Universidade de Brasília - UnB
Faculdade de Tecnologia - FT
Departamento de Engenharia Elétrica – ENE
Grupo de Instrumentação, Controle e Automação – GICA
Laboratório de Controle e Visão Computacional – LCVC
Disciplina: Projeto de Graduação II
Trabalho de Graduação
Desenvolvimento de uma placa de
acionamento multi-funções para
motores de corrente contínua
Aluno: Bruno Mariani
Matrícula: 98/38635 – Engenharia de Controle e Automação
Orientador: Geovany Araújo Borges
Co-orientador: Lélio Ribeiro Soares Jr.
A meus pais, Celso e Ceiça.
Enquanto preparava este trabalho,
eles celebravam suas bodas de prata.
2
Agradecimentos
Muitas pessoas contribuíram, diretamente e indiretamente, para a produção
deste trabalho. Agradeço primeiramente a meus pais, irmãos e familiares que me
deram todo o apoio necessário na minha vida pessoal e profissional. Sem eles,
certamente não teria chegado até aqui. Um agradecimento especial à minha namorada
Izabel, que tornou meus dias mais alegres e produtivos desde o dia em que a conheci.
Aos que colaboraram diretamente neste projeto, agradeço principalmente ao
Professor Geovany pela oportunidade que me foi concedida e pelo seu grande interesse
em me orientar nas diversas etapas do trabalho. Sua paciência e seu dom de ensinar
são características que me fazem considerá-lo um grande mestre ! Agradeço também
aos técnicos de Grupo de Apoio Técnico do Departamento de Engenharia Elétrica por
toda assistência e atenção. Também sou muito grato a todos os professores que me
passaram experiências e conhecimentos valiosos para toda a vida, principalmente ao
Prof. Casanova por toda sua exigência e profissionalismo, contribuindo para uma
formação mais sólida e aprofundada. Meus agradecimentos também a todos os meus
colegas de curso por proporcionar um ambiente de trabalho e estudo mais agradável
com suas conversas, brincadeiras e eventos.
Enfim, obrigado, pois o sucesso deste trabalho é fruto não apenas do meu
esforço individual, mas sim de um trabalho em conjunto no qual todas estas pessoas
estiveram envolvidas.
3
Sumário
1.
INTRODUÇÃO...................................................................................................................... 9
1.1 PLACA DEVB151 ................................................................................................................ 10
1.2 PLACA MS 60/120 ............................................................................................................... 12
2.
OBJETIVOS......................................................................................................................... 13
3.
CONCEITOS BÁSICOS...................................................................................................... 14
3.1. DISPOSITIVOS DE CHAVEAMENTO ........................................................................................ 14
3.1.1 – Transistor Bipolar de Junção (TBJ) ........................................................................... 15
3.1.2 – MOSFETs .................................................................................................................. 16
3.2. ACIONAMENTO DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA ....................................................... 17
3.2.1 - Ponte-H...................................................................................................................... 17
3.2.2 - Modulação por Largura de Pulso (PWM)................................................................... 19
3.3. CONTROLE DE PROCESSOS ................................................................................................... 21
3.4. CONTROLE PID ................................................................................................................... 23
3.4.1 – Ação Proporcional (P)............................................................................................... 24
3.4.2 – Ação Integral (I) ........................................................................................................ 24
3.4.3 – Ação Derivativa (D)................................................................................................... 25
3.5. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS ........................................................................................ 26
4.
SISTEMA MODULAR DE CONTROLE E ACIONAMENTO PARA MOTORES CC . 28
4.1. INTERFACE DE POTÊNCIA (IP) .............................................................................................. 30
4.1.1 - Ponte-H...................................................................................................................... 31
4.1.2 - Lógica ........................................................................................................................ 32
4.1.3 - Alimentação ............................................................................................................... 35
4.1.4 – Resumo ...................................................................................................................... 36
4.2. MÓDULO DE CONTROLE ...................................................................................................... 38
4.2.1 Aspectos Básicos de Funcionamento............................................................................. 39
Modulador PWM................................................................................................................................................ 40
Alimentação ....................................................................................................................................................... 40
Proteção.............................................................................................................................................................. 40
Estágio de Saída ................................................................................................................................................. 41
4.2.2 Controle no Modo Tensão............................................................................................. 42
Buffer de entrada ...................................................................................................................................... 43
Condicionamento do sinal......................................................................................................................... 44
Inversor ..................................................................................................................................................... 45
4.2.3 Controle no Modo Corrente.......................................................................................... 47
4.2.4 Controle no Modo Velocidade ...................................................................................... 50
Comparador ........................................................................................................................................................ 52
Controlador PI .................................................................................................................................................... 52
Extrator de Módulo ............................................................................................................................................ 53
Extrator de Sentido ............................................................................................................................................. 54
4.2.5 Resumo......................................................................................................................... 57
4.3. CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 59
5.
PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO ................................................................................. 60
5.1. LAYOUT .............................................................................................................................. 60
5.2. PROTEÇÃO CONTRA RUÍDOS ................................................................................................. 63
5.3 LISTA DE MATERIAIS ............................................................................................................ 64
5.4. ESPECIFICAÇÕES DE OPERAÇÃO ........................................................................................... 65
4
6.
AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL ...................................................................................... 66
6.1. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ............................................................................................... 66
6.2. ENSAIO NO MODO TENSÃO .................................................................................................. 67
6.3. ENSAIO NO MODO CORRENTE .............................................................................................. 70
6.4. ENSAIO NO MODO VELOCIDADE ........................................................................................... 73
7.
CONCLUSÕES .................................................................................................................... 77
8.
BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................. 78
5
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1-1: DISTRIBUIÇÃO DOS COMPONENTES NA PLACA DEVB151............................................. 10
FIGURA 1-2: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PLACA DEVB151......................................................... 11
FIGURA 1-3: DIAGRAMA DE BLOCOS DA PLACA MS 60/120 ............................................................ 12
FIGURA 3-1: CHAVE CONTROLÁVEL GENÉRICA ............................................................................... 14
FIGURA 3-2: SÍMBOLO DE CIRCUITO PARA BJTS .............................................................................. 15
FIGURA 3-3: CARACTERÍSTICA I-V DO BJT (B), BJT OPERANDO COMO CHAVE (C) ............................ 15
FIGURA 3-4: MOSFET CANAL-N: (A) SÍMBOLO, (B) CARACTERÍSTICA I-V ....................................... 16
FIGURA 3-5: CIRCUITO BÁSICO DE UMA PONTE-H ........................................................................... 17
FIGURA 3-6: A1 E B2 CONDUZINDO ................................................................................................ 17
FIGURA 3-7: A2 E B1 CONDUZINDO ................................................................................................ 18
FIGURA 3-8: SITUAÇÕES PROIBIDAS: A1 E A2 E/OU B1 E B2 CONDUZINDO ...................................... 18
FIGURA 3-9: CONVERSOR CC-CC .................................................................................................. 19
FIGURA 3-10: MODULADOR PWM E FORMAS DE ONDA ................................................................... 20
FIGURA 3-11: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE BÁSICO ................................... 21
FIGURA 3-12: CURVA DE RESPOSTA AO DEGRAU UNITÁRIO .............................................................. 22
FIGURA 3-13: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM CONTROLADOR PID................................................... 23
FIGURA 3-14: SÍMBOLO DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL ........................................................ 26
FIGURA 3-15: CURVA CARACTERÍSTICA (ESTÁTICA) DE UM AMP. OP. EM MALHA ABERTA............... 27
FIGURA 4-1: SISTEMA DE CONTROLE E ACIONAMENTO DE UM MOTOR CC ...................................... 28
FIGURA 4-2: ESTRUTURA COMPLETA DO SISTEMA DESENVOLVIDO ................................................... 28
FIGURA 4-3: DIAGRAMA DE BLOCOS DA INTERFACE DE POTÊNCIA .................................................. 30
FIGURA 4-4: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA INTERFACE DE POTÊNCIA ............................................. 30
FIGURA 4-5: BLOCO 1 – PONTE-H .................................................................................................. 31
FIGURA 4-6: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO L298 ........................................................................... 32
FIGURA 4-7: BLOCO 2 – LÓGICA .................................................................................................... 32
FIGURA 4-8: CIRCUITO LÓGICO DAS FUNÇÕES P, S E PE .................................................................. 34
FIGURA 4-9 :CIRCUITO DA FUNÇÃO HABILITAÇÃO .......................................................................... 35
FIGURA 4-10: ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA ......................................................................................... 35
FIGURA 4-11: DIAGRAMA DE BLOCOS DA INTERFACE DE POTÊNCIA (2A) ........................................ 36
FIGURA 4-12: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA INTERFACE DE POTÊNCIA (2A).................................... 37
FIGURA 4-13: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA CONTROLADO ............................................... 38
FIGURA 4-14: ESQUEMA DE LIGAÇÃO PARA O LM3524 ................................................................... 39
FIGURA 4-15: CIRCUITO INTERNO DO LM3524 ............................................................................... 39
FIGURA 4-16: ESQUEMA DE ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA PARA O SISTEMA............................................ 40
FIGURA 4-17: CIRCUITO DE PROTEÇÃO ........................................................................................... 41
FIGURA 4-18: ESQUEMA DE LIGAÇÃO DO ESTÁGIO DE SAÍDA DO LM3524 ........................................ 41
FIGURA 4-19: SISTEMA DE ACIONAMENTO NO MODO TENSÃO ........................................................... 42
FIGURA 4-20: CONTROLADOR NO MODO TENSÃO ........................................................................... 42
FIGURA 4-21: CIRCUITO DE CONDICIONAMENTO DE SINAL.............................................................. 43
FIGURA 4-22: CIRCUITO DE CONDICIONAMENTO DE SINAL.............................................................. 44
FIGURA 4-23:CIRCUITO DE CONTROLE DO MODO TENSÃO ................................................................ 46
FIGURA 4-24: CONTROLE DE CORRENTE ......................................................................................... 47
FIGURA 4-25: CONTROLADOR DE CORRENTE .................................................................................. 47
FIGURA 4-26: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CONTROLE DE CORRENTE ............................................ 48
FIGURA 4-27: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO COMPLETO DO CIRCUITO DE CONTROLE DE CORRENTE ...... 49
FIGURA 4-28: DETALHES DO CONTROLADOR DE VELOCIDADE ........................................................ 50
FIGURA 4-29: DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLE DE VELOCIDADE ............................................ 51
FIGURA 4-30: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DE COMPARAÇÃO ........................................ 52
FIGURA 4-31: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CONTROLADOR PI....................................................... 52
FIGURA 4-32: SENSOR DE CORRENTE ............................................................................................. 53
6
FIGURA 4-33: CIRCUITO EXTRATOR DE MÓDULO ............................................................................ 54
FIGURA 4-34: CIRCUITO EXTRATOR DE SENTIDO ............................................................................ 54
FIGURA 4-35: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO COMPLETO DO CIRCUITO DE CONTROLE DE VELOCIDADE ... 56
FIGURA 4-36: DIAGRAMA DE BLOCOS DO MÓDULO DE CONTROLE .................................................. 57
FIGURA 4-37: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO COMPLETO DO MÓDULO DE CONTROLE ........................... 58
FIGURA 4-38: SISTEMA DE CONTROLE E ACIONAMENTO DE UM MOTOR CC .................................... 59
FIGURA 4-39: ESTRUTURA COMPLETA DO SISTEMA DESENVOLVIDO ................................................. 59
FIGURA 5-1: FACE SUPERIOR DA PCI .............................................................................................. 61
FIGURA 5-2: FACE INFERIOR DA PCI............................................................................................... 61
FIGURA 5-3: FOTO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO..................................................................... 63
FIGURA 5-4: LOOP ......................................................................................................................... 63
FIGURA 5-5: ELIMINAÇÃO DOS ÂNGULOS DE 90º ............................................................................. 64
FIGURA 6-1 : MOTOR CC UTILIZADO NO ENSAIO............................................................................. 66
FIGURA 6-2: CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA PARA O MODO TENSÃO ................................................... 67
FIGURA 6-3: GRÁFICO D VERSUS VREF OBTIDOS NO ENSAIO DO MODO TENSÃO ................................. 68
FIGURA 6-4: FORMA DE ONDA GERADA PELO MODULADOR PWM.................................................... 69
FIGURA 6-5: FORMA DE ONDA SOBRE OS TERMINAIS DO MOTOR....................................................... 69
FIGURA 6-6: CONFIGURAÇÃO DAS CHAVES PARA O MODO CORRENTE .............................................. 70
FIGURA 6-7: EQUIVALENTE ELÉTRICO DE UM MOTOR CC ................................................................. 70
FIGURA 6-8: ACIONAMENTO DE UM MOTOR CC ............................................................................... 71
FIGURA 6-9: CONTROLE DE CORRENTE ........................................................................................... 71
FIGURA 6-10: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CONTROLADOR DE CORRENTE ..................................... 71
FIGURA 6-11: RESPOSTA DINÂMICA DO SISTEMA NO ENSAIO DO MODO CORRENTE ........................... 72
FIGURA 6-12: CONFIGURAÇÃO DE CONTROLE PARA O MODO VELOCIDADE ...................................... 73
FIGURA 6-13: CONFIGURAÇÃO DO ENSAIO DE DETERMINAÇÃO DE GP(S).......................................... 73
FIGURA 6-14: VDEG (CANAL 1) E VTAC (CANAL 2) ......................................................................... 74
FIGURA 6-15: SISTEMA CONTROLADO............................................................................................. 75
FIGURA 6-16: CIRCUITO ELÉTRICO DO CONTROLADOR PI (COM INVERSÃO)...................................... 75
FIGURA 6-17: RESPOSTA DINÂMICA PARA O MODO VELOCIDADE ..................................................... 76
7
Lista de Tabelas
TABELA 1-1: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DA PLACA DEVB151................................................... 10
TABELA 4-1: DETERMINAÇÃO DO MODO DE OPERAÇÃO ................................................................... 29
TABELA 4-2: TABELA VERDADE DAS FUNÇÕES P, S E PE................................................................. 33
TABELA 4-3: TABELA VERDADE DA FUNÇÃO HABILITAÇÃO .............................................................. 35
TABELA 4-4: TABELA VERDADE DA INTERFACE DE POTÊNCIA (2A) ................................................. 36
TABELA 4-5: CICLO DE TRABALHO D EM FUNÇÃO DE E ................................................................... 44
TABELA 4-6: CICLO DE TRABALHO D EM FUNÇÃO DO SINAL DO MICROCONTROLADOR ..................... 44
TABELA 4-7 : COMBINAÇÃO DAS CHAVES S1 E S2 .......................................................................... 57
TABELA 5-1 : LISTA DE MATERIAIS ................................................................................................ 64
TABELA 5-2: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS ................................................................................... 65
TABELA 6-1: EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE O ENSAIO ........................................................ 66
TABELA 6-2 : VALORES PARA AS VARIÁVEIS DO SISTEMA ................................................................ 67
TABELA 6-3: D X VREF.................................................................................................................... 68
8
1. INTRODUÇÃO
Na indústria, é bastante comum o emprego de sistemas de controle para o acionamento
de motores. Esses sistemas são formados pela interconexão de um conjunto de módulos
industriais, caracterizando-se pela robustez e a vasta gama de aplicações (controle de
velocidade, posição, torque). Entre tais módulos estão as placas de acionamento de eixos
multi-funções, usadas no controle de motores de corrente contínua. Estas placas se
caracterizam por permitir o uso em uma ampla gama de especificações de motores, bem
como pela possibilidade de se escolher o tipo de grandeza a ser controlada (por exemplo,
tensão, corrente, velocidade e posição).
Uma placa de acionamento multi-funções para motores CC, apresenta em geral as
seguintes características:
Modos de operação;
•
modo servocontrole (velocidade ou posição);
•
modo acionamento (tensão ou corrente).
Controladores PID de velocidade e posição, compensação direta de velocidade e
aceleração;
Entradas analógicas da variável de referência (velocidade, posição, corrente);
Entradas e saídas analógicas dos sensores;
Configuração dos ganhos de controle por meio de trimpots e/ou potenciômetros;
Limite de corrente e rearme de capacitâncias.
Atualmente existem vários sistemas comerciais que oferecem soluções para o
controle e acionamento de motores de corrente contínua. A seguir, serão apresentados dois
exemplos propostos por fabricantes diferentes. No primeiro exemplo é apresentada a placa
DEVB1511, um driver de potência comercializado pela Motorola. Em seguida, é apresentada
a placa MS 60/1202, um sistema de controle e acionamento fabricado pela Sanyo-Denki.
Uma análise de sistemas comerciais já existentes proporciona uma visão mais ampla
da proposta do projeto, além de direcionar as etapas de desenvolvimento para soluções mais
rápidas e já consolidadas.
1
Para informações detalhadas sobre a placa DEVB151, consulte o documento “Application Note AN1319” no endereço
eletrônico do fabricante, www.motorola.com.
2
Para maiores informações sobre a placa MS 60/120, consulte o fabricante através do endereço eletrônico www.sanyodenki.com. Uma cópia completa do seu manual (em Francês) está disponível na seção Anexos.
9
1.1 Placa DEVB151
A placa DEVB151 é um driver de potência que faz a interface entre o controlador e o
motor. Ela traduz sinais lógicos provenientes de um microprocessador ou microcontrolador,
em potência para o motor. A DEVB151 é capaz de acionar um motor cc em ambas as
direções através de quatro entradas que controlam os transistores da ponte-H, além de
oferecer dois terminais de saída para a conexão do motor e terminais para medição de
corrente. Uma única fonte de alimentação é suficiente para operar a placa. O desenho
ilustrativo da placa de circuito impresso e o diagrama esquemático completo da DEVB151
são apresentados na Figura 1-1 e na Figura 1-2, respectivamente.
Todas os conectores para as entradas de controle e medição de corrente estão na borda
da placa, do lado esquerdo, enquanto os conectores para alimentação elétrica estão na borda
do lado direito. A placa possui um circuito de proteção para evitar a condução simultânea de
cada meia-ponte, no qual pares cruzados de portas NANDs desabilitam o transistor da parte
inferior quando o transistor da parte superior está em condução. Essa lógica permite também
que apenas um sinal PWM seja necessário para o acionamento da ponte-H. As tensões nos
terminais de saída A CS e B CS são representações da corrente que circula através de cada
lado da ponte, respectivamente. O coração da placa é o circuito integrado MPM3017, que
consiste em quatro MOSFETs de potência canal-N conectados na configuração ponte-H. A
Tabela 1-1 apresenta as características elétricas da placa DEVB151.
Figura 1-1: Distribuição dos componentes na placa DEVB151
Tabela 1-1: Características elétricas da placa DEVB151
Característica
Tensão de entrada
Corrente de pico no motor
Corrente contínua no motor
Tensão mínima de entrada para lógica 1
Tensão máxima de entrada para lógica 0
Dissipação de potência
Tensão do sensor
Símbolo Mínimo
+B
18
IPK
IC
VIH
VIL
PD
VSENSE
Típico
Máximo
48
30
8
2,7
2,0
7
10
Unidades
Volts
Amps
Amps
Volts
Volts
Watts
mV/A
10
Figura 1-2: Diagrama esquemático da placa DEVB151
11
1.2 Placa MS 60/120
A placa MS 60/120 é um controlador-amplificador para motores de corrente contínua
de imã permanente. Uma ponte composta por quatro transistores fornece ao motor uma força
eletromotriz a partir de uma fonte de alimentação contínua. A Figura 1-3 apresenta o
diagrama de blocos da placa, através do qual pode-se compreender sua estrutura básica de
funcionamento. Algumas características importantes podem ser observadas, como a
localização de todos os conectores de entrada e saída nas bordas da placa, a presença de
chaves para configurar diversos modos de operação, o acionamento da ponte-H através de
modulação PWM, utilização de resistores para medição de corrente, e implementação de
comparadores e controladores utilizando-se amplificadores operacionais e resistores
variáveis para ajuste dos parâmetros. Uma cópia completa do manual (em Francês) da placa
MS 60/120 está disponível na seção Anexos, neste documento.
Figura 1-3: Diagrama de Blocos da placa MS 60/120
12
2. OBJETIVOS
Baseando-se na proposta apresentada e na análise dos sistemas já desenvolvidos, o
objetivo principal deste projeto é desenvolver um sistema de controle e acionamento para
motores CC que atenda às seguintes exigências:
i. Modularidade → o sistema
independentes;
deve
ser composto por módulos
ii. Multi-funções → o sistema deve funcionar em diversos modos de
operação, como, por exemplo, controle de corrente, tensão, velocidade e
posição;
iii. Robustez → não-susceptível a falhas, boa imunidade a ruídos, protegido
contra surtos elétricos;
iv. Conectividade → possibilidade de se utilizar o sistema para acionar uma
grande variedade de motores CC de baixa tensão, independente de marca,
modelo ou fabricante, bem como capacidade de fazer interface com
diversos tipos de microcontroladores, computadores e equipamentos de
bancada;
v. Padronização → apresentar padrões comumente utilizados na indústria,
de modo a facilitar as etapas de produção, manutenção e integração com
tecnologias consolidadas e equipamentos de terceiros;
vi. Simplicidade → o sistema deve apresentar procedimentos de montagem,
desmontagem e utilização bastante simples, de modo que o usuário
entenda o seu funcionamento de forma intuitiva;
vii. Baixo custo → o custo total de implementação do sistema deve ser
inferior ao preço dos sistemas de acionamento disponíveis no mercado,
sem comprometer sua qualidade e funcionalidade.
O projeto foi dividido em três etapas:
1. Estudo de sistemas comerciais de acionamento de motores CC;
2. Projeto de um sistema modular composto de uma unidade de controle e uma
unidade de potência. A unidade de controle incorpora os circuitos de controle,
proteção e modulador em largura de pulso (PWM). O módulo de potência é
formado por uma ponte H, diodos de proteção, circuito de medição de corrente,
entrada de tensão de acionamento e conector para o módulo de controle. Esta fase
incorpora os testes dos módulos implantados em placas protótipo;
3. Implementação em circuito impresso dos módulos de potência e de controle.
13
3. CONCEITOS BÁSICOS
Esta seção contém alguns conceitos necessários para o entendimento do
funcionamento do sistema proposto.
3.1. Dispositivos de Chaveamento
Os dispositivos de chaveamento operam como interruptores controláveis que podem
ser comandados a partir de sinais de controle. Incluem-se nesta categoria, com as
modificações devidas, diversos tipos de componentes eletrônicos, como por exemplo,
transistores bipolares de junção (TBJs), transistores MOS de efeito de campo (MOSFETs),
tiristores, etc. Estes dispositivos podem ser representados graficamente pelo símbolo
apresentado na Figura 3-1 abaixo:
Figura 3-1: Chave controlável genérica
Conforme o sinal presente no pino de controle, a chave pode assumir dois estados:
aberta ou fechada. Quando a chave está aberta, nenhuma corrente circula através do
dispositivo ( i = 0 ). Quando está fechada, a corrente flui apenas no sentido indicado pela seta
(chave unidirecional). Uma chave controlável ideal apresenta as seguintes características:
Quando está aberta, bloqueia a passagem de corrente mesmo com grandes
tensões aplicadas em seus terminais;
Quando está fechada, conduz grandes correntes sem que haja queda de tensão
entre seus terminais;
Comuta instantaneamente entre os estados “aberto” e “fechado” quando é
comandada;
Requer pouquíssima potência da fonte de sinal de controle para ser
comandada.
No entanto, chaves reais podem romper conforme a amplitude/sentido da corrente ou
tensões em seus terminais, apresentam resistência finita quando abertas e resistência nãonula quando fechadas, atraso de comutação bem como a comutação não é instantânea.
14
3.1.1 – TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO (TBJ)
Os TBJs são dispositivos controlados por corrente onde a corrente de base deve ser
fornecida continuamente para mantê-lo em condução. Em geral, o tempo de comutação deste
tipo de componente está em torno de alguns microsegundos. O símbolo de circuito para um
transistor bipolar de junção é apresentado na Figura 3-2, e sua característica i-v na Figura
3-3 (b).
B = Base
C = Coletor
E = Emissor
Figura 3-2: Símbolo de circuito para BJTs
Figura 3-3: Característica i-v do BJT (b), BJT operando como chave (c)
Considere as convenções para as correntes e tensões apresentadas na Figura 3-3 (a).
Observa-se que uma corrente iB aplicada na base do dispositivo faz com que faz com que ele
entre em plena condução. Para isso, é necessário que o circuito de controle forneça uma
i
corrente de base tal que i B > C , onde hFE é o ganho de corrente cc do transistor. A
h FEmín
tensão mínima de saturação entre coletor e emissor (VCE(sat)) dos transistores de potência
estão geralmente na faixa de 1 a 2 volts, de modo que a dissipação de potência é
relativamente baixa. As características idealizadas de um BJT operando como chave estão
apresentadas na Figura 3-3 (c).
15
3.1.2 – MOSFETS
Os transistores do tipo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor, Field Effect
Transistor), diferem dos transistores bipolares em vários aspectos, como princípio de
operação, especificações e desempenho de chaveamento. Os MOSFETs apresentam diversas
vantagens em relação aos TBJs, por exemplo:
velocidade de comutação significativamente mais alta, onde a freqüência de
chaveamento limite é de aproximadamente 10 MHz;
impedância de entrada altíssima;
tempo de resposta constante em uma ampla faixa de temperaturas;
O símbolo para circuito de um MOSFET canal-N é apresentado na Figura 3-4 (a).
Ao contrário do TBJ, ele é um dispositivo controlado por tensão, como é indicado pela
sua característica i-v na Figura 3-4 (b).
Figura 3-4: MOSFET canal-N: (a) símbolo, (b) característica i-v
As curvas características indicam que há três regiões de operação: a região de corte,
a região de triodo e a região de saturação. A região de saturação é usada se o dispositivo
for operar como amplificador. Para operar como chave, são usadas as regiões de corte e de
triodo. O dispositivo está em corte quando vGS < VT, onde VT é a tensão de limiar, que é a
tensão mínima necessária para formar um canal de condução entre o dreno e a fonte. O
MOSFET canal-N opera na região de triodo quando vGS é maior que VT e a tensão de dreno
é menor do que a tensão na porta em pelo menos VT volts. Por outro lado, a operação na
região de saturação é garantida quando vGS for maior que VT e a tensão de dreno não cair
abaixo da tensão na porta por mais de VT volts. Na saturação, o MOSFET se comporta como
uma fonte de corrente cujo valor é controlado por vGS. O limite entre a região de triodo e a
região de saturação é caracterizado por
v DS = vGS − VT .
16
3.2. Acionamento de Motores de Corrente Contínua
3.2.1 - PONTE-H
O arranjo de componentes apresentado na Figura 3-5 é conhecido como Ponte-H.
Este tipo de configuração é bastante utilizado em controle e acionamento de motores CC por
permitir o acionamento bidirecional com o uso de uma fonte unipolar.
Figura 3-5: Circuito básico de uma Ponte-H
Geralmente, as chaves A1, A2, B1 e B2 são dispositivos semicondutores do tipo
transistor. Por exemplo, no caso de TBJs, na ausência do sinal de controle nenhum transistor
entra em condução, logo, nenhuma corrente pode circular pela carga (por exemplo, um
motor de corrente contínua). Aplicando no controle de A1 e B2 uma tensão que os sature,
esses transistores conduzirão e a corrente circulará no sentido indicado na Figura 3-6.
Figura 3-6: A1 e B2 conduzindo
17
Para inverter o sentido de circulação da corrente, basta aplicar uma tensão que
polarize os transistores A2 e B1 levando-os à saturação. A corrente circulará então no
sentido indicado na Figura 3-7. Deste modo, com um motor cc ligado entre A e B, é possível
fazer com que ele gire nos dois sentidos.
Figura 3-7: A2 e B1 conduzindo
Deve-se observar que existem duas situações que devem ser evitadas, pois podem
levar a fonte de alimentação a um curto-circuito e com isso à queima dos transistores. Essas
situações são aquelas em que os transistores A1 e A2 e/ou B1 e B2 conduzem ao mesmo
tempo, como é mostrado na Figura 3-8.
Figura 3-8: Situações proibidas: A1 e A2 e/ou B1 e B2 conduzindo
18
3.2.2 - MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM)
Em conversores CC-CC, a tensão média de saída deve ser controlada para que se
mantenha em um valor desejado, independentemente de variações na carga ou na tensão de
entrada. Estes conversores utilizam dispositivos de chaveamento que, para uma dada tensão
de entrada, o valor médio da tensão de saída é controlado agindo sobre o período de
condução e corte das chaves (tL e tD), como pode ser visto na Figura 3-9.
tL – tempo durante o qual a tensão cc da fonte de entrada é aplicada à carga na
saída.
tD – período em que a carga é “desconectada” da fonte.
A regulação usando modulação por largura de pulso (PWM) é um método de
controle que emprega o chaveamento a uma freqüência constante, e o ajuste do tempo de
condução das chaves para controlar o valor médio da tensão de saída. Para o caso específico
em que a carga é um motor de corrente contínua, o acionamento PWM é utilizado para
controlar a tensão média sobre os terminais do motor.
Uma variável determinante da regulação PWM é o ciclo de trabalho D. Ele é
definido como a razão entre o tempo de condução da chave e o período Ts de chaveamento,
t
onde Ts = tL + tD, ou seja, D = L × 100% . Assim, o ciclo de trabalho D pode variar de 0% a
Ts
100%.
tL
tD
Figura 3-9: Conversor CC-CC
Em um modulador PWM, o sinal de controle que determina os estados de condução e
corte das chaves, pode ser gerado através da comparação de um sinal de controle vcontrole com
uma onda dente-de-serra (ou triangular) de freqüência e amplitude constantes, como ilustra a
Figura 3-10 a seguir.
19
Vo (desejado)
vcontrole
Sinal de Controle
Vo (atual)
Comparador
Amplificador
Onda dente-de-serra
Tensão dente-de-serra
vcontrole
Sinal de
Controle
tL
tD
Freqüência:
Figura 3-10: Modulador PWM e formas de onda
20
3.3. Controle de processos
A Figura 3-11 apresenta o diagrama de blocos de um sistema de controle usual.
Figura 3-11: Diagrama de blocos de um sistema de controle básico
Gc(s) = modelo do controlador.
Gp(s) = modelo do processo (planta).
R = sinal de referência, valor desejado.
E = sinal de erro, diferença entre o valor medido e o valor desejado.
W = perturbação, interferência.
U = sinal de controle gerado pelo controlador Gc(s).
Y = sinal de saída da planta.
N = ruído de medição.
O conjunto de especificações de controle de um sistema em malha fechada pode ser
dividido em:
Especificação de regime transitório: estabelece, para um determinado tipo de
excitação, as diferenças máximas aceitáveis entre a saída e um determinado padrão de
resposta definido através de parâmetros como pico máximo, tempo para atingir um
certo percentual do valor de regime permanente, etc.
Especificação de regime permanente: estabelece condições de seguimento ou rejeição
de determinados sinais que atuam sobre o sistema.
A Figura 3-12 mostra a curva típica de resposta desejada a um sinal do tipo degrau
unitário de um sistema em malha fechada. Conhecendo-se a resposta a uma excitação em
degrau, é matematicamente possível computar a resposta para qualquer outro tipo de sinal.
Em geral, considera-se que o sistema está inicialmente em repouso com valor nulo da
variável de saída e de todas as suas derivadas.
21
Figura 3-12: Curva de resposta ao degrau unitário
Na maioria das vezes, é desejável que a resposta seja suficientemente rápida e
amortecida. As especificações das características da resposta transitória são definidas a
seguir.
Tempo de atraso, td: tempo necessário para que a resposta alcance, pela primeira
vez, a metade do valor final;
Tempo de subida, tr: tempo necessário para passar de 10% a 90% da diferença
entre o valor inicial e o valor de regime permanente;
Instante de pico, tp: tempo necessário para que a resposta alcance o primeiro pico
de ultrapassagem;
Máxima ultrapassagem (percentual), Mp: máximo valor de pico da curva de
resposta medido a partir do valor unitário;
Tempo de acomodação, ts: tempo necessário para que a resposta entre em uma
faixa de erro de 2% a 5%, sendo este percentual medido tendo como base a
diferença entre o valor inicial e o valor de regime permanente.
Para que estas especificações temporais possam ser mais facilmente consideradas na
análise e projeto de controladores lineares, é necessário recorrer ao uso de modelos
matemáticos. Neste caso, considera-se que o comportamento dinâmico do processo pode ser
bem modelado por uma função de transferência (FT).
Para sistemas de baixa ordem, utiliza-se o conceito de dominância de pólos,
aproximando as respostas dos sistemas em estudo por uma função de transferência de
primeira ou segunda ordem de acordo com os pólos dominantes. Com esta hipótese, é
razoavelmente simples encontrar relações entre o comportamento no domínio do tempo e a
posição dos pólos no plano complexo, a margem de fase, a margem de ganho e a freqüência
de corte do sistema [Ogata, 2000].
22
3.4. Controle PID
O controlador PID é composto pela soma de três ações: uma proporcional (P), uma
integral (I) e uma derivativa (D). Esta ação combinada possui as vantagens de cada uma das
três ações individuais. A equação de um controlador com esta configuração é dada por
t
u (t ) = Kp.e(t ) +
Kp
de(t )
. e(t )dt + Kp.Td .
,
Ti
dt
∫
0
ou pela função de transferência
Gc ( s ) =
U (s)
1


= Kp.1 +
+ Td .s  ,
E ( s)
Ti
.
s


na qual Kp representa o ganho proporcional, Td representa a constante de tempo derivativa e
Ti representa a constante de tempo integral. Esses parâmetros permitem ajustar cada uma das
ações. A Figura 3-13 mostra o diagrama de blocos de um controlador PID.
Figura 3-13: Diagrama de Blocos de um Controlador PID
A ação proporcional pode ser usada para acelerar a resposta do sistema e para diminuir
o erro em regime permanente. A ação integral tem como principal vantagem permitir a
operação do sistema com erro de regime nulo frente a referências e perturbações constantes.
Já a ação derivativa é utilizada para corrigir os efeitos do transitório e tem um caráter
preditivo.
23
3.4.1 – AÇÃO PROPORCIONAL (P)
Para um controlador com ação proporcional, a relação entre o sinal de saída do
controlador u(t) e o sinal de erro atuante e(t) é
u (t ) = Kp.e(t ) ,
ou, no domínio da transformada de Laplace,
U ( s)
= Kp .
E (s)
O controlador proporcional é essencialmente um amplificador com ganho ajustável.
Este tipo de controle gera uma atuação que tem as seguintes características:
O controle é proporcional ao erro e(t). Maiores valores de Kp permitem obter
menores valores do erro em regime permanente quando o sistema é estável e o
sinal de referência ou de perturbação são constantes;
O controlador manterá a característica proporcional da ação de controle somente
dentro de uma faixa denominada Banda Proporcional. Para valores do erro fora
da faixa permitida o sinal de controle satura;
É um tipo de controle instantâneo e sem memória, isto é, o seu valor atual
depende apenas do valor instantâneo do erro. Por isso, sempre é necessário um
erro não-nulo para gerar uma ação de controle sobre o processo;
Dinamicamente, o controlador proporcional pode ser utilizado com bons
resultados em sistemas de baixa ordem com resposta em malha aberta bem
amortecida. Nestes casos, a utilização de um valor de Kp adequado permite
acelerar a resposta transitória. Porém, se o sistema é de ordem superior, a
utilização de ganhos elevados para baixar o erro estático pode levar a problemas
de estabilidade ou a transitórios muito oscilatórios.
3.4.2 – AÇÃO INTEGRAL (I)
Em um controlador com ação integral, o valor da saída do controlador u(t) é variado
segundo uma taxa proporcional ao sinal de erro atuante e(t). Isto é,
t
∫
u (t ) = Ki. e(t ).dt ,
0
onde a função de transferência é
U ( s ) Ki
=
E (s)
s
.
A introdução de um integrador na malha de controle visa atender a especificações
definidas por erros nulos em regime permanente, fazendo com que o sistema opere no ponto
de funcionamento desejado.
24
Quando usada isoladamente, esta ação de controle piora a resposta dinâmica do
sistema, uma vez que o controle do tipo I introduz um pólo na origem do sistema. Por isso,
geralmente utiliza-se a ação I juntamente com a ação P, introduzindo um zero que permite
melhorar as características transitórias da resposta. Desta forma, a ação de controle PI pode
ser definida da seguinte forma:
U ( s)
1 

= Kp.1 +
.
E (s)
 Ti.s 
Observa-se que valores muito grandes de Ti produzem um cancelamento da ação
integrativa, alocando o zero do controlador muito próximo da origem e fazendo com que o
sistema se torne lento.
3.4.3 – AÇÃO DERIVATIVA (D)
A ação derivativa é utilizada para melhorar a resposta transitória, não tendo efeito
sobre o regime permanente a uma entrada constante. A ação Derivativa é mais atuante em
situações de mudanças de referência do sistema e incidências de perturbações. Esta ação de
controle apresenta uma característica “preditiva”, pois ela emprega a predição linear do erro
do sistema de controle.
A função de transferência de um controlador com ação derivativa é
U ( s)
= Td .s .
E (s)
Assim como a ação de controle integral, a ação de controle derivativa não deve ser
utilizada isoladamente, mas sim em conjunto com a ação proporcional.
25
3.5. Amplificadores Operacionais
Um amplificador operacional (abreviadamente AO ou AMPOP) é basicamente um
dispositivo amplificador de tensão, caracterizado por um elevado ganho, impedância de
entrada elevada, impedância de saída baixa e elevada largura de banda. O seu símbolo
elétrico é apresentado na Figura 3-14.
Figura 3-14: Símbolo de um Amplificador Operacional
Das duas entradas, uma, assinalada com o sinal (-) é chamada de entrada inversora e
a outra, a que corresponde o sinal (+) é chamada entrada não-inversora. O amplificador é
normalmente alimentado com tensões simétricas, tipicamente +12 V e –12 V ou +15 V e –15
V, que são aplicadas aos respectivos terminais de alimentação V- e V+. Note-se que nos
esquemas elétricos freqüentemente estes terminais são omitidos, representando-se apenas as
entradas e a saída. Em alguns casos podem estar disponíveis terminais adicionais,
normalmente 3, que permitem compensar deficiências internas do amplificador, como a
tensão de desvio (offset) ou controlar a banda passante.
O amplificador operacional é um amplificador diferencial, i.e., amplifica a diferença
entre as tensões presentes as suas entradas. Se V+ e V- forem as tensões aplicadas às entradas
não inversora e inversora respectivamente e Vo for a tensão de saída, então
V0 = A(V+ − V− ) ,
em que A é o ganho do amplificador, dito em malha aberta. Este ganho é normalmente
muito elevado, sendo da ordem de 105 ou superior.
A tensão máxima de saída é igual ou ligeiramente inferior à tensão de alimentação,
por exemplo, ±15 V, o que significa que em malha aberta, uma diferença de tensão da ordem
de 150uV entre as duas entradas é suficiente para elevar a saída a este valor, saturando o
amplificador. Na Figura 3-15 representa-se esta "característica de transferência" de um
amplificador operacional, isto é, o traçado da tensão de saída em função da tensão de
entrada.
26
Figura 3-15: Curva Característica (estática) de um Amp. Op. em malha aberta.
Um amplificador com estas características não tem normalmente qualquer tipo de
utilidade, uma vez que sinais de tão baixa amplitude são extremamente difíceis de tratar
devido à presença de ruído e porque normalmente não são necessários ganhos tão elevados.
No entanto, estes fatores podem ser controlados inserindo o amplificador operacional numa
malha de realimentação.
27
4. SISTEMA MODULAR DE CONTROLE E
ACIONAMENTO PARA MOTORES CC
Um sistema modular de controle e acionamento completo para motores pode ser
visto de acordo com o diagrama de blocos da Figura 4-1.
Figura 4-1: Sistema de Controle e Acionamento de um Motor CC
O sistema consiste basicamente de um motor elétrico de corrente contínua atuando
sobre uma carga, onde o comando de entrada é processado por um controlador analógico
que, em função do sinal de realimentação do sensor, envia o sinal de controle para a
interface de potência onde ele é amplificado e entregue para o motor.. Os objetos de trabalho
neste projeto são essencialmente o Controlador e a Interface de Potência.
Nesta seção, serão apresentados os resultados obtidos durante o desenvolvimento do
projeto desde sua concepção inicial até a fase final. Será explicado de forma detalhada todas
as partes do sistema, suas funções, modos de funcionamento, vantagens e desvantagens,
circuitos elétricos, gráficos e tabelas. Primeiramente será apresentado o desenvolvimento da
interface de potência, e em seguida, será apresentado o desenvolvimento do módulo de
controle. A Figura 4-2 apresenta a estrutura do sistema desenvolvido juntamente com seus
componentes externos (motor, sensor de velocidade e sinais de comando e referência). É
muito importante que o leitor tenha em mente este diagrama de blocos para que se torne
mais fácil o entendimento do conteúdo que será apresentado.
Vref
Controle
Tensão
Cond. de
Sinal
S
S
Imax
a
+
Controlador de
Velocidade
-
Vtac
a
S1
b
+
-
Isensor
Controlador
de Corrente
S2
b
Modulador
PWM
Isensor
P Interface de
Potência
PE
Motor
Carga
EN
Sensor de
Corrente
Sensor de
Velocidade
Figura 4-2: Estrutura completa do sistema desenvolvido
28
O sistema foi projetado para funcionar em três modos de operação:
Modo Tensão: permite controlar o valor da tensão sobre os terminais do motor;
Modo Corrente: permite controlar o valor da corrente que circula através do motor;
Modo Velocidade: permite controlar a velocidade de rotação do motor.
O modo de operação é definido em função da combinação das chaves S1 e S2, como
mostra a Tabela 4-1 abaixo, onde a e b representam a posição das chaves como está
indicado na Figura 4-2.
Tabela 4-1: Determinação do modo de operação
Modo de Operação
Tensão
Corrente
Velocidade
S1
a
b
S2
a
b
b
29
4.1. Interface de Potência (IP)
A Interface de Potência é uma unidade de amplificação que converte o sinal de
controle proveniente do controlador em sinais de tensão e corrente adequados para o motor.
A Figura 4-3 mostra um diagrama de blocos que representa a estrutura funcional da interface
de potência desenvolvida para o sistema em questão, e a Figura 4-4 apresenta o diagrama
esquemático do circuito que está dividido três blocos principais: Ponte-H (1), Lógica (2) e
Alimentação (3).
VS
VSS
Alimentação
5V
P
5V
A
S
EN
Lógica
B
Ponte-H
Motor
PH
PE
Vai p/ controlador
Sensor de
Corrente
Interface de Potência (2A)
Figura 4-3: Diagrama de Blocos da Interface de Potência
Figura 4-4: Diagrama Esquemático da Interface de Potência
30
4.1.1 - PONTE-H
Esta é a parte principal do circuito, já que toda a parte de potência está inserida neste
bloco. A Figura 4-5 mostra seu diagrama esquemático isoladamente.
B A PH
Figura 4-5: Bloco 1 – Ponte-H
Os componentes da Figura 4-5 desempenham as seguintes funções:
J1 – conector para a fonte de tensão VS que alimenta o motor.
J2 – conector que faz a ligação entre o motor e a ponte-H.
J3 – conector utilizado para fornecer o sinal de saída do sensor de corrente.
D1 a D4 – diodos de recuperação rápida para os transistores da ponte-H. No
acionamento de cargas indutivas é necessário que as chaves conduzam nos
dois sentidos, pois a energia armazenada nestes tipos de cargas necessita
retornar à fonte. Um método convencional de fornecer um caminho livre para
a corrente reversa é feito conectando-se um diodo em paralelo com o
dispositivo de chaveamento, no caso o transistor, o que é feito pelos diodos
D1 a D4.
C1 e C2 – capacitores de linha no valor de 100nF para as tensões de
alimentação de potência e lógica, respectivamente.
R1 – resistor utilizado para medição de corrente. Fornece uma tensão
proporcional à corrente que circula pelo motor.
L298 – circuito integrado que contém a ponte-H3.
O dispositivo que realiza a função da ponte-H é o L2984. O L298 é um circuito
integrado de 15 pinos com encapsulamento Multiwatt. Ele possui em seu interior duas
pontes-H que suportam cada uma tensões de até 50V e correntes de até 2A.
Aceita níveis lógicos TTL e é indicado para se trabalhar com cargas indutivas como
relés, solenóides e motores de passo e CC. Possui entradas de habilitação e possibilita
medição de corrente. A Figura 4-6 mostra o diagrama esquemático do circuito interno deste
componente.
3
4
O funcionamento de uma Ponte-H está explicado no item 3.2.1 - Ponte-H da seção Conceitos Básicos.
Para maiores informações, consulte o Manual do dispositivo na seção Anexos.
31
Figura 4-6: Diagrama Esquemático do L298
4.1.2 - LÓGICA
A parte lógica do circuito desempenha a função de comandar diversas ações do
motor, como por exemplo, sentido de rotação, velocidade, habilitação da ponte, parada livre
e parada de emergência. Ela recebe os sinais de comando vindos do controlador e os envia
de forma adequada para a ponte-H. Na lógica utilizada, o nível lógico alto é representado
por uma tensão de 5V, enquanto que o nível lógico baixo é representado por uma tensão de
0V. A Figura 4-7 mostra o diagrama esquemático do circuito que realiza a lógica do sistema.
B
A PH
Figura 4-7: Bloco 2 – Lógica
32
Este bloco é composto pelos seguintes componentes:
U1 – circuito integrado LS74145 que possui cinco portas lógicas do tipo AND.
U3 – circuito integrado LS74086 que possui cinco portas lógicas do tipo NOT.
J4 – conector que recebe os sinais de comando provenientes do controlador. Os
sinais recebidos são: PWM (P), Sentido (S), Parada de Emergência (PE) e
Habilitação (EN). Também possui um pino para conexão da tensão de referência.
D5 e D6 – diodos necessários para o funcionamento da lógica.
R2 – resistor de 4,7 kΩ utilizado para “grampear” o nível de tensão resultante na
operação lógica.
PWM (P) – esta função determina o valor médio da tensão que será aplicada nos terminais
do motor em função do seu ciclo de trabalho D7, atuando diretamente na comutação dos
transistores da ponte-H através das saídas A e B. A Tabela 4-2 mostra a relação entre os
sinais P, A e B do circuito lógico. Observe que a presença do sinal PWM é uma condição
necessária para que uma das saídas seja acionada.
Sentido (S) – esta função determina o sentido de rotação do motor, fazendo com que ele gire
num dado sentido caso o sinal esteja em nível lógico baixo (S=0), ou gire no sentido oposto
se o sinal estiver em nível lógico alto (S=1). Não é possível convencionar um sentido único
de rotação (esquerdo ou direito) para um determinado nível lógico, pois o sentido depende
da polaridade com a qual o motor é conectado ao circuito. Portanto, cabe ao usuário definir a
relação entre níveis lógico e sentido de rotação.
A Tabela 4-2 define de forma objetiva a relação entre o sinal de entrada S e os sinais
de saída A e B. Observe que em uma situação normal de funcionamento, onde a ponte está
habilitada e o sinal de acionamento está presente, S determina de forma exclusiva qual saída
estará ativa, A ou B. Esta exclusividade é garantida pela porta lógica inversora na entrada do
circuito, fazendo com que um sinal de saída seja o complementar do outro.
Tabela 4-2: Tabela verdade das funções P, S e PE
P
x
1
1
0
S
x
1
0
x
PE
0
1
1
1
A8
0
1
0
0
B9
0
0
1
0
5
Para maiores informações sobre o circuito integrado LS7414, consulte seu Manual na seção Anexos.
Para maiores informações sobre o circuito integrado LS7408, consulte seu Manual na seção Anexos
7
Consulte o item 3.2.2 - Modulação por Largura de Pulso (PWM) na seção Conceitos Básicos.
8
Pino 5 (Input 1) do L298, comanda os transistores do lado esquerdo da ponte-H. Ver Figura 4-6: Diagrama
Esquemático do L298 ou seu Manual na seção Anexos.
9
Pino 7 (Input 2) do L298, comanda os transistores do lado direito da ponte-H. Ver Figura 4-6: Diagrama Esquemático
do L298 ou seu Manual na seção Anexos.
6
33
Parada de Emergência (PE) – esta função realiza uma parada rápida do motor colocando
0V entre seus terminais, fazendo-o frear devido à ação da força contra-eletromotriz. Para
utilizar esta função, é necessário que a ponte esteja habilitada.
Analisando o circuito lógico da Figura 4-7 em conjunto com o diagrama esquemático
do L298 (Figura 4-6), observa-se que a função PE possui um nível de prioridade máximo, se
sobrepondo a todos os outros sinais de entrada. Isto garante que PE possa ser utilizado de
forma segura em situações de emergência, onde é necessário realizar uma parada imediata
do motor. A função PE pode ser mais bem entendida através da tabela verdade apresentada
na Tabela 4-2. Observe na primeira linha da tabela que, em nível baixo (PE=0),
independentemente dos sinais P (PWM) e S (Sentido), os sinais de entrada A e B são iguais,
fazendo com que as tensões aplicadas nos dois terminais do motor sejam iguais. Desta
forma, o motor permanece parado. A partir Tabela 4-2, chega-se ao circuito apresentado na
Figura 4-8.
P
S
A
A = P.S .PE
B = P.S .PE
P
B
PE
Figura 4-8: Circuito lógico das funções P, S e PE
Habilitação (EN)- O circuito que está destacado na parte inferior da Figura 4-7, realiza a
lógica de habilitação da ponte-H (PH). Para habilitar a ponte, é necessário que o sinal de
habilitação (EN) ou o sinal de Parada de Emergência (PE) estejam em nível lógico baixo
(EN=0 ou PE=0). Deste modo, o diodo D6 fica diretamente polarizado com uma tensão de
5V, entrando em condução. Como a impedância de entrada das portas lógicas inversoras na
saída do circuito é muito grande, quase toda a corrente circula pelo resistor R2, fazendo com
que a queda de tensão sobre ele seja de 4,3V. Assim, após U1 e U3, a tensão na saída do
circuito é de 5V, sendo entregue diretamente ao pino 6 do L29810 fazendo com que a ponte
esteja habilitada (PH=1).
Caso o sinal EN na entrada do circuito lógico esteja em nível alto (EN=1) e a parada
de emergência não seja requisitada (PE=1), a ponte fica inoperante (PH=0),
independentemente dos sinais PWM e Sentido, fazendo com que nenhuma tensão esteja
aplicada nos terminais do motor. Logo, a função Habilitação pode ser entendida como uma
chave liga-desliga para o motor, desconectando-o do circuito quando EN=1 e PE=1, e
conectando-o ao circuito quando EN=0.
10
Consulte a Figura 4-6: Diagrama Esquemático do L298.
34
A descrição da função Habilitação feita aqui pode ser resumida através da tabela
verdade apresentada na Tabela 4-3, resultando no circuito e expressão lógica da
Figura 4-9.
Tabela 4-3: Tabela verdade da função Habilitação
EN
PE
PH
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
PH = EN + PE
Figura 4-9 :Circuito da função Habilitação
A função Habilitação também pode ser utilizada para realizar uma “parada livre” do
motor, ou seja, com o motor em funcionamento (EN=0 e PE=1), se em um instante de tempo
t a ponte for desabilitada (EN=1 e PE=1), o motor será desconectado da fonte de
alimentação e irá perdendo velocidade até atingir o estado de repouso. Como nenhuma
tensão estará aplicada em seus terminais, o eixo do motor permanecerá livre.
4.1.3 - ALIMENTAÇÃO
Este terceiro bloco funcional faz a interface entre uma fonte de alimentação externa
(VSS) e o circuito, uma vez que tanto os circuitos lógicos quanto o circuito integrado L298
necessitam de uma alimentação elétrica de 5V cc regulada para funcionarem corretamente.
Observe a partir da Figura 4-10 que o circuito pode ser utilizado de duas formas diferentes: a
partir de uma tensão externa VSS = 5V conectada diretamente ao pino 3 do conector J5, ou a
partir de uma tensão externa 7V < VSS < 35V conectada ao pino 2 do conector J5. Nesta
última configuração, a fonte externa (VSS) é inserida em um regulador de tensão LM780511
que fornece em sua saída uma tensão de regulada em 5V para o circuito. Neste caso, os
terminais 1 e 2 do conector J6 devem ser curto-circuitados.
5V
Figura 4-10: Alimentação elétrica
11
Para maiores informações sobre o regulador de tensão 7805, consulte seu Manual na seção Anexos.
35
4.1.4 – RESUMO
Considerando tudo que foi apresentado anteriormente, a interface de potência
desenvolvida pode ser representada novamente pelo diagrama de blocos da Figura 4-11 e
pela Tabela 4-4 que mostra a relação entre todos os sinais lógicos. O circuito elétrico
completo deste módulo é apresentado mais uma vez na Figura 4-12.
P = sinal PWM gerado pelo controlador;
S = define o sentido de rotação do motor;
PE = parada rápida do motor e bloqueio do seu eixo;
EN = habilitação da ponte-H;
A = comanda os transistores do lado esquerdo da ponte-H;
B = comanda os transistores do lado direito da ponte-H;
PH = responsável pela habilitação da ponte-H; combinação dos sinais EN e PE;
VS = alimentação elétrica para o motor;
VSS = alimentação elétrica para o circuito.
VS
VSS
Alimentação
5V
P
5V
A
S
Lógica
EN
B
Ponte-H
Motor
PH
PE
Sensor de
Corrente
Vai p/ controlador
Interface de Potência (2A)
Figura 4-11: Diagrama de Blocos da Interface de Potência (2A)
Tabela 4-4: Tabela verdade da Interface de Potência (2A)
S
x
x
0
0
1
1
P
x
x
0
1
0
1
EN
1
x
0
0
0
0
PE
1
0
1
1
1
1
A
x
0
0
0
0
1
B
x
0
0
1
0
0
PH
0
1
1
1
1
1
36
Sensor de
Corrente
Figura 4-12: Diagrama esquemático da Interface de Potência (2A)
37
4.2. Módulo de Controle
O Módulo de Controle realiza a função de controlador do sistema. Basicamente, ele
faz uma comparação entre o valor desejado da grandeza a ser controlada (Vsensor) com o seu
valor desejado (Vref), e a partir da diferença encontrada entre essas duas medidas, gera um
sinal de controle que irá atuar no processo. Além disso, ele oferece recursos de proteção
contra correntes elevadas. O diagrama de blocos da Figura 4-13 representa de uma forma
geral o acionamento de um motor sob atuação do controlador, onde E é o sinal de erro
resultante da comparação entre Vref (valor desejado) e Vsensor (valor atual), e Vmax é o valor
máximo que a variável Vsensor pode assumir.
Vref
+
Vsensor
E
Controlador
Interface de
Potência
Circuito de
Proteção
Vmax
-
Motor
Carga
Vsensor
Sensor
Figura 4-13: Diagrama de blocos de um sistema controlado
O módulo de controle desenvolvido para o sistema em questão oferece a possibilidade
de ser operado em três modos distintos, são eles:
Modo Tensão: permite controlar diretamente o valor da tensão sobre os terminais
do motor;
Modo Corrente: permite controlar por realimentação o valor da corrente que
circula através do motor;
Modo Velocidade: permite controlar por realimentação a velocidade de rotação do
motor.
A seguir, será apresentado de forma detalhada todo o projeto do módulo de controle.
Primeiramente, serão abordados alguns aspectos básicos de seu funcionamento que estão
presentes nos três modos de operação. Em seguida, cada modo de operação será explicado
separadamente, enfatizando suas características e funcionalidades através de diagramas de
blocos e diagramas esquemáticos de seus circuitos eletrônicos. Finalmente, será apresentado
o módulo de controle como um todo.
38
4.2.1 ASPECTOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO
Antes de apresentar os três modos de operação do sistema, é necessário fazer uma
breve introdução sobre o circuito integrado LM352412. Este dispositivo realiza duas funções
importantíssimas no módulo de controle: geração do sinal de controle PWM e atuação do
sistema de proteção. Estas duas funções são comuns aos três modos de operação. A Figura
4-14 mostra o esquema de ligação do LM3524.
Figura 4-14: Esquema de ligação para o LM3524
Para uma melhor compreensão da sua lógica de funcionamento, é necessário analisar
o circuito interno do LM3524, que é apresentado na Figura 4-1513.
Figura 4-15: Circuito interno do LM3524
12
13
Para maiores informações sobre o CI LM3524, consulte seu Manual na seção Anexos.
Os pinos 1, 2, 3, 4, e 5 não são utilizados no sistema em questão, por isso não serão mencionados.
39
Modulador PWM
Observe que o dispositivo possui internamente um modulador PWM14, onde o
sinal de controle é fornecido na saída do Comparador após ser feita a comparação entre
o sinal de erro E e a onda dente-de-serra gerada pelo Oscilador. A freqüência do sinal
PWM pode ser definida ajustando-se valores15 para o resistor Rt e o capacitor C1.
Alimentação
O LM3524 possui um regulador interno que fornece uma saída de 5V cc
regulada a partir da fonte de alimentação VSS. Como sugere a Figura 4-16, além de
alimentar o circuito interno do Módulo de Controle, estes 5V podem ser utilizados
também para alimentar o circuito lógico da Interface de Potência, oferecendo mais uma
alternativa de alimentação elétrica em adição àquelas apresentadas no item “4.1.3 Alimentação” da seção “4.1. Interface de Potência”.
VS (motor)
VSS
Módulo de
Controle
5V
Interface
de Potência
Figura 4-16: Esquema de alimentação elétrica para o sistema
Proteção
Na maioria das aplicações, uma resposta rápida do motor a uma mudança brusca
do sinal de referência requer, naquele instante, um torque muito alto, resultando em um
pico de corrente altíssimo, uma vez que a corrente I que circula pelo motor é
diretamente proporcional ao torque T. A equação abaixo mostra esta relação, onde k t é
a constante de torque do motor.
T = k t .I .
Esta situação pode ser proibida em termos de custo de implementação do
controlador, por isso é necessário a presença de um limitador de corrente.
O sinal de Proteção aplicado no pino 10 do dispositivo realiza, de fato, a função
de limitador de corrente, se sobrepondo ao sinal de erro E na entrada do comparador e
forçando a 0% o ciclo de trabalho do sinal de controle PWM enquanto o valor atual da
corrente estiver acima do valor máximo definido. Assim que o valor atual voltar a ser
inferior ao valor máximo, o modulador retorna a sua operação normal.
Esta tarefa de comparação entre os dois sinais é realizada externamente por um
circuito comparador com o auxílio do circuito integrado LM31116, que é representado
por CP1 no circuito da Figura 4-17 a seguir.
14
Para maiores informações, consulte o item 3.2.2 - Modulação por Largura de Pulso (PWM) na seção Conceitos
Básicos.
15
Valores recomendados para RT e CT podem ser conferidos no Manual do LM3524 na seção Anexos.
16
Para informações sobre o componente LM311, consulte seu Manual na seção Anexos.
40
Vmax
5V
Vss
R10
2.2k
J3
Proteção
J2
CP1
Vsensor
Figura 4-17: Circuito de Proteção
O sinal de comando na saída fica subordinado ao fechamento de uma chave, que
habilita ou não a função de proteção para o circuito. O usuário precisa fornecer o valor
máximo da corrente por meio do conector externo J3 e o valor da corrente atual através
do conector J2.
Estágio de Saída
As saídas do LM3524 são transistores do tipo NPN capazes de fornecer uma
corrente máxima de 200 mA. Como pode-se ver no esquemático da Figura 4-14, esses
transistores foram paralelizados para que se possa obter um ciclo de trabalho que varia
de 0% a 100%. Observe também que os coletores foram conectados à fonte interna de
5V e os emissores curto-circuitados, de modo que o sinal PWM na saída esteja dentro
dos padrões TTL aceitos pela Interface de Potência, ou seja, nível lógico baixo igual a
0V e nível lógico alto igual a 5V. A Figura 4-18 mostra em detalhes o esquema de
ligação do estágio de saída.
5V
Saída
Habilitada
PWM
PWM
R8
2.2k
Figura 4-18: Esquema de ligação do estágio de saída do LM3524
41
4.2.2 CONTROLE NO MODO TENSÃO
Em termos técnicos, o controle no modo tensão é o mais simples de ser
implementado. Sua função principal é definir um valor médio e constante para a tensão
aplicada nos terminais do motor em função da tensão de referência. Este tipo de
acionamento é utilizado em aplicações onde o controle exato da velocidade de rotação não
é essencial. O diagrama de blocos da Figura 4-19 ilustra um sistema que utiliza este tipo de
acionamento.
Vref
Controlador
Circuito de
Proteção
Interface de
Potência
Motor
Carga
Vmax
Vsensor
Sensor
Figura 4-19: Sistema de acionamento no modo tensão
Deve ser observado que o sistema funciona em malha aberta, pois a realimentação do
sensor é utilizada apenas para fins de proteção, e não para fins de controle.
O controlador desenvolvido para este modo de operação está representado pelo
diagrama de blocos da Figura 4-20 abaixo17. Os blocos Comparador e Oscilador já estão
incluídos internamente no circuito integrado LM3524, como foi apresentado no item 4.2.1
Aspectos Básicos de Funcionamento.
Vref
Condicionamento
de Sinal
E
PWM
Comparador
Oscilador
Co n t r o l ado r
LM 3 5 2 4
Figura 4-20: Controlador no Modo Tensão
17
A letra “E” na saída do bloco de condicionamento de sinal foi utilizada apenas para se adequar à nomenclatura dos
sinais utilizada ao longo do relatório. Neste caso, ela não representa o erro da comparação entre dois sinais.
42
A função do bloco Condicionamento de Sinal da Figura 4-20 é adequar o sinal de
referência (Vref) aos níveis de tensão da onda dente-de-serra gerada pelo oscilador, de modo
que o ciclo de trabalho do sinal PWM possa variar de 0% a 100% em função da excursão do
sinal de referência desde seu valor mínimo até o seu valor máximo. A Figura 4-21 mostra o
diagrama esquemático do circuito desenvolvido para realizar o condicionamento do sinal de
referência.
5V
R4’
R4
1k
R3
4.7k
R2
4.7k
R4’’
R6
4.7k
R5
4.7k
J1
Vref
R1
5k
AO1
Vbuf
E
E
AO2
AO3
Vcond
Figura 4-21: Circuito de Condicionamento de Sinal
A relação entre o sinal de entrada Vref e o sinal de saída E para este circuito é
 Vref

R 4' '
,
E = 4.7 ×10 3.
+
6 
 R1 ( R 4' '.R 4' ) + (1× 4.7 ×10 ) 
onde R1 e R4 são resistores variáveis do tipo Trimpot que podem assumir valores de 0Ω a
5kΩ e de 0Ω a 1kΩ , respectivamente. A tensão 5V é fornecida pelo regulador interno do
LM3524.
O circuito é dividido em três partes principais, como pode ser visualizado pelas
linhas pontilhadas da Figura 4-21. São eles: Buffer de Entrada, Condicionamento de Sinal e
Inversor, respectivamente.
Buffer de entrada
O amplificador operacional AO1 realiza a função de buffer de entrada,
isolando o sinal de entrada do resto do circuito. Sua alta impedância de entrada
garante que nenhuma corrente do sinal de referência drene para o circuito de
condicionamento, além disso, a tensão na saída do amplificador Vbuf é exatamente
igual à tensão Vref na sua entrada.
43
Condicionamento do sinal
Na Figura 4-22, o amplificador operacional AO2 juntamente com os
resistores R1, R2, R3 e R4 fazem o condicionamento do sinal de entrada. Esta
operação é necessária devido à incompatibilidade entre os níveis de tensão do sinal
de referência e da onda dente-de-serra gerada pelo oscilador.
5V
Vf=5V
R3
4.7k
R4’
R4
1k
R4’’
R2
4.7k
Ve
Vs
R1
5k
AO2
Figura 4-22: Circuito de Condicionamento de Sinal
Por exemplo, considere uma situação hipotética onde se deseja gerar um sinal
de controle PWM com uma freqüência de 20kHz. De acordo com o Manual do
circuito integrado LM3524, nesta freqüência de operação a onda dente-de-serra
apresenta um valor mínimo Vmin = 0,6 V e um valor máximo Vmax = 3,8 V. Porém, um
microcontrolador genérico que envia o sinal de referência Vref é capaz de fornecer,
por exemplo, apenas tensões entre 0V e 2,5V.
Do ponto de vista do modulador PWM, o ciclo de trabalho D é função da
comparação entre o sinal E e os níveis de tensão da onda dente-de-serra (0,6V a
3,8V), como é apresentado na Tabela 4-5. Por outro lado, do ponto de vista do
usuário, o ciclo de trabalho D deve ser função apenas dos níveis de tensão do
microcontrolador (0V a 2,5V), como é apresentado na Tabela 4-6.
Tabela 4-5: Ciclo de trabalho D em função de E
E
0,6V
2,2V
3,8V
D
0%
50%
100%
Tabela 4-6: Ciclo de trabalho D em função do sinal do microcontrolador
Microcontrolador
0,0V
1,25V
2,5V
D
0%
50%
100%
44
Esta incompatibilidade é resolvida pelo circuito de condicionamento de sinal
que faz com que os níveis de tensão fornecidos pelo microcontrolador se transformem
nos níveis de tensão aceitos pelo modulador PWM, forçando a permanência do sinal E
no intervalo de excursão da onda dente-de-serra.
A relação entre o sinal de entrada e o sinal na saída do circuito pode ser ajustada
através de um cálculo dos valores de R1 e R4’’ em função dos valores de Ve , Vmin e
Vmax substituídos na equação
 Ve

R 4' '
,
Vs = 4.7 ×10 3. +
6 
 R1 ( R 4' '.R 4' ) + (1× 4.7 ×10 ) 
fazendo com que o ciclo de trabalho D responda aos níveis de tensão fornecidos pelo
microcontrolador de acordo com a Tabela 4-6.
Outra maneira de se ajustar o circuito de condicionamento é através da forma
empírica. No exemplo em questão, fazendo Ve=0, determina-se a relação entre R4’ e
R4’’ para o qual Vs=0,6V. Em seguida, fazendo Ve=2,5, ajusta-se R1 de modo que
Vs=3,8V. O fato de os resistores R1 e R4 serem variáveis permite que o usuário ajuste
o sistema a diferentes situações de funcionamento.
Inversor
Uma vez que a tensão na saída do circuito de condicionamento é negativa, fazse necessário a introdução de um circuito inversor para que a tensão E utilizada pelo
modulador PWM seja positiva e possa ser aplicada na entrada do LM3524. Esta tarefa
é realizada pelo amplificador operacional AO3 juntamente com os resistores R5 e R6.
A relação entre os sinais de entrada e saída no amplificador AO3 é
E = −Vcond .
R6
.
R5
Como Vcond é negativa e R5 é igual a R6, a tensão de saída E assume o valor
positivo da tensão Vcond.
45
Portanto, considerando o circuito como um todo (buffer, condicionamento e inversor),
a relação entre o sinal de saída E e o sinal de entrada Vref é dada por
 Vref

R 4' '
.
E = 4.7 ×10 3.
+
6 
 R1 ( R 4' '.R 4' ) + (1× 4.7 ×10 ) 
Modificando-se a equação característica do circuito de condicionamento através dos
resistores ajustáveis R1 e R4, é possível adequar praticamente qualquer tensão de referência
Vref aos níveis de tensões aceitos pelo modulador PWM, fazendo com que o valor mínimo
de Vref represente um ciclo de trabalho de 0% e o valor máximo de Vref represente um ciclo
de trabalho de 100%. A Figura 4-23 apresenta o diagrama esquemático completo do circuito
desenvolvido para o controle no modo tensão.
+Vss
5V
1
2
3
4
5 LM-3524
6
7
8
Rt
PWM
16
15
14
13
12
11
10
9
R8
2.2k
D2
C1
0.01uF
R7
3.3k
C2
1uF
D1
5V
Vmax
J3
5V
S1
R4
1k
+Vss
R3
4.7k
R2
4.7k
R10
2.2k
R6
4.7k
R5
4.7k
CP1
J1
AO1
R1
5k
AO2
AO3
Vsensor
J2
Vref
Figura 4-23:Circuito de controle do modo Tensão
46
4.2.3 CONTROLE NO MODO CORRENTE
O controle de corrente para motores é utilizado sempre que é necessário controlar o
seu torque, seja para mantê-lo constante ou variável. Neste modo de controle, não há
interesse na velocidade de rotação do motor. Aplicações deste tipo incluem, por exemplo, o
acionamento de motores em gravadores de fitas cassete, ou o acionamento de motores na
industria têxtil para aplicar forças tensionadoras em fibras de tecidos. Além disso, pode-se
utilizar o controle de corrente para limitar o torque e proteger tanto a carga quanto o motor,
proteger circuitos integrados de potência contra sobrecargas, e obter características de
aceleração e desaceleração independentes da velocidade.A Figura 4-24 mostra o diagrama
de blocos simplificado do controle de corrente implementado para o sistema de
acionamento em questão neste projeto. O valor da corrente desejada (Iref) é comparado com
o valor atual da corrente no motor (Isensor) que é realimentado pelo sensor. O erro resultante
da operação de comparação é fornecido para o controlador que gera o sinal de controle para
a interface de potência. Desta forma, a corrente no motor permanece aproximadamente
igual à corrente desejada.
+
Iref
Isensor
E
-
Controlador
de Corrente
P
Circuito de
Proteção
Interface de
Potência
Motor
Carga
Imax
Isensor
Sensor de
Corrente
Figura 4-24: Controle de Corrente
O bloco “Circuito de Proteção” é o mesmo apresentado no item 4.2.1 Aspectos
Básicos de Funcionamento. Uma representação mais detalhada do detector de erro e do
controlador de corrente pode ser visualizada no diagrama de blocos da Figura 4-25 a seguir.
C o n t r o l a d o r d e Co r r en t e
Iref
e
+
Amplificador
E
PWM
Comparador
-
Oscilador
LM 3 5 2 4
Isensor
Figura 4-25: Controlador de Corrente
47
O circuito elétrico que implementa o controle de corrente é muito simples, como pode
ser visto no diagrama esquemático da Figura 4-26. É importante lembrar que tanto a corrente
de referência (Iref) quanto a corrente atual no motor (Isensor) são traduzidas em valores de
tensão para o circuito. Portanto, no circuito abaixo, Iref e Isensor são grandezas medidas em
“Volts”.
E
Iref
AO1
J1
R9
2.2k
J2
AO4
Cc
Isensor
Figura 4-26: Diagrama esquemático do controle de corrente
A corrente de referência, após passar pelo buffer implementado no amplificador
operacional AO1, é comparada com a corrente medida e filtrada no amplificador operacional
AO4. O sinal de erro gerado na comparação é então amplificado no próprio amplificador
AO4 e entregue para o modulador PWM do circuito integrado LM3524, que ajusta o ciclo
de trabalho D do sinal de controle de modo que o motor funcione com uma corrente igual à
corrente desejada.
Observe que a comparação entre os dois sinais de entrada e a amplificação do sinal
de erro são realizadas unicamente pelo amplificador operacional AO418, uma vez que o sinal
na sua saída é dado por
E = k .( I ref − I sen sor ) ,
onde k é o ganho responsável pela amplificação do sinal. Na seção Avaliação Experimental,
será feito um estudo do comportamento dinâmico deste circuito. A Figura 4-27, mostra o
diagrama esquemático completo do circuito implementado para o sistema operar no “Modo
Corrente” de funcionamento.
18
Para informações técnicas sobre os amplificadores operacionais utilizados no circuito, consulte o Manual do circuito
integrado TL074 na seção Anexos.
48
+Vss
5V
1
2
3
4
5 LM-3524
6
7
8
Rt
PWM
16
15
14
13
12
11
10
9
R8
2.2k
D2
C1
0.01uF
R7
3.3k
D1
C2
1uF
S1
5V
Imax
Vmax
+Vss
AO1
R9
2.2k
J3
CP1
R10
2.2k
J1
Iref
AO4
Cc
J2
Isensor
Figura 4-27: Diagrama esquemático completo do circuito de controle de corrente
49
4.2.4 CONTROLE NO MODO VELOCIDADE
A Figura 4-29 mostra o diagrama de blocos do sistema operando no modo controle
de velocidade . Observe que é utilizado o conceito de controle em cascata, onde a malha de
realimentação mais interna realiza o controle de corrente e a malha mais externa faz o
controle de velocidade.
O sinal de realimentação da malha externa é gerado pelo bloco “Sensor de
Velocidade”, que fornece uma tensão proporcional à velocidade de rotação do motor. Esta
tensão pode ser fornecida por um tacômetro ou algum outro dispositivo de medição de
velocidade.
A tensão Vtac gerada por um tacômetro, por exemplo, é comparada com a tensão de
referência Vref. A diferença entre as duas tensões é então entregue ao controlador de
velocidade que gera o sinal de controle, servindo como referência para o controle de
corrente.
O bloco “Condicionamento de Sinal” realiza a função de adequar o sinal proveniente
do sensor de velocidade a níveis de tensão compatíveis com o sinal de referência. Vale
ressaltar que tanto o sensor de velocidade quanto o condicionamento de sinal não fazem
parte do módulo de controle desenvolvido, sendo portanto dispositivos externos de
responsabilidade do usuário, assim como o próprio motor.
A área delimitada pela linha pontilhada representa o que foi efetivamente
desenvolvido para o controle de velocidade, que envolve a etapa de comparação e o
controlador propriamente dito, como pode ser visto na Figura 4-28. A seguir, será explicado
detalhadamente cada bloco funcional do controle de velocidade para que ele possa ser
entendido por completo.
Controlador de Velocidade
Vref
+
Controlador
PI
Extrator de
Módulo
|Vcontrole| = Iref
-
Extrator de
Sentido
S
Vtac
Figura 4-28: Detalhes do Controlador de Velocidade
50
S
Vref
+
Vtac
Controlador de
Velocidade
-
Iref
+
E
-
Controlador
de Corrente
P
Interface de
Potência
Motor
Carga
Isensor
Circuito de
Proteção
Imax
Isensor
Sensor de
Corrente
Condicionamento
de Sinal
Sensor de
Velocidade
Figura 4-29: Diagrama de Blocos do Controle de Velocidade
51
Comparador
Faz a comparação entre a velocidade desejada Vref e a velocidade atual Vtac, e fornece
o valor do erro resultante para o controlador PI. O sinal proveniente do tacômetro é filtrado
em um filtro passa-baixas (R18 e Cf) e é então inserido no buffer implementado pelo
amplificador operacional AO9. O circuito projetado para esta função está representado pelo
diagrama esquemático da Figura 4-30. Observe que, se R13 = R14 e R11 = R12 , a relação
entre os sinais de entrada e o sinal na saída do amplificador é dada por
E=
R13
.(Vtac − Vref ) .
R11
Como R11 = R13 , obtemos
E = Vtac − Vref
ou
− E = Vref − Vtac .
R11
2.2k
J1
Vref
R13
2.2k
AO1
J4
E
R12
2.2k
R18
2.2k
Vtac
AO9
AO5
R14
2.2k
Cf
Figura 4-30: Diagrama esquemático do circuito de comparação
Controlador PI
A partir do sinal de erro fornecido pelo comparador, gera um sinal de controle que
atua na dinâmica do sistema fazendo com que a velocidade de rotação do motor seja igual à
velocidade desejada. Um ajuste adequado do controlador PI faz com que a resposta do motor
seja rápida e precisa. O circuito implementado para realizar a função do controlador
proporcional-integral é apresentado na Figura 4-31.
Ci
E
Rp
Re
Vcontrole
AO6
Figura 4-31: Diagrama esquemático do controlador PI
52
A relação entre o sinal de erro na entrada e o sinal de controle na saída é dada por
 Rp + 1

s.Ci 
Vcontrole ( s ) = E ( s).


Re


1 
 Rp
Vcontrole ( s ) = E ( s).
+

 Re s. Re .Ci 
Fazendo
Rp
1
= Kp e
= Ki , temos
Re
Re .Ci
Ki 

Vcontrole ( s ) = E ( s). Kp +  ,
s 

que é a equação característica de um controlador PI, onde a ação proporcional é representada
por Kp e a ação integral é representada por Ki.
Portanto, adotando-se um valor fixo para o resistor de entrada Re, a ação de controle
proporcional pode ser sintonizada com um simples ajuste de Rp; assim como um simples
ajuste na capacitância Ci permite a sintonia da ação de controle integral.
Extrator de Módulo
Este bloco funcional do controlador de velocidade recebe em sua entrada o sinal de
controle gerado pelo controlador PI e fornece em sua saída o módulo do sinal recebido. Esta
tarefa é necessária porque a malha mais interna (controle de corrente) que receberá o sinal
de controle aceita apenas níveis de tensão positivos, devido ao fato de o sensor de corrente
fornecer sempre um valor de tensão positivo independentemente do sentido de rotação do
motor, como mostra a Figura 4-32.
Vs
S1
S2
M1
S3
S4
Vsensor
Rs
Figura 4-32: Sensor de Corrente
53
Logo, caso o controlador de corrente receba como tensão de referência um valor
negativo, ele irá tornar o sistema instável ou até mesmo inoperante, ao contrário do que se
deseja. Como o tacômetro fornece tensões positivas para um sentido de rotação e tensões
negativas para outro, o sinal de controle na saída controlador PI pode ter polaridade
negativa, o que não é aceito pelo controlador de corrente.
O circuito extrator de módulo, cujo diagrama esquemático é apresentado na Figura
4-33, resolve este problema fornecendo em sua saída uma tensão positiva
independentemente da polaridade do sinal de entrada.
D1
D3
AO7
R16
6.8k
R17
6.8k
Vcontrole
|Vcontrole|
D2
D4
AO7
Figura 4-33: Circuito Extrator de Módulo
Extrator de Sentido
Em função da polaridade do sinal de controle na entrada, fornece em sua saída o
sinal de comando S para o sentido de rotação do motor. O diagrama esquemático da
Figura 4-34 mostra o circuito desenvolvido para esta função. Observe que, para
Vcontrole > 0 , S = 5V . Por outro lado, se Vcontrole < 0 , S = 0V . Desta forma, o sinal de
sentido S fornecido pelo circuito é compatível com o circuito lógico da Interface de
Potência, como foi apresentado no item 4.1. Interface de Potência.
5V
+Vss
Vcontrole
R15
1k
CP2
Sentido
-Vss
Figura 4-34: Circuito Extrator de Sentido
54
De fato, o circuito desenvolvido para o controle de velocidade, incluindo todas as suas
funcionalidades, é um pouco mais complexo que o circuito de controle de corrente e que o
circuito de controle para o modo tensão. Todavia, esta complexidade adicional proporciona
algumas vantagens, como por exemplo o fato de o sinal de sentido S ser gerado pelo próprio
controlador, ao contrário do que acontece nos outros modos de controle onde o sinal S deve
ser fornecido por um dispositivo externo (computador, microcontrolador, chaves de fim-decurso, etc). Outra vantagem é que o sinal de referência pode ser tanto de polaridade positiva
quanto negativa, desta forma, duas informações são codificadas em um único sinal: o
módulo do sinal de referência informa a velocidade de rotação desejada para o motor,
enquanto a polaridade informa o sentido de rotação. O mesmo acontece com o sensor de
velocidade (tacômetro) que fornece a informação de sentido e velocidade de rotação através
de um único valor de tensão gerado entre seus terminais, ao contrário do sensor de corrente
que fornece apenas o módulo da corrente que circula pelo motor.
A Figura 4-35, mostra o diagrama esquemático completo do circuito desenvolvido
para realizar o controle de velocidade de um motor de corrente contínua genérico.
55
R11
2.2k
J1
Vref
AO1
R18
2.2k
J4
Rp
Re
R12
2.2k
Vtac
Ci
R13
2.2k
AO5
AO9
AO6
R14
2.2k
Cf
Vcontrole
5V
+Vss
R15
1k
CP2
Sentido
-Vss
D3
AO7
R16
6.8k
R17
6.8k
|Vcontrole|
D4
AO7
+Vss
5V
1
2
3
4
5 LM-3524
6
7
8
Rt
PWM
16
15
14
13
12
11
10
9
R8
2.2k
D2
R7
3.3k
AO4
C1
0.01uF
D1
S1
5V
+Vss
J3
Imax
CP1
Isensor
J2
R10
2.2k
R9
2.2k
Cc
Figura 4-35: Diagrama esquemático completo do circuito de controle de velocidade
56
4.2.5 RESUMO
Considerando tudo que foi apresentado até aqui sobre o módulo de controle, pode-se
resumir a sua estrutura de funcionamento de acordo com o diagrama de blocos da Figura
4-36, abaixo.
Controle
Tensão
Vref
Cond. de
Sinal
a
+
Controlador de
Velocidade
-
a
Imax
S1
b
+
Controlador
de Corrente
S2
b
Modulador
PWM
PWM
-
S
Vtac
Isensor
Isensor
Figura 4-36: Diagrama de Blocos do Módulo de Controle
Observe que as chaves S1 e S2 determinam o modo de operação (tensão, corrente ou
velocidade). O modo de operação em função da combinação de S1 e S2 pode ser definido a
partir da Tabela 4-7 abaixo, onde a e b representam a posição das chaves como está indicado
na Figura 4-36.
Tabela 4-7 : Combinação das chaves S1 e S2
Modo de Operação
Tensão
Corrente
Velocidade
S1
a
b
S2
a
b
b
O diagrama esquemático completo do circuito desenvolvido para o módulo de
controle pode ser visto na Figura 4-37, onde se pode observar os diversos circuitos
dedicados a cada função agrupados em regiões determinadas.
57
5V
R15
1k
+Vss
J5
CP2
Cv+
Sentido
GND
-Vss
Cv-
R11
2.2k
Ci
R13
2.2k
R19
1k
D3
Re
J4
R12
2.2k
R18
2.2k
Vtac
AO5
AO7
AO6
R16
6.8k
AO9
Cf
R17
6.8k
R14
2.2k
D4
AO7
+Vss
5V
J1
Vref
1
2
3
4
5 LM-3524
6
7
8
AO1
S1
Rt
PWM
16
15
14
13
12
11
10
9
R8
2.2k
D2
C1
0.01uF
J2
Isensor
D1
R9
2.2k
AO4
S2
Cc
R7
3.3k
S1
R1
5k
5V
5V
R4
1k
R2
4.7k
R3
4.7k
R6
4.7k
R5
4.7k
AO2
+Vss
R10
2.2k
CP1
AO3
J3
Imax
Figura 4-37: Diagrama Esquemático Completo do Módulo de Controle
58
4.3. Conclusões
Como foi discutido no início desta seção, um sistema modular de controle e
acionamento completo para motores pode ser idealizado de acordo com o diagrama de
blocos da Figura 4-1, que é apresentada novamente.
Figura 4-38: Sistema de Controle e Acionamento de um Motor CC
As soluções propostas para o Controlador e para a Interface de Potência satisfazem às
necessidades básicas de um sistema de acionamento e controle para motores de corrente
contínua. O diagrama de blocos da Figura 4-39 a seguir apresenta a estrutura do sistema
desenvolvido juntamente com seus componentes externos, como motor, sensor de
velocidade e sinais de comando e referência.
Vref
Controle
Tensão
Cond. de
Sinal
S
S
Imax
a
+
Controlador de
Velocidade
-
Vtac
a
S1
b
+
-
Isensor
Controlador
de Corrente
S2
b
Modulador
PWM
Isensor
P Interface de
Potência
PE
Motor
Carga
EN
Sensor de
Corrente
Sensor de
Velocidade
Figura 4-39: Estrutura completa do sistema desenvolvido
Observe que o sinal S que comanda o sentido de rotação do motor é fornecido pelo
próprio controlador no modo de operação Velocidade. Já nos modos Corrente e Tensão, S é
fornecido externamente, assim como os sinais EN e PE. Os sinais Imax e Vref também são
externos e devem ser fornecidos pelo usuário, assim como Vtac e Isensor. A entrada de
referência Vref é compartilhada pelos três modos de operação, sendo direcionada pelas
chaves S1 e S2.
59
5. PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO
Nesta seção, será apresentada a placa de circuito impresso projetada para a Interface de
Potência, destacando suas especificações técnicas, instruções de operação, lista de materiais,
layout e demais características.
5.1. Layout
O “layout” é a maneira como os componentes estão distribuídos na placa incluindo o
caminho das trilhas que os interligam. A Figura 4-12: Diagrama esquemático da Interface
de Potência (2A) é apresentada novamente logo abaixo para que se possa compreender
melhor o layout da placa de circuito impresso. A solução encontrada para o layout da placa
de circuito impresso da Interface de Potência é apresentada na Figura 5-1 (face superior) e
na Figura 5-2 (face inferior).
1
U1
10
U1
3
Vs
Vss
8
9
1
2
2
U3
4
U1
12
U1
6
11
5
13
D5
U3
3
U3
J4
S1
4
5
U3
D6
6
9
U3
8
11
10
J1
J5
R2
4.7K
P
U4
78L05
S PE EN
IN
J2
D3
C1
D4
OUT
S2
COM
D1
1
2
3
4
5
6
7
8
Motor
100nF
J6
R1
1R
L298
16
15
14
13
12
11
10
9
C2
100nF
D2
J3
Corrente
Figura 4-12: Diagrama esquemático da Interface de Potência (2A)
60
Figura 5-1: Face superior da PCI
Figura 5-2: Face inferior da PCI
61
Algumas considerações importantes podem ser feitas a respeito deste projeto:
Dupla-face → a utilização de duas faces no projeto da placa em questão se justifica
por diversos motivos, dentre eles: obtenção de uma placa com tamanho reduzido;
permitiu maior espaçamento entre as trilhas; e, principalmente, dispensou a
utilização de jumpers e fios.
Ausência de Vias19 → o caminho das trilhas foi determinado de modo que a
passagem de uma trilha para a outra face da placa é feita através dos próprios
terminais dos componentes. Deste modo, não se faz necessário utilizar a técnica de
metalização dos furos das vias, nem tampouco a utilização de fios para conectar
trilhas de faces diferentes.
Conectores → observe na face superior da PCI (Figura 5-1) que os conectores de
entrada e saída estão todos localizados na borda da placa e designados por um nome
intuitivo. Esta disposição oferece maior praticidade no seu manuseio, facilitando a
conexão e localização exata dos fios. Observe também que os conectores estão
agrupados de acordo com suas funções da seguinte maneira:
Bornes 1 a 5: responsáveis pela alimentação elétrica da parte lógica do
circuito. Estão localizados na parte inferior-esquerda da placa.
Bornes 6 e 7: fornecem uma tensão que representa o valor da corrente que
circula pelo motor. Estão localizados na parte superior-esquerda da placa.
Bornes 8 a 12: recebem os sinais lógicos de comando, são eles: EN, Stop
(PE), Sent (S), PWM (P) e GND (referência). Localizados na parte inferiordireita da placa.
Bornes 13 a 16: os bornes 13 e 14 são utilizados para conexão da fonte de
alimentação do motor, enquanto os bornes 15 e 16 servem para a conexão do
motor à placa. Localizados na parte intermediária-direita da placa.
Trilhas → observe que as trilhas por onde circula a corrente que passa pelo motor
possuem uma espessura mais larga que as outras. Isso faz com que a resistência da
trilha seja menor, diminuindo a queda de tensão, a dissipação de potência e,
conseqüentemente, o sobreaquecimento da placa.
Soldagem → pode-se observar que a quantidade de trilhas na face inferior é muito
maior que na face superior. Deste modo, a soldagem dos componentes na placa fica
facilitada, uma vez que o acesso aos terminais de soldagem na face superior é
dificultado pelo próprio corpo dos componentes, principalmente os bornes e os
circuitos integrados.
19
“Via” é um termo utilizado em projeto de placas de circuito impresso para designar o caminho necessário para a
passagem da trilha de uma face para outra. Geralmente é feita através de um furo metalizado.
62
A Figura 5-3 mostra uma foto da placa de circuito impresso desenvolvida para a
interface de potência após sua confecção e montagem. Suas dimensões são 70,0mm x
87,0mm x 2,0mm.
Figura 5-3: Foto da Placa de Circuito Impresso
5.2. Proteção contra ruídos
Os ruídos elétricos são conduzidos aos circuitos por meio das suas conexões com outros
circuitos e também por irradiação de fontes externas. O layout da placa pode ter influência
determinante sobre a quantidade de ruído produzido e sobre a susceptibilidade aos ruídos do
ambiente em que ela opera. Durante o desenvolvimento da PCI, foram levadas em
consideração algumas medidas de proteção contra ruídos. Dentre elas estão:
Ausência de ligações externas → a presença de jumpers e fios externos
fazendo a conexão entre trilhas não é desejável, já que podem servir como
“antenas” sendo um atrativo para ruídos. Por isso, a placa foi projetada de
modo que não houvesse nenhuma ligação deste tipo.
Ausência de áreas de loop → Em entradas sensíveis a ruídos, a quantidade
de ruído absorvida é proporcional à área envolvida pelo caminho fechado da
trajetória de um sinal desde sua entrada até seu retorno [Schultz, 1997],
como é representado pela Figura 5-4.
Figura 5-4: Loop
O campo elétrico e o campo magnético gerado entre as trilhas com a
passagem da corrente formam uma antena, servindo como porta de entrada
para ruídos. Analisando o diagrama esquemático do circuito e a trajetória das
trilhas, pode-se verificar que não há nenhuma ligação desta natureza na PCI.
63
Ausência de ângulos de 90º → o modo como as trilhas fazem curvas
também influenciam no funcionamento da placa. Ângulos de 90º podem ser
considerados descontinuidades que provocam reflexões indesejáveis
[Schultz, 1997], além de a ponta funcionar como uma antena receptora e
transmissora de interferências. Não existem no projeto da placa mudanças de
direção das trilhas em 90º, ao contrário, foram utilizados dois ângulos de 45º
como no exemplo da Figura 5-5 abaixo. Além disso, todos os encontros
entre duas trilhas que formam uma conexão em “T”, tiveram seus ângulos de
90º eliminados com a adição de uma área condutora entre as quinas, como
pode ser visto também na Figura 5-5.
Figura 5-5: Eliminação dos ângulos de 90º
Posição do sensor de corrente → o sinal que representa na forma de tensão
a corrente que circula pelo motor é bastante ruidoso, principalmente devido
ao chaveamento da fonte de alimentação e às características elétricas do
próprio motor. Por isso o resistor R1 foi posicionado bem próximo ao seu
pino de acesso do L298, assim como o conector de saída J3 (bornes 6 e 7),
de forma que a trilha que conduz este sinal seja a mais curta possível e não
passe próxima aos diversos componentes e demais trilhas da placa, evitando
assim interferências no circuito (ver Figura 5-2).
5.3 Lista de Materiais
A Tabela 5-1 fornece a lista de materiais necessários para a montagem da placa de
circuito impresso da interface de potência.
Tabela 5-1 : Lista de Materiais
Componentes
C1, C2
D1, D2, D3, D4
D5, D6
R1
R2
U1
U2
U3
U4
J1 a J6
Descrição
Capacitor eletrolítico de 100nF, 50V.
Diodo 1N4007
Diodo 1N4001
Resistor de Potência (valor definido pelo usuário).
Resistor 4,7kΩ, 0,25W.
Circuito Integrado 74LS08
Circuito Integrado L298
Circuito Integrado 74LS14
Regulador de tensão LM7805
Bornes para conexão
64
5.4. Especificações de Operação
A Tabela 5-2 apresenta as características elétricas de operação da placa de circuito
impresso desenvolvida para a interface de potência.
Tabela 5-2: Características Elétricas
Parâmetro
Alimentação do motor
Corrente de Pico
- Não-repetitivo (t=100us)
- Repetitivo (ton=10ms)
- Contínua
Dissipação de Potência
Alimentação Lógica
Tensão para nivel lógico alto
Tensão para nível lógico baixo
Símbolo
VS
Mínimo
VIH + 2,5
Típico
12
Imax
Pdiss
VSS
VIH
VIL
4.75
2,7
-0,3
5
Máximo
50
3
2,5
2
25
5,25
VSS
1,5
Unidade
Volts
Amp.
Watts
Volts
Volts
Volts
65
6. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL
Nesta seção, serão demonstrados alguns resultados obtidos durante o ensaio de
avaliação experimental do sistema. O ensaio foi dividido em três etapas:
Avaliação do funcionamento no modo tensão;
Avaliação da resposta dinâmica no modo corrente;
Avaliação da resposta dinâmica no modo tensão.
6.1. Equipamentos Utilizados
A Tabela 6-1 apresenta a relação dos instrumentos de análise e medição utilizados
durante o ensaio20.
Tabela 6-1: Equipamentos utilizados durante o ensaio
Nome
Osciloscópio
Gerador de Funções
Multímetro
Fonte de alimentação
Fonte de alim. simétrica
Fabricante
Agilent
Hewlett Packard
Minipa
Gubintec, ICEL Manaus
GAT - ENE
Modelo
54621A
3312A
ET-2507
PS-5000D
2612
A Figura 6-1 apresenta uma foto do motor utilizado. Os dados que constam na placa
de características técnicas do motor são apresentados a seguir:
Fabricante: Electro-Craft Corporation
Tipo: Servo Motor-Tach Permanent Magnet
Modelo: E4026-4
Part Number: 0400 04 032
Customer P.N.: 500.0403
Número de Série: 13050
Date Code: 174
Figura 6-1 : Motor CC utilizado no ensaio
20
Todos os equipamentos utilizados no ensaio estão disponíveis no Laboratório de Eletrônica do Departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade de Brasília, no bloco SG-11.
66
A Tabela 6-2 apresenta os valores das variáveis adotados para os ensaios em todos os
modos de operação.
Tabela 6-2 : Valores para as variáveis do sistema
Variável
Vref
+Vss
-Vss
Vs
S
EN
PE
Imax
R1
fpwm
Descrição
Tensão de referência
Alimentação lógica simétrica
Alimentação lógica simétrica
Alimentação do motor
Sentido de rotação
Habilitação
Parada
Corrente máxima
Sensor de Corrente
Freqüência do modulador PWM
Valor
0V a 2,5V
12,0V
-12,0V
12,0V
5,0V
0,0V
5,0V
2,0A
1 Volt/Amp (1Ω)
20 kHz
6.2. Ensaio no Modo Tensão
Neste ensaio foi feita uma avaliação da variação do ciclo de trabalho D em função da
tensão de referência Vref. A Figura 6-2 mostra a configuração das chaves do sistema para
este modo de operação.
Vref
Controle
Tensão
S
+
Controlador de
Velocidade
-
Vtac
Cond. de
Sinal
S
Imax
S1
+
-
Isensor
Controlador
de Corrente
S2
Modulador P Interface
PWM
de Potência
Isensor
Sensor de
Corrente
PE
Motor
Carga
EN
Sensor de
Velocidade
Figura 6-2: Configuração do sistema para o modo tensão
67
A Tabela 6-3 apresenta os dados coletados durante o ensaio, enquanto a Figura 6-3
apresenta as curvas obtidas pelos dados da tabela.
Tabela 6-3: D x Vref
Vref (Volts)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,7
0,8
0,9
1,0
D(%)
0,0
2,8
7,4
11,7
12,7
18,2
24,5
28,1
34,6
38,3
Vref (Volts)
1,1
1,2
1,3
1,5
1,6
1,8
2,0
2,1
2,2
2,5
D (%)
41,2
46,7
50,2
58,2
61,5
68,9
76,7
81,3
87,3
98,2
Ciclo de Trabalho (%)
D x Vref
120
100
80
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Tensão de Referência (Vref)
Figura 6-3: Gráfico D versus Vref obtidos no ensaio do modo tensão
68
A Figura 6-4 e a Figura 6-5 apresentam a forma de onda gerada pelo modulador PWM
e a forma de onda sobre os terminais do motor, respectivamente, com escalas diferentes para
melhor ilustrar os detalhes.
Figura 6-4: Forma de onda gerada pelo modulador PWM
Figura 6-5: Forma de onda sobre os terminais do motor
Pode-se perceber na Figura 6-5 a presença de sobrepasso com oscilação na transição
positiva do sinal sobre um dos terminais do motor. Este fenômeno ocorre quando uma chave
baixa da ponte H abre e outra chave alta fecha, instante este quando ocorre uma sobre-tensão
nos terminais do motor devido à indutância do rotor. A característica oscilatória desta
transição é muito devido ao indutor do motor e às capacitâncias das junções PN que estão
polarizadas reversamente no braço da ponte H (i.e., transistores de chaveamento e diodos de
proteção). Percebe-se no entanto que na transição negativa esta oscilação não ocorre. De
fato, nesta condição o terminal do motor está sendo levado a zero volts por um transistor
bipolar em modo emissor comum, que apresenta assim na saturação uma resistência coletoremissor muito menor do que a resistência apresentada pelo transistor da chave alta durante a
transição positiva (modo coletor comum). Isto explica porque os tempos de decaimento e as
freqüências de oscilação diferem bastante entre a transição positiva e a transição negativa.
69
6.3. Ensaio no Modo Corrente
Neste ensaio foi feita uma avaliação da resposta dinâmica do sistema sob atuação do
controlador de corrente. A Figura 6-6 mostra a configuração das chaves para este modo de
operação.
Vref
Cond. de
Sinal
Controle
Tensão
S
+
Controlador de
Velocidade
-
Vtac
S
Imax
S1
+
Controlador
de Corrente
Isensor
-
S2
Modulador P Interface
PWM
de Potência
Isensor
Sensor de
Corrente
PE
Motor
Carga
EN
Sensor de
Velocidade
Figura 6-6: Configuração das chaves para o modo Corrente
A Figura 6-7 mostra o circuito elétrico equivalente do rotor de um motor de corrente
contínua conectado a uma fonte de alimentação Va.
Ra
+
La
+
Va
-
Ea
-
Figura 6-7: Equivalente elétrico de um motor cc
A equação elétrica para este modelo é dada por:
di
Va = Ra .I a + La . a + Ea
dt
onde, Va: tensão sobre os terminais
Ia: corrente de armadura
Ra: resistência interna
La: indutância interna
Ea: força contra-eletromotriz
Como a constante de tempo mecânica do motor é muito maior que a constante elétrica,
a influência de Ea pode ser desconsiderada por enquanto. Assim, a função de transferência
da equação acima pode ser definida como:
GM ( s ) =
com wM =
I a (s) 1
1
=
×
Va ( s ) La s + wM
Ra
[rad/seg] sendo a freqüência natural do motor.
La
70
Deve ser observado que esta é uma função de transferência de primeira ordem, onde
existe apenas um pólo que está localizado no eixo real do semiplano esquerdo do plano s na
posição p1 = − wM . Desta forma, o acionamento do motor pode ser ilustrado pelo diagrama
1
de blocos da Figura 6-8, onde k é o ganho implementado pela interface de potência e
s+a
é um modelo simplificado para o motor.
Vref
1
s+a
K
Figura 6-8: Acionamento de um motor cc
A estratégia de controle utilizada para controlar a corrente neste sistema foi fechar a
malha de realimentação e inserir um alto ganho, de forma a posicionar o pólo em uma
posição bem mais distante da origem do mapa pólos-zeros, à esquerda e em cima do eixo
real, fazendo com que o sistema se torne bem mais rápido e com uma resposta dinâmica
melhorada, como é ilustrado na Figura 6-9. Nesta figura, Vref é a corrente desejada e Vsensor é
a corrente medida.
Vref
A
1
s+a
k
Vsensor
Figura 6-9: Controle de corrente
O ganho A e a comparação entre os dois sinais são implementados pelo amplificador
operacional AO4, como pode ser visto na Figura 6-10, onde A é aproximadamente 200.000.
E
Iref
AO1
J1
R9
2.2k
J2
AO4
Cc
Isensor
Figura 6-10: Diagrama esquemático do controlador de corrente
Os resultados experimentais do ensaio serão apresentados a seguir, onde o sistema
controlado foi excitado com uma corrente de referência na forma de onda quadrada.
71
A Figura 6-11 mostra a resposta dinâmica do sistema controlado. Observe que apesar
do ruído, o valor médio da corrente medida (canal 2) acompanha o valor médio da corrente
desejada (canal 1). O ruído presente neste sinal pode ser devido à modulação em largura de
pulso, e que não pode ser eliminado pelo controlador, ou também pode ser causado pelo
efeito derivativo. A inclusão de um filtro RC para minimizar este ruído pode deixar o
controle de corrente mais lento, podendo assim comprometer o ajuste do controle de
velocidade do laço mais externo. No entanto, se for necessário reduzir o ruído, que é
também fonte de interferência eletromagnética para o resto do circuito, um filtro RC passabaixas de freqüência de menor que a do modulador PWM (e.g., 200Hz) se faz necessário.
(a) Referência Iref (acima) e corrente medida (abaixo).
(b) Detalhe do transitório com as curvas Iref e corrente medida superpostas.
Figura 6-11: Resposta dinâmica do sistema no ensaio do modo Corrente
72
6.4. Ensaio no modo Velocidade
Neste ensaio foi feita uma avaliação da resposta dinâmica do sistema sob a ação do
controlador de velocidade. Para que o sistema obtenha um desempenho satisfatório (alta
velocidade de resposta, pequeno erro de regime, e sem oscilação), é necessário especificar os
parâmetros do controlador PI adequadamente. Para isso, é importante conhecer a função de
transferência do motor juntamente com a função de transferência do resto do sistema, de
forma a determinar a resposta dinâmica a mudanças no valor de referência e a mudanças na
carga. Esta situação pode ser representada pelo diagrama de blocos da Figura 6-12, onde
Gp(s) representa o sistema a ser controlado, que engloba o motor, a interface de potência, o
controlador de corrente, o tacômetro e toda a parte de condicionamento de sinal para o modo
velocidade (extratores de sentido e módulo). O controlador PI será representado pela função
de transferência Gc(s).
Cond. de
Sinal
Controle
Tensão
Vref
S
+
Controlador
PI
-
S
Extrator de
Sentido
Imax
S1
Extrator de
Módulo
+
Vtac
- Isensor
S2
Controlador
de Corrente
Modulador
PWM
P
Isensor
Interface
de Potência
PE
Sensor de
Corrente
Motor
Carga
EN
Sensor de
Velocidade
Gp(s)
Figura 6-12: Configuração de controle para o modo Velocidade
Um procedimento visando obter de forma aproximada a função de transferência de
Gp(s), pode ser fundado no levantamento da curva de resposta da velocidade medida (Vtac) a
uma entrada do tipo degrau (Vdeg), como ilustra o diagrama de blocos da Figura 6-13. Este
procedimento foi realizado em laboratório e obtiveram-se as formas de onda apresentadas na
Figura 6-14.
Gp(s)
Extrator de
Sentido
Imax
Vdeg
Extrator de
Módulo
S1
+
-
Isensor
Controlador
de Corrente
S2
Modulador
PWM
Isensor
Sensor de
Corrente
Vtac
P
Interface
de Potência
PE
Motor
Carga
EN
Sensor de
Velocidade
Figura 6-13: Configuração do ensaio de determinação de Gp(s)
73
Figura 6-14: Vdeg (canal 1) e Vtac (canal 2)
De acordo com a característica da transição negativa da curva de resposta, pode-se
inferir que o sistema é não linear, e essa não-linearidade deve estar sendo causada pela
própria fonte de corrente controlada.
Após a realização do ensaio de caracterização, as medidas foram usadas para estimar
os parâmetros ilustrados abaixo:
Vdeg
Vtac
5,25V
3,31V
0,5V
t
t
3,66s
τ = 0,79s
Nesta ilustração, τ é o tempo necessário para se alcançar aproximadamente 63% do
valor de regime de Vtac. De acordo com a característica da resposta obtida (canal 2), pode-se
supor um modelo de primeira ordem para o sistema, de modo que:
G p (s) =
Portanto, K o =
Vtac
Ko
=
.
Vdeg τ .s + 1
Vtac 5,25
=
⇒ K o = 10,5 . Logo, pode-se concluir que a função de
Vdeg
0,5
transferência Gp(s) é :
G p (s) =
10,5
0,79s + 1
Este procedimento de determinação de Gp(s) deve ser feito toda vez que se deseje
utilizar o controle de velocidade para motores diferentes, uma vez que cada motor possui
suas próprias características elétricas e mecânicas.
74
De posse de Gp(s), pode-se agora determinar os parâmetros do controlador PI de forma
a obter uma resposta dinâmica melhorada. Cabe ao usuário escolher a forma de ajuste do
controlador, como, por exemplo, utilizando os métodos de Ziegler Nichols ou métodos
analíticos como a abordagem no Lugar Geométrico das Raízes ou Resposta em Freqüência.
Nestas condições, o sistema apresenta a estrutura do diagrama de blocos da Figura
6-15, onde a função de transferência do sistema a malha fechada é
F (s) =
onde Gc ( s ) = K p +
Gc ( s).G p ( s)
Vtac
=
Vref 1 + Gc ( s ).G p ( s )
Ki
Ko
. Substituindo em F(s), temos que
e G p (s) =
s
τ .s + 1
F (s) =
K o .( K p .s + K i )
2
τ .s + s.(1 + K o .K p ) + K o .K i
onde, para o exemplo em questão, Ko = 10,5 e τ = 0,79. Observe que o sistema controlado é
K
de segunda ordem e que possui um zero em z o = − i .
Kp
Após a determinação de Ki e Kp, deve-se determinar os valores dos resistores e do
capacitor que implementam o controlador PI, como mostra a Figura 6-16, onde
Ki =
Vref
1
Re× Ci
e Kp =
Gc(s)
Rp
Re
Gp(s)
Controlador PI
Vtac
Figura 6-15: Sistema controlado
R11
2.2k
J1
Vref
AO1
J4
R12
2.2k
AO9
Cf
Rp
Re
R18
2.2k
Vtac
Ci
R13
2.2k
AO5
AO6
R14
2.2k
Figura 6-16: Circuito elétrico do controlador PI (com inversão)
75
A Figura 6-17 apresenta as formas de onda da velocidade de referência (canal 1) e da
velocidade (medida). Observe que, apesar do ruído, o valor da velocidade medida
acompanha o valor da velocidade desejada.
Figura 6-17: Resposta dinâmica para o modo Velocidade
76
7. CONCLUSÕES
O sistema desenvolvido neste projeto satisfaz às necessidades básicas de controle e
acionamento de motores de corrente contínua. Isto foi provado pelos bons resultados obtidos
na avaliação experimental e por todas as suas características e funcionalidades apresentadas ao
longo do texto.
Fazendo uma comparação com os sistemas comerciais já existentes, observa-se que os
módulos desenvolvidos aqui apresentam características semelhantes. Na situação atual, o
sistema está pronto para ser utilizado em diversas aplicações, restando apenas o
desenvolvimento da placa de circuito impresso para o módulo de controle.
Portanto, se for feita uma comparação dos objetivos21 propostos para o projeto com os
resultados obtidos, pode-se concluir que o trabalho foi realizado com sucesso, já que
praticamente todas as exigências foram cumpridas.
21
Consulte a seção 2.Objetivos no início do relatório.
77
8. BIBLIOGRAFIA
[1] Katsuhiko Ogata, Engenharia de Controle Moderno, 3ª Ed., Editora LTC, 2000.
[2] Sedra e Smith, Microeletrônica, 4ª Ed., Makron Books, 2000.
[3] Mohan, Undeland e Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design,
Wie Wiley, 1989.
[4] Julio E. N. Rico, Mini Curso: Projeto de Controladores PID Industriais, Universidade
Federal de Santa Catarina - Brasil, 2000.
[5] V. H. Casanova Alcalde, Notas de Aula de Controle Dinâmico, Universidade de Brasília,
2002.
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