Crankshaft Position Sensor (REMAN, 2016)

Esse sensor é amplamente usado na industria automotiva para determinar a velo-cidade (RPM) de manivelas e engrenagens no motor. Existem vários tipos de sensores de

36 Capítulo 2. Revisão Bibliografica

CKP, os mais comuns são os do tipo de relutância variável pois possuem baixo custo eboa precisão (SCHROEDER, 2002).

Os sensores de relutância variável, popularmente conhecidos como sensores magné-ticos, são sensores passivos, isto é, não necessitam de alimentação para seu funcionamento.A medida com que a engrenagem em questão gira cada dente da engrenagem se alinhacom o sensor, dessa forma um fluxo magnético na bobina do sensor muda pois o espaça-mento de ar entre o sensor e a engrenagem muda. Essa mudança no campo magnético gerainduz um pulso de tensão na saída do sensor. Esse tipo de sensores possuem uma saídade tensão analógica onde amplitude e frequência variam proporcionalmente a velocidadede rotação de uma engrenagem. Com esse tipo de sensor se torna possível extrair dadosde velocidade linear, velocidade angular e posição angular. Todavia somente o dado develocidade angular (frequência) tem importância para esse projeto.

Figura 6 – Sinal Sensor Magnético (DESCONHECIDO, 2016c)

2.4.4 Acelerômetros

Um corpo é dito em vibração quando ele descreve um movimento oscilatório emtorno de um ponto de referência (FERNANDES, 2000). Para a medição de vibração emmáquinas é mais comum a medição da aceleração em função de g (9.8𝑚/𝑠2). A mesmaé medida em função de g em função do Princípio da Equivalência de Einstein, onde aaceleração de um dado referencial não se distingui da ação gravitacional no mesmo. (JR,1968)

Acelerômetros são sensores que medem aceleração própria, isto é, a aceleração queo próprio sensor é submetido. Acelerômetros ão muito usados na indústria automotiva,inicialmente apenas no sistema de Air Bag e atualmente até para o controle de estabilidadeveícular.

Atualmente os acelerômetros mais comuns são os baseados no efeito piezoelétricos,esse efeito discreve a variação de força eletrostática ou de tensão elétrica em um material

2.4. Estudo de Componentes 37

quando submetido à uma força.

Figura 7 – Acelerômetro Piezoelétrico (UK, 2016)

Medindo essa variação de força eletrostático ou tensão elétrica é possível determi-nar a aceleração que o sensor foi submetido. Na Figura 7 podemos observar que existeuma massa no sob o material piezoelétrico, dessa forma quando o sensor for submetido aalgum movimento, baseado no princípio da inércia a massa irá exercer uma força de tra-ção ou compressão o que irá gerar uma varição de tensão na saída do sensor (PATRICK,2007).

2.4.5 Relês

Um relê é um dispositivo que atua como um interruptor eletromecânico, o mesmoé composto por três partes básicas: uma bobina, um conjunto de contatos e uma mola derearme como mostra a Figura 8. Quando uma corrente elétrica flui pela bobina, isso criaum fluxo magnético que muda o estado do conjunto de contatos mudando assim a posiçãoda chave. Quando a bobina é desernegizada a mola de rearme volta a chave para o seuestado natural. Os relês são usados para diversas aplicações na industria automotiva, poisum relê permite que dois circuitos possam interagir sem existir transferência de correnteelétrica entre eles, dessa forma circuitos de menor potência podem controlar circuitos demaior corrente e vice-versa (KELLER, 1962).

2.4.6 Microcontrolador ATmega328p

O ATmega328p é um microncontrolador desenvolvido pela Atmel Corporation com32kB de memória flash, 1kB de EEPROM, 32kB de SRAM e clock de 16MHz. Essemicrocontrolador é um dos mais usados em ambientes acadêmicos, principalmente apóso projeto Arduino onde a programação e utilização do mesmo se tornou mais didática efácil para alunos de nível médio e superior (ARDUINO, 2016). O ATmega328p possui seisportas de entrada para tensão analógica com resolução de 10 bits e mais 14 portas digitais

38 Capítulo 2. Revisão Bibliografica

Figura 8 – Esquemático Relê (TESCHLER, 2016)

I/O. A tensão de operação de microcontrolador é de 1.8V até 5.5V (COORPORATION,2011). O ATmega328p possui interface serial e interface 𝐼2 C fazendo com que o mesmoseja muito versátil para diversos projetos. A Figura 9 mostra a pinagem desse dispositivoem seu encapsulamento mais comum.

Figura 9 – ATmega238p (COORPORATION, 2011)

39

3 Metodologia

3.1 Etapas do EstudoPara a realização desse projeto os trabalhos foram divididos em três etapas de

estudo para melhor desenvolvimento do mesmo.

3.1.1 Etapa 1 - Revisão Bibliográfica

Esta etapa pode ser considerada a mais importante de todo o trabalho, pois foramrevisados intensamente todos os conceitos fundamentais para iniciar a análise do problemaem questão. A etapa 1 percorreu todo o estudo, uma vez que mesmo nas etapas mais avan-çadas recorreu-se a materiais de apoio para sustentá-la. Na etapa de revisão bibliográficabuscou-se os conceitos necessários para fundamentar o projeto, tais como, componentes aserer utilizados para o projeto e estudos científicos para melhor compreenção do mesmo.

3.1.2 Etapa 2 - Definição do Problema

Esta etapa consistiu basicamente no delineamento do problema a ser estudado, ouseja, quais os requisitos necessários para execução do projeto e quais questões relevantesdeveriam ser exploradas.

3.1.3 Etapa 3 – Projeto do Sistmema

Esta etapa consistiu na concepção, projeto e análise do sistema. O sistema teverevisão individual dos seus módulos e propostas de soluções que mais adequadas paraatender todos os requisitos propostos na etapa anterior. Todas as soluções foram definidasde acordo com necessidade e funcionabilidade visto que o objetivo desse projeto não é acriação embrionária de cada módulo, apenas a junção de módulos que possam atender osrequisitos.

41

4 Projeto do Sistema de Automação

4.1 Requisitos Funcionais da BancadaDe acordo com especificações da norma SAE J2522 e segundo parâmetros consi-

derados importantes foram definidos os seguintes requisitos funcionais para a bancada.

1. Medir uma pressão de frenagem de 1 até 16 MPa.

2. Exercer uma variação mínima de pressão de frenagem de no mínimo 300 kPa.

3. Medir uma temperatura de até 600𝑜𝐶.

4. Medir termperatura com resolução de 7.5𝑜𝐶.

5. Promover uma velocidade de 5kph a 200kph no rotor.

6. Medir a velocidade do rotor com resolução de 5kph, com valores variando entre 5kphaté 200kph.

7. O sistema deve ter um sampling rate de 50 ms.

8. O hardware do sistema deve ser capaz de trabalhar sob uma temperatura de até40𝑜𝐶.

9. O sistema deve ter dois canais de aquisição de temperatura.

10. O sistema deve ter dois canais de aquisição de pressão.

11. O sistema deve ter um canal de aquisição de velocidade.

12. O sistema deve ter um canal de aquisição de vibração.

13. O sistema precisa de pelo menos duas saídas digitais para controle de relês.

14. O sistema deverá microntrolado.

4.2 Requisitos de SoftwareApesar de o foco principal dessa primeira parte do projeto estar no projeto de

soluções de hardware, foram previamente definidos alguns requisitos para o software dosistema para evitar contradições e conflitos com o projeto de hardware.

1. O sistema deve ter uma taxa de amostragem de 50 ms.

42 Capítulo 4. Projeto do Sistema de Automação

2. O deve ser capaz monitorar cinco canais de aquisição analógica.

3. O sistema deve ser capaz de controlar o freio hidráulico e o motor trifásico simulta-neamente.

4. O sistema não irá amostrar os resultados dos ensaios em tempo real.

5. O sistema precisa apenas mostrar em tempo real qual ensaio está realizando e in-formações relevântes como tempo de execução, tempo restante e possíveis faltas queocorreram durante ensaio.

6. O sistema deverá ser capaz de gerar um relatório de dados ao final do ensaio deacordo com a norma SAE J2522.

7. O sistema deve ser capaz de armazenar os resultados do ensaio.

8. O sistema deve ser multiplataforma, isto é, ser executável em diversos sistemas.

9. O software precisa ter interface simples e fácil de operar visto que é um sistemapara fim acadêmico.

4.3 Componentes da Bancada de FrenagemA bancada irá possuir diversas funções, as mesmas serão dividias de acordo com

suas funções.

4.3.1 Sensoriamento

∙ Temperatura: A bancada precisa de ser capaz de medir a temperatura em doispontos do sistema e para isso será necessário dois sensores de temperatura e conse-quentemente a bancada irá precisar de dois circuitos condicionadores para o sinaldesses sensores. Segundo a SAE J2522 um dos pontos deve ser no disco de freio e ooutro na pastilha.

∙ Velocidade de Rotação: Para monitorar a velocidade de rotação do sistema seránecessário um sensor de rotação e um circuito condicionador de sinais desse sensor

∙ Vibração: Será necessário um sensor de vibração e um circuito condicionador desinal de aceleração oriundo do sensor.

∙ Pressão: Também será preciso que a bancada seja capaz de medir a pressão exercidaem dois pontos do sistema e para isso será necessário dois sensores de pressão econsequentemente a bancada irá precisar de dois circuitos condicionadores para osinal desses sensores.

4.3. Componentes da Bancada de Frenagem 43

∙ Entradas digitais: Não são críticas para o funcionamento do sistema porém am-pliam a gama de funcionamento do mesmo. As entradas irão possuir circuitos decondicionamento para que sejam ativadas por diferentes nível de tensão constantena entrada mas que as tensões absolutas na saída desses circuitos sejam coerentescom as entradas digitais do microcontrolador. Incialmente foi definido que o sistemadeverá ter quatro entradas digitais.

4.3.2 Atuadores

Relês: A bancada precisa de ser capaz de controlar dispositivos externos alimen-tados por corrente alternada e para isso serão necessário relês. Consequentemente paraesses relês serão necessários circuitos de ativação para acioná-los. É considerado críticopara o sistema possuir uma dupla de relês com circuitos de ativação, mas para ampliar afuncionalidade do mesmo foram definidos que serão implementados seis relês na bancada.

4.3.3 Demais componentes

∙ Microcontrolador: Coração do sistema, será usado para a aquisição de dados dossensores, acionar os atuadores e transmitir as informações para a camada superiordo sistema (software).

∙ Fonte: O sistema irá possuir uma fonte integrada para alimentar todos os circuitos,sensores(caso necessário) e o microcontrolador. Será o último componente do sistemaa ser projetado visto que somente no final do projeto será possível determinar apotência consumida por todo o sistema eletrônico.

45

5 Detalhamento do Projeto de Sensoria-mento e Atuação

Baseado nas questões abordadas no capítulo anterior foi definido o modelo daFigura 10 como uma solução para a arquitetura do projeto de sensoriamento de atuação.

Figura 10 – Modelo Projeto de Sensoriamento e Atuação

O microcontrolador usado no projeto será o ATmega328p (COORPORATION,2011), suas vantagens e atributos já foram explicados no capítulo dois.

5.1 Canal de Aquisição do Sinal de Temperatura

Um dos parâmetros a serem monitorados é a temperatura do sistema e diferentespontos. A faixa de variação de temperatura descrita nos requisitos é de 0-600oC, existemvarias maneiras de medir/monitorar temperatura, em função do sistema possuir uma faixatão larga de temperatura o tipo de sensor mais adequado para esse monitoramento sãoos termopares (POLLOCK, 1991).

O sinal gerado por um termopar necessita ser tratado de três formas:

46 Capítulo 5. Detalhamento do Projeto de Sensoriamento e Atuação

∙ Amplificação: O sinal tem uma amplitude muito baixa para os canais de aquisiçãodo microcontrolador e por isso necessita ser amplificado.

∙ Compensação junta fria: É necessário fazer uma compensação de junta fria, parasolucionar esse problema é necessário um segundo elemento sensorial para medir atemperatura na junta fria e assim somar a tensão correspondente a essa temperaturacom a tensão do termopar, dessa forma a saída sera a temperatura real na juntaquente e não a diferença entre ambas as juntas.

∙ Linearização: como indicado na Figura 1, a tensão de saída do termopar não é linear,com isso se torna necessário linearizar a saída para que a tensão de saida possa serconvertida em uma temperatura em Celsius de maneira mais precisa.

Existem no mercado soluções encapsuladas para realizar o condicionamento dosinal de um termopar, foi escolhido o CI AD595 da Analog Devices (DEVICES, 1997). Omesmo é um amplificador de instrumentação completo com compensador de junta fria,dentro do circuito integrado existe um sensor de temperatura que mede a temperaturana junta fria e já realiza a compensação com a temperatura da junta quente. Além dessasfunções para facilitar a captura de dados o circuito integrado também realiza a linearizaçãoda saida do termopar (ZHANG et al., 2006).

Figura 11 – Esquema elétrico AD595 (DEVICES, 1997)

A Tabela 4 mostra a tensão de saída do circuito integrado em função da tempera-tura que a junta quente de um termopar do tipo K é submetida.

Um problema que pode ser observado é que quando a temperatura medida é maiorque 500 o sinal de saída do AD595 sera maior que 5V (limite do microcontrolador esco-lhido) e para isso sera necessário acionar um circuito divisor de tensão para inserir umganho menor que unitário para reduzir proporcionalmente a tensão de saída. Foi utilizado

5.1. Canal de Aquisição do Sinal de Temperatura 47

Tabela 4 – Saída AD595 (DEVICES, 1997)Temperatura (oC) Tensão no Termopar (mV) Tensão na saída do AD595 (mV)

0 0 2.710 0.397 10120 0.798 20025 1.000 25030 1.203 30060 2.436 605100 4.095 1015160 6.539 1620220 8.938 2213300 12.207 3022400 16.395 4057500 20.640 5107600 24.902 6161700 29.128 7206

um divisor de tensão com dois resistores de 100𝐾Ω para aplicar um ganho de 0.5 na tensãode saída do AD595. Para obter maior confiabilidade do circuito foram usados resistoresde precisão. Uma outra função interessante do AD595 é o seu circuito de alarme, quandoo termopar não esta conectado ou é desconectado o circuito ira permitir a passagem decorrente entre as portas 12 e 13 do circuito integrado. Isso sera usado nesse projeto li-gando um o Vcc na porta 12 usando um LED e um resistor em serie, para complementara porta 12 sera conectada a uma das entradas digitais do microcontrolador e a porta doCI conectada no GND. Dessa forma quando o termopar não estiver conectado o LEDsera ligado e o controlador sera notificado que o sensor não esta conectado. Outros quatroelementos elementos foram acionados ao circuito final de condicionamento para melhoraro seu funcionamento:

∙ Um resistor de pull-down conectando o terminal negativo do termopar no terra docircuito: isso ajuda a reduzir o ruido elétrico capturado pelo termopar.

∙ Um capacitor entre o 𝑉𝐶𝐶 e o terra do CI: isso foi acionado apenas para melhorara estabilidade da alimentação do mesmo

∙ Um capacitor entre a saída do CI e o terra: esse capacitor atua como um filtro passa-baixas e tem como função atenuar ruídos da saída e consequentemente melhorar aprecisão da medição de temperatura.

A Figura 12 mostra o circuito equivalente já com o CI AD595.

48 Capítulo 5. Detalhamento do Projeto de Sensoriamento e Atuação

Figura 12 – Circuito Condicionador Termopar

5.2 Canal de Aquisição do Sinal de PressãoUm parâmetro muito influente em um sistema de frenagem é a pressão que o freio

exerce sobre o rotor. Pressão é uma grandeza medida em Pascal e pode ser expressadapela razão da força pela área. Existem alguns sensores baseados no efeito piezoelétrico,mas a maneira mais precisa de se aferir força é usando células de carga.

Em geral as células de carga apresentam níveis de saída muito baixos, da ordem de2m/V, e por isso uma amplificação é fundamental. Não é necessário conhecer a naturezados strain gauges quando se está calibrando uma célula de carga pois geralmente osfabricantes fornecem uma curva de calibração baseada nos sinais 𝑉𝑂 e 𝑉𝐸𝑋 da Figura 4,vale ressaltar que esses sinais não podem possuir a mesma referencia, caso contrario nãoserá possível excitar a ponte de wheatstone corretamente. O circuito de amplificação maisusado na engenharia de instrumentação é o amplificador diferencial por junta comum, omesmo (Figura 13) é muito estável e reduz significativamente o ruído do sinal de saída(WAIT; HUELSMAN; KORN, 1975).

Apesar de ser uma configuração muito usada, montar esse amplificador usandotrês amplificadores operacionais diferentes e sete resistências como na Figura 13 podetorná-lo impreciso devido a imperfeições de fabricação dos componentes. Outro fator queinfluencia muito o sinal de saída de uma célula de carga é a tensão de excitação de suaponte de wheatstone, caso a mesma varie demasiadamente a saída ira variar bastantetambém, o que irá prejudicar sua calibração. Para solucionar esses dois problemas existeuma solução muito usada no mercado que é o INA125 da Texas Instruments (FIALHO etal., ), esse CI além realizar a amplificação do sinal também fornece uma fonte de excitaçãomuito precisa para a ponte de wheatstone, o único componente necessário a ser acoplado

5.2. Canal de Aquisição do Sinal de Pressão 49

Figura 13 – Amplificador Diferencial por Junta Comum (DESCONHECIDO, 2016e)

é um resistor 𝑅𝐺, como mostra a Figura 14. Esse resistor irá determinar o ganho para aamplificação de acordo com as Equações 5.1 e 5.2:

Figura 14 – Esquemático INA125 (INSTRUMENTS, 1998)

𝑉𝑂 = (𝑉 +𝐼𝑁 − 𝑉 −

𝐼𝑁) · 𝐺 (5.1)

50 Capítulo 5. Detalhamento do Projeto de Sensoriamento e Atuação

𝐺 = 4 + 60𝑘Ω𝑅𝐺

(5.2)

Levando em consideração a sensibilidade de 2mV/V, isso significa que se a célulafor excitada com 10V, sua saída irá varia de 0 a 20mV. Como a entrada analógica domicrocontrolador escolhido (Atmega328) é de 0 a 5V, precisamos amplicar o sinal desaída da célula com um fator de 250. Usando a Equação 5.2, para obter um ganho deamplificação de 250 o valor de 𝑅𝐺 ideal seria de 243Ω, um resistor com esse valor não éencontrado comercialmente, os mais próximos seriam de 240Ω e de 270Ω. O primeiro iriafazer provocar um ganho maior que 250 e consequentemente uma tensão de saída do CImaior que 5V quando a célula estivesse com tensão de saída de 20mV. O resistor 270Ω irágerar um ganho de 226 e fazer com que a saída do CI varie entre aproxima 0V e 4.52V,usando 90.4% da resolução da entrada do microcontrolador.

A Figura 15 mostra o esquemático do circuito de condicionamento da célula decarga com o CI INA125 da Texas Instruments.

Figura 15 – Circuito Condicionador para Célula de Carga

5.3 Canal de Aquisição do Sinal de Rotação

Para ensaios de frenagem, a necessidade de um eixo girando se torna fundamental, econsequentemente conhecer e monitorar a velocidade de rotação do mesmo é fundamental.

5.4. Canal de Aquisição do Sinal de Vibração 51

A entrada do microcontrolador só aceita valores de tensão entre 0 e 5V, comosó existe interesse para capturar a frequência do sinal de saída do sensor a amplitudepode ser modificada de qualquer maneira desde que a frequência não seja alterada. Ocircuito de condicionamento possuirá dois diodos, o primeiro um diodo convencional paraser polarizado diretamente e assim rejeitar a parte negativa do sinal. O segundo sera umdiodo zener e estará em polarização reversa. o diodo zener sera do modelo 1N4732A, omesmo possui uma tensão de polarização reversa de 4.7V (PEÑA, 2012). Dessa maneira osegundo diodo ira rejeitar qualquer tensão maior que 4.7V e assim o sinal de saída sempresera mantido no intervalo de 0 a 4.7V. Os resistores tem apenas a função de limitar acorrente do circuito enquanto o capacitor esta ligado como um filtro passa baixas onde tema função de reduzir o ruido do sinal de saída. Por fim foi adcionado um resistor de 100𝑘Ωpara regular a corrente do circuito. A Figura 16 mostra o circuito de condicionamento.

Figura 16 – Circuito Condicionador Sinal Rotação

Uma vantagem nesse canal de aquisição será que poderá ser usada uma entradadigital do microncontrolador para esse circuito. Visto que só temos interesse na frequência,podemos ligar isso direto em uma entrada digital e analisar essa frequência de acordo como que o circuito oscila entre nível lógico alto e baixo.

5.4 Canal de Aquisição do Sinal de Vibração

Apesar de não ser necessário para os ensaios de frenagem de acordo com a normaSAE J2522, a aquisição do sinal de vibração tem utilidade para outras análises do testede frenagem. Em função da sua grande game de utilização já existem várias soluções paraa aquisição de sinais de aceleração, uma delas é o CI ADXL335 da Analog Devices. Omesmo possúi três acelerômetros com sinal já amplificado e por isso se torna muito útilpara o projeto. Como quatro dos cinco canais analógicos do microcontrolador já estãosendo utiliados para captura dos sinais de temperatura e pressão e o ADXL335 possúisinal de aceleração triaxial é necessário um multiplexador para alternar entre os sinais de

52 Capítulo 5. Detalhamento do Projeto de Sensoriamento e Atuação

acordo com a preferência do usuário. (DEVICES, 2010). A Figura 17 mostra o circuitocompleto para a aquisição do sinal de aceleração.

Figura 17 – Circuito de Condicionamento para Sinal de Vibração

Na Figura 17 temos o ADXL335 já conectado ao multiplexador com saída parao microncontrolador, também existem saídas do microcontrolador para selecionar qualacelerômetro o mesmo quer ler o sinal. Todos os capacitores do circuito tem a mesmafunção, a de reduzir o ruído do sinal tem uso recomendado pelo datasheet do ADXL335.Os resistores R1,R2 e R3 são todos resistores de pull-down para garantir que a

5.5 Canais de Entradas DigitaisInicialmente foi definido que o sistema não precisa de entradas digitais mas para

ampliar a gama de aplicação e operação do mesmo foram previstas quatro entradas di-gitais. O microcontrolador ATMEGA328p tem um padrão de nível lógico alto de 5V(COORPORATION, 2011), porém muitas aplicações de alta tensão requerem maior nívelde tensão e por isso é necessário um circuito que permita que essa entrada digital permitaníveis de tensão maiores. O circuito da Figura 18 foi projetado para ampliar a gama deníveis de tensão aceitos na entrada.

Esse circuito considera tem o papel de converter qualquer tensão maior entre 5e 24V como nível lógico alto e abaixo de 5V como nível lógico baixo. Quando o nívelde tensão de entrada é maior que a tensão de threshold (próxima de 0.7V) o transistorQ1 saí da região de corte e passa a conduzir corrente, como mostra a Figura 19. O diodo

5.6. Canais de Acionamentos 53

Figura 18 – Circuito de Interface para Entradas Digitais

zener D1 tem papel fundamental no circuito, o mesmo atua como um regulador de tensão,sendo responsável por garantir que a tensão que polariza o transistor Q2 não será maiorque 5.1V e também limitan a saída do circuito nesse valor. Quando a tensão de entradaé próxima de 0V ambos os transistores entram na região de corte e a tensão de saídavai para 0V graças ao resistor de pull-down R3. Os resistores R1 e R2 tem apenas papelde limitadores de corrente (NEUDECK, 1989). Esse circuito é muito versátil pois podefuncionar com tensão de alimentação acima 5V. O circuito tem funcionamento seguro comtensões de entrada de até 24V, tensões maiores poderiam induzir uma corrente muito altano circuito. Os transistores podem ser praticamente qualquer tipo de transistor NPN,foram escolhidos transistores do modelo BC548 por serem muito comuns no mercado.

5.6 Canais de Acionamentos

Para o projeto são fundamentais pelo menos dois canais para acionamento decomponentes externos. O circuito para ambos canais de acionamento é o mesmo vistoque a única função desses circuitos é na verdade controlar o acionamento de um relê.O relê não pode ser ligado diretamente no microcontrolador pois o microcontrolador éincapaz de fornecer corrente suficiênte para polarizar a bobina do relê, em função dissoserá necessário que o circuito tenha uma fonte externa de corrente controlada por uma

54 Capítulo 5. Detalhamento do Projeto de Sensoriamento e Atuação

Figura 19 – Curva característica transistor bipolar (DESCONHECIDO, 2016a)

saída digital do microcontrolador, para isso será usado um transistor NPN como mostraa Figura 20.

Quando o microcontrolador manda uma tensão de nível lógico alto de 5V para ocircuito, o transistor saí da região de corte e passa a conduzir corrente, e consequentementeuma corrente induzida pela fonte de tensão de 12V passa pela bobina do relê polarizando-a e mudando o estado da chave do mesmo. Quando o microcontrolador passa a mandanível lógico baixo de 0V o transistor vai para a região de corte e para de conduzir corrente.Esse efeito do transistor pode ser melhor observado na Figura 19 da página 54.

Figura 20 – Circuito de Interface para Acionamentos

No circuito da Figura 20 o resistor R2 serve para limitar a corrente que entra nabase do transistor para impedir que muita corrente seja drenada no microcontrolador.

5.6. Canais de Acionamentos 55

O resistor R1 serve como um resistor de pull-down, isto é, quando não existir tensãoproduzida pelo microcontrolador este resistor irá garantir que a tensão de entrada docircuito seja igual a zero. O diodo D1 serve para garantir que nenhuma corrente reversaremanecente na bobina circule na direção contrária a ideal.

No transistor NPN, a corrente no emissor é uma soma das correntes que entramna base e no coletor. Entretanto, a porção da corrente da base que vai pro emissor émínima e quase insiguinificante em relação a corrente que entra no emissor. Dessa formaé necessária uma corrente muito pequena do micrcontrolador para polarizar o transistorequanto a maior parte da corrente vem do coletor onde a mesma é oriunda de uma fonteexterna (NEUDECK, 1989). A Figura 21 motra os terminais de um transistor NPN.

Figura 21 – Transistor NPN (DESCONHECIDO, 2016d)

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6 Considerações e Trabalhos Futuros

6.1 ConsideraçõesO ensaio de frenagem é um elemento fundamental para a indústria automotiva,

graças ao mesmo é possível testar e avaliar a reação de um sistema de freio e até avaliaro desgaste de alguns componentes. A existência de normas, como principalmente a SAEJ2522, facilita esse processo pois as mesmas unificam os testes e criam um padrão confiávelpara os fabricantes de um paradigma de qualidade e bom funcionamento para um sistemadesse tipo.

Após um estudo sobre os principais componentes do hardware ficou evidente queas medições necessárias a serem feitas não são apenas possíveis como também podem serfeitas com excelente precisão, foram necessárias as combinações de diversas soluções paratornar o sistema resiliente e preciso.

Esse estudo verifica a viabilidade do projeto de instrumentação eletrônica da ban-cada de ensaios de frenagem visto que é possível realizar as medições necessárias e ocontrole dos sistemas respeitando todos os requisitos.

6.2 Trabalhos Futuros

6.2.1 Hardware

Será necessário primeiramente revisar todos os circuitos já propostos e realizartestes de acordo com critérios mais rigorosos. Todos as soluções devem ser testadas simul-taneamente afim de avaliar o funcionamento conjunto e dimensionar a fonte necessáriapara alimentar todo o conjunto. Ao fim de todo o projeto e teste de todos os circuitosiniciará o processo de confecção de uma placa de circuito impresso juntamente com umainterface mecânica para alojar a placa de circuito impresso e todos os demais componentesrelevântes.

6.2.2 Software

O Software poderá ser dividido em três partes que devem ser realizadas em sequên-cia:

1. Aquisição de Dados: Essa camada corresponde a operação de garantir que osdados de todos os sensores estão sendo lidos todos simultaneamente de forma correta.

58 Capítulo 6. Considerações e Trabalhos Futuros

2. Simulação de Testes: Camada que corresponde a programar o sistema para re-alizar todos os testes de frenagem de acordo com a norma SAE J2522, e habilitaroperações para o usuário realizar alguns outros testes pré-programados, e ou realizaralgum teste em específico de acordo com a necessidade.

3. Geração dos Relatórios de Ensaio: Consiste em desenvolver uma ferramenta desoftware que a partir dos dados coletados pelos sensores é capaz de desenvolver umrelatório dos ensaios de acordo com a norma SAE J2522 em formato gráfico que ousuário do sistema possa usar para avaliar os resultados provenientes dos ensaios.

6.3 Prováveis Etapas Futuras do ProjetoFoi criado um breve cronograma de etapas e tarefas para a continuação desse

projeto mostrado na Tabela 5. Como o foco dessa primeira parte foi mais focado nainterface bancada-hardware é natural que a continuação do projeto esteja mais ligada acamada de software como já era previsto no início do trabalho.

Tabela 5 – Cronograma de Atividades FuturasEtapa Tarefa Pré-Requisito1 Desenvolvimento da Interface de Aquisição de Dados -2 Teste Soluções Individuais de Aquisição 13 Desenvolvimento de Plataforma para Gerenciamento dos Ensaios -4 Integração Plataforma de Aquisição e de Gerenciamento dos Ensaios 2 e 35 Teste Solução Conjunta 46 Dimensionamento de Fonte e Demais Componentes de Hardware 2 e 37 Fabricação de Hardware Completo do Projeto 68 Criação de Plataforma de Geração de Relatórios de Acordo com norma SAE J2522 29 Estudo de Caso 5,7 e 8

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