EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
Departamento de Engenharia Electrotécnica
Sistema de Controlo de Potência de Motores DC
Trabalho Realizado por :
Júlio Guerreiro N.º 1674
Luís Oliveira N.º 1654
Trabalho Final de Curso do 1º Ciclo
Em Engenharia Electrónica e Computadores
Orientador:
Prof. António Abreu
Outubro/2003
-I-
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Agradecimentos
A equipa que projectou e construiu este robot agradece ao Prof. António Abreu pela
orientação no desenvolvimento do projecto, assim como pelos seus ensinamentos que
estiveram na base de muitas das opções feitas na construção do “RoboTank”.
Gostaríamos ainda agradecer ao Departamento de Electrónica da Escola Superior de
Tecnologia de Setúbal pelo apoio em componentes, equipamentos de laboratório,
oficinas e espaço, que tornaram possível este trabalho, e a todos aqueles que
contribuíram para o sucesso deste projecto, quer através de preciosas sugestões quer de
apoio moral e/ou material.
Em particular agradecemos aos nossos colegas Rui Pimenta e Daniel Santos pela
ajuda prestada na obtenção de determinados componentes.
-II-
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Curso :Engenharia de Electrónica e Computadores
Título do projecto : Sistema de controlo de potência de motores DC
Autores :
Júlio Guerreiro
N.º 1674
Luís Oliveira
N.º 1654
Orientador:
Prof. António Abreu
Projecto concluído em 24 de Outubro de 2003
-III-
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Resumo:
Neste relatório explica-se o projecto de um controlador de um motor CC para
aplicação a um robot móvel terrestre, bem como outros aspectos relacionados com este
tipo de veículo. Mais concretamente, descreve-se como é que todo o sistema foi
projectado, desde a escolha dos diversos componentes, até à forma como se interligam
todas as partes de maneira a se obter uma melhor estabilidade, rigidez e autonomia,
baseado numa arquitectura modular.
Palavras-chave: Microcontroladores, Motores DC, PWM, módulos RF, comunicação
série.
-IV-
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Title: Power control of DC motors.
Abstract:
We explain, in this report, the design of a DC motor controller to be used on a
terrestrial mobile robot, as well as other aspects related to this kind of vehicle. Actually
we describe how the system was designed, starting from the selection of the parts to the
way they interconnect to obtain better estability, harshness and autonomy, based on a
modular architecture.
KEY-WORDS: Microcontroler, DC motors, PWM, RF Modules, serial communication
-V-
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Índice
Agradecimentos ............................................................................................................. II
Índice ............................................................................................................................. VI
Lista de Figuras ..............................................................................................................X
Lista de Tabelas .......................................................................................................... XII
Lista de Acrónimos e Abreviaturas .........................................................................XIII
1. Introdução ........................................................................................................... 1
2. Corpo do Relatório......................................................................................... 2
2.1. Estrutura Metálica................................................................................................ 2
2.2. Esquema de Blocos................................................................................................ 3
2.3. Motores.................................................................................................................. 4
3. Interface de Comunicação ......................................................................... 5
3.1. Introdução ............................................................................................................. 5
3.2. Algumas Noções Teóricas ..................................................................................... 5
3.3. Comunicação Entre Dois Dispositivos.................................................................. 5
3.4. Descrição dos Pinos e Sinais Utilizados ............................................................... 6
3.5. Pinos de Dados Utilizados .................................................................................... 7
3.6. Estados dos Sinais ................................................................................................. 7
3.7. Formato dos Dados Série ...................................................................................... 8
3.8. Comunicação Síncrona e Assíncrona.................................................................... 8
3.9. Transmissão dos Bits – Baud Rate ........................................................................ 8
3.10. Conversores de Nível RS-232 ............................................................................ 10
3.11. Desenvolvimento................................................................................................ 10
3.12. Testes ................................................................................................................. 11
3.13. Conclusões......................................................................................................... 11
4. MicroControlador ........................................................................................ 12
4.1. Introdução ........................................................................................................... 12
4.2. Algumas Noções Teóricas ................................................................................... 12
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4.2.1. Microcontrolador ............................................................................................. 12
4.2.2. PWM ................................................................................................................. 13
4.3. Desenvolvimento.................................................................................................. 15
4.3.1. Algoritmo simplificado do programa do microcontrolador............................. 15
4.3.2. Funcionamento do porto série e leitura de comandos ..................................... 16
4.3.3. Loop de espera de novo comando/ Detector de erro de comunicação ............ 17
4.3.4. Funcionamento do módulo de PWM ................................................................ 18
4.3.5. Funcionamento dos leitores de tacómetros ...................................................... 18
4.3.6. Funcionamento do descodificador de comando............................................... 20
4.3.7. Rotinas para acções sobre os motores ............................................................. 21
4.3.8. Rotinas para informações sobre os motores .................................................... 23
4.3.9. Rotina que controla o envio pela porta série ................................................... 24
4.3.10. Código completo do microcontrolador .......................................................... 25
4.4. Testes ................................................................................................................... 25
4.5. Conclusões........................................................................................................... 25
5.
Módulos de Potência (drivers) para Motores DC .............. 26
5.1. Drivers ................................................................................................................. 26
5.1. Introdução ........................................................................................................... 26
5.2. Algumas Noções Teóricas ................................................................................... 26
5.3. Desenvolvimento.................................................................................................. 26
5.4. Testes ................................................................................................................... 28
5.5. Conclusões........................................................................................................... 29
6.
Ponte em H ................................................................................................. 30
6.1. Introdução ........................................................................................................... 30
6.2. Algumas Noções Teóricas ................................................................................... 30
6.3. Desenvolvimento.................................................................................................. 32
6.4. Descrição do Circuito (figura 6.4) ...................................................................... 32
6.5. Melhorias Introduzidas ....................................................................................... 33
6.5.1. Protecção Contra Sobrecargas ........................................................................ 33
6.6. Placas PCB.......................................................................................................... 35
6.7. Modo de Utilização ............................................................................................. 35
6.8. Testes ................................................................................................................... 36
6.9. Conclusões........................................................................................................... 36
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7.
EST/DEE/ET
Realimentação .......................................................................................... 37
7.1. Introdução ........................................................................................................... 37
7.2. Algumas Noções teóricas .................................................................................... 37
7.3. Desenvolvimento.................................................................................................. 38
7.4. Testes ................................................................................................................... 39
7.5. Conclusões........................................................................................................... 39
8.
Alimentação ............................................................................................... 40
8.1. Introdução ........................................................................................................... 40
8.2. Algumas Noções Teóricas .................................................................................. 40
8.3. Desenvolvimento.................................................................................................. 42
8.4. Testes ................................................................................................................... 43
8.5. Conclusões........................................................................................................... 43
9.
Carregamento de Baterias............................................................... 44
10.
Controlo RF ............................................................................................... 45
10.1. Introdução ......................................................................................................... 45
10.2. Algumas Noções Teóricas ................................................................................ 45
10.3. Modulação por Comutação de Amplitude (ASK) .............................................. 46
10.4. Desenvolvimento................................................................................................ 48
10.5. Testes ................................................................................................................. 48
10.6. Conclusões......................................................................................................... 48
11.
Software ........................................................................................................ 49
11.1. Introdução ......................................................................................................... 49
11.2. Algumas Noções Teóricas ................................................................................ 49
11.3. Desenvolvimento................................................................................................ 49
11.3.1. Sistema de Utilizadores .................................................................................. 49
11.3.2. Detecção de falhas de comunicação .............................................................. 52
11.3.3. Comando......................................................................................................... 53
11.3.4. Classes Desenvolvidas.................................................................................... 54
12.
Conclusões................................................................................................... 56
Referências Bibliográficas ............................................................................ 58
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Anexos........................................................................................................................ 58
-IX-
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Lista de Figuras
Figura 2.1 – Perspectiva geral da estrutura metálica (vista a partir da frente do veículo)
Figura 2.2 – Diagrama de blocos do sistema
Figura 3.1 - Ligação série entre 1 DTE (computador) e 1 DCE (dispositivo), usando os
pinos 2 e 3, para transmissão de dados (TD) e recepção dos mesmos (RD).
Figura 3.2 - Numeração dos pinos de um conector macho DB-9 (9 pinos).
Figura 3.3 - Definição dos estados dos sinais de dados e sinais de controlo.
Figura 3.4 - Formato dos dados série.
Figura 3.5 - Descrição dos pinos do driver/receiver RS-232: MAX-232.
Figura 3.6 - Esquemático do módulo de comunicação
Figura 4.1 - Sinais PWM com vários duty cycles
Figura 5.1 – Esquema de ligações para o controlo bidireccional de um motor DC
Figura 5.2 – Circuito resultante da interligação do circuito de comando e o circuito de
potência.
Figura 5.3 – Esquema interno do driver L298
Figura 6.1 – Configuração de ponte em H
Figura 6.2 – Input 2_1 e Input 2_2 com 24 Volts e Input 1_1 e Input 1_2 com 0Volts.
Figura 6.3 – Input 1_1 e Input 1_2 com 24 Volts e Input 2_1 e Input 2_2 com 0 Volts.
Figura 6.4 – Esquema eléctrico
Figura 6.5 – Esquema simplificado
Figura 6.6 – Ilustração das placas PCB
Figura 7.1 – Tipo de sinais à saída do tacómetro
Figura 7.2 – Tipos de codificadores ópticos
Figura 7.3 – Circuito de ligações dos tacómetros ao microcontrolador
Figura 8.2 – Diagrama de baterias
-X-
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Figura 8.3 – Esquema de Ligações das baterias
Figura 10.1 – Receptor AM RF RECEIVERS AM-HRR6-XXX
Figura 10.2 – Emissor AM Hybrid Transmitter AM-RTn-XXX
Figura 10.3 - Sinal ASK.
Figura 10.4 – Espectro de amplitudes de um sinal ASK.
Figura 10.5 - Circuito de ligações do módulo RF
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Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Pinos da porta série e sinais correspondentes.
Tabela 5.1 – Quadro resumo para a rotação dos motores
Tabela 7.1 – Quadro resumo dos tacómetros
Tabela 8.1 – Tipo de baterias
-XII-
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Lista de Acrónimos e Abreviaturas
PWM – Pulse Width Modulated
DTE – Data Terminal Equipment
DCE – Data Communication Equipment
RS-232 – Recommended Standard number 232
TD – Transmitted Data
RD – Received Data
RTS – Request To Send
CTS – Clear To Send
DTR – Data Terminal Ready
DSR – Data Set Ready
CD – Carrier Detect
RI – Ring Indicator
LSB – Least Significant Bit
MSB – Most Significant Bit
LCD – Liquid Cristal Display
ASK – Amplitude Shift Keying
-XIII-
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1. Introdução
O Projecto RoboTank é um projecto de mecatrónica, pelo que abrange componentes
de hardware (mecânica e electrónica) e de software (programação), realizado no âmbito
da cadeira de Projecto I do Curso de Engenharia em Electrónica e Computadores da
ESTS do Instituto Politécnico de Setúbal. O principal objectivo é realizar o controlo
independente de 2 motores de Corrente Contínua, inseridos num veículo capaz de se
deslocar em qualquer direcção. O controlo dos motores é realizado através de PWM
com realimentação através de encoders.
Convém deste já realçar o facto de que não tivemos qualquer tipo de influência na
escolha de alguns dos materiais empregues na estrutura do veículo, nomeadamente qual
o tipo de material empregue no chassi, quais as dimensões, os tipos de rodas, que tipos
de motores a usar e tipo de baterias.
Basicamente o projecto é constituído por 9 partes:
1 – Estrutura metálica
2 – Motores
3 – Interface de comunicação
4 – Microcontroladores
5 – Drivers
6 – Ponte em H
7 – Realimentação
8 – Alimentação
9 – Software de Controlo
Estas partes representam os tópicos que se abordam no relatório.
-1-
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2. Corpo do Relatório
Segue-se uma explicação mais detalhada dos blocos que constituem o veículo.
2.1. Estrutura Metálica
Como o próprio nome indica, a estrutura é em metal e foi construída por colegas de
anos anteriores, também no âmbito do projecto final de curso. Não fazendo parte do
nosso projecto, damos a conhecer um pouco da estrutura.
A estrutura é constituída por uma base em metal, revestida nas partes laterais por uma
protecção em borracha, como medida de segurança tomada para amortecer eventuais
choques do veículo. Contém ainda duas rodas fixas ligadas a dois motores por meio de
cintas de borracha, assim como duas rodas “loucas”. Existe ainda um contador de
rotações cujo nome técnico é tacómetro, que permite calcular a que velocidade se move
o veículo.
A figura 2.1 representa a configuração da base do RoboTank que assume uma forma
rectangular.
Figura 2.1 – Perspectiva geral da estrutura metálica (vista a partir da frente do veículo)
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As dimensões do veículo são 160×130×35 cm, o que faz com que as manobras de
contorno de obstáculos e prevenção de colisões se tornam complicadas, exigindo uma
maior carga computacional.
2.2. Esquema de Blocos
O sistema terá uma constituição do tipo modular, conforme a figura 2.2, em que cada
módulo terá ligação a uma unidade central. Toda
a informação relevante será
visualizada num PC.
O diagrama de blocos da figura 2.2 pretende dar uma perspectiva funcional geral do
sistema, agregando todos os blocos.
Figura 2.2 – Diagrama de blocos do sistema
De uma forma muito superficial, o funcionamento do sistema é o seguinte:
O PC envia um comando para o microcontrolador e este reage de acordo com o
comando.
Os comandos tanto podem ser de acção (acelerar, travar, para etc.) como de
informação (Velocidade pretendida, PWM gerado, valor dos tacómetros etc.).
Os comando de acção são basicamente comandos de escrita, que alteram o valor do
PWM gerado, enquanto que os comando de informação são meramente de leitura, que
retornam valores para o PC.
Em paralelo existe um processo de contagem de impulsos gerados pelos tacómetros,
que permitem saber a velocidade a que o veículo se movimenta.
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2.3. Motores
Os motores que nos foram previamente fornecidos, são motores da Maxon de CC e
funcionam como uma tensão de alimentação de 24 V.
Não nos é possível especificar mais características desde dispositivo devido ao facto de
não termos acesso ao datasheet, nem mesmo através da internet uma vez que se trata de
um modelo antigo.
-4-
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3. Interface de Comunicação
3.1. Introdução
Esta interface permite a comunicação entre uma unidade de comando (PC), que faz o
controlo do RoboTank, e o próprio veículo.
O protocolo escolhido para a implementação deste módulo de comunicação foi o RS232, devido à facilidade de implementação e às suas características apropriadas para
este tipo de aplicações, como por exemplo a utilização de apenas 3 fios.
A necessidade da utilização deste módulo vem do facto da incompatibilidade de
níveis de tensão existentes entre a porta série de um PC e a porta série de um micro
controlador.
3.2.
Algumas Noções Teóricas
A comunicação série é o protocolo de baixo nível mais comum usado para
comunicação entre dois ou mais dispositivos. Este protocolo é standard em todos os
computadores pessoais, cuja maioria inclui duas portas série RS-232.
O conceito de comunicação série é simples. Como o próprio nome sugere, a porta
série envia e recebe bytes de informação, um bit de cada vez.
3.3.
Comunicação Entre Dois Dispositivos
No standard RS-232, os dois dispositivos ligados com cabo série são designados por
DTE (Data Terminal Equipment) e DCE (Data Communication Equipment). Esta
terminologia reflecte-se na origem da norma RS-232 como o standard para
comunicação entre um computador e um outro dispositivo, no nosso caso o
microcontrolador. O computador é considerado um DTE, enquanto que o dispositivo
periférico é assumido como DCE.
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Basicamente a ligação entre um DTE e um DCE é feita como mostra a figura 3.1
Figura 3.1 - Ligação série entre 1 DTE (computador) e 1 DCE (dispositivo), usando os
pinos 2 e 3, para transmissão de dados (TD) e recepção dos mesmos (RD).
3.4.
Descrição dos Pinos e Sinais Utilizados
A numeração dos pinos de um conector macho de 9 pinos é ilustrada na figura 3.2.
Figura 3.2 - Numeração dos pinos de um conector macho DB-9 (9 pinos).
Os pinos e respectivos sinais associados ao conector de 9 pinos estão contidos na
tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Pinos da porta série e sinais correspondentes.
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3.5.
EST/DEE/ET
Pinos de Dados Utilizados
A maioria dos dispositivos com porta série suportam comunicação full-duplex, ou
seja, podem receber e transmitir dados simultaneamente. Assim, pinos separados são
usados para transmitir e receber. Para estes dispositivos, os pinos TD (Transmitted
Data), RD (Received Data), e GND (Ground) são usados. No entanto, alguns tipos de
dispositivos com porta série suportam somente comunicação num sentido (simplex).
Para estes equipamentos, só os pinos TD e GND são usados. Neste projecto foi utilizada
uma comunicação série full-duplex.
O pino TD transporta dados transmitidos do DTE para o DCE. O pino RD transporta
dados recebidos do DTE provenientes do DCE e o pino GND é a massa.
Os outros pinos não são utilizados neste projecto, mas deve ficar a ideia de que
existem pinos de controlo (RTS e CTS, DTR e DSR, CD, e RI) que permitem sinalizar a
presença de dispositivos ligados e controlar o fluxo de dados.
3.6.
Estados dos Sinais
Os sinais podem estar num estado activo ou estado inactivo. Para sinais de dados, o
estado on (activo) corresponde ao ‘1’ lógico, representado pela gama de valores de
tensão dos sinais de [-3 V , -15 V], enquanto que o estado off (inactivo, ou ‘0’ lógico)
ocorre para tensões no intervalo [+3 V , +15 V].
Para sinais de controlo, o estado on (activo) corresponde ao ‘0’ lógico, ocorrendo para
valores de tensão positivos [+3 V , +15 V]. O estado off (inactivo, ou ‘1’ lógico) ocorre
para tensões na gama [-3 V , -15 V].
A região de tensões entre -3 V e +3 V é uma região de transição: um sinal com uma
tensão pertencente a este intervalo não é interpretado, ou seja, o estado do sinal não é
definido.
Os estados on e off dos sinais de dados e de controlo mostram-se na figura 3.3.
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Figura 3.3 - Definição dos estados dos sinais de dados e sinais de controlo.
3.7.
Formato dos Dados Série
O formato dos dados série utilizados neste projecto incluem 1 bit de início (start bit),
8 bits de dados e 1 bit de fim (stop bit). A figura 3.4 ilustra o formato dos dados série.
Figura 3.4 - Formato dos dados série.
3.8.
Comunicação Síncrona e Assíncrona
O standard RS-232 suporta 2 tipos de protocolos de comunicação: comunicação
síncrona e comunicação assíncrona.
3.9.
Transmissão dos Bits – Baud Rate
Por definição, os dados série são transmitidos 1 bit de cada vez. A ordem pela qual
cada bit é enviado é feita de acordo com as considerações seguintes:
1. O start bit é transmitido com o valor 0;
2. Os bits de dados são transmitidos. O primeiro bit de dado corresponde ao least
significant bit (LSB), enquanto que o último bit de dados corresponde ao most
significant bit (MSB);
3. O bit de paridade (se definido) é transmitido;
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4. Um ou vários stop bits são transmitidos, com um valor 1.
Baud Rate
O número de bits transferidos por segundo é designado baud rate. Os bits transferidos
incluem, como já visto, o start bit, os bits de dados, o bit de paridade (se definido), e
o(s) stop bits. Por exemplo, 300 baud corresponde a 300 bits/segundo. Quando é
referido um ciclo de relógio, fala-se da baud rate. Baud rates comuns para linhas
telefónicas são 14400, 28800, e 33600.
Start Bit e Stop Bits
Como a comunicação série utilizada é assíncrona, significa que o byte transmitido
deve ser identificado pelo start bit e stop bits. O start bit indica quando é que o byte de
dado está para começar; o(s) stop bit(s) indica(m) quando o byte foi transferido. O
processo de identificação de bytes com o formato série obedece aos seguintes passos:
1. Quando um pino da porta série está idle (não transmitindo dados), então está num
estado on;
2. Quando os dados estão prestes a ser transmitidos, o pino da porta série alterna para
um estado off devido ao start bit;
3. O pino da porta série alterna novamente para o estado on devido ao(s) stop bit(s),
indicando o fim do byte transmitido.
O(s) stop bit(s) são usados então para sinalizar o fim de um pacote de dados. Valores
típicos correspondem a 1, 1.5, e 2 bits. Uma vez que os dados são sincronizados ao
longo das linhas e que cada dispositivo possui o seu próprio relógio (na comunicação
assíncrona),
é
possível
que
os
dois
dispositivos
apareçam
ligeiramente
dessincronizados. Assim, o(s) stop bit(s) permitem alguma “folga” ao computador para
compensar desvios nas velocidades dos relógios. Quanto mais stop bits forem usados,
melhor será feita a sincronização entre os diferentes relógios, mas mais lenta será a taxa
de transmissão.
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3.10. Conversores de Nível RS-232
Quase todos os dispositivos digitais requerem níveis lógicos TTL ou CMOS. No
entanto, o primeiro passo na ligação de dispositivos digitais à porta série é transformar
os níveis de tensão RS-232 acima descritos em níveis de 0 e 5 V. Esta operação é
efectuada com conversores de nível RS-232.
Figura 3.5 - Descrição dos pinos do driver/receiver RS-232: MAX-232.
3.11. Desenvolvimento
A conversão de níveis tem por base um circuito integrado designado por MAX232,
que permite converter os níveis TTL e RS-232 entre si.
O esquemático do circuito implementado é apresentado na figura 3.6.
Figura 3.6 –Esquemático do módulo de comunicação
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3.12. Testes
Para testar a interface de comunicação PC→ Microcontrolador, foi desenvolvido um
software que envia uma sequência de caracteres pela porta série do PC para o módulo
de comunicação. Este por sua vez, estava ligado a um pequeno circuito constituído por
um microcontrolador e um LCD, onde se apresenta a sequência de caracteres enviada
pelo PC.
3.13. Conclusões
Este módulo funcionou como o previsto, sem grandes dificuldades de implementação.
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4. MicroControlador
4.1.
Introdução
Este módulo tem como objectivo gerar o PWM para os drivers de forma a que o
veículo se possa movimentar e fazer a contagem do número de impulsos dos tacómetros
num determinado intervalo de tempo, de forma a calcular a velocidade real a que o
veículo se movimenta.
4.2.
Algumas Noções Teóricas
4.2.1. Microcontrolador
O microcontrolador utilizado não foi, como seria esperado, o estudado na cadeira de
microcontroladores (80C51 da Intel ), mas sim o PIC16F876 da Microchip. Esta escolha
foi influenciada por certas capacidades existentes neste microcontrolador e que não
existem no 80C51, nomeadamente um gerador de PWM, que no caso do nosso projecto
é um requisito bastante importante. Para além disso, também existe o factor de
facilidade de programação, visto um programador para um PIC ser fácil de
implementar, o que não acontece com o 80C51, o que nos limitaria a programação do
microcontrolador aos programadores disponíveis na escola.
Eis as principais características do microcontrolador utilizado:
CPU RISC de alta performance
35 instruções
Instruções de um ciclo
Velocidade de operação de 20MHz
8K de memória Flash para programa
368 bytes de memória de dados
256 bytes de memória EEPROM para dados
Interrupções até 14 fontes
Stack de 8 níveis
Power-on reset
Power-up timer
Código de protecção programável
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Temporizador/contador de 8 bits com prescaler de 8 bits
Temporizador/contador de 16 bits com prescaler
Dois módulos de captação, comparação e geração de PWM
Captação de 16 bits, resolução máxima de 12.5ns
Comparação de 16 bits resolução máxima de 200ns
Gerador com resolução máxima de 10 bits
Conversor analógico/digital multicanal de 10 bits
Porto série de recepção e emissão assíncrona e síncrona
Para mais informações sobre o microcontrolador pode-se consultar o datasheet
fornecido pela própria Microchip no seguinte site : www.microchip.com ou então no
CD fornecido com o software do RoboTank.
4.2.2.
PWM
O Pulse Width Modulation (PWM) é uma poderosa técnica para controlar circuitos
analógicos a partir de circuitos digitais. O PWM é utilizado num vasto campo de
aplicações, como por exemplo: controlo de motores, medidas de temperaturas,
comunicações, etc.
Um sinal analógico é um valor que varia no tempo, com resolução infinita na
magnitude. Uma pilha de 9 Volts é um exemplo disso, a sua saída não é exactamente
9V, varia com o tempo.
Um circuito analógico, por mais intuitivo e simples que seja, nem sempre é atractivo
economicamente, nem prático, e tende a “desafinar” com o passar do tempo, devido ao
desgaste de um ou outro componente.
Os circuitos analógicos tem tendência a aquecer, pois o calor dissipado por cada
elemento activo é proporcional à tensão e à corrente que por ele passa, sendo também
sensíveis ao ruído, devido à sua resolução infinita.
Por sua vez, utilizando circuitos digitais, o custo do equipamento e o consumo irão
ser bastante reduzidos em relação aos analógicos, e muitos microcontroladores, como é
o caso do utilizado PIC16F877, já possuem um módulo de PWM, o que facilita muito a
implementação de circuitos de controlo por PWM.
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De uma maneira simples, o PWM é uma forma de codificar um sinal analógico com
sinais digitais. O dutty cycle de uma onda quadrada é determinado de forma a codificar
um sinal analógico.
Um sinal PWM continua a ser um sinal digital, pois num dado instante é “1” ou “0”.
O valor “1” é o tempo durante o qual a carga é alimentada, e o valor “0” é o tempo
durante o qual a carga não é alimentada. Assim, qualquer sinal analógico pode ser
codificado num sinal digital, como se pode ver na seguinte figura 4.1.
Figura 4.1 - Sinais PWM com vários duty cycles
O primeiro sinal da figura 4.1 é um sinal PWM com 10% de duty cycle, ou seja,
durante 10% do valor do período do sinal este encontra-se “1” e 90% do período
encontra-se “0”.
O segundo e terceiro sinais representam também sinais PWM, agora com 50% e 90%
de duty cycle, respectivamente. Todos estes sinais representam um sinal analógico
diferente.
-14-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
4.3.
EST/DEE/ET
Desenvolvimento
O microcontrolador funciona através de comandos que recebe na sua porta série, os
comandos estão divididos em dois grupos, um grupo de comandos de acção, que faz
com que o microcontrolador execute acções sobre os motores (ex: parar, acelerar, travar
etc.), e um grupo de comandos de pedido de informação, que pede informações ao
motor (ex: valor do tacómetro da direita, velocidade pretendida do motor esquerdo etc.).
Estes grupos de comandos estão resumidos nos seguintes quadros :
Comandos de acções sobre os motores:
Comando
"1"
"2"
"3"
"4"
"5"
"6"
"7"
"8"
"9"
“0”
Acção
Acelera motor M1 (Direita)
Acelera motor M2 (Esquerda)
Trava motor M1 (Direita)
Trava motor M2 (Esquerda)
Pára motor M1 (Direita)
Pára motor M2 (Esquerda)
Anda para a frente motor M1 (Direita)
Anda para a frente motor M2 (Esquerda)
Anda para traz motor M1 (Direita)
Anda para traz motor M2 (Esquerda)
Como
MOTOR1 = MOTOR1 + 1
MOTOR2 = MOTOR2 + 1
MOTOR1 = MOTOR1 - 1
MOTOR2 = MOTOR2 - 1
MOTOR1 = 0
MOTOR2 = 0
Dir M1 = 0
Dir M2 = 0
Dir M1 = 1
Dir M2 = 1
Comandos de pedidos de informação:
Comando
"A"
"B"
"C"
"D"
“E”
“F”
4.3.1.
Acção
Velocidade motor M1(Direita)
Velocidade motor M2 (Esquerda)
Valor do Tacometro1 (Direita)
Valor do Tacometro2 (Esquerda)
Valor da Direcção motor M1 (Direita)
Valor da Direcção motor M2 (Esquerda)
Algoritmo simplificado do programa do microcontrolador
Declaração de Constantes
Declaração de Variáveis
Atendimento de Interrupções
Rotina que recebe os dados da porta série
Rotina que recebe os Impulsos Tacómetro motor esquerdo EXT
Rotina que recebe os Impulsos Tacómetro motor direito RB4
-15-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
Rotina de temporizador TIMER0
Inicio do Programa
Limpeza de registos
Habilita interrupções
Inicialização de Leitores de tacómetros (Timer,RB0,RB4)
Inicialização da Porta Série
Inicialização do PWM
Loop de espera de novo comando
Descodificação do comando
Rotinas para acções sobre os Motores
Rotinas para Informações sobre os Motores
Rotina que controla o envio pela Porta Série
Fim Programa
4.3.2.
Funcionamento do porto série e leitura de comandos
Os comandos chegam ao microcontrolador através da porta série, sendo por isso
necessário configurar esta porta de forma que os comandos recebidos sejam
interpretados correctamente pelo microcontrolador. Eis o código que faz esta
configuração :
Inicializa_PortaSerie
bsf
STATUS,RP0
bcf
STATUS,RP1
clrf
TXSTA
bsf
TXSTA,BRGH
clrf
SPBRG
movlw D'64'
movwf SPBRG
bcf
TXSTA,SYNC
bcf
TXSTA,TX9
bcf
STATUS,RP0
clrf
RCSTA
bsf
RCSTA,SPEN
bcf
RCSTA,RX9
bsf
STATUS,RP0
bcf
PIE1,TXIE
;Banco 1
;Duplica a velocidade de comunicação
;19200 Kb/s
;Comunicação Assíncrona
;8 bits de transmissão
;Banco 0
;Liga a porta série
;8 bits de recepção
;Banco 1
;Sem Interrupções em TX
-16-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
bsf
bsf
bcf
bsf
PIE1,RCIE
TXSTA,TXEN
STATUS,RP0
RCSTA,CREN
EST/DEE/ET
;Com Interrupções em RX
;Transmit Enable
;Banco 0
;Receive Enable
Como se pode ver o porto série irá funcionar com um baud rate de 19,2Kb/s, com
uma trama de 8 bits, 1 start bit e 1 stop bit. Para além disso foi activada a interrupção de
recepção, fazendo com que ao receber um trama o processo “salte” para o código de
atendimento de pedido de interrupção, código esse que é mostrado de seguida :
btfss
goto
movf
movwf
bsf
bcf
clrf
goto
PIR1,RCIF
NextInt
RCREG,w
rcreg_temp
FLAGS,new_rcreg
PIR1,RCIF
RCREG
ExitInt
;Recebemos alguma coisa na porta série
;Não. Testa outro pedido de interrupção
;lê valor para W
;guarda Valor
;set flag de que existe novo valor
;limpa pedido de interrupção
;limpa registo
;sai do atendimento de interrupções
Tudo o que este código faz é guardar o valor do comando recebido na porta série, em
uma variável designada por <rcreg_temp>, e afectar uma flag (<new_rcreg>), que
indica que recebemos um novo comando. Ambas serão posteriormente interpretadas
pelo processo de descodificação de comando.
4.3.3.
Loop de espera de novo comando/ Detector de erro de comunicação
A função deste processo é esperar por um novo comando. Quando este chega é
interpretado pelo descodificador de comandos, e executado voltando ao ponto de espera
de novo comando. Para além disso, detectam-se erros que possam ocorrer na
comunicação com o PC, ou seja, passado um determinado tempo sem que se receba
informação proveniente do PC, o veículo pára os motores por razões de segurança.
loop
incf Com_Error,1
xorlw
b'11111111'
btfsc STATUS,Z
call paraM1
call paraM2
btfss FLAGS,new_rcreg
goto loop
;incrementa contador de erro de comunicação
;valor programado para despontar erro de comunicação
;Se contador chegou ao fim
;Para Motor 1
;Para Motor 2
;teste se existe nova informação
clrf Com_Error
;limpa contador de erro de error de comunicação
-17-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
4.3.4.
EST/DEE/ET
Funcionamento do módulo de PWM
A função deste bloco de código é gerar o sinal PWM para o bloco de drivers, de
forma a que posteriormente os motores sejam alimentados e postos a rodar à velocidade
requerida. O módulo gerador de PWM do microcontrolador necessita que se configurem
certos parâmetros, como por se pode ver no seguinte código :
Inicializa_PWM
bsf
movlw
movwf
bcf
bcf
bcf
bcf
bcf
clrf
clrf
clrf
bsf
movlw
movwf
movwf
STATUS,RP0
d'125'
PR2
TRISC,2
TRISC,1
TRISC,3
TRISC,0
STATUS,RP0
CCPR1L
CCPR2L
T2CON
T2CON,TMR2ON
b'00001111'
CCP1CON
CCP2CON
;Banco 1
;PWM Período de 26khz
;CCP1 como saída
;CCP2 como saída
;Direcção Motor1
;Direcção Motor2
;Banco 0
;dutyCycle =0
;dutyCycle =0
;liga o timer 2
;configura para módulo pwm
;configura para módulo pwm
A frequência da portadora é 26 KHz. Inicialmente os motores estão parados, como se
pode ver no registos CCPR1L e CCPR2L. Para que o veículo se comece a movimentar,
basta apenas inserir nestes registos um valor suficiente para que o veículo vença a sua
inércia, processo esse que é feito pelas rotinas de acção sobre os motores.
4.3.5.
Funcionamento dos leitores de tacómetros
O código para ler os impulsos dos tacómetros é bastante simples. Ambos os
tacómetros estão ligados a pinos que geram interrupções assim, basta contar o número
de variações nos pinos. Após terminar um determinado tempo (parametrizado num
contador) gera-se uma interrupção, cujo atendimento transfere o valor da contagem para
variáveis que são posteriormente enviadas quando houver um pedido de informação de
valor do tacómetro.
-18-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
;**********************************************************************
;
Rotina que recebe os Impulsos Tacómetro motor esquerdo EXT
;**********************************************************************
btfss
INTCON,INTF
;Recebemos impulso do tacómetro
goto
NextInt1
incf
Tacometro2_temp,1
; incrementa valor de Tacometro2_temp
bcf
INTCON,INTF
;Limpa pedido de interrupção
goto
ExitInt
NextInt1
;**********************************************************************
;
Rotina que recebe os Impulsos Tacómetro motor direito RB4
;**********************************************************************
btfss
INTCON,RBIF
;Recebemos impulso do tacómetro
goto
NextInt2
movf PORTB,w
;Lê o valor da PORTB para W
movwf Temp
;Guarda o valor lido
xorwf
LastPB,1
;faz um xor do valor anterior com o lido
btfsc
LastPB,RB4
;Testa se houve alteração no pino RB4
call
RB4Change
;Alteração no pino RB4
movf Temp,w
;Guarda o valor lido
movwf LastPB
;em LastPB
bcf
INTCON,RBIF
;Limpa Pedido de interrupção
goto
ExitInt
;Sai do atendimento de interrupções
RB4Change
btfsc
PORTB,RB4
;Testa se é flanco ascendente
return
;Ignora flanco descendente
incf
Tacometro1_temp,1 ;incrementa valor de Tacometro1_temp
return
NextInt2
;**********************************************************************
;
Rotina De Fim de temporizador
;**********************************************************************
btfss
INTCON,T0IF
goto
ExitInt
movf
Tacometro1_temp,w
;lê valor temporário para W
movwf Tacometro1
;Guarda valor definitivo em Tacometro1
movf
Tacometro2_temp,w
;lê valor temporário para W
movwf Tacometro2
;Guarda valor definitivo em Tacometro2
clrf
Tacometro1_temp
;Limpa variáveis definitivas
clrf
Tacometro2_temp
;Limpa variáveis definitivas
bcf
INTCON,T0IF
;Limpa pedido de interrupção
;**********************************************************************
;
Inicialização de leitura de tacómetros
;**********************************************************************
movlw
b'00000000'
movwf
TMR0
bsf
STATUS, RP0
bcf
STATUS, RP1
;Banco 1
-19-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
bsf
bcf
bcf
bcf
bcf
bcf
bcf
bsf
bsf
bsf
bcf
bcf
4.3.6.
EST/DEE/ET
TRISB,RB0
;pino de input
TRISB,1
;pino de output
TRISB,5
;pino de output
TRISB,6
;pino de output
TRISB,7
;pino de output
OPTION_REG,T0CS ;modo temporizador
OPTION_REG,PSA
;prescaler para timer
OPTION_REG,PS2
OPTION_REG,PS1
OPTION_REG,PS0
STATUS, RP0
STATUS, RP1
;Banco 0
Funcionamento do descodificador de comando
O descodificador de comando, descodifica qual o comando recebido, e manda executar
esse comando, como mostra o seguinte código :
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
btfsc
call
movf
xorlw
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'1'
STATUS, Z
aceleraM1
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'2'
STATUS, Z
aceleraM2
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'3'
STATUS, Z
travaM1
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'4'
STATUS, Z
travaM2
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'5'
STATUS, Z
paraM1
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'6'
STATUS, Z
paraM2
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'7'
STATUS, Z
direcaoM1Forward
rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
'8'
-20-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
btfsc STATUS, Z
call
direcaoM2Forward
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw '9'
btfsc STATUS, Z
call
direcaoM1Backward
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw '0'
btfsc STATUS, Z
call
direcaoM2Backward
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw 'A'
btfsc STATUS, Z
call
SendVelM1
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw 'B'
btfsc STATUS, Z
call
SendVelM2
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw 'C'
btfsc STATUS, Z
call
SendTac1
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw 'D'
btfsc STATUS, Z
call
SendTac2
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw 'E'
btfsc STATUS, Z
call
SendDirM1
movf rcreg_temp,w
;carrega o comando recebido
xorlw 'F'
btfsc STATUS, Z
call
SendDirM2
clrf rcreg_temp
bcf FLAGS,new_rcreg
goto loop
4.3.7.
Rotinas para acções sobre os motores
A função deste processo é realizar a acção pretendida pelo comando recebido sobre os
motores.
aceleraM1
movf
xorlw
btfsc
return
movf
MOTOR1,w
b'11111111'
STATUS, Z
aceleracao_temp,w
;carrega factor de aceleração
-21-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
addwf MOTOR1,1
movf MOTOR1,w
movwf CCPR1L
return
;Carrega valor de MOTOR1
;gera PWM
aceleraM2
movf MOTOR2,w
xorlw b'11111111'
btfsc
STATUS, Z
return
movf aceleracao_temp,w ;carrega factor de aceleração
addwf MOTOR2,1
;adiciona factor de aceleração
movf MOTOR2,w
;carrega valor de MOTOR2
movwf CCPR2L
;gera PWM
return
travaM1
movf MOTOR1,w
xorlw b'00000000'
btfsc
STATUS, Z
return
movf aceleracao_temp,w
;carrega factor de aceleração
subwf MOTOR1,1
;subtrai factor de aceleração
movf MOTOR1,w
;carrega valor de MOTOR1
movwf CCPR1L
;gera PWM
return
travaM2
movf MOTOR2,w
xorlw b'00000000'
btfsc
STATUS, Z
return
movf aceleracao_temp,w
;carrega factor de aceleração
subwf MOTOR2,1
;subtrai factor de aceleração
movf MOTOR2,w
;guarda valore de MOTOR2
movwf CCPR2L
;gera PWM
return
paraM1
movlw b'00000000'
;valor para parar o motor
movwf MOTOR1
;guarda novo valor para motor1
movwf CCPR1L
;gera PWM
return
paraM2
movlw
b'00000000'
;valor para parar o motor
movwf MOTOR2
;guarda novo valor para motor2
movwf CCPR2L
;gera PWM
return
direcaoM1Forward
bcf PORTC,dirM1
;põe direcção 1
return
direcaoM2Forward
bcf PORTC,dirM2
;põe direcção 0
-22-
EST/DEE/ET
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
return
direcaoM1Backward
bsf PORTC,dirM1
return
direcaoM2Backward
bsf PORTC,dirM2
return
4.3.8.
EST/DEE/ET
;põe direcção 1
;põe direcção 0
Rotinas para informações sobre os motores
A função deste processo é enviar a informação sobre os motores, através da porta série
do microcontrolador.
;Envia velocidade pretendida no motor 1
SendVelM1
movf MOTOR1,w
movwf TXREG
call
JaMandou
;rotina que espera que a trama seja enviada
return
;Envia velocidade pretendida no motor 2
SendVelM2
movf MOTOR2,w
movwf TXREG
call
JaMandou
;rotina que espera que a trama seja enviada
return
;Envia a contagem de impulsos do tacómetro 1
SendTac1
movf Tacometro1,w
movwf TXREG
call
JaMandou
; rotina que espera que a trama seja enviada
return
;Envia a contagem de impulsos do tacómetro 2
SendTac2
movf Tacometro2,w
movwf TXREG
call
JaMandou
; rotina que espera que a trama seja enviada
return
SendDirM1
btfsc
PORTC,dirM1
movlw '1'
btfss
PORTC,dirM1
movlw '0'
movwf TXREG
call
JaMandou
; rotina que espera que a trama seja enviada
return
SendDirM2
btfsc
PORTC,dirM2
movlw
'1'
-23-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
btfss
movlw
movwf
call
return
4.3.9.
EST/DEE/ET
PORTC,dirM2
'0'
TXREG
JaMandou
; rotina que espera que a trama seja enviada
Rotina que controla o envio pela porta série
A função deste processo é controlar o envio de tramas pelo porto série do
microcontrolador, com o objectivo de evitar o envio de duas tramas em simultâneo.
Depois de enviar informação, é sempre testado se a informação foi enviada, através do
seguinte processo :
JaMandou
bsf
bcf
Attend
btfss
goto
bcf
bcf
return
STATUS,RP0
STATUS,RP1
TXSTA,TRMT
Attend
STATUS,RP0
STATUS,RP1
;Banco 1
;Testa se o byte já foi enviado, se não foi espera
;Banco 0
-24-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
4.3.10.
EST/DEE/ET
Código completo do microcontrolador
O código completo do microcontrolador pode ser visto em anexo.
4.4.
Testes
A melhor forma de testar todo o software desenvolvido, foi aplicá-lo directamente no
veículo.
4.5.
Conclusões
Houve algumas dificuldades a nível de programação, pois foi a primeira vez que se
programou um microcontrolador da Microchip. Foi necessário aprender um novo
conjunto de instruções, uma nova arquitectura, uma nova forma de configurar os
registos de forma a executarem as tarefas pretendidas, por vezes até através da
experimentação.
-25-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
5.
Módulos de Potência (drivers) para Motores DC
5.1.
Drivers
5.1.
Introdução
EST/DEE/ET
A função deste módulo é apenas de interface entre o microcontrolador e o módulo de
potência, de forma que os sinais PWM gerados pelo microcontrolador “excitem” as
entradas do módulo de potência.
A escolha do driver recaiu no L298. Cuja datasheet se apresenta em anexo.
5.2.
Algumas Noções Teóricas
O L298 é um circuito integrado monolítico que possui um excitador duplo de alta
tensão. Ele permite aceitar níveis padrão para a lógica TTL e comandar cargas indutivas
tais como relés, solenóides, motores C.C. e passo-a-passo.
Este dispositivo é fornecido com duas entradas independentes o que permite habilitar ou
incapacitar o dispositivo dos sinais de entrada.
5.3.
Desenvolvimento
Tendo por base a figura 5.1, fornecida através da datasheet do dispositivo, foi
possível efectuar as ligações para cada um dos motores. Após aplicação dos
correspondentes níveis de tensão às entradas do driver foi observado o correcto
funcionamento de cada um dos motores, estando possibilitado o controlo independente
de cada um deles.
-26-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
Figura 5.1 – Esquema de ligações para o controlo bidireccional de um motor DC
O circuito resultante da interligação entre o circuito de comando e o circuito de
potência, será apresentado em seguida :
Figura 5.2 – Circuito resultante da interligação do circuito de comando e o circuito de
potência.
-27-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
5.4.
EST/DEE/ET
Testes
Os testes a este dispositivo não ofereceram grandes dificuldades. Inseriu-se o driver
numa breadboard e aplicaram-se os níveis de tensão gerados pelo circuito de comando
(5V). Foi então possível comandar a rotação de cada um dos motores separadamente. A
tabela 5.1 ilustra esta situação.
Tabela 5.1 – Quadro resumo para a rotação dos motores
Figura 5.3 – Esquema interno do driver L298
-28-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
5.5.
EST/DEE/ET
Conclusões
Uma vez que um driver L298 permite o controlo de dois motores, optou-se apenas
por utilizar um único driver.
Com base nos esquemáticos apresentados nas figuras 5.1 e 5.2, e após efectuada a
interligação entre o circuito de comando e o circuito de potência, o funcionamento
esperado foi o observado.
-29-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
6.
Ponte em H
6.1.
Introdução
EST/DEE/ET
A ponte em H foi a parte “visual” mais complicada de realizar devido à potência
necessária para fazer movimentar a estrutura, não devido à complexidade do circuito
electrónico, que é bastante simples, mas sim à escolha apropriada de componentes para
tais potências, bem como a sua compra.
O designado módulo de potência é constituído por duas placas de circuito impresso
nas quais se encontra disposta a electrónica para efectuar o controlo dos motores. Nesta
secção será apresentada toda a informação referente à parte de potência. Será incluído o
esquema electrónico que nos levou ao controlo dos respectivos motores. Depois de
algumas experiências mal sucedidas com outro tipo de dispositivos, optou-se por uma
solução que cumpre os objectivos a que nos propunha-mos.
6.2.
Algumas Noções Teóricas
Por forma a fazer com que cada um dos motores possa ser controlado em ambos os
sentidos, optou-se por uma configuração de ponte em H, constituída por 2 transístores
de potência do tipo NPN e 2 do tipo PNP, como ilustra a figura seguinte.
Figura 6.1 – Configuração de ponte em H
-30-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
Este tipo de configuração funciona da seguinte forma. Quando se liga o sistema, os
transístores encontram-se ao corte, visto que todas as base dos transístores se encontram
com 0V. Ao colocar uma tensão na base do transístores estes passam a conduzir, de
onde é fácil então deduzir, que colocando os transístores a conduzir aos pares (Q1 e Q4
ou Q2 e Q3), estes irão fazer a corrente fluir num determinado sentido, fazendo com que
o motor gire para a direita ou para a esquerda. Como podemos ver mais facilmente nas
seguintes figuras :
Figura 6.2 – Input 2_1 e Input 2_2 com 24 Volts e Input 1_1 e Input 1_2 com 0 Volts.
Figura 6.3 – Input 1_1 e Input 1_2 com 24 Volts e Input 2_1 e Input 2_2 com 0 Volts.
-31-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
6.3.
EST/DEE/ET
Desenvolvimento
A concepção deste circuito teve por base a configuração da ponte em H, apresentando
algumas melhorias. Dele faz parte uma protecção contra sobrecargas.
6.4.
Descrição do Circuito (figura 6.4)
A disposição dos transístores de potência faz com que conduzam aos pares, bastando
para isso que as entradas designadas por input 2_1 e input 2_2 se encontrem
alimentadas com 24V, ou vice versa, que as entradas input 1_1 e input 1_2 se
encontrem com o mesmo nível de tensão para que o motor inverta o sentido.
Segue-se uma descrição pormenorizada da função de cada um dos componentes que
constituem o circuito eléctrico.
Com base no teste prático feito ao circuito, verificou-se que existia uma corrente de
fuga pela base dos transístores Q11 e Q21 quando o motor estava a parar (como tal,
fornecendo energia). A colocação dos díodos D1 e D2 solucionou o problema.
Os leds 1 e 2 tem a mesma função dos díodos D1 e D2, para além de assinalarem o
sentido de rotação do motor. Ao usar leds de alto rendimento e baixando ligeiramente os
valores de R7 e R8 conseguir-se-á um brilho mais intenso, pois com um sinal PWM o
brilho dos leds baixa em relação a um sinal DC com o mesmo nível de tensão.
De seguida será apresentado o esquema eléctrico bem como a placa de circuito
impresso, que estão na base da configuração da ponte em H.
-32-
EST Setúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
EST/DEE/ET
V1
24
+V
D8
BD 249
D1
Q11
249
input1_1
BYV32
BYV32
D7
BD 249
0V - 24V
input2_1
0V - 24V
M1
BD 250
0V - 24V
BD 250
Q1
2.2K
Q12
250
Q22
250
LED1
R7
input2_2
D2
Q21
249
BD 241
LED2
D5
BYV32
BYV32
Q3
Nó A
Q2
BD 241
2.2K
input1_2
0V - 24V
Q4
R1
68
BD 241
R8
D6
R4
0.1
BD 241
R2
18
R3
150
R5
0.1
R6
0.1
Figura 6.4 – Esquema eléctrico
6.5.
Melhorias Introduzidas
6.5.1. Protecção Contra Sobrecargas
Foi desenvolvida uma protecção que nos permite controlar o fluxo de corrente que
atravessa cada um dos motores. Para isso existem 3 resistências de potência de 0,1Ω,
formando duas delas um paralelo estando a outra em série (R5 // R6) + R4.
A protecção é activada quando a corrente que atravessa cada uma dos motores
ultrapassa-se os 5 Amperes. As resistências têm por objectivo provocar uma queda de
tensão de 0,75V no nó A, ver figura 6.4
-33-
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EST/DEE/ET
Expressões referentes ao divisor de tensão, associado à junção base emissor :
VA = R × I Ù V = 0.15 × 5A= 0.75V
VA
0.75V
Nó A
R1
86
VB
Q2
Rpotênc
0.15
Q4
R2
150
Figura 6.5 – Esquema simplificado
VB = VA × R2 / (R1+ R2), considerando R2 = 150 Ω e que a tensão que polariza
directamente a junção base emissor dos transístores Q2 e Q4 é de aproximadamente
0,5V, valor medido no laboratório.
0.5 = 0.75 × 150 / ( R1 + 150)
R1 = 75 Ω
Obtou-se por um valor aproximado de 86 Ω.
-34-
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6.6.
EST/DEE/ET
Placas PCB
Para a implementação do circuito em PCB optou-se por um PCB de dupla fase,
devido a vários motivos.
Um deles deve-se ao facto da complexidade do circuito, bem como do elevado
número de componentes que fazem parte dele. Outro dos motivos é o elevado valor da
corrente que atravessa o circuito, obrigando a que as pistas tenham alguma espessura.
Outra das vantagens deste tipo de PCB é a não utilização de um elevado número de
chantes.
Lado 1
Lado 2
Figura 6.6 – Ilustração das placas PCB
6.7.
Modo de Utilização
O modo de utilização deste módulo é simples. Por forma a colocar o motor em
movimento, é necessário que as entradas input 2_1 e input 2_2 sejam alimentadas com a
tensão de 24V. Alimentando as outras duas entradas (input 1_1 e input 1_2) faz com
que o motor inverta o sentido de rotação.
-35-
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EST/DEE/ET
Este valor (24V) é o que permite que o motor tenha um desempenho regular.
6.8.
Testes
A melhor forma que se encontrou de testar este módulo foi alimentar as entradas e
medir os valores à sua saída.
6.9.
Conclusões
Este foi sem dúvida o bloco mais difícil de desenvolver devido aos valores de
corrente que iriam atravessá-lo. Foram desenvolvidos e testados vários circuitos, desde
simples drivers como o utilizado no módulo de drivers (L298), a ponte em H simples
com transístores de potência, mas o apresentado revelou-se melhor.
Houve dificuldade na escolha dos componentes apropriados, assim como na sua
aquisição.
-36-
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7.
Realimentação
7.1.
Introdução
EST/DEE/ET
O objectivo deste módulo é determinar a velocidade a que o veículo se movimenta, a
forma encontrada de o fazer foi através da leitura da velocidade de rotação de cada um
dos motores, para isso foi utilizado um tacómetro em cada motor.
7.2.
Algumas Noções teóricas
Os tacómetros são dispositivos electromecânicos que convertem energia mecânica em
energia eléctrica. À saída do tacómetro obtém-se uma onda quadrada que varia em
frequência consoante a velocidade de rotação dos motores, ou seja, movimentos
angulares do eixo do motor geram impulsos. Então, à saída do tacómetro teremos sinais
do tipo:
Figura 7.1 – Tipo de sinais à saída do tacómetro
O canal A e B encontram-se desfasados 90º entre si, de forma a que seja possível
detectar o sentido de rotação do encoder. Por sua vez o canal C, gera um impulso
sempre o eixo do tacómetro der um volta de 360º.
Os tacómetros, também designados por codificadores, podem ser de dois tipos:
incrementais ou absolutos.
-37-
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EST/DEE/ET
Os codificadores que devolvem códigos digitais são chamados codificadores
absolutos e os que devolvem pulsos são chamados incrementais. Estes últimos são os
mais utilizados dada a sua simplicidade de construção, versatilidade e facilidade de
aplicação. A figura seguinte ilustra o funcionamento de um codificador incremental
óptico:
Figura 7.2 – Tipos de codificadores ópticos
7.3.
Desenvolvimento
Consultando a datasheet dos tacómetros que se encontram em anexo retiramos o
seguinte quadro com as descrições dos fios :
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EST/DEE/ET
Referência
Designação
Castanho
5 a 12 VDC
Azul
0 V (Comum)
Preto
Saída A (Canal A)
Branco
Saída B (Canal B)
Laranja
Saída C (Canal C)
Malha
GND
Tabela 7.1 - Quadro resumo dos tacómetros
E implementa-mos o seguinte circuito :
Figura 7.3 – Circuito de ligações dos tacómetros ao microcontrolador
7.4.
Testes
A melhor forma de testar este módulo foi colocar o motor em rotação e ver num
osciloscópio se as forma de ondas eram as esperadas, o que aconteceu sem problemas.
7.5.
Conclusões
A maior dificuldade na implementação deste módulo esteve no código para
contagem dos impulsos, que poderia ter sido feito de várias formas. Em algumas não
se conseguia obter valores constantes de velocidade. O modo como essa contagem
foi implementada está descrito na secção do microcontrolador.
-39-
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8.
Alimentação
8.1.
Introdução
EST/DEE/ET
O objectivo deste módulo é alimentar todos os circuitos existentes no projecto.
8.2.
Algumas Noções Teóricas
As baterias escolhidas têm que fornecer corrente suficiente para alimentar os motores
e os circuitos de controlo, ser recarregáveis e ter uma boa autonomia. Como se pode
observar na tabela 8.1, apenas as baterias Níquel-Cádmio, Ni-MH e as Ácido-Chumbo
são aquelas que podem ser utilizadas. Assim, por razões de custo, as baterias de NíquelCádmio são preferíveis às NI-MH e, por razões de peso e segurança, são preferíveis às
de ácido-chumbo. As baterias de Níquel-Cádmio são aquelas em que se obtém uma
melhor relação preço/potência.
Tabela 8.1 – Tipo de baterias
Apesar de não serem aquelas em que se obtém uma melhor relação preço/potência,
pois para isso teríamos que utilizar as baterias de Níquel-Cadmio, as baterias que fazem
parte deste projecto são baterias de ácido - chumbo, com as seguintes características:
Tensão: V=12V
Capacidade: 17Ah
Tipo de célula: Ácido-Chumbo
Comprimento: L=13.4cm
Largura: 6.7cm
Altura: 6.7cm
Peso: 1.170Kg
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EST/DEE/ET
O RoboTank está preparado para ser alimentado por três baterias Ácido-Chumbo.
Estas baterias têm a capacidade de debitar 17 Ah.
Uma das desvantagens deste tipo de alimentação é que o carregamento das baterias é
muito moroso (cerca de 12 horas).
Estas baterias irão alimentar os motores e a parte electrónica, através de um conversor
de 5 V.
De modo a que não hajam interferências por parte dos motores, a alimentação destes é
isolada da restante electrónica, tanto pelo regulador de tensão como pela ponte em H.
Figura 8.2 – Diagrama de baterias
-41-
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8.3.
EST/DEE/ET
Desenvolvimento
No sistema desenvolvido, iremos necessitar de 3 níveis de tensão diferentes: 5 Volts
para o microcontrolador e outros componentes que trabalham com níveis de tensão
digitais, 12 Volts para a alimentação dos codificadores ópticos e finalmente 24 Volts
para alimentar o módulo de potência e o módulo de drivers.
Foi estipulada a utilização de 3 baterias de ácido de chumbo selado em que uma
bateria seria para gerar as tensões de alimentação de 5 e 12 Volts, e as outras duas para
gerar os 24 Volts.
A partir do parágrafo anterior desenvolveram-se os seguintes circuitos :
Figura 8.3 – Esquema de ligações das baterias
O reguladores de tensão têm o objectivo de estabilizar as tensões nos valores
pretendidos, visto que uma bateria não tem a tensão fixa, tanto pode estar com 13V com
12,5V etc.
-42-
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8.4.
EST/DEE/ET
Testes
Este módulo foi testado apenas medindo os valores de tensão à saída com um
multímetro.
8.5.
Conclusões
Este módulo foi o mais simples de implementar pois apenas utiliza cabos; é preciso
ter atenção à sua secção, pois por eles passam correntes bastante elevadas.
A maior dificuldade é a sua manutenção, pois é necessário estar constantemente a
carregar as baterias, principalmente as que alimentam os motores.
-43-
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9.
EST/DEE/ET
Carregamento de Baterias
A utilização de baterias recarregáveis tem sempre associado um processo de
carregamento. Esse carregamento têm de ser efectuado mediante características
específicas, relacionado com o tipo de células e capacidade que compõem a bateria.
Uma regra básica usada para o carregamento é o de carregar a uma taxa igual a um
décimo da capacidade em Amper-hora da bateria. Assim, a utilização de uma bateria
Ácido-Chumbo com uma capacidade de 17 AH deve ser carregada com uma corrente de
1.7 A.
-44-
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EST/DEE/ET
10. Controlo RF
10.1. Introdução
O objectivo deste módulo é o de libertar fisicamente o veículo do PC, deixando de ser
necessário a ligação através de fios. Note-se que, para que a comunicação fosse
bidireccional, seriam necessários dois kits, cada um constituído por um emissor e um
receptor; apenas nos foi disponibilizado um kit. Optou-se por utilizar o kit
disponibilizado, no sentido PC→Robot.
10.2.
Algumas Noções Teóricas
Neste caso foram usados módulos de emissão e recepção da RF Solutions[8], como
mostra a figura 10.1 e 10.2. São módulos de baixo consumo e reduzidas dimensões o
que os torna ideais para a sua utilização neste projecto.
Figura 10.1 – Receptor AM RF RECEIVERS AM-HRR6-XXX
Figura 10.2 – Emissor AM Hybrid Transmitter AM-RTn-XXX
Estes módulos apenas efectuam transmissão e recepção de dados do tipo binário, e
trabalham na faixa dos 200 aos 450 MHz. O que nos foi disponibilizado trabalha com
uma frequência de 433.9MHz
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EST/DEE/ET
O tipo de modulação utilizada por estes módulos é a Modulação ASK, (Amplitude
Shift-Keying). Num sinal ASK é a amplitude de uma portadora que varia no tempo de
acordo com os bits a transmitir. Na figura 10.3 mostra-se um exemplo de um sinal ASK.
"0"
"1"
"0"
"1"
"1"
"0"
Figura 10.3 - Sinal ASK.
10.3.
Modulação por Comutação de Amplitude (ASK)
(‘ASK – Amplitude Shift Keying’)
No caso da modulação ASK, os valores binários são representados por diferentes
amplitudes da portadora. O ‘1’ binário é representado pela presença, a uma amplitude
constante, da portadora, e o ‘0’ representado pela ausência de portadora. O sinal
resultante é da forma :
Normalmente, este tipo de modulação não é usado nas linhas telefónicas devido às
grandes variações de atenuação que podem ocorrer nos circuitos, tornando difícil fixar
um limiar para decidir entre os valores binários ‘0’ e ‘1’.
-46-
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EST/DEE/ET
O sinal ASK é gerado através da multiplicação entre o sinal de dados e uma
frequência áudio, fa. Este processo provoca um deslocamento do espectro de amplitudes
do sinal de dados para a frequência da portadora áudio. Este processo está ilustrado a
seguir.
Figura 10.4 – Espectro de amplitudes de um sinal ASK.
A largura de banda do sinal modulado é o dobro da largura de banda do sinal digital
original. Isto significa que um sinal original de 110 baud (110 bit por segundo) requer
um sistema ASK de uma largura de banda de 220Hz.
Na modulação no domínio da amplitude (ASK), a amplitude da onda é alterada de
acordo com a variação do sinal da informação. A modulação em amplitude em geral não
é utilizada de forma isolada, pois exige um meio em que a resposta de amplitude seja
estável, uma vez que este tipo de modulação é bastante sensível a ruídos e distorções.
-47-
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10.4.
EST/DEE/ET
Desenvolvimento
A utilização deste kits é bastante simples e basta apenas seguir as ligações existentes
na datasheet (ver anexo).
Eis o circuito montado:
Figura 10.5 - Circuito de ligações do módulo RF
10.5.
Testes
Para testar este módulo ligou-se o circuito transmissor ao PC e utilizou-se um
osciloscópio para visualizar o sinal recebido no receptor, depois de se verificar que esse
sinal era recebido correctamente, inseriu-se o módulo no projecto sem qualquer
problema.
10.6.
Conclusões
Foi interessante pôr este módulo a funcionar no projecto, devido a sua simplicidade
de implementação e à facilidade que nos dá na movimentação do robô.
Para implementar este módulo na sua totalidade, basta apenas adquirir mais um kit
com uma frequência de trabalho diferente do já existente 433.9MHz e colocá-lo a
funcionar no sentido Robot→PC.
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11.
11.1.
EST/DEE/ET
Software
Introdução
A função deste módulo é facilitar a interacção entre o utilizador e o veículo,
fornecendo uma interface mais atractiva que um “monte” de botões e um display.
Sendo assim, o módulo de software, a instalar num PC, permite ao utilizador conduzir o
veículo através das teclas de cursor do teclado, e visualizar algumas informações
importantes.
11.2.
Algumas Noções Teóricas
A escolha da linguagem de programação para a implementação do software de
controlo do RoboTank teria que passar obrigatoriamente por uma linguagem visual, de
forma a obter ambientes gráficos capazes de atrair e facilitar a utilização deste projecto
por parte dos utilizadores. Como linguagem visual poderíamos optar tanto pelo Visual
C++ como pelo Visual Basic ou mesmo o Delphi, deixando de fora linguagens como o
java, o novo C#, etc., devido tanto à falta de documentação, como do respectivo
software de desenvolvimento. Assim sendo, optou-se pelo Visual Basic devido à
facilidade de utilização e rapidez no desenvolvimento de código. Apesar de não ser tão
potente e rápido como C++ satisfaz plenamente as necessidades do nosso projecto.
11.3.
Desenvolvimento
11.3.1. Sistema de Utilizadores
Um das partes que constitui o software é uma pequena base de dados que dá acesso
ao próprio software, e que, em simultâneo, permite configurar parâmetros pelo
utilizador, como por exemplo, a porta de comunicação série com o veículo, o factor de
aceleração etc.
A base de dados tem a seguinte estrutura relacional:
-49-
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Ao fazer o login no programa, a configuração do utilizador será automaticamente
carregada no software e no próprio veículo.
Para gerir esta pequena base de dados, a aplicação dispõe de um menu Management
que permite alterar configurações, assim como criar e apagar novos utilizadores.
Ao clicar na opção Config, surge no ecrã a seguinte janela:
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que permite configurar a porta série, porta pela qual se comunica com o veículo. A
janela que permite configurar os outros dois parâmetros apresenta-se de seguida.
Factor de aceleração - Permite definir o valor numérico que irá ser incrementado ou
decrementado ao valor da velocidade, consoante a tecla de acelerar ou travar seja
premida. Exemplo: se a velocidade actual for 100 e o factor de aceleração 2 quando a
tecla de acelerar for premida ficamos como uma velocidade de 102, se o factor de
aceleração em vez de 2 fosse 4, ficaríamos com 104.
Binário - Permite definir o valor que será incrementado e decrementado consoante a
tecla de viragem que for premida.
Exemplo: se a velocidade do motor direito e do esquerdo for 100, e o binário 2, ao
premir a tecla de viragem a esquerda, ficaremos com 102 no motor da direita e 98 no da
esquerda.
Matematicamente
temos
Mdireita
=
Mdireita
+
Binário
e
Mesquerda = Mesquerda – Binário.
Para criar um novo utilizador, basta clicar na opção Create, que dará acesso à seguinte
janela, introduzindo-se para o efeito o nome do novo utilizador e a password pretendida.
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Para criar a sua própria configuração, o novo utilizador deverá sair e voltar a entrar na
aplicação com o respectivo user name e password.
Para apagar um utilizador, bastar clicar na opção Delete, que dará acesso à seguinte
janela.
11.3.2. Detecção de falhas de comunicação
Com o objectivo de detectar erros de comunicação entre o PC e o veículo foi
desenvolvido um sistema que detecta esse tipo de erros. O seu funcionamento é bastante
simples, visto que o PC e o veículo estão em constante comunicação, nem que seja
apenas o PC a fazer pedidos de informação (ex: Velocidade do motor da direita.). Basta
apenas um contador que passado um determinado tempo definido sem que haja
comunicação, o veículo pare automaticamente os motores e o PC emita uma mensagem
de erro como a seguinte :
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11.3.3. Comando
Para que se possa comandar o veículo criou-se a seguinte janela.
O utilizador interage com o comando através do teclado do PC, a descrição das teclas
utilizadas assim com a sua funcionalidade são as seguintes:
Cursor Up – Acelera o Veículo
Cursor Down – Desacelera o Veículo
Cursor Left – Vira o veículo para a esquerda progressivamente
Cursor Right – Vira o veículo para a direita progressivamente
Barra de espaços – Para o veículo
Q – Marcha para a frente
A – Marcha para trás
Também é possível visualizar informações relativas ao veículo, como a direcção, a
velocidade do motor e valor lido no tacómetro, para ambos os motores.
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11.3.4. Classes Desenvolvidas
Do ponto de vista técnico foram desenvolvidas as seguintes classes:
Motor
Propriedades:
ForwardChar – Caracter que coloca o motor em marcha a frente
BackwardChar – Caracter que coloca o motor em marcha a trás
Valor
– Valor da velocidade do motor
ValorMinimo – Valor mínimo que o motor pode atingir
ValorMaximo – Valor máximo que o motor pode atingir
AcelerarChar – Caracter para acelerar o motor
PararChar
– Caracter para Parar o motor
TravarChar – Caracter para Travar/desacelerar o motor
Métodos
Acelerar()
Travar()
DirForward()
DirBackward()
Eventos
Public Event MotorAcelerou(NovoValor As Integer)
Public Event MotorTravou(NovoValor As Integer)
Public Event MotorParou(NovoValor As Integer)
Public Event ValorMaxAtingido(ValorMaximo As Integer)
Public Event ValorMinAtingido(ValorMinimo As Integer)
Encoder
Propriedades:
Valor
- Valor no tacómetro
LeituraChar - Caracter para leitura do tacómetro
Métodos
LerEncoder
11.4.
Testes
À medida que o código foi sendo desenvolvido, foi testado a sua funcionalidade.
-54-
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11.5.
EST/DEE/ET
Conclusões
Ao utilizar um novo tipo de linguagem de programação ficamos a aperceber-nos das
suas potencialidades, neste caso o VB, no rápido desenvolvimento de aplicações.
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12.
EST/DEE/ET
Conclusões
Este projecto implicou, para além do esforço inerente a qualquer trabalho, um
cuidado especial no seu planeamento e desenvolvimento. Queremos com isto dizer que
cada etapa foi antecedida de alguma reflexão e definição de estratégias; a complexidade
deste projecto assim o obrigou.
Definição de objectivos. Nesta fase, que foi constituída basicamente por discussões
entre nós e troca de impressões com o professor orientador do projecto, ficaram
definidos em traços gerais os objectivos do projecto; foi delineada também a
constituição física dos vários módulos, protocolos a usar e lista de componentes.
Preparação teórica. Esta fase coexistiu com a fase anterior durante algum tempo e
foi caracterizada pelo estudo teórico de alguns campos de interesse, e pela investigação
de assuntos de natureza prática como o assembler da Microchip e especificações de
microcontroladores.
Prospecção e aquisição de hardware. Munidos de um esboço de especificação
teórica e prática fizemos um levantamento no mercado do hardware que poderia
satisfazer os nossos requisitos. Esta também é uma fase que existiu sempre com o
projecto, visto que a partir de uma certa altura a aquisição de componentes aconteceu
regularmente.
Os alunos consideram que esta foi uma boa experiência, uma vez que os
conhecimentos adquiridos foram sem dúvida interessantes. Devido à abrangência deste
projecto foi possível aplicar conhecimentos já adquiridos ao longo do curso, e de certa
forma até consolidá-los, mas também existiu um grande esforço de investigação e
aprendizagem de novos conceitos e técnicas. Fica no entanto a noção que quanto mais
se progride em conhecimento mais coisas há que é necessário saber.
No início da construção deste veículo deparamos algumas dificuldades em encontrar
vários componentes, nomeadamente os que foram utilizados na ponte em H.
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EST/DEE/ET
Com este trabalho adquiriram-se novos conhecimentos na área de electrónica,
aplicação de sensores, programação de microcontroladores, mecânica, desenho,
construção e montagem de placas de circuito impresso. Este projecto constitui um
precedente para iniciar novos estudos e projectos na área da robótica, o que tem
cativado o interesse de alunos desta escola. Sendo um assunto pouco abordado nas
disciplinas, os alunos muitas vezes têm sugerido novas ideias para este projecto e para
outros possíveis dentro desta área nos próximos anos. Esperemos que este súbito
interesse resulte em novas iniciativas.
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EST/DEE/ET
Referências Bibliográficas
Notas da disciplina de Sistemas Digitais1 leccionada no 2º semestre de 1996 no âmbito
do Bacharelato em Engenharia de Electrónica e Computadores.
Notas da disciplina de Sistemas Digitais2 leccionada no 1º semestre de 1997 no âmbito
do Bacharelato em Engenharia de Electrónica e Computadores.
Notas da disciplina de Sistemas Digitais3 leccionada no 2º semestre de 1998 no âmbito
do Bacharelato em Engenharia de Electrónica e Computadores.
Notas da disciplina de Microcontroladores leccionada no 1º semestre de 1999 no
âmbito do Bacharelato em Engenharia de Electrónica e Computadores.
Manuais do micro controlador PIC16F877
Perry, Teach yourself visual basic 6 in 21 days ,Sams
Smith & Amundsen, Teach yourself database programming with visual basic 6 in 21
days, Sams
McDonald, Serious ADO universal data acess with VB
http://www.maxonmotor.com/index_a.cfm
http://www.datasheetlocator.com/po/
http://www.rfsolutions.co.uk/
Anexos
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