UNIVERSIDADE POSITIVO
CADEIRA DE RODAS MOTORIZADA
SISTEMA DE POTÊNCIA
Curitiba, 2010
Max Dias
Thiago Martins dos Santos
CADEIRA DE RODAS MOTORIZADA
SISTEMA DE POTÊNCIA
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Positivo,
na disciplina de Trabalho de Conclusão de
Curso, como requisito para obtenção do grau
de Engenheiro Eletricista, sob a orientação do
Prof. Solivan Arantes Valente.
Curitiba, 2010
“Determinação coragem e autoconfiança
são fatores decisivos para o sucesso. Se
estamos
possuídos
determinação
por
uma
conseguiremos
Independentemente
das
inabalável
superá-los.
circunstâncias,
devemos ser sempre humildes, recatados e
despidos de orgulho.”
Dali Lama
AGRADECIMENTO
Quero agradecer em primeiro lugar, a DEUS nosso senhor, pela a
sabedoria, saúde e paz para enfrentar mais uma etapa de minha vida.
Agradeço aos meus pais Milton Martins dos Santos e Eurides de Souza Martins
dos Santos, a minha irmã Thais Carolinne M. dos Santos e minha tia Maria
Cleusa Martins dos Santos, pela compreensão, incentivo e força, nas horas
mais difíceis que passei. Não posso esquecer-me dos meus amigos e
familiares que me incentivaram e me apoiaram durante as minhas ausências.
“Entrega o teu caminho ao Senhor; confia Nele, e Ele tudo fará.” (Salmos 37,5).
Thiago Martins dos Santos
Obrigado!
Max dias
RESUMO
Projeto desenvolvido para locomoção de pessoas portadoras de
deficiências motoras, visando a montagem de uma cadeira de rodas
motorizada com baixo custo. Com o intuito de montar uma cadeira de rodas
semelhante ao que o mercado vende, o projeto foi desenvolvido com a
intenção de customizar uma cadeira de rodas motorizada com alguns
periféricos importantes na sua utilização que possam ajudar o cadeirante no
seu uso do dia-dia.
Palavras-chaves: Cadeira de rodas motorizadas.
ABSTRACT
Project designed for transportation of people with physical disabilities in
order to mount a motorized wheelchair with low cost. In order to build a
wheelchair similar to what the market sells the project was developed with the
intent to customize a motorized wheelchair with some important peripheral in its
use that could help the wheelchair in their use of day to day.
Keywords: Wheelchair motorized.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1
1.1 PROBLEMA ................................................................................................. 2
1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................... 2
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 3
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 5
2.1 MOTORES ELÉTRICOS ............................................................................. 5
2.2 ACUMULADORES DE ENERGIA ............................................................... 7
2.3 CARREGADOR DE BATERIAS .................................................................. 9
2.4 JOYSTICK / BARGRAPH .......................................................................... 10
3. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PRELIMINARES ........................................... 11
3.1 VISÃO GERAL .......................................................................................... 11
3.2 DESCRIÇÃO FUNCIONAL DOS BLOCOS ............................................... 12
3.2.1 Carregador de Baterias........................................................................ 12
3.2.2 Acumuladores de Energia.................................................................... 13
3.2.3 Motores ................................................................................................ 13
3.2.4 Ponte H ................................................................................................ 14
3.2.5 Joystick / Bargraph .............................................................................. 15
3.3 DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO ................................ 16
3.3.1 Carregador de baterias ........................................................................ 16
3.3.2 Acumuladores de energia .................................................................... 17
3.3.3 Motores ................................................................................................ 17
3.3.4 Ponte H ................................................................................................ 20
3.3.5 Joystick / Bargraph .............................................................................. 24
3.4 PLANEJAMENTO - CRONOGRAMA DE IMPLANTAÇÃO........................ 26
4. IMPLEMENTAÇÃO ........................................................................................... 27
4.1 DESCRIÇÃO DA MONTAGEM ................................................................. 27
4.2 TESTES, MEDIÇÕES E CONFIGURAÇÕES ............................................. 28
4.2.2 Bargraph .............................................................................................. 30
4.2.3 Motores ................................................................................................ 32
4.2.4 Ponte H ................................................................................................ 33
4.2.5 Joystick / Bargraph .............................................................................. 36
4.4 Placas de Circuito Impresso ...................................................................... 37
4.4.1 Carregador de baterias ........................................................................ 37
4.4.2 Acumuladores de energia .................................................................... 38
4.4.3 Motores ................................................................................................ 38
4.4.4 Ponte H ................................................................................................ 38
4.4.5 Joystick / Bargraph .............................................................................. 40
5.RESULTADOS ................................................................................................... 41
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS/ CONCLUSÃO ...................................................... 43
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 45
APÊNDICE A ........................................................................................................ 47
APÊNDICE B ........................................................................................................ 49
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Simbolo Universal de Acesso ................................................................. 2
FIGURA 2 – Cadeira de Rodas ................................................................................... 3
FIGURA 3 – Motor CC................................................................................................. 6
FIGURA 4 – Bateria chumbo-ácido ............................................................................. 8
FIGURA 5 – Bargraph ............................................................................................... 10
FIGURA 6 – Joystick ................................................................................................. 10
FIGURA 7 – Diagrama de Blocos do sistema ........................................................... 11
FIGURA 8 – Diagrama de partes .............................................................................. 12
FIGURA 9 – Ponte H sentido anti-horário ................................................................. 14
FIGURA 10 – Diagrama funcional ............................................................................. 15
FIGURA 11 – Direção e sentidos de deslocamento .................................................. 16
FIGURA 12 – Diametro da roda ................................................................................ 18
FIGURA 13 – Curvas características do motor ......................................................... 20
FIGURA 14 – Curva de temperatura IRF 1405 ......................................................... 21
FIGURA 15 – Curva de Tensão IRF no Vgs 1405..................................................... 22
FIGURA 16 – Diagrama Ponte H .............................................................................. 24
FIGURA 17 – Diagrama Joystick............................................................................... 25
FIGURA 18 – Cronograma de implantação da fase III .............................................. 26
FIGURA 19 – Diagrama Carregador de baterias....................................................... 29
FIGURA 20 – Montagem do Carregador de baterias ................................................ 30
FIGURA 21 – Montagem do Bargraph ...................................................................... 31
FIGURA 22 – Motor CC............................................................................................. 32
FIGURA 23 – Polia de redução ................................................................................. 33
FIGURA 24 – Montagem da Ponte H ........................................................................ 34
FIGURA 25 – Placa de Potência da Ponte H ............................................................ 35
FIGURA 26 – Placa de Potência da Ponte H ............................................................ 35
FIGURA 27 – Diagrama do Carregador de Bateria ................................................... 37
FIGURA 28 – Diagrama de Potência da Ponte H GND ............................................. 39
FIGURA 29 – Diagrama de Potência da Ponte H VCC ............................................. 39
FIGURA 30 – Diagrama completo da Ponte H .......................................................... 39
FIGURA 31 – Diagrama sistema de Controle............................................................ 40
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Tempo de recarga ................................................................................ 16
TABELA 2 – Tabela verdade do HIP 4081 ................................................................ 23
LISTA DE ABREVIAÇÕES
A/D – Analógico /Digital
Ah – Ampére hora
CA – Corrente Alternada ou (Ac)
CC – Corrente Contínua ou (Dc)
ERB – Estações Rádio Base
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
km – Quilômetros
Ncm – Newton centímetros – unidade de torque.
PWM - Pulse-Width Modulation – modulação por largura de pulso.
RPM – Rotações por minuto
VAC – Tensão alternada ou (VCA)
VDC – Tensão contínua ou (VDC)
1
1.
INTRODUÇÃO
Com o objetivo de auxiliar na locomoção de portadores de deficiência
física, a cadeira de rodas é um dos meios de transporte disponíveis. Este
documento mostra o desenvolvimento da adaptação de uma cadeira de rodas
convencional para um modelo de cadeira de rodas motorizada, utilizando
motores elétricos, que são alimentados por baterias e controlados por um
joystick. Foi projetado um carregador de baterias, que por medidas de
segurança é um acessório externo a cadeira de rodas além de otimizar a
questão de espaço e peso de sobressalentes. A figura 1 mostra o símbolo
universal de acesso, que normalmente encontra-se em locais que indicam
alguma exclusividade para pessoas que se enquadram neste perfil. No site do
Centro de Apoio Operacional às Promotorias de Defesa do Portador de
Deficiência temos:
“A adoção do símbolo foi o ponto culminante de um programa de três anos desenvolvido
pelo Comitê Internacional de Ajudas Técnicas da RI, o qual nomeou um grupo de nove
peritos, ligados a diversas áreas pertinentes, para julgar os muitos trabalhos
apresentados. Alguns dos critérios da seleção: o desenho não poderia ser ambíguo; sua
forma seria simples, porém estética; seu significado teria de ser facilmente reconhecível;
o desenho seria identificável mesmo a certa distância; sua reprodução seria viável em
todos os tamanhos e tipos de material.”
2
Símbolo universal de acesso
FIGURA 1
Fonte: http://www.ppd.caop.mp.pr.gov.br/modules/conteudo/conteudo.php?conteudo=58
1.1
PROBLEMA
Conforme dados do Censo de 2000 do IBGE (Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatística) O número de deficientes no Brasil é de 24,5 milhões.
Dentre estes existem cerca de 7,5 milhões com deficiência motora – incapaz ou
com alguma dificuldade permanente de caminhar. Segundo o Jornal Gazeta do
Povo em seu caderno Vida e Cidadania, pagina 4, publicado em 4 de maio de
2010, em Curitiba cerca de 300.000 moradores têm alguma deficiência. A
cadeira de rodas é uma das maneiras de auxiliar portadores de patologias que
necessitem de auxílio para sua locomoção.
1.2
JUSTIFICATIVA
Com
números
considerados
expressivos
e
levando-se
em
consideração que a grande maioria dos cadeirantes não utiliza o modelo
motorizado devido ao custo de aquisição, o presente trabalho tem o foco na
3
redução do custo de adaptação dos modelos convencionais para os modelos
motorizados, com um produto final com características muito semelhantes às já
existentes no mercado, com relação à autonomia das baterias e segurança nos
deslocamentos. A figura 2 é uma ilustração de uma cadeira de rodas
convencional comparada com uma cadeira de rodas motorizada.
Cadeira de rodas
FIGURA 2
Fonte: http://www.casaortopedica.com.br
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
O desenvolvimento do trabalho tem por objetivo promover a agilidade
de deslocamento de usuários de cadeira de rodas, no intuito de diminuir os
esforços físicos necessários para tais deslocamentos, por meio da adaptação
da motorização em uma cadeira manual com uma relação custo/benefício mais
acessível à grande maioria dos seus usuários do que as cadeiras disponíveis
no mercado.
A cadeira motorizada é equipada com um par de motores elétricos, que
são alimentados por baterias e com o controle feito por um joystick. Todo o
sistema é gerenciado por um microcontrolador, que recebe as informações de
4
direção e sentido do joystick e comanda o deslocamento da cadeira de rodas
de acordo com os sinais recebidos.
O carregador de baterias é um acessório da cadeira de rodas
motorizada e tem por objetivo recarregar as baterias do sistema; o cadeirante
pode visualizar o estado de da carga da bateria através de um indicador
luminoso (bargraph de LEDs).
5
2.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1
MOTORES ELÉTRICOS
Os motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica
em energia mecânica, a qual é normalmente disponibilizada em um eixo em
rotação.
Os motores elétricos são divididos em duas grandes famílias: motores
CC e motores CA. Entre estes motores há algumas vantagens e desvantagens
que vão desde o custo/beneficio, até às suas características construtivas: o
tamanho do motor pode ser um diferencial. Com relação ao custo/benefício em
ambientes industriais, o motor CA acionado por inversor de freqüência tem uma
vantagem sobre o CC, pois seus custos de aquisição e manutenção são
melhores comparados a esse último.
No projeto em questão o torque dos motores é uma característica
importante, quando comparadas estas entre os modelos de CA e CC, o
segundo leva vantagem, pois para os motores CA o torque está diretamente
relacionado às suas características construtivas, o que o deixa com uma
robustez maior, implicando assim em um custo maior. Outra vantagem neste
projeto a favor da utilização dos motores CC é que a alimentação é feita com
baterias que fornecem tensão contínua, evitando componentes a mais para
realizar a conversão de tensão para os motores CA.
Sobre os aspectos construtivos dos motores CC, pode-se afirmar que
eles são compostos por duas estruturas magnéticas, o estator e o rotor. A
primeira que é a parte fixa do motor é composta por uma estrutura
ferromagnética com pólos salientes nos quais são enrolados as bobinas
formando o campo magnético, podendo ser também composto por um imã
6
permanente.
Já o rotor é considerado o circuito induzido. É um eletroímã
constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos na sua superfície que são
alimentados por um sistema mecânico de comutação. A figura 3 é uma
ilustração dos componentes construtivos de um motor CC.
Motor CC
FIGURA 3
Fonte: http://static.hsw.com.br/gif/motor-labels.gif
Em seu funcionamento o rotor precisa de um torque para iniciar o giro.
Este torque é produzido por forças magnéticas que são desenvolvidas entre os
pólos magnéticos do rotor e do estator. Estas forças de atração ou repulsão
entre estator e rotor empurram ou puxam os pólos móveis do rotor, o que
origina um torque, girando o rotor gradativamente e obtendo gradativamente
maiores velocidades.
Quando os atritos e cargas ligadas ao eixo reduzem o torque resultante
o rotor passa a girar com velocidade angular constante. Por este motivo, tanto
o rotor quanto o estator devem possuir pólos magnéticos, pois estas forças
7
entre os pólos produzem o torque necessário para que o rotor gire. Outro
detalhe é que mesmo que ímãs permanentes sejam usados, principalmente em
pequenos motores, pelo menos um dos ímãs destes motores devem ser
eletroímãs.
Isto implica que na construção dos motores CC os ímãs não poderão
ser exclusivamente permanentes, pois não haveria o torque inicial para se
iniciar o movimento se eles já estiverem, por exemplo, em suas posições de
equilíbrio e os mesmos só oscilariam em tornos da sua posição original,
mesmo recebendo uma ajuda externa.
2.2
ACUMULADORES DE ENERGIA
O acumulador de energia, ou bateria, é um dispositivo eletroquímico
capaz de transformar energia química em energia elétrica, a qual também é
armazenada. As baterias podem ser carregadas e descarregadas por mais de
uma vez. A figura 4 mostra os principais componentes de uma bateria chumbo
ácido.
8
Bateria chumbo-ácido
FIGURA 4
Fonte: Apostila de treinamento técnico em baterias automotivas da Johnson Controls.
Os principais componentes de uma bateria são:
� Grade: tem a função de condução elétrica na bateria, sua constituição é
de chumbo.
� Placas: são formadas pelo conjunto da grade com a massa ativa, tanto
as positivas quanto as negativas têm composições diferentes.
� Envelope separador: sem a função de isolar as placas impedindo o
curto-circuito.
� Bloco de placas: é formado pelo conjunto de placas positivas, negativas
e separadores.
9
� Pólos: responsáveis pela entrada e saída da energia acumulada na
bateria.
� Indicador de carga: tem a função de indicar o estado da carga na
bateria.
Dentre os modelos de baterias possíveis de ser utilizadas neste
projeto, optamos pela bateria de chumbo-ácido usualmente utilizada em
automóveis. Este nome vem da combinação dos elétrons de chumbo e do
ácido utilizado nestes modelos de baterias. Uma das vantagens é sua
produção barata, pois o chumbo é um metal de baixo custo; outra vantagem
vem da sua simplicidade de fabricação. No momento em que a bateria de
chumbo-ácido está sendo descarregada, ela gera uma combinação da parte do
ácido do eletrólito com o material ativo das placas, ocorrendo uma reação
química que faz alteração do material em ambas as placas, originando o sulfato
de chumbo.
2.3
CARREGADOR DE BATERIAS
O carregador de baterias é um componente externo à cadeira de rodas,
por dois motivos: o primeiro refere-se à segurança da cadeirante, pois existe o
risco de explosão da bateria durante o processo de recarga: o segundo está
relacionado ao peso e à otimização de espaço na cadeira de rodas motorizada.
Para a utilização do carregador não é necessária a retirada das baterias da
cadeira.
10
2.4
JOYSTICK / BARGRAPH
É um dispositivo eletrônico que tem atuação nos eixos x(horizontal) e
y(vertical); seu funcionamento é através de potenciômetros que variam seus
valores de resistência em uma faixa pré-determinada de acordo com a
utilização ou necessidade do mesmo. Neste trabalho tem a função de definir os
sentidos de deslocamento. É embutido um bargraph (figura 5) que mostra a
situação de carga das baterias. A figura 6 mostra um joystick direcionado para
os eixos x e y.
Bargraph
JOYSTICK
BARGRAPH
FIGURA 5
Fonte: Própria
Joystick
FIGURA 6
Fonte: http://www.etisystems.com/joydesign.asp#knobs
11
3.
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PRELIMINARES
3.1
VISÃO GERAL
A adaptação de uma cadeira de rodas convencional em um modelo
motorizado pode ser mostrada em um diagrama de blocos como o da figura 07.
Neste diagrama observam-se os itens dispostos resumidamente de modo
seqüencial.
Um carregador de baterias como único componente não embarcado na
cadeira de rodas motorizada com a função de recarregar as baterias do
sistema. Um par de baterias como fonte de tensão do sistema, motores
elétricos dispostos nos eixos das rodas como força motriz, estes recebem
informações do sistema de controle que, por conseguinte convertem os sinais
analógicos do joystick internamente através dos conversores A/D incorporados
ao mesmo.
Diagrama de blocos
FIGURA 7
Fonte: Própria
12
3.2
DESCRIÇÃO FUNCIONAL DOS BLOCOS
Para um melhor entendimento de cada bloco funcional do sistema a
figura 8 faz o detalhamento dos mesmos.
Diagrama de partes
1
2
3
4
5
FIGURA 8
Fonte: Própria
1 – Carregador de baterias
2
– Acumulador de energia (bateria)
3 – Motores
4 – Sistema de controle
5 – Joystick / Bargraph
3.2.1
Carregador de Baterias
Tem a função de recarregar as baterias do sistema quando a cadeira
de rodas motorizada não estiver em uso, pois é um acessório da cadeira de
rodas não embarcado na mesma para garantir total segurança ao usuário. Este
dispositivo eletrônico faz a conversão de entrada de 127/220 VAC para um
nível de tensão DC necessário para que a bateria seja recarregada. Não é
13
necessário a retirada das baterias da cadeira de rodas para a utilização do
carregador. Este dispositivo eletrônico tem algumas características importantes
para o seu correto funcionamento a fim de aumentar a durabilidade das
baterias. Seu método de recarga para este projeto é baseado na inserção de
carga na bateria com tensão e corrente fixa no valor de 10% da corrente total.
Além disso, o carregador interrompe o processo de recarga quando for
identificado eletronicamente que a bateria esta com sua capacidade máxima de
carga, evitando assim o sobreaquecimento da mesma.
3.2.2
Acumuladores de Energia
As baterias exercem a função da fonte de tensão de corrente contínua
para os motores elétricos e para os sistemas eletrônicos embarcados na
cadeira de rodas motorizada. Este dispositivo esta interligado a placa do
sistema de controle de potência do circuito. O bargraph será disposto próximo
ao joystick a fim de informar ao cadeirante qual é a situação de carga destas
baterias.
3.2.3
Motores
Os motores elétricos têm a função efetiva de promover o deslocamento
da cadeira de rodas motorizada, eles estão acoplados a uma caixa de redução
instalada ao eixo da roda da cadeira. Estes motores são de corrente contínua
por possuir uma região de potência relativamente constante com uma rápida
aceleração e desaceleração.
14
3.2.4
Ponte H
O sistema de controle de potência é feito por uma ponte H, que recebe
os sinais gerados
pelo microcontrolador, estes sinais de
saída
do
microcontrolador não suportam a corrente necessária e nem possuem a tensão
adequada para acionar os motores CC. A função da ponte além de mudar o
sentido de rotação do motor (Figuras 09) e de suportar as tensões e correntes
necessárias para o funcionamento do motor. Além disso, a ponte H controlada
pelo microcontrolador contribui diretamente nos deslocamentos em sentidos
diagonais, quando o joystick for acionado para frente e direita ao mesmo
tempo, nesse instante os sinais PWM do microcontrolador acionam a ponte de
tal forma que os motores não trabalhem mais em sincronismo, para este caso
especificamente o motor da roda esquerda esta com um RPM maior do que o
da roda direita. A figura 10 mostra os movimentos para frente, marcha ré e nas
diagonais.
Ponte H sentido anti-horário
Figura 09
Fonte: Própria
15
Diagrama funcional
Figura 10
Fonte: Própria
3.2.5
Joystick / Bargraph
O joystick é a interface do cadeirante com a cadeira de rodas
motorizada. Foi desenvolvido para controlar a velocidade, direção e sentido nos
deslocamentos dos motores. Juntamente com o joystick é implantado um
bargraph que sinaliza qual a condição de carga das baterias. A figura 11
mostra as direções e sentidos possíveis para os deslocamentos do sistema.
Direção e sentidos de deslocamento
FIGURA 11
Fonte: Própria
16
3.3
3.3.1
DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO
Carregador de baterias
A bateria é carregada com uma corrente equivalente de no máximo
10% da sua capacidade nominal, ou seja, para a bateria de 62 Ah sua corrente
de recarga é de 6,2 A. Com relação ao tempo de recarga, a tabela 1 a seguir
contém o tempo necessário de recarga, com corrente constante de 10% da
capacidade nominal:
Tensão da bateria em vazio (v)
Tempo de recarga (horas)
12,00 a 12,20
6 a 12
11,80 a 11,99
10 a 26
11,50 a 11,79
16 a 20
11,00 a 11,49
20 a 24
Baterias profundamente descarregadas
24 a 30
Tabela 1
Fonte: Apostila de treinamento técnico em baterias automotivas da Johnson Controls.
A alta corrente necessária para carregar as baterias, é conseguida
através do transistor de potencia 2n3055, que esta em paralelo na saída de
tensão do regulador LM 317. Através do potenciômetro que esta ligada no
regulador LM 317 é ajustado à corrente de carga. No inicio do carregamento, a
corrente esta alta e vai diminuindo conforme a bateria vai se carregando. O
trafo é de 18v 7A e uma ponte retificadora de 600v 10A, para fazer a
17
transformação da tensão alternada para tensão continua. O uso de uma
ventoinha para refrigeração do circuito é indispensável.
3.3.2
Acumuladores de energia
O modelo escolhido do acumulador de energia é uma bateria de
chumbo-ácido usualmente utilizada em estações radio base (ERB). Pois a
corrente nominal da bateria é de 62Ah e tensão 12v, dando uma autonomia
maior para o uso da cadeira de rodas motorizada.
A faixa de temperatura operacional para o uso da bateria em
aplicações é de -40° a 50° C. O desempenho híbrido e aplicações não são
afetados por elevadas temperaturas, desde que a temperatura máxima da
bateria não ultrapasse de 50° C.
O desempenho cíclico da bateria de chumbo é fornecer capacidade de
níveis superiores, a fim de realizar o ciclo de vida, as baterias são
desenvolvidas ao pleno estado de carga usando as opções de carga
recomendada pelo regime do fabricante, antes do inicio do ciclo de alta que
vem operando em estado parcial, a carga reduz significativamente o ciclo de
vida.
3.3.3
Motores
O motor elétrico escolhido é um modelo de motor CC, uma de suas
características importantes é o fato destes possuírem uma região de potência
relativamente constante e ainda podemos considerar uma rápida aceleração e
18
desaceleração. Para o projeto é utilizado um modelo da fabricante Bosch, F
006 KM0 611. A figura 13 mostra as curvas características do motor, dentre
estas características temos 2600RPM de velocidade máxima assim como
torque de 350Ncm. Sendo que para a implementação do projeto, foi calculado
as necessidades de velocidade e torque necessário para os deslocamentos da
cadeira de rodas motorizada, considerando a massa do conjunto em si
(cadeira, motores, baterias e adaptações) e um usuário cadeirante de
aproximadamente 80kg.
Como a rotação por minuto do motor é muito elevada, e a relação de
velocidade e torque é sempre inversamente proporcional, ou seja, quanto
menor a velocidade maior o torque, desta forma, de acordo com os cálculos
que foram apresentados, chegou-se a conclusão da necessidade de adaptação
de uma polia de redução acoplada ao eixo do motor. Desta forma chegou-se a
valores que atendem tanto o problema de velocidade quanto de torque
necessário para o correto funcionamento da cadeira de rodas motorizada. Os
valores calculados de acordo com as formulas abaixo foram;
Diâmetro da roda
FIGURA 12
Fonte: Própria
19
Formula 1 – Circunferência da roda, é considerado o diâmetro de 61cm da roda
da cadeira de rodas motorizada, logo seu raio é de 0,305m o que resultou em
uma circunferência de 1,916m.
Formula 2 – Velocidade máxima da cadeira de rodas, considerando a
circunferência calculada na formula 1, chegou a uma velocidade máxima que
foi aproximada em 7km/h.
Formula 3 – Calculo da aceleração considerando o tempo máximo para chegar
na velocidade desejada.
Formula 4 – A força necessária para o deslocamento da cadeira de rodas
motorizada, considerando a massa total da cadeira com um cadeirante.
20
Curvas características do motor
FIGURA 13
Fonte: Catálogo de motores elétricos da Bosch.
3.3.4
Ponte H
O sistema de controle recebe as informações de PWM do PIC para
controlar as velocidades e torque do motor, a figura 14 mostra em detalhes
este processo, os valores resistivos vindos do joystick entram no conversor AD
do PIC, estes sinais vão à forma de PWM para a ponte H e comanda os
motores. A
Figura
14 mostra
o comportamento
da
ponte
H.
O calculo dos componentes necessários para a construção da ponte H, foi
considerado os dados fornecidos pelos fabricantes de motores utilizados no
sistema, a corrente estimada de partida do motor foi de 125ª, ou seja cinco
vezes o valor da corrente nominal do motor elétrico da Bosch, F 006 KM0 611.
Os MOSFET´s escolhidos para esta implementação foram o IRF 1405, que
dentre suas características contidas em seus datasheet observamos que o
21
mesmo pode suportar até 169A, como seu encapsulamento é o TO-220 a
corrente de trabalho passa a ser de 75A como mostra a figura 14, o que tornase importante neste caso é um bom sistema de arrefecimento, pois fica claro
que a temperatura acaba limitando o valor de corrente que o componente pode
suportar.
Curva temperatura IRF 1405
Figura 14
Fonte: Datasheet IRF 1405
Outra característica importante esta relacionada a tensão aplicada no
gate do IRF chamada Vgs, de acordo com a figura 15 mostra uma relação
diretamente proporcional entre a Vgs e a corrente de trabalho do componente,
ou seja, quanto maior a tensão maior a corrente. Os valores são bem próximos
22
também quando considerarmos a menor ou maior temperatura de junção do
encapsulamento.
Curva de Tensão IRF no Vgs 1405
Figura 15
Fonte: Datasheet IRF 1405
A base do MOSFET é sensível a altas ou baixas tensões, mesmo que
aplicadas por curtos períodos de tempo, por conta disto, foram instalados
diodos para prover esta proteção assim como resistores em paralelo a fim de
limitar eventuais problemas com as correntes indesejadas.
Para o acionamento do MOSFET é implementado um driver controlador
de ponte H HIP 4081, responsável por fornecer tensões e correntes
23
necessárias para os acionamentos dos MOSFET´s, este driver apresenta
características importantes quando comparadas com as necessidades do IRF
1405, seu fornecimento de tensão para o Vgs, por exemplo, pode chegar a 20
V, o controle de ponte H se da por completo. Caso necessário pode-se
controlar apenas um dos lados, de acordo com a necessidade pode-se
inclusive desabilitar as quatro entradas de PWM a fim de deixar o sistema
inoperante. Este driver controlador tem 4 entradas além de uma entrada para
desabilitar o driver, a tabela 2 é a tabela verdade que compara a relação entre
as entradas e saídas do HIP 4081.
Tabela 2
Fonte: Datasheet HIP 4081
Quando o pino DIS estiver com seu nível de tensão diferente de zero, as
saídas estão desabilitadas, neste caso deixamos esta entrada sempre com
nível de tensão em baixo e optamos em deixar as entradas AHI e BHI sempre
em nível alto, sendo que o controle de inversão de acionamento que tem quatro
saídas ficou a cargo somente das entradas ALI e BHI e a função de parada do
24
sistema ficou a cargo de uma chave geral que garante maior segurança e
simplicidade. A figura 17 mostra o circuito da ponte H.
Diagrama Ponte H
FIGURA 16
Fonte: Própria
3.3.5
Joystick / Bargraph
A característica construtiva de um joystick é baseada em dois
potenciômetros distintos que enviam sinais com valores resistivos para o
sistema de controle. O modelo escolhido tem variação entre 10 Ohms e 10K
Ohms. Estes valores são enviados para o conversor A/D do PIC, e por sua vez
envia sinais de PWM para o sistema de controle de potencia dos motores
25
elétricos. O bargraph é constituído de um circuito eletrônico que vai monitorar o
estado da carga das baterias, a visualização para o cadeirante é feita através
de um bargraph de LEDs instalados ao entorno do joystick.
Diagrama Joystick
FIGURA 17
Fonte: http://media.digikey.com/photos/CTS%20Photos/252A103B60NA.jpg
26
3.4
PLANEJAMENTO - CRONOGRAMA DE IMPLANTAÇÃO
A figura 18 mostra o cronograma de implantação da fase 3 do trabalho
de conclusão de curso em questão.
Cronograma de implantação da fase III.
FIGURA 18
Fonte: Própria
27
4.
IMPLEMENTAÇÃO
4.1
DESCRIÇÃO DA MONTAGEM
A premissa do projeto é a redução do custo da adaptação de um modelo
convencional de cadeira de rodas para um modelo motorizado, foi utilizados
dois motores CC automotivos comumente encontrados em ventoinha de
radiadores. Como a rotação por minuto do motor é muito elevada, e a relação
de velocidade e torque é sempre inversamente proporcional, ou seja, quanto
menor a velocidade maior o torque. De acordo com os cálculos já apresentados
nos capítulos anteriores, chegou-se a conclusão da necessidade de adaptação
de uma polia de redução acoplada ao eixo do motor. A estrutura da cadeira foi
parcialmente modificada para o acoplamento dos motores e acondicionamento
das baterias, assim como a necessidade da troca do cubo da roda original da
cadeira de rodas convencional e também do enraiamento da mesma, de forma
a propiciar um encaixe mecânico ideal entre o pneu e a polia de redução
adaptada ao eixo do motor. Foi necessária a instalação de um suporte para o
joystick
da
cadeira
de
rodas
motorizadas,
neste
suporte
ainda
foi
acondicionados os LED´s do bargraph onde o usuário poderá observar as
condições de carga das baterias, também foi projetado um carregador de
baterias.
As principais dificuldades neste processo foram as adaptações
mecânicas, incluem-se nelas modificações de estrutura da cadeira, soldas de
placas de alumínio para acondicionar as baterias, acoplamento da polia de
redução que substitui um conjunto de caixa de redução com engrenagens o
que deixaria o projeto financeiramente inviável.
28
Com relação à parte eletrônica do projeto, as principais dificuldades
foram no funcionamento da ponte H, que por sua vez não suportou a demanda
de corrente necessária para tirar o motor do repouso e ocasionou em
pesquisas e cálculos mais precisos com relação a estes problemas assim como
um sistema de arrefecimento adequado. Para a implementação do sistema de
potência da cadeira de rodas motorizada, foi necessário utilizar placas de
circuito impresso distintas, subdivididas em componentes de controle e de
potência.
4.2 TESTES, MEDIÇÕES E CONFIGURAÇÕES
4.2.1 Carregador de baterias
A definição do carregador de bateria, para este projeto, foi transformar
tensão alternada (127/220)v em tensão continua 12v com uma corrente de 10%
do valor nominal da bateria. Para essa transformação de tensão alternada para
tensão continua, foi utilizado um trafo 18v 7A e uma ponte retificadora. Para a
parte de tensão continua foi utilizado um LM 317 e um transistor 2N3055. Para
a simulação do circuito, foi utilizado o software Multisim 11.0, conforme a figura
20, na realização de estudos e testes do circuito. No software Multisim, a carga
de uma lâmpada 12v 72W foi simulado no lugar da bateria, para obter o valor
de tensão e poder carregar a bateria com a tensão e corrente necessária,
tendo o resultado de saída mostrado no multímetro do software. Por
conseguinte, tais esquemas foram montados em protoboard, a fim de averiguar
pontos críticos, melhorias, ajustes e determinação dos limiares dos
componentes reais. Vide figura 20.
29
Diagrama Carregador de baterias
Figura 19
Fonte: Própria
Após a simulação do circuito com o software Multisim 11.0, teve-se a
montagem no protoboard e a realização dos testes em bancada. Após todos os
testes de simulação e testes de bancadas terem sido executados com sucesso,
o circuito foi projetado para confecção da PCI, utilizando o software OrCaD 16.
30
Montagem do Carregador de baterias
Figura 20
Fonte: Própria
4.2.2 Bargraph
O desenvolvimento do circuito foi realizado em uma vasta
pesquisa de componentes, para demonstrar o funcionamento simples de um
indicador de nível de tensão de bateria. Após pesquisas realizadas, foi
encontrado o componente LM 3914. Esse componente detecta os níveis de
tensão da bateria e impulsiona a 10 diodos emissores de luz com base no nível
de tensão que é detectado.
Os testes foram realizados no protoboard,
conforme a figura 21, utilizando uma fonte de tensão que simulou a tensão da
bateria, a fim de averiguar pontos críticos, melhorias, ajustes e determinação
dos limiares dos componentes reais.
31
Montagem do Bargraph
Figura 21
Fonte Própria
O circuito foi definido como DOT, apenas um LED de cada vez é aceso.
Adotou-se essa configuração, para que o cadeirante tenha uma visualização
melhor do bargraph, sendo que o primeiro LED vermelho acende com 12.5v.
A configuração do bargraph esta contida em 4 LEDs vermelho, 3 LEDs
amarelos e 3 LEDs verdes. Os LEDs verdes permanecem acesos numa faixa
de tensão de 13.7v a 13v, os LEDs amarelos permanecem acesos numa faixa
de tensão de 12.9v a 12.6v e os LEDs vermelhos permanece aceso numa faixa
de tensão de 12.5v a 12v. Conforme a tensão vai diminuindo, os LEDs do
bargraph vão apagando, demonstrando que bateria esta sendo descarregada.
Esse circuito foi montado e testado diretamente no protoboard, sem
passar por uma montagem de circuito em software, sua montagem foi
efetuada, através de estudos em cima do datasheet do componente e algumas
pesquisas de internet. Encontrou-se uma dificuldade no dimensionamento dos
32
resistores, para que a tensão de descarregamento da bateria esteja de acordo
com a sinalização dos LEDs. Após todos os testes de bancadas terem sido
executados com sucesso, o circuito foi projetado para confecção da PCI,
utilizando o software OrCaD 16.
4.2.3 Motores
Para o acondicionamento dos motores na cadeira de rodas
convencional foi providenciado um suporte de ferro, o qual com o auxilio de
parafusos auto-travantes possibilitou um acoplamento de forma a deixar a polia
de redução do eixo da cadeira de rodas alinhada ao pneu da cadeira. A figura
22 mostra estas adaptações do suporte e dos parafusos.
Motor CC
Figura 22
Fonte: Própria
33
A polia de redução foi confeccionada em ferro fundido, com uma
recartilhagem para aumentar a aderência com o pneu, essa polia foi
parafusada junto ao eixo do motor, o diâmetro da polia foi de tal forma a
garantir a velocidade e torque necessário para os deslocamentos da cadeira de
rodas motorizada. Na figura 23 mostra a polia de redução.
Polia de redução
Figura 23
Fonte: Própria
4.2.4 Ponte H
O teste de funcionamento da ponte H foi realizado em um protobord,
neste teste, foram utilizados motores com corrente nominais muito menores
dos utilizados no projeto a fim de proteger o próprio protobord que não
suportaria a corrente de partida dos motores, o teste serviu para comprovar o
funcionamento do driver HIP 4081 que controla a ponte H. O segundo passo foi
34
construir uma placa de circuito impresso para testar os MOSFET´s com o motor
que seria utilizado na cadeira de rodas motorizada, neste momento
encontramos algumas dificuldades, pois os modelos de MOSFET´s escolhidos
não foram os ideais, os mesmos não agüentavam a corrente de partida do
motor, desta forma optou-se pela substituição dos IRF 3205 para IRF 1405. A
figura 24 mostra os drivers e os IRF´s que compõem as duas pontes H, sendo
uma para cada motor.
Montagem da Ponte H
Figura 24
Fonte: Própria
A figura 25 (face 1) e figura 26 (face 2) mostram somente a placa de
potência da ponte H, esta solução foi adotada pelo valor de corrente que circula
35
pelos componentes, desta forma houve a confecção de um circuito para
controle e outro para potencia da ponte H.
Placa de Potência da Ponte H
Figura 25
Fonte: Própria
Placa de Potência da Ponte H
Figura 26
Fonte: Própria
36
4.2.5 Joystick / Bargraph
Pela sua característica construtiva o joystick permite que o circuito
eletrônico responsável pelo seu funcionamento, para esta aplicação, limite-se
apenas a ligações diretas entre ele e o microcontrolador, que foi utilizado no
projeto de controle da cadeira de rodas motorizada. O joystick foi alimentado
com uma tensão de 5 V, de acordo com a combinação de movimentos da
manopla, este valor de tensão se altera na sua saída o que permite que um
conversor AD embutido no PIC trate estes sinais de forma a manipular os
movimentos dos motores da cadeira de rodas motorizada. Depois de tratados
pelos AD este sinal sai no PIC em forma de sinais PWM que chegam até os
drivers da ponte H, a fim de comandar os motores do sistema. Na fixação do
joystick foi construído um braço metálico na cadeira de rodas, proporcionando
maior conforto nas manobras realizadas pelo cadeirante. O suporte do joystick
também vai acondicionar os LEDs do bargraph.
Este componente foi importado, pois na sua grande maioria os
encontrados no mercado nacional não atendiam nossas necessidades pelo fato
de não utilizarem potenciômetros e sim sensores de fim de curso como
componente de controle do mesmo.
37
4.4
Placas de Circuito Impresso
4.4.1 Carregador de baterias
O circuito do carregador de bateria, esta separado dos demais
circuitos da cadeira de rodas motorizados, sendo ele um circuito impresso
individual.
Diagrama do Carregador de Bateria
Figura 27
Fonte: Própria
38
4.4.2 Acumuladores de energia
As baterias estão embutidas diretamente na cadeira de rodas
motorizadas, para alimentação do sistema e funcionamento da cadeira.
4.4.3 Motores
Os motores foram ligados diretamente na placa de circuito impresso da
ponte H e circuito de potência.
4.4.4 Ponte H
O desenvolvimento das placas de circuito impresso da ponte H foram
realizados em um software de simulação para projetos de circuitos eletrônicos
chamado OrCAD, optou-se pela divisão do circuito em placa de potência onde
estão os MOSFET´s e placa de controle, onde dentre outros componentes
ficaram os drivers controladores HIP4081. A placa de potência foi desenvolvida
em duas faces que para melhor entendimento foram nomeadas de face 1 e
face 2, sendo que na face 1 (Figura 28) a própria malha foi considerada como
trilha, sendo dividida em GND e VCC oriundos da bateria, na face 2 (Figura29)
da placa, a malha foi dividida em quatro partes iguais, regiões estas de atuação
dos MOSFET´s e a placa completa de controle da ponte H (Figura 30).
39
Diagrama de Potência GND
Diagrama de Potência VCC
Figura 28
Figura 29
Fonte: Própria
Fonte: Própria
Diagrama completo da Ponte H
Figura 30
Fonte: Própria
40
4.4.5 Joystick / Bargraph
O joystick foi ligado diretamente na placa de circuito impresso do
sistema controle, conforme a figura 31.
Diagrama sistema de Controle
Figura 31
Fonte: Própria
41
5.RESULTADOS
Os resultados propostos para o projeto cadeira de rodas motorizada
obtiveram grande sucesso ao longo do desenvolvimento. O bom funcionamento
da ponte H deve-se ao driver HIP 4081, que controla o acionamento dos
MOSFET IRF 1405 através de tensões e correntes. Após os testes realizados
com a ponte H no protoboard, foi possível realizar testes com os motores na
cadeira de rodas com o peso do cadeirante e baterias, obtendo um grande
sucesso no funcionamento da placa de potência.
O bargraph foi dimensionado para medir o nível de tensão das baterias,
o nível de tensão é regulado quando as baterias estão sendo utilizadas com
carga. Pois teve uma situação em que as baterias apresentavam um nível de
tensão de 12.7v sem carga, quando testada com carga as baterias tinham nível
de tensão de 12.1v e estavam quase descarregada. Por esse motivo o
bargraph foi regulado para medir a tensão das baterias com carga, quando a
cadeira estiver em movimento, pois quando ela estiver em repouso o nível de
tensão medido pelo bargraph será outro.
Com o intuito de desenvolver uma cadeira de rodas motorizada no nível
de segurança para o cadeirante, o sistema de segurança da cadeira é
apresentado
por
eletromecânicos.
um
Esses
inclinometro,
itens
redução
obtiveram
de
grande
velocidade
sucesso
e
no
freios
seu
desenvolvimento sendo realizada na parte de controle da cadeira de rodas. A
parte de redução de velocidade é dada através do joystick, onde ele controla a
aceleração e desaceleração dos motores e faz a parte do deslocamento da
cadeira.
42
Ao final do projeto, com a parte de potência e a parte de controle
montada, foram ligadas as baterias para alimentação de todo o sistema e
verificar alguma falha possível. A cadeira de rodas motorizada não apresentou
nenhuma falha, após isso, todos os testes foram realizados completos com
uma pessoa sentado na cadeira para verificação do desempenho.
43
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS/ CONCLUSÃO
Para atender a grande maioria dos cadeirantes que não possuem uma
condição financeira para comprar uma cadeira de rodadas motorizadas, o
desenvolvimento deste projeto foi para atender esses tipos de pessoas. O
intuito do projeto é customizar a cadeira de rodas motorizada, transformando
uma cadeira manual em motorizada.
Neste projeto foi desenvolvido um sistema de controle de potência
utilizando uma ponte H, que suporta as tensões e correntes necessárias para
acionar os dois motores CC, alem de mudar o sentido de rotação dos motores.
Um dos maiores problemas encontrado foi o dimensionamento da ponte H,
onde os componentes IRF 3205 não suportou a corrente de partida do motor.
Sendo assim trocados por um IRF 1405 que suporta uma corrente maior na
partida dos motores.
O sistema de controle e potência é alimentado por duas baterias e tem
um bargraph que mostra o nível de tensão das mesmas. Para o carregamento
das baterias é utilizado um carregador de baterias com alimentação 127/220 v,
que não esta acoplada na cadeira de rodas. O sistema desenvolvido
apresentou os resultados almejados com sucesso.
Como a cadeira de rodas utilizada no projeto era manual, foi necessário
fazer um reforço em sua base, para que a estrutura posa agüentar o peso das
baterias e do cadeirante, também foi realizada uma adaptação para colocar os
dois motores CC, as baterias, placas de controle, placas de potência e joystick.
Para a utilização da polia, foi necessário fazer uma recartilhagem para que a
mesma tenha um atrito maior com o pneu e não venha a patinar na hora do
44
deslocamento ou subida em rampas. Na acoplagem dos freios a discos, foi
necessário fazer um enrajamento nos aros da roda da cadeira, para que ela
não prejudicasse o seu funcionamento.
Pode-se obter como melhoria futura, a instalação de comandos no
código do firmware para quando os sensores do inclinometro forem acionados,
eles tomarem alguma ação para retardar algum perigo ao cadeirante e também
no carregador de baterias, colocando um led avisando quando as bateria estão
carregadas e indicando o termino do carregamento.
45
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
PESQUISA DE PESSOAS COM DEFICIÊNCIA MOTORA:
http://aol.universia.com.br/materia/imprimir.jsp?id=18956 Acessado em
02/04/2010.
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
http://www.ibge.gov.br/home/ Acessado em 02/04/2010
Gazeta do povo
http://www.gazetadopovo.com.br/blog/inclusilhado/?mes=201005 Acessado em
04/05/2010
IGBT:
TORRICO BASCOPÉ, René; PERIN, Arnaldo José. O Transistor IGBT
aplicado em eletrônica de Potência.Porto Alegre: Sagra Luzzatto, 1997.
NORMAS ABNT:
UNIVERSIDADE FEDERAL. Normas para apresentação de Documentos
Científicos, 4. 2ª e.d. Curitiba: Editora UFPR, 2007.
UNIVERSIDADE FEDERAL. Teses, Dissertações, Monografias e Outros
Trabalhos Acadêmicos, 2. 2ª e.d. Curitiba: Editora UFPR, 2007.
MOTORES:
DEL TORO, V. Fundamentos de máquinas elétricas, Editora LCT, 1994.
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/38
46
CARREGADOR DE BATERIAS:
http://www.te1.com.br/2008/12/carregador-de-baterias-de-carro-com-lm317/
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/38
ACUMULADOR DE ENERGIA:
JOHNSON CONTROLS, Treinamento Técnico em Bateria Automotiva.
47
APÊNDICE A
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA
Abaixo é apresentada uma estimativa de custos básica para o desenvolvimento
do projeto.
COMPONENTE
QTD VALOR
TOTAL
HIP 4081
2 R$
20,47
R$
40,94
IRF 1405
8 R$
8,50
R$
68,00
Resistor 150 Ω
8 R$
0,03
R$
0,24
Resistor 220kΩ
4 R$
0,03
R$
0,12
Resistor R16 e R18
4 R$
0,03
R$
0,12
Trimpot r17 e r19
2 R$
2,00
R$
4,00
Diodo 1n5822
8 R$
0,50
R$
4,00
Diodo Sup. Transient 3 0,8V
5 R$
1,16
R$
5,80
Diodo 1n4937
4 R$
0,14
R$
0,56
Driver HIP 4081
2 R$
19,98
R$
39,96
LM7812
1 R$
0,75
R$
0,75
LM 3914
1 R$
5,72
R$
5,72
LM 317
1 R$
4,50
R$
4,50
Capacitor 2,2µF
1 R$
0,10
R$
0,10
Capacitor 2,2kµF
1 R$
0,10
R$
0,10
Capacitor 1µF
4 R$
0,10
R$
0,40
48
Capacitor NP 100ƞF
3 R$
0,10
R$
0,30
Capacitor 330ƞF
1 R$
0,10
R$
0,10
Capacitor 10µF
1 R$
0,10
R$
0,10
10 R$
0,70
R$
7,00
N3500
2 R$
3,90
R$
7,80
Ponte retificadores
1 R$
4,90
R$
4,90
Transformador
1 R$ 100,00
R$
100,00
0,50
R$
5,00
Motor
2 R$ 207,00
R$
414,00
Joystick
1 R$ 115,90
R$
115,90
Baterias
2 R$ 290,00
R$
580,00
Polias
2 R$
R$
62,00
Led
Borne KRE
10 R$
31,00
TOTAL
R$ 1.472,41
49
APÊNDICE C
Custos efetivos com mão de obras contratadas.
SERVIÇOS CONTRATADOS
Mão-de-obra de adaptação
QTD VALOR
1 R$ 200,00
TOTAL
TOTAL
R$ 200,00
R$ 200,00
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