WO2023081987A1 - Método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária - Google Patents

Método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária Download PDF

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WO2023081987A1
WO2023081987A1 PCT/BR2022/050347 BR2022050347W WO2023081987A1 WO 2023081987 A1 WO2023081987 A1 WO 2023081987A1 BR 2022050347 W BR2022050347 W BR 2022050347W WO 2023081987 A1 WO2023081987 A1 WO 2023081987A1
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WO
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cntr
counter variable
mwp
reference value
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PCT/BR2022/050347
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English (en)
French (fr)
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Luiz Felipe Kim EVARISTO
Michael Walter
Thiago Mendes PEREIRA
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Robert Bosch Limitada
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B12/00—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
    • B05B12/02—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area for controlling time, or sequence, of delivery
    • B05B12/06—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area for controlling time, or sequence, of delivery for effecting pulsating flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/04—Generating or distributing clock signals or signals derived directly therefrom
    • G06F1/08—Clock generators with changeable or programmable clock frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K21/00—Details of pulse counters or frequency dividers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K23/00—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains
    • H03K23/64—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains with a base or radix other than a power of two
    • H03K23/68—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains with a base or radix other than a power of two with a base which is a non-integer

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling a device to operate with fractional resolution, said device being commanded by a control system that operates with integer resolution. More specifically, said method concerns the modulation of frequency and pulse width of the actuation signal of valves of a sprayer of agricultural inputs in agricultural machines.
  • Agriculture is an economic practice that consists of using soil to grow vegetables in order to guarantee human food subsistence, as well as producing raw materials that are transformed into secondary products in other fields of economic activity.
  • the beginnings of agriculture in civilization date back to a distant past, in which hunter-gatherer peoples turned their attention to certain grains that, when collected for food purposes, could be buried again, that is, sown with the purpose of producing food. new new plants.
  • agricultural implements are equipment capable of performing various functions in agriculture, such as ploughing, sowing, harvesting and spraying substances.
  • PWM pulse width modulation
  • FM frequency modulation
  • Sprayers with PWM can be quite effective, for example, in pest control, reducing environmental contamination, reducing crop damage and maximizing the effectiveness of a given agrochemical fluid. This is because these sprayers with PWM allow the control of the application volume, with variable rate through electronically activated solenoid valves, said solenoid valves being pulsed a designated number of times per second, between an open state and a closed state. The relative proportion of time each valve is open is called the duty cycle.
  • sprayers with frequency modulation allow varying the number of cycles to be performed per second, so that the higher the frequency of operation of the sprayers, the finer the resolution and the faster an agricultural machine can move along of the crop, for example, and still ensure proper spraying along the areas through which it crosses.
  • the spraying system is commanded by a control system (an ECU, for example) that operates at full resolution with a frequency (or clock speed) of up to 1 kHz, which means that its Embedded software is able to perform tasks with a minimum period of 1 ms.
  • the spray system is required to be able to operate in a frequency range from 0 Hz to 50 Hz, with increments of 0.2 Hz and a duty cycle from 0% to 100% in increments of 0.1% and that any combination of frequency and duty cycle within the limits of these ranges is possible.
  • the control system is capable of operating with a clock speed of up to 1 kHz, the operating frequency range is achievable.
  • the frequency and cyclical ratio of operation selected in the setup of the agricultural machine
  • control system could perform 12 or 13 cycles, reaching an open valve period T on of 12 ms or 13 ms, while the 0.5 ms of the valve on period would be neglected.
  • control system hardware
  • spraying system commanded by the control system in question
  • the Fractional-N Divider method basically consists of operating on frequencies (it applies to other physical quantities as well) adjacent submultiples, weighted over time, so that, on average, an intermediate resulting frequency is obtained between them.
  • the base frequency (of the command) is 100 Hz
  • the desired operating frequency (average output frequency) is 24 Hz
  • the submultiples closest to the value of the desired operating frequency would be the submultiple frequencies 20 Hz and 25 Hz (Division of the base frequency 100Hz by 5 and 4 respectively).
  • the desired resultant operating frequency can be obtained by keeping the actual output frequency at 25 Hz for 80% of the time and at 20 Hz for 20% of the time.
  • Document US4365202 discloses a duty cycle generator that predicts the state variation of an output signal based on a counter that depends on the desired duty cycle value.
  • the counting cycles are specifically predetermined in a pattern, which does not occur in the solution of the present invention, given that, in the latter, the counting pattern depends on the residual fractional value at each counting cycle.
  • document US2015171843 reveals a solution that comprises a delay vector (delay array) corresponding to half a clock period, as well as the separation of pulse generators from the integer and fractional part, with the output of the pulse generator integer is connected to the input of the fractional pulse generator, completely different characteristics of the present invention, for example.
  • Another objective is to describe a simple, low-cost and practical solution that makes use of a single register/accumulator (clock);
  • the increment value is established as being equivalent to zero.
  • the device controlled by the method in question is a solenoid-actuated valve and, even more specifically, said solenoid-actuated valve is operatively associated with a sprayer for adjusting the volume of application of agricultural inputs, but other applications are also possible.
  • Figure 1 schematically illustrates the flowchart of the control method of the present invention.
  • Figure 2 is a table showing the iterations of the present control method, according to an example of an operating frequency configuration of 40 Hz and a duty cycle of 10%;
  • Figure 3 is a graph illustrating the data in the table in Figure 2, also showing the iterations of the present control method, according to the example of setting the operating frequency at 40 Hz and a duty cycle of 10 %.
  • said control method comprises storing a value that corresponds to the desired total period T, based on the output frequency fs of a control system, and with the input (setup) of a DC duty cycle, it is possible to calculate the proportion of the entire period in which the output signal must be “enabled”, that is, the energizing period Ton and counting the time elapsed until this value, it is possible to determine a moment to “disable” the output signal .
  • the control system for example an ECU, operating at 1 kHz
  • it is only possible to count every 1 millisecond which is the minimum task time (according to a hypothetical example consistent with the preferred embodiment of the present invention).
  • the key point of the control method in question is related to the fact of resetting only the “integer” part of a count, storing the corresponding “fractional” (non-integer) part for the next cycle.
  • This “pattern” gives the characteristic variation of the signal period between some values which, averaged over time, results in the desired operating parameters relative to the operating frequency f and DC duty cycle.
  • a series of structures contains the necessary parameters inherent to the present method, for each output of the system.
  • Each structure is responsible for storing the desired total period T and the energizing period Ton, the increment value of the counter InctVal, the value of the counter variable Cntr and the operational state of a device D, namely, energized ON or deenergized OFF (or, in other words, open or closed).
  • the counter variable Cntr which stores the count
  • the counter variable Cntr is a 32-bit accumulator/register/counter and, to carry out values smaller than 1 ms, it is determined that bit # 24 of this variable corresponds to 1 ms, for example. According to this determination, 24 bits are used for the fractional part of the count and the another 8 bits are used to store the integer part of the count.
  • the counter variable Cntr comprises a first portion MSB, relative to the 8 most significant bits, to store an integer, and a second portion LSB, relative to the 24 least significant bits, to store a number corresponding to the decimal part (or i.e. not integer).
  • the period is given in milliseconds.
  • each task cycle causes a fractional increment in the count, equivalent to the increment value of InctVal.
  • the energizing period Ton is calculated as the product of the MWP reference value by the DC duty cycle, to determine the moment of switching from the operational state of the controlled device.
  • the MWP reference value basically depends on the number of bits in the counter variable Cntr and how many bits you want to use to store the integer part and the fractional part of a count.
  • this approach makes the counters work as a frequency divider (prescaler) with a base frequency of 1 kHz (due to the task period of 1 ms), in addition to achieving the same effects as Sigma-Delta modulators, in the which refers to the mitigation of spurious signals.
  • the present invention is a method of controlling a device D to operate with fractional resolution, said device D being commanded by a control system which operates with integer resolution (in the example, 1 kHz or 1 ms), device D being able to assume two operational states, namely, energized ON and de-energized OFF, said control method comprising the following steps: configuring a DC duty cycle ; configure an operating frequency f, much lower than the output frequency fs of the control system; establish an MWP benchmark; calculate the energizing period Ton of the device D, which corresponds to the product between the MWP reference value and the DC duty cycle; establish an increment value of InctVal, which corresponds to the product between the operating frequency and the MWP reference value; establishing a counter variable Cntr comprising a first portion MSB relative to an integer and a second portion LSB relative to a decimal (non-integer) number; and starting a first
  • the increment value of InctVal is established as being equivalent to zero, so that the executed routine by the control method in question is in an infinite loop (looping), since, in these cases, what is desired is to keep the device D always de-energized OFF or always energized ON, respectively, and that, therefore, the switching of its operational status is unnecessary.
  • device D controlled by the control method in question is a sprayer and, more specifically, a valve actuated by a solenoid, for adjusting the volume of application of agricultural inputs.
  • the control method in question could be applied to any D device able to be commanded, according to PWFM modulation techniques, by control systems that operate with integer resolutions.
  • figure 2 is a table and figure 3 is a graph illustrating the iterations dt of the present control method, according to an example in which the operating frequency f is determined/configured as being 40 Hz and the DC duty cycle as 10%.
  • the abscissa axis represents the elapsed time, in milliseconds, while the ordinate axis represents the count, that is, the value of the counter variable Cntr.
  • the axis of the abscissas represents the same elapsed time, in milliseconds, while the ordinate axis represents the operational state energized ON (one) and deenergized OFF (zero).
  • the yellow line represents the MWP reference value, while the red line represents the count referring to the Ton energization period.
  • control method of the present invention is capable of achieving the same effects as a Sigma-Delta modulator, with regard to the mitigation of spurious signals, but without including a Sigma-Delta modulator itself .

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Abstract

A presente invenção se refere a um método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária, dito dispositivo sendo comandado por um sistema de controle que opera com resolução inteira. Problema a ser resolvido: Prover uma solução simples, implementada por computador, que não demande da construção física de circuitos divisores de frequência, tampouco de moduladores Sigma-Delta em si, para obter um sinal de saída com uma combinação de frequência e razão cíclica dentro de limites desejados. Resolução do problema: Método de controle incluindo, entre outras etapas: A cada ciclo, comparar o valor da variável contadora Cntr com o valor do período de energização Ton; se o valor da variável contadora Cntr for menor do que o valor do período de energização Ton, manter o dispositivo D no primeiro estado operacional, somar o valor de incremento InctVal à variável contadora Cntr e executar um próximo ciclo; mas se o valor da variável contadora Cntr for igual ou maior do que o valor do período de energização Ton, comutar o dispositivo D para um segundo estado operacional e comparar o valor da variável contadora Cntr com o valor de referência MWP; desta última comparação, se o valor da variável contadora Cntr for menor do que o valor de referência MWP, manter o dispositivo D no segundo estado operacional, somar o valor de incremento InctVal à variável contadora Cntr e executar um próximo ciclo; mas se o valor da variável contadora Cntr for igual ou maior do que o valor de referência MWP, comutar o dispositivo D para o primeiro estado operacional, subtrair o valor de referência MWP da variável contadora Cntr, de modo a resetar sua primeira porção MSB, manter o resto da subtração na segunda porção LSB da variável contadora Cntr e executar um próximo ciclo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO DE CONTROLE DE UM DISPOSITIVO PARA OPERAR COM RESOLUÇÃO FRACIONÁRIA”
Campo da Invenção
[0001] A presente invenção se refere a um método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária, dito dispositivo sendo comandado por um sistema de controle que opera com resolução inteira. Mais especificamente, referido método diz respeito a modulação de frequência e largura de pulso do sinal de atuação de válvulas de um pulverizador de insumos agrícolas em máquinas agrícolas.
Fundamentos da Invenção
[0002] A agricultura é uma prática econômica que consiste no uso dos solos para cultivo de vegetais a fim de garantir a subsistência alimentar do ser humano, bem como produzir matérias-primas que são transformadas em produtos secundários em outros campos da atividade econômica. Os primórdios da agricultura na humanidade remetem a um passado distante, no qual povos caçadores-coletores voltaram sua atenção a determinados grãos que, ao serem coletados com o intuito de alimentação, poderiam ser novamente enterrados, ou seja, semeados com a finalidade de produção de novas plantas novas.
[0003] Com o aumento da população mundial, as culturas do campo tiveram de focar na produtividade para atender à crescente demanda. Diversas técnicas foram desenvolvidas e aprimoradas ao longo do tempo, desde técnicas de irrigação, observações climáticas precisas, melhoramento genético das culturas, evolução dos defensivos agrícolas e criação de fertilizantes mais eficazes.
[0004] Ainda no intuito de otimizar a produtividade, ocorreu, gradativamente, a mecanização do campo, na qual implementos agrícolas cada vez mais avançados foram sendo desenvolvidos. Vale ressaltar que implementos agrícolas são equipamentos capazes de desempenhar diversas funções na agricultura, como arado, semeadura, colheitadeira e pulverização de substâncias.
[0005] Em especial, no que se refere a máquinas e/ou equipamentos agrícolas, estes estão cada vez mais modernos, mais potentes e, ademais, inteligentes e conectados, permitindo que tais equipamentos possuam alta precisão, efetividade de operação e até se comuniquem com seus operadores e outros equipamentos.
[0006] Em especial, e se tratando de pulverizadores de agroquímicos (de fertilizantes ou de defensivos agrícolas), é comumente conhecida a técnica de modulação de largura de pulso (PWM) e modulação de frequência (FM) para controle dos mesmos, sendo que tal controle pode compreender ambas as modulações, numa técnica híbrida PWFM.
[0007] Pulverizadores com PWM podem ser bastante eficazes, por exemplo, no controle de pragas, reduzindo a contaminação ambiental, reduzindo danos à lavoura e maximizando a eficácia de um determinado fluido agroquímico. Isto porque esses pulverizadores com PWM permitem o controle do volume de aplicação, com taxa variável através de válvulas solenoides acionadas eletronicamente, sendo ditas válvulas solenoides pulsadas uma quantidade designada de vezes por segundo, entre um estado aberto e um estado fechado. A proporção relativa de tempo em que cada válvula está aberta é denominada razão cíclica (duty cycle).
[0008] Ainda, pulverizadores com modulação de frequência permitem variar a quantidade de ciclos a serem realizados por segundo, de modo que, quanto maior a frequência de atuação dos pulverizadores, mais fina a resolução e mais rápido uma máquina agrícola pode se deslocar ao longo da lavoura, por exemplo e, ainda assim, garantir a devida pulverização ao longo das áreas pelas quais atravessa.
[0009] Neste sentido, ao se dispor de um pulverizador hábil de ter tanto a razão cíclica quanto a frequência moduladas (PWFM), é possível alcançar um alto grau de precisão no controle da aplicação de fluidos agroquímicos. Em outras palavras, essas técnicas permitem variar a vazão de fluido, ou seja, o volume dispensado, pelo referido pulverizador, de maneira relativamente otimizada.
[0010] No entanto, em função de alguns requisitos de projeto, algumas vezes um ótimo controle PWFM pode restar prejudicado. Em um exemplo prático, tem-se que sistema de pulverização é comandado por um sistema de controle (uma ECU, por exemplo) que opera com resolução inteira com uma frequência (ou velocidade de clock) de até 1 kHz, o que significa que seu software embarcado é hábil de executar tarefas com um período mínimo de 1 ms. Ainda de acordo com esse exemplo, demanda-se que o sistema de pulverização seja hábil de operar em uma faixa de frequência de 0 Hz a 50 Hz, com incrementos de 0,2 Hz e uma razão cíclica de 0% a 100% em incrementos de 0,1 % e que qualquer combinação de frequência e razão cíclica dentro dos limites dessas faixas seja possível.
[0011 ] Visto que o sistema de controle é capaz de operar com uma velocidade de relógio (clock) de até 1 kHz, a faixa de frequências de operação é alcançável. No entanto, e dependendo da frequência e da razão cíclica de operação selecionadas (no setup da máquina agrícola), pode haver necessidade de executar tarefas (abertura da válvula do pulverizador) com períodos de valores não inteiros (resolução fracionária). Mais especificamente, nota-se que, de acordo com os requisitos citados, pode haver a necessidade de manter a válvula do pulverizador aberta por uma quantidade de tempo não inteira, por exemplo, 12,5 ms, quando a frequência selecionada para operação é 20 Hz (período total T = 50 ms) e a razão cíclica é 25% (período de válvula energizada Ton = 12,5 ms). Contudo, e visto que o software embarcado no sistema de controle é hábil de executar tarefas com um período mínimo de 1 ms (resolução inteira), nota-se que o sistema de controle poderia realizar 12 ou 13 ciclos, alcançando um período de válvula aberta Ton de 12 ms ou 13 ms, enquanto o 0,5 ms do período de válvula energizada seria negligenciado.
[0012] Em resumo, de acordo com esse exemplo hipotético, o sistema de controle (hardware) possui uma resolução inteira, a saber, 1 ms, enquanto o sistema de pulverização, comandado pelo sistema de controle em questão, deve operar com uma resolução não inteira (fracionária).
[0013] Para resolver este tipo problema, algumas soluções já são conhecidas do estado da técnica, por exemplo, o método e/ou técnica denominado Fractional-N Divider.
[0014] O método Fractional-N Divider consiste, basicamente, em operar em frequências (se aplica a outras grandezas físicas também) submúltiplas adjacentes, de maneira ponderada ao longo do tempo, para que, na média, obtenha-se uma frequência resultante intermediária entre elas. De maneira exemplificativa, em um caso prático, se a frequência base (do comando) é 100 Hz, mas a frequência de operação desejada (frequência de saída média) é de 24 Hz, tem-se que os submúltiplos mais próximos do valor da frequência de operação desejada seriam as frequências submúltiplas 20 Hz e 25 Hz (Divisão da frequência base 100Hz por 5 e por 4 respectivamente). Assim, a frequência resultante de operação desejada (teórica/média) pode ser obtida mantendo- se a frequência de saída real a 25 Hz por 80% do tempo e a 20 Hz por 20% do tempo. Senhor inventor, favor confirmar os entendimentos deste parágrafo e atentar para as terminologias utilizadas. Caso haja terminologias mais adequadas, sinta-se a vontade para sugerir alterações. Quando esse método é aplicado a sistemas elétricos e/ou eletrônicos, ocorre um problema, porém: a constante e cíclica alternância entre dois valores de frequência de saída reais (de acordo com o exemplo, 20 Hz e 25 Hz), pode ocasionar a geração de sinais espúrios e isso é extremamente indesejado, visto que podem causar interferências bastante prejudiciais ao correto funcionamento do equipamento/sistema em questão. Para resolver essa questão, são também conhecidos do estado da técnica, arranjos/sistemas para implementar um método de modulação denominado Sigma-Delta (ou Delta-Sigma) que consiste em codificar sinais analógicos em sinais digitais codificados e, depois, converter de volta os sinais digitais em sinais analógicos com a utilização de um integrador.
[0015] Ainda neste contexto do estado da técnica, é possível citar, de maneira exemplificativa, os seguintes documentos: US2006181446, US2003076137, US4365202, US2015171843 e US2004258193.
[0016] O objetivo da solução do documento US2006181446 assemelha-se bastante com o objetivo da presente invenção. No entanto, referida solução difere enormemente no que se refere à implementação, uma vez que envolve a construção física dos circuitos para a concretização de um divisor de frequência e do modulador Sigma-Delta, enquanto a presente invenção está relacionada a um método implementado por computador (software embarcado). Além disso, a presente invenção não inclui um modulador Sigma-Delta em si. A solução de referido documento também demanda de um gerador de pulso para gerar um sinal de controle de resolução de frequência, o que também não se faz necessário, de acordo com a solução proposta. [0017] Paralelamente, e também com objetivos similares, o documento US2003076137 descreve um divisor fracionário que faz uso de dois registradores, um para armazenar a divisão pela parte inteira da fração e um para armazenar a parte fracionária. A solução ora proposta pela presente invenção, por sua vez, não demanda de dois registradores. Outra distinção importante é que na solução deste documento, a divisão da frequência se dá por dois valores inteiros diferentes e adjacentes, como é em um divisor fracionário, conforme anteriormente mencionado, enquanto na presente invenção ocorre uma divisão por um único valor, que pode ser não inteiro, inclusive, para gerar o valor de incremento a ser acumulado em cada ciclo de clock de entrada. Ademais, referido documento também descreve que uma segunda borda do sinal de clock dividido é gerada quando o contador se iguala ao valor denominado K/2 e que a primeira borda ocorre quando o contador (re)começa. Independente de qual estado lógico ocorre primeiro, a descrição da borda em K/2 implica automaticamente que a razão cíclica do sinal gerado é 50%. Por outro lado, de acordo com a invenção ora proposta, é possível operar com razões cíclicas selecionáveis - dentro de uma faixa de valores -, de acordo com os parâmetros de configuração da máquina/equipamento (setup).
[0018] O documento US4365202, por sua vez, revela um gerador de razão cíclica que prevê a variação de estado de um sinal de saída baseado em um contador que depende do valor de razão cíclica desejado. De acordo com a solução descrita nesse documento, os ciclos de contagem são especificamente pré-determinados em um padrão, o que não ocorre na solução da presente invenção, haja vista que, nessa última, o padrão de contagem depende do valor fracionário residual a cada ciclo de contagem.
[0019] Ainda, o documento US2015171843 revela uma solução que compreende um vetor de atraso (delay array) correspondente a meio período de clock, assim como a separação de geradores de pulso da parte inteira e fracionária, sendo que a saída do gerador de pulso inteiro é ligada à entrada do gerador de pulso fracionário, características completamente distintas da presente invenção, por exemplo.
[0020] Por fim, o objetivo da solução do documento US2004258193 também se assemelha bastante com o objetivo da presente invenção. No entanto, referida solução difere enormemente no que se refere à implementação. Por se tratar de um método a ser operado por circuitos eletrônicos físicos (e não por um software embarcado), tal solução incorpora algumas características que a distanciam da presente invenção, tal como a separação da divisão inteira e da divisão decimal (fracionária), inclusive com somadores/acumuladores distintos, assim como a solução do documento US2003076137, por exemplo. Da solução do documento US2004258193, nota-se que, apesar de as divisões e somas das partes inteiras e fracionárias serem realizadas simultaneamente, as mesmas são separadas entre si. No método proposto pela presente invenção não há essa separação entre parte fracionária e inteira, sendo que a soma é acumulada em um único somador/acumulador e o valor residual fracionário é levado para o próximo ciclo, conforme será pormenorizadamente detalhado mais a frente.
[0021] Apesar das soluções descritas acima se mostrarem funcionais para os objetivos para os quais foram viabilizadas, nota-se que ainda há lacunas no estado da técnica no que se refere à provisão de uma solução simples para possibilitar que um dispositivo opere com resoluções fracionárias (não inteiras), mesmo quando comandados por um sistema de controle de resolução inteira, implementada por computador, que não demande da construção física de circuitos divisores de frequência, tampouco de moduladores Sigma-Delta, que faça uso de um único registrador/acumulador (clock) e hábil de possibilitar o funcionamento de um dispositivo de acordo com razões cíclicas selecionáveis (variáveis) dentro de uma faixa de valores.
[0022] É com base neste cenário que surge a invenção em questão.
Objetivos da Invenção
[0023] Assim, é objetivo fundamental da invenção em questão revelar uma solução para realizar, simultaneamente, a modulação de frequência e largura de pulso do sinal de atuação de um determinado dispositivo, a exemplo de um pulverizador de insumos agrícolas para máquinas agrícolas, obtendo um controle refinado do mesmo;
[0024] De maneira mais específica, é objetivo da presente invenção descrever um método de controle de um dispositivo para operar com resolução não-inteira (fracionária), dito dispositivo sendo comandado por um sistema de controle que opera com resolução inteira; [0025] Ainda, é objetivo da presente invenção prover uma solução simples, implementada por computador, que não demande da construção física de circuitos divisores de frequência, tampouco de moduladores Sigma-Delta em si;
[0026] Outro objetivo é descrever uma solução simples, de baixo custo e prática, que faça uso de um único registrador/acumulador (clock);
[0027] É também objetivo da presente invenção prover uma solução hábil de possibilitar o funcionamento de um dispositivo de acordo com razões cíclicas selecionáveis (variáveis) dentro de uma faixa de valores.
Sumário da Invenção
[0028] Os objetivos acima resumidos são alcançados por meio de um método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária , dito dispositivo sendo comandado por um sistema de controle que opera com resolução inteira, dito dispositivo sendo hábil de assumir dois estados operacionais, a saber, energizado e desenergizado, dito método de controle compreendendo as seguintes etapas:
[0029] - configurar uma razão cíclica e configurar uma frequência de operação;
[0030] - calcular o período de energização do dispositivo, que corresponde ao produto entre um valor de referência e a razão cíclica;
[0031] - estabelecer um valor de incremento, que corresponde ao produto entre a frequência de operação e o valor de referência;
[0032] - estabelecer uma variável contadora que compreende uma primeira porção relativa a um número inteiro e uma segunda porção relativa a um número fracionário;
[0033] - iniciar um primeiro ciclo com o dispositivo em um primeiro estado operacional e com a variável contadora em um determinado valor, preferencialmente zero;
[0034] - comparar o valor da variável contadora com o valor do período de energização;
[0035] - se o valor da variável contadora for menor do que o valor do período de energização, manter o dispositivo no primeiro estado operacional, somar o valor de incremento à variável contadora e executar um próximo ciclo; mas se o valor da variável contadora for igual ou maior do que o valor do período de energização, comutar o dispositivo para um segundo estado operacional e comparar o valor da variável contadora com o valor de referência;
[0036] - se o valor da variável contadora for menor do que o valor de referência, manter o dispositivo no segundo estado operacional, somar o valor de incremento à variável contadora e executar um próximo ciclo; mas se o valor da variável contadora for igual ou maior do que o valor de referência, comutar o dispositivo para o primeiro estado operacional, subtrair o valor de referência da variável contadora de modo a resetar sua primeira porção, manter o resto da subtração na segunda porção da variável contadora e executar um próximo ciclo.
[0037] Quando a razão cíclica configurada for um valor igual a zero ou a um, o valor de incremento é estabelecido como sendo equivalente a zero.
[0038] Preferencialmente, o dispositivo controlado pelo método em questão é uma válvula atuada por solenoide sendo que, ainda mais especificamente, dita válvula atuada por solenoide é operativamente associada a um pulverizador para regulagem de volume de aplicação de insumos agrícolas, mas outras aplicações são também possíveis.
Descrição Resumida dos Desenhos
[0039] A invenção em questão passa a ser pormenorizadamente detalhada com base na figura ilustrativa abaixo listada:
[0040] A figura 1 ilustra, de maneira esquemática, o fluxograma do método de controle da presente invenção.
[0041 ] A figura 2 é uma tabela que evidencia as iterações do presente método de controle, de acordo com um exemplo de configuração de frequência de operação a 40 Hz e razão cíclica de 10%;
[0042] A figura 3 é um gráfico que ilustra os dados da tabela da figura 2, evidenciando, também, as iterações do presente método de controle, de acordo com o exemplo de configuração de frequência de operação a 40 Hz e razão cíclica de 10%.
Descrição Detalhada da Invenção [0043] Assim, com foco em alcançar os objetivos supracitados, e levando em consideração o que é viável do ponto de vista de programação, foi criado um método de controle que envolve um contador e algumas comparações lógicas.
[0044] Basicamente, referido método de controle compreende armazenar um valor que corresponde ao período total T desejado, com base na frequência de saída fs de um sistema de controle, sendo que, com o input (setup) de uma razão cíclica DC, é possível calcular a proporção de todo o período em que o sinal de saída deve ser “habilitado”, ou seja, o período de energização Ton e contando o tempo decorrido até este valor, é possível determinar um momento para “desabilitar” o sinal de saída. Porém, devido à limitação do ambiente de hardware e software, a saber, o sistema de controle, por exemplo uma ECU, operando a 1 kHz, só é possível contar a cada 1 milissegundo, que é o tempo mínimo da tarefa (de acordo com um exemplo hipotético que condiz com a concretização preferencial da presente invenção).
[0045] O ponto chave do método de controle em questão, portanto, está relacionado ao fato de resetar apenas a parte “inteira” de uma contagem, armazenando a parte “fracionária” (não inteira) correspondente para o próximo ciclo. Este “padrão” dá a variação característica do período do sinal entre alguns valores que, em média ao longo do tempo, resulta nos parâmetros desejados de operação relativos a frequência de operação f e razão cíclica DC.
[0046] Do ponto de vista da programação, uma série de estruturas contém os parâmetros necessários inerentes ao presente método, para cada saída do sistema. Cada estrutura é responsável por armazenar o período total T desejado e o período de energização Ton, o valor de incremento InctVal do contador, o valor da variável contadora Cntr e o estado operacional de um dispositivo D, a saber, energizado ON ou desenergizado OFF (ou, em outras palavras, aberto ou fechado).
[0047] De acordo com a concretização preferencial da presente invenção, a variável contadora Cntr, que armazena a contagem, é um acumulador/registrador/contador de 32 bits e, para realizar valores menores que 1 ms, determina-se que o bit #24 desta variável corresponda a 1 ms, por exemplo. De acordo com essa determinação, 24 bits são usados para a parte fracionária da contagem e os outros 8 bits são usados para armazenar a parte inteira da contagem. Em outras palavras, a variável contadora Cntr compreende uma primeira porção MSB, relativa aos 8 bits mais significantes, para armazenar um número inteiro, e uma segunda porção LSB, relativa aos 24 bits menos significantes, para armazenar um número correspondente à parte decimal (ou seja, não inteira).
[0048] No cálculo dos valores dos campos da estrutura, o período é dado em milissegundos. O valor de incremento InctVal a ser somado a cada ciclo (ou seja, no exemplo, a cada 1 ms) é calculado dividindo o valor de referência MWP, que é um valor equivalente a 1 ms (2 A 24 = 16777216), a menor parte inteira, dentro do software, pelo período total T, ou seja, InctVal = MWP/T. Como resultado, cada ciclo da tarefa ocasiona um incremento fracionário na contagem, equivalente ao valor de incremento InctVal. O período de energização Ton é calculado como o produto do valor de referência MWP pela razão cíclica DC, para determinar o momento de comutação do estado operacional do disposto controlado.
[0049] Aqui vale ressaltar que o valor de referência MWP depende, basicamente, da quantidade de bits da variável contadora Cntr e de quantos bits se deseja utilizar para armazenar a parte inteira e a parte fracionária de uma contagem.
[0050] Sempre que a contagem (ou seja, o valor da variável contadora Cntr) se torna maior que o valor de referência MWP (no exemplo, 16777216, equivalente a 1 ms), a comutação do estado operacional do dispositivo D é realizada e apenas os 24 bits menos significativos da contagem são mantidos. Com isso, o remanescente fracionário é preservado para o próximo ciclo. Ao longo do tempo, na média, a frequência de operação f e a razão cíclica DC desejados, ou seja, configurados no setup da máquina, são alcançados com alta precisão. No final, esta abordagem faz com que os contadores funcionem como um divisor de frequência (prescaler) com uma frequência base de 1 kHz (devido ao período de tarefa de 1 ms), além de alcançar os mesmos efeitos de moduladores Sigma-Delta, no que se refere a mitigação dos sinais espúrios.
[0051] De maneira mais específica, e conforme se nota da Fig. 1 , percebe-se que a presente invenção é um método de controle de um dispositivo D para operar com resolução fracionária, dito dispositivo D sendo comandado por um sistema de controle que opera com resolução inteira (no exemplo, 1 kHz ou 1 ms), o dispositivo D sendo hábil de assumir dois estados operacionais, a saber, energizado ON e desenergizado OFF, dito método de controle compreendendo as seguintes etapas: configurar uma razão cíclica DC; configurar uma frequência de operação f, muito menor do que a frequência de saída fs do sistema de controle; estabelecer um valor de referência MWP; calcular o período de energização Ton do dispositivo D, que corresponde ao produto entre o valor de referência MWP e a razão cíclica DC; estabelecer um valor de incremento InctVal, que corresponde ao produto entre a frequência de operação f e o valor de referência MWP; estabelecer uma variável contadora Cntr que compreende uma primeira porção MSB relativa a um número inteiro e uma segunda porção LSB relativa a um número decimal (não inteiro); e iniciar um primeiro ciclo com o dispositivo D em um primeiro estado operacional (preferencialmente, um estado operacional energizado ON) e com a variável contadora Cntr zerada. A cada ciclo (ou seja, a cada 1 ms), comparar o valor da variável contadora Cntr com o valor do período de energização Ton.
[0052] Assim, se o valor da variável contadora Cntr for menor do que o valor do período de energização Ton, deve-se manter o dispositivo D no primeiro estado operacional, somar o valor de incremento InctVal à variável contadora Cntr e executar um próximo ciclo. Por outro lado, se o valor da variável contadora Cntr for igual ou maior do que o valor do período de energização Ton, deve-se comutar o dispositivo D para um segundo estado operacional e comparar o valor da variável contadora Cntr com o valor de referência MWP.
[0053] Desta última comparação, tem-se que se o valor da variável contadora Cntr for menor do que o valor de referência MWP, deve-se manter o dispositivo D no segundo estado operacional, somar o valor de incremento InctVal à variável contadora Cntr e executar um próximo ciclo. Por outro lado, se o valor da variável contadora Cntr for igual ou maior do que o valor de referência MWP, deve-se comutar o dispositivo D para o primeiro estado operacional, subtrair o valor de referência MWP da variável contadora Cntr, de modo a resetar sua primeira porção MSB, manter o resto da subtração na segunda porção LSB da variável contadora Cntr e executar um próximo ciclo. [0054] Vale ressaltar que por “reset” da primeira porção MSB da variável contadora Cntr, deve-se entender que essa primeira porção MSB é zerada. Ademais, e conforme já mencionado anteriormente, de acordo com o exemplo hipotético, relativo à concretização preferencial da invenção, cabe destacar que cada ciclo dura 1 ms, em função do sistema de controle operar a 1 kHz.
[0055] Particularmente, quando a razão cíclica DC configurada pelo usuário for um valor igual a zero (0%) ou a um (100%), o valor de incremento InctVal é estabelecido como sendo equivalente a zero, de modo que a rotina executada pelo método de controle em questão se encontre em um laço infinito (looping), visto que, nestes casos, o que se deseja é manter o dispositivo D sempre desenergizado OFF ou sempre energizado ON, respectivamente, e que, portanto, a comutação do seu estado operacional se faz desnecessária.
[0056] Preferencialmente, o dispositivo D controlado pelo método de controle em questão é um pulverizador e, mais especificamente, uma válvula atuada por solenoide, para regulagem de volume de aplicação de insumos agrícolas. Alternativamente, o método de controle em questão poderia ser aplicado a qualquer dispositivo D hábil de ser comandado, de acordo com técnicas de modulação PWFM, por sistemas de controle que operam com resoluções inteiras.
[0057] Apenas a título exemplificativo, a figura 2 é uma tabela e a figura 3 é um gráfico que ilustram as iterações dt do presente método de controle, de acordo com um exemplo em que a frequência de operação f é determinada/configurada como sendo 40 Hz e a razão cíclica DC como sendo 10%. Ainda, tem-se que o valor de referência MWP é o mesmo 1 ms (2 A 24 = 16777216), visto que a variável contadora Cntr possui 32 bits e deseja-se que a primeira porção MSB compreenda 8 bits e a segunda porção LSB compreenda 24 bits, de acordo com a modalidade preferencial da presente invenção.
[0058] No gráfico da fig. 3, para a linha verde, representativa da variável contadora Cntr, o eixo das abscissas representa o tempo decorrido, em milissegundos, enquanto o eixo das ordenadas representa a contagem, ou seja, o valor da variável contadora Cntr. Adicionalmente, para a linha azul, representativa do estado operacional do dispositivo D, tem-se que o eixo das abscissas representa o mesmo tempo decorrido, em milissegundos, enquanto o eixo das ordenadas representa o estado operacional energizado ON (um) e desenergizado OFF (zero). A linha amarela representa o valor de referência MWP, enquanto a linha vermelha representa a contagem referente ao período de energização Ton.
[0059] Neste caso, portanto, o período total T é 25 ms e o período de energização Ton é 3 ms (dentro do software, Ton = MWP * DC = 16777216 * 0,1 = 1677721 , enquanto o valor de incremento InctVal = MWP/T = 16777216/25 = 671088. Aqui, nota-se que os valores do período de energização Ton e do valor de incremento InctVal são truncados e suas partes decimais são negligenciadas).
[0060] Do gráfico da figura 3 ainda se nota que, quando a variável contadora Cntr extrapola o valor de referência MWP, ou seja, no seu ponto máximo, tal variável contadora é resetada, mas seu valor não é totalmente zerado, haja vista que o valor remanescente na segunda porção LSB é mantido para a próxima iteração dt, conforme previamente elucidado.
[0061] Conforme o acima descrito, nota-se que os objetivos da presente invenção, a saber, a provisão de uma solução simples, implementada por computador, que não demande da construção física de circuitos divisores de frequência, tampouco de moduladores Sigma-Delta, que faça uso de um único registrador/acumulador (clock) e hábil de possibilitar que um funcionamento de um dispositivo de acordo com razões cíclicas selecionáveis (variáveis) dentro de uma faixa de valores, são totalmente alcançados.
[0062] Ainda, vale destacar novamente que o método de controle da presente invenção é capaz de atingir os mesmos efeitos de um modulador Sigma-Delta, no que se refere à mitigação dos sinais espúrios, porém sem incluir um modulador Sigma-Delta propriamente dito.
[0063] É importante ressaltar que a descrição acima tem como único objetivo descrever de forma exemplificativa a concretização particular da invenção em questão. Portanto, torna-se claro que modificações, variações e combinações construtivas dos elementos que exercem a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados, continuam dentro do escopo de proteção delimitado pelas reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 . Método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária, dito dispositivo sendo comandado por um sistema de controle que opera com resolução inteira, dito dispositivo sendo hábil de assumir dois estados operacionais, a saber, energizado e desenergizado, dito método de controle sendo CARACTERIZADO por compreender as seguintes etapas: configurar uma razão cíclica (DC) e configurar uma frequência de operação (f); calcular o período de energização (Ton) do dispositivo, que corresponde ao produto entre um valor de referência (MWP) e a razão cíclica (DC); estabelecer um valor de incremento (InctVal), que corresponde ao produto entre a frequência de operação (f) e o valor de referência (MWP); estabelecer uma variável contadora (Cntr) que compreende uma primeira porção (MSB) relativa a um número inteiro e uma segunda porção (LSB) relativa a um número fracionário ; iniciar um primeiro ciclo com o dispositivo em um primeiro estado operacional e com a variável contadora (Cntr) em um determinado valor; comparar o valor da variável contadora (Cntr) com o valor do período de energização (Ton); se o valor da variável contadora (Cntr) for menor do que o valor do período de energização (Ton), manter o dispositivo no primeiro estado operacional, somar o valor de incremento (InctVal) à variável contadora (Cntr) e executar um próximo ciclo; mas se o valor da variável contadora (Cntr) for igual ou maior do que o valor do período de energização (Ton), comutar o dispositivo para um segundo estado operacional e comparar o valor da variável contadora (Cntr) com o valor de referência (MWP); se o valor da variável contadora (Cntr) for menor do que o valor de referência (MWP), manter o dispositivo no segundo estado operacional, somar o valor de incremento (InctVal) à variável contadora (Cntr) e executar um próximo ciclo; mas se o valor da variável contadora (Cntr) for igual ou maior do que o valor de referência (MWP), comutar o dispositivo para o primeiro estado operacional, subtrair o valor de referência (MWP) da variável contadora (Cntr) de modo a resetar sua primeira porção (MSB), manter o resto da subtração na segunda porção (LSB) da variável contadora (Cntr) e executar um próximo ciclo.
2. Método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO pelo fato de que quando a razão cíclica (DC) configurada for um valor igual a zero ou a um, o valor de incremento (InctVal) é estabelecido como sendo equivalente a zero.
3. Método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo é uma válvula atuada por solenoide.
4. Método de controle de um dispositivo para operar com resolução fracionária, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que dita válvula atuada por solenoide é operativamente associada a um pulverizador para regulagem de volume de aplicação de insumos agrícolas.
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