1. Introdução Âmbito Motivação Objectivo Organização O Motor de Indução Trifásico...

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1 Indice Índice Pág. 1. Introdução Âmbito Motivação Objectivo Organização O Motor de Indução Trifáico Parâmetro que Caracterizam o eu Funcionamento Modelo em Regime Permanente Modelo para o Comportamento Dinâmico Comando por Variação Simultânea de Tenão e Frequência (V/f) Accionamento do Motor Converore de Potência Ondulador de Tenão Tempo de Tranição de Frequência Cálculo da Velocidade Angular Microcontroladore Sitema Embebido A Gama C000 da Texa Intrument O Microcontolador TMS30F Implementação do Sitema Módulo de Potência Sitema de Controlo Comando e Monitorização Análie de Reultado Repota em Regime Etacionário Repota em Regime Dinâmico Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador i

2 Indice 7. Concluõe Conideraçõe Finai Trabalho Futuro Referência Bibliográfica ANEXOS ii Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

3 Indice Lita de Figura Pág..1 Caracterítica do funcionamento do motor de indução trifáico - 6. Chapa de caracterítica de um motor de indução trifáico Curva caracterítica da máquina de indução Ajute de velocidade por variação de tenão de alimentação Zona de funcionamento da máquina de indução Evolução do parâmetro da máquina de indução em função da velocidade Equema equivalente por fae do motor trifáico Diagrama vectorial do circuito equivalente por fae Equema equivalente por fae aproximado Curva do binário em função do ecorregamento Tranformação entre referencial abc e αβ Circuito trifáico com acoplamento magnético Relação entre o eixo abc, αβ e dq -.14 Binário veru Ecorregamento Curva caracterítica de binário num perfil V/f Tenão em função da frequência num perfil V/f Zona de funcionamento num perfil V/f Controlador de Tenão e Frequência, método V/f, em malha aberta Controlo V/f com regulação do ecorregamento Efeito da variaçõe de binário de carga Efeito da variaçõe da tenão de alimentação Dipoitivo em malha fechada para compenação do ecorregamento utilizando o método V/f Tipo de converore de potência e forma de tenão aociada Controlador de tenão AC trifáico báico Cicloconveror com 3 tranformadore trifáico Circuito báico de um converor matricial para uma máquina de indução Converor Converor AC-DC-AC com circuito intermédio em corrente Forma de onda da máquina de indução alimentada com inveror de corrente Equema báico do ondulador de tenão - 40 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador iii

4 Indice Diagrama de um converor AC-DC-AC com circuito intermédio em tenão Converor AC-DC-AC com circuito intermédio em tenão Circuito de potência do ondulador de tenão trifáico em ponte Equema de bloco do comando triângulo-inuoidal Onda triangular, tenõe de comando e inai de comando para dipoitivo emicondutore Repreentação da tenõe compota Perfil V/f implificado Variação da velocidade em função do tempo Arquitetura bae do microcontroladore C000 da TI Performance e evolução do microcontroladore C000 da TI Kit da Texa Intrument utilizado no módulo de controlo ControlStick com o F807 da Texa Intrument utilizado na recolha de dado Valor do regito do contador e frequência do inal PWM Modo Up-Down Count e definição da razão cíclica Configuração do módulo epwm para a criação de ei inai PWM Diagrama temporal do 6 inai PWM Repreentação geral do itema Apecto geral do itema implementado Módulo Converor de Potência Apecto geral do Módulo Converor de Potência Trandutor de Velocidade Taquímetro Sinal gerado pelo Trandutor de Velocidade (1500 rpm) Evolução do erro relativo devido ao número de orificio da roda girante Trandutore de Corrente - efeito de hall Cloed Loop Curva caractrítica do CAS-15P Equema eléctrico do CAS-15P Carga RL Sinal ao terminai da reitência de carga Sinal de comando do emicondutore de um braço do inveror Implementação do Sinal Modulante Sinal PWM modulado aplicado a doi braço conecutivo do inveror Perfil V/f implificado Sinal Modulante com amplitude 0.9 e Sinai à aída do microcontrolador atravé de um filtro paa baixo Sinai à aída do acopladore óptico atravé de um filtro paa baixo Janela de interface reidente no PC Diagrama de funcionamento do Programa Principal do microcontrolador - 84 iv Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

5 Indice 5. - Aferição da leitura da velocidade de rotação Tenão ao terminai do converor etático Corrente ao terminai de um trandutor Variação da tenão e corrente em função da velocidade íncrona Repota dinâmica da velocidade no arranque rápido do motor Repota dinâmica da velocidade no arranque do motor Tempo real de arranque veru teórico Rampa de aceleração e deaceleração (50Hz -10Hz - 50Hz) Rampa de aceleração e deaceleração (30Hz -70Hz - 30Hz) Repota dinâmica na inverão de marcha - 95 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador v

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7 1. Introdução 1. Introdução 1.1. Âmbito. A maioria do motore detinado a aplicaçõe indutriai tem trê enrolamento de fae, endo também em ambiente indutrial que a tenão trifáica é mai utilizada. Em ambiente reidenciai, normalmente, a potência etá diponível numa única fae, o que inviabiliza a utilização do motore trifáico. Por outro lado, dado o ambiente de utilização dete tipo de motore o qual, de uma forma geral, exige elevada potência na laboração, leva a que ea máquina tenham conequentemente grande dimenõe. O motor de indução trifáico é de contrução fácil, económica, ma robuta e poui uma grande fiabilidade em grande parte devida à não utilização de ecova ou outro contacto móvei. A juntar a ea vantagen tem-e o facto dete motor ter um bom deempenho de binário em toda a velocidade de funcionamento, o que o torna num do melhore tipo de motor para erem uado em accionamento de velocidade variável. No entanto, ete motor tem como principai devantagen o eu controlo algo complexo e o nível de rendimento que é inferior ao de outro motore tai como o motor íncrono de corrente alternada polifáica, o motor íncrono de iman permanente (PMSM), o motor de corrente contínua em ecova (BLDC) ou ainda o motor íncrono de íman permanente interior (IPM). Se relativamente ao egundo apecto o avanço têm ido pequeno, já quanto ao primeiro, com o deenvolvimento da electrónica de potência e de controlo, a evolução tem ido rápida e importante. Exitem vária técnica para controlar o accionamento dete motore, endo a mai generalizada a que utilizam o inverore de potência. Quanto ao controlo do inverore de potência exitem eencialmente dua técnica. Uma mai imple deignada por controlo ecalar tenão/frequência, utilizada em controlo de malha aberta; ou controlo por orientação de campo/controlo vectorial, mai apropriada para o controlo em malha fechada. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 1

8 1. Introdução Sendo o tema do motore de indução batante vato, nomeadamente quanto à ua caracterítica, deempenho e forma de accionamento, pretende-e com ete trabalho fazer um etudo que aborde a ua caracterítica elementare, paando pela implementação de um tipo de accionamento em grande exigência em termo de hardware e oftware. Aim, nete trabalho foi caracterizado o motor, foi apreentado um tipo de converor de potência de implementação imple, o ondulador trifáico de tenão, e como técnica de controlo do converor foi adoptada a técnica de controlo ecalar tenão/frequência, meno exigente em termo de programação. Ete trabalho inere-e na área de invetigação deenvolvida no eio da ecção de Electrónica Indutrial, com particular ênfae no âmbito do accionamento electromecânico. 1.. Motivação. Depoi de realizado trabalho com o microcontrolador 8051 da INTEL e poteriormente com o PIC da Microchip, propõe-e agora o etudo de uma nova família de microcontroladore: o C000 da Texa Intrument (TI). Já no decorrer do preente metrado, foi poível tomar contacto com o microcontroladore da TI, nomeadamente atravé do DS1104 que incorpora o TMS30C31 a 60MHz. Com ele foi poível obter reultado que comprovaram que é poível comandar eficazmente um ondulador de tenão. No entanto, a reai capacidade do microcontrolador etavam encapulada por uma ferramenta aociada ao MatLab. Com a realização do preente trabalho pretendia-e por um lado evitar o elevado cuto aociado a um DSP, por outro, tetar a reai capacidade do microcontrolador recorrendo à ua programação directa. A quetão da implementação do próprio ondulador, com recuro a oluçõe integrada, o etudo do comportamento do motor de indução face à técnica de controlo de accionamento utilizada e a amotragem da grandeza obre a quai era neceário uma monitorização e eventual intervenção, como é o cao da corrente e da velocidade de rotação, contituíram um intereante deafio. A contenção de cuto foi um do apecto que etiveram na bae da opçõe ecolhida ao longo do trabalho, dede o módulo converor onde e incluem o trandutore de corrente e de velocidade, alimentação do barramento DC até ao microcontrolador e repectiva ferramenta de deenvolvimento. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

9 1. Introdução 1.3. Objectivo. Com bae num Microcontrolador, comandar um inveror que alimenta um motor de indução trifáico. Pretende-e comandar a velocidade atravé da variação conjunta da tenão e da frequência e monitorizar a velocidade, tenão e corrente no motor Organização. Tendo em conta o motor de indução trifáico, o circuito de electrónica de potência uado no comando de máquina eléctrica e o circuito embebido (microcontroladore), procurou-e com ete trabalho: a) Analiar o funcionamento do motor de indução trifáico tendo em conta o parâmetro que caracterizam o eu funcionamento: tenão, frequência, corrente, velocidade e binário, bem como o método V/f (tenão/frequência) que é uado para controlo do memo; b) Ecolher de entre o vário modelo de microcontroladore diponívei no mercado um que tivee caracterítica que permitiem o comando e controlo do motor de indução trifáico; c) Ecolher de entre a vária topologia de converore de potência diponívei uma que foe imple e permitie o controlo V/f do motor de indução trifáico; d) Interligar o microcontrolador, converor de potência e o motor de forma a realizar o controlo V/f e a monitorizar a grandeza mai ignificativa; e) Realizar tete de comportamento em regime permanente e dinâmico. Com bae no preupoto referido na alínea anteriore foram deliniado uma érie de enaio do itema, cuja análie, conjuntamente com algun apecto teórico relevante, contituem a bae deta diertação cujo corpo etá organizado em ei capítulo, além deta Introdução: Capítulo. Nete capítulo ão apreentado o apecto mai relevante relativamente ao motor de indução trifáico, inicialmente numa vertente mai imple e prática, eguida de uma análie mai detalhada. Capítulo 3. A quetão do accionamneto do motor é tratada nete capítulo, nomeadamente o tipo de converor etático ecolhido, bem como a técnica utilizada para a geração do inai de comando do converor. São ainda efectuado etudo Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 3

10 1. Introdução teórico obre o ritmo de actualização do parâmetro tenão/frequência e a forma de obter a leitura da velocidade do motor. Capítulo 4. Nete capítulo é tratada a terceira área do itema. O itema embebido reponável pela geração do inai de comando do converor. É dado detaque ao papel deempenhado por ete dipoitivo, endo de eguida feita a caracterização do microcontrolador ecolhido. Capítulo 5. É apreentado o itema no eu conjunto, bem como dado a conhecer o papel que cada área deempenha e quai a opçõe tomada relativamente ao funcionamento de cada uma. Capítulo 6. Finalmente nete capítulo ão apreentado o reultado do enaio efectuado e feita uma análie ao deempenho do itema face ao vário cenário, inicialmente em regime permanente e depoi em regime dinâmico. No final do trabalho ão apreentada a concluõe retirada dete trabalho e é ainda apreentado um conjunto de apecto paívei de erem deenvolvido no eguimento do trabalho agora realizado. 4 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

11 . O Motor de Indução Trifáico. O Motor de Indução Trifáico.1. Parâmetro que Caracterizam o eu Funcionamento. O motore de indução trifáico ão máquina robuta e de fácil contrução e como ão fabricado em grande ecala, ão relativamente económico. Ete apecto, apear da dificuldade do eu controlo, contribuiram para que ete e tornaem numa ecolha preferencial por parte da indútria, tracção e até erviço. Ete motore ão produzido egundo dua variante: motor de rotor bobinado e motor de rotor em gaiola. No motor de rotor bobinado exitem obre o circuito magnético trê enrolamento iolado no rotor, defaado de 10º eléctrico. Ee enrolamento ão ligado ao exterior atravé de trê anéi e ecova. Atravé dea ligaçõe é poível controlar o proceo de arranque do motor, colocando reitência, ou realizar o controlo de velocidade da máquina. O motor de rotor em gaiola também deignado por rotor em curto-circuito, ou em gaiola de equilo, tem um rotor contituído por um núcleo de ferro no qual e encontram condutore ligado na periferia atravé de doi anéi que o curtocircuitam. Eta contrução tem um elevado nível de robutez, e como não utiliza qualquer tipo de ecova, faz também com que eta máquina eja batante fiável. A todo ete factore acrece ainda o facto de provavelmente er globalmente a máquina mai barata. Por todo ete motivo foi, provavelmente, a máquina mai utilizada em accionamento de velocidade quae contante. O bom deempenho de binário dete motor em toda a velocidade de funcionamento, abaixo da velocidade nominal, conforme e motra na figura.1, torna-o numa boa opção para realizar o controlo de velocidade neta gama de velocidade. Para alterar a velocidade do motor, mantendo o binário diponível, devem er variada a frequência e a amplitude da tenão. Actualmente, com o rápido avanço da electrónica de potência etá mai aceível a criação de dipoitivo que permitam variar ea grandeza para alimentar ete tipo de motor Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 5

12 . O Motor de Indução Trifáico no entido de variar a ua velocidade, contribuindo para que eta máquina eja também cada vez mai utilizada em accionamento de velocidade variável. Ψ,U Ψ N U N Figura.1 - Caractrítica do funcionamento do motor de indução trifáico Eta vantagen podem contituir um bom incentivo para o projecto e fabrico de motore de indução trifáico de baixa potência. Aim, em ambiente reidenciai, onde normalmente apena etá diponível uma única fae de potência, com o recuro à electrónica de potência, paa agora a er poível o recuro ao motore trifáico, com a vantagem da caracterítica de binário que ete motore apreentam relativamente ao monofáico. A contrução fiica do motor comporta um conjunto de elemento que influenciam de forma determinante o eu deempenho e conequentemente o eu rendimento. A reitência ohmica do rotor e do etator e repectiva indutância mútua, momento de inércia, atrito vicoo, etc. ão exemplo dee elemento. Ee elemento, em condiçõe normai, não podem er alterado, endo tomado contante quer em regime dinâmico quer em regime etacionário. Tal já não acontece com o nível de tenão, repectiva frequência e ainda a corrente. Ete factore peado pelo parâmetro fixo vão influir directamente na velocidade de rotação do motor bem como no binário diponível para aplicar à carga, em epecial, quando acima da velocidade nominal. Um apecto deconhecido por muito profiionai da área é que o controlo do binário deenvolvido pelo motor, atravé da ua optimização, aumenta a eficiência energética do accionamento. Para compreendermo o princípio do controlo de velocidade e do binário do motor de indução trifáico, é neceário o conhecimento da equaçõe que relacionam o parâmetro aociado a ea máquina. Inicialmente ão apreentada a equaçõe 6 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

13 . O Motor de Indução Trifáico proporcionam apena o entendimento báico do motor de indução trifáico a funcionar em regime etacionário. Na prática, ea relaçõe exigem uma modelação matemática mai ou meno complexa, como e poderá verificar no ponto eguinte Conceito de Bae. Aqui erá feita uma apreentação do apecto mai prático, que de uma forma geral ão apreentado na chapa de caracterítica do motor (figura.), ou poderão er obtido a partir dee atravé da utilização de expreõe mai ou meno imple. Figura. - Chapa de caractrítica de um motor de indução trifáico Velocidade íncrona ( n ) A velocidade íncrona refere-e à velocidade de rotação do fluxo magnético reultante gerado pelo enrolamento do etator, também deignado por campo girante. Portanto, a velocidade íncrona não e refere a uma grandeza mecânica, ma im a um grandeza eléctrica. n 10 f = (.1) P Sendo contante o número de pólo (P) da máquina, é poível variar a ua velocidade íncrona pela variação da frequência da tenão alternada aplicada ao etator. Velocidade mecânica ( n m ) A velocidade mecânica do veio (rotor) do motor de indução trifáico é dado por: m ( ) n n = 1 (.) em que correponde ao ecorregamento que é definido por: n n n m = (.3) Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 7

14 . O Motor de Indução Trifáico Fluxo de magnetização ( ψ ) O fluxo no entreferro do motor de indução trifáico é m proporcional à tenão no etator e inveramente proporcional à frequência: V ψ m (.4) f O fluxo de magnetização pode er alterado da eguinte forma: reduzido pelo decrécimo da amplitude da tenão ou elevação da frequência, mantido contante por uma variação proporcional da tenão e frequência, ou elevado com a redução da frequência da tenão alternada aplicada ao etator. No entanto, cabe aqui alientar que a amplitude da tenão aplicada ao etator do motor de indução trifáico nunca poderá er uperior à tenão nominal da máquina. Binário (T m ) Para o binário deenvolvido pelo motor, tem-e a eguinte relação: T m ψ I (.5) m r Sendo I r, a corrente induzida no rotor. Binário (T R ) Trata-e do binário reitente ao binário do motor, em grande parte devido à carga aplicada ao veio motor. O eu valor depende eencialmente da caracteritica da carga. Potência Nominal ( P N ) Grandeza obtida pelo produto do valore eficaze da tenão nominal e corrente nominal e pelo factor de potência nominal, dá-no a medida da potência activa que efectivamente é olicitada pelo motor à rede eléctrica, quando diponibiliza no eu veio a potência mecânica útil nominal: P N = 3 U I Coφ (.6) N N Potência mecânica ( P m ) Também deignada por potência útil ( P u ), a potência mecânica de aída é proporcional à velocidade e ao binário: P m T N (.7) m m Neta equência, a expreão do binário do motor (.5) pode tomar a forma: P m Tm (.8) N m Potência aborvida ( P ab ) Potência eléctrica olicitada à rede eléctrica relativa a um dado etado de funcionamento que deenvolve uma dada potência mecânica: 8 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

15 . O Motor de Indução Trifáico P ab = 3 U I Coφ (.9) Rendimento (η ) Por fim, temo que o rendimento do motor que é dado pela expreão: P P ab m η = (.10) P ab.1.. Variação da Velocidade. O controlo de velocidade da máquina de indução pode er efectuado actuando na frequência de alimentação w, no número de pare de pólo n pp e no ecorregamento Actuação na frequência de alimentação. Para valore nominai de tenão e frequência, o fluxo no entreferro apreenta o eu valor nominal. Diminuindo a frequência e mantendo a tenão de alimentação contante, o fluxo no entreferro aumenta, originando a conequente aturação do motor. Por outro lado, efectuando um aumento da frequência para além do eu valor nominal implica a diminuição do fluxo e conequentemente do binário deenvolvido. Dete modo, o comando por variação de frequência é realizado apena recorrendo a um aumento de frequência, o que implica o aumento de velocidade. Figura.3 Curva caracterítica da máquina de indução [34] No entanto, endo poível alterar o valor da amplitude da tenão de alimentação, na máquina de indução paam a ditinguem-e dua zona de actuação. Uma zona Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 9

16 . O Motor de Indução Trifáico de fluxo contante, abaixo da velocidade nominal, na qual e encontra diponível o binário máximo, e uma zona de enfraquecimento do campo onde o fluxo vai baixando com a velocidade eguindo uma lei hiperbólica. A figura.3 apreenta uma família de caracterítica electromecânica traçada para vária frequência de alimentação. Abaixo da velocidade nominal, eta máquina apreenta caracterítica aproximadamente paralela de binário máximo contante. Etá-e na zona de fluxo contante onde a tenão de alimentação é enivelmente proporcional à frequência de alimentação (V/f = cte). Para velocidade elevada a tenão de alimentação é mantida no eu valor máximo. Como a frequência aumenta, o fluxo do etator reduze egundo uma hipérbole 1/f. Neta zona a potência nominal da máquina etá diponível, com limitação ao nível do binário. n 60 f = (.11) n pp A actuação na frequência de alimentação w contitui o proceo mai eficiente requerendo um converor de energia eléctrica apropriada Actuação no número de pare de pólo. A variação de velocidade, actuando no número de pare de pólo, etá reduzida a aplicaçõe retrita onde a neceidade poam er uprimida com um número retrito de velocidade de incronimo (normalmente ). Figura.4 - Ajute de velocidade por variação de tenão de alimentação[34] Actuação no ecorregamento. Para e ajutar a velocidade actuando no ecorregamento pode-e actuar na tenão de alimentação, figura.4. Neta figura etão traçada vária curva com parâmetro diferente. O ponto de funcionamento 10 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

17 . O Motor de Indução Trifáico que correponde ao cruzamento da caracterítica da carga T C com uma da caracterítica da máquina, varia conoante a curva coniderada variando-e aim a velocidade. Como e pode facilmente verificar pela análie da figura.4, no ajute de velocidade por variação de tenão de alimentação, a gama de variaçõe de velocidade é extremamente reduzida. De qualquer forma, o ajute de velocidade etá fortemente dependente da caracterítica da carga. Ete ajute de velocidade faz-e à cuta de perda de energia no rotor. Por outro lado, endo o binário deenvolvido, directamente proporcional ao quadrado da tenão aplicada, uma redução da velocidade neta modalidade implica uma grande diminuição do binário, daí que eja um método a utilizar quando o binário reitente é reduzido. Ete método pode também er deigando por variação da tenão de alimentação [13] Regiõe de Funcionamento. A limitaçõe de tenão e corrente da máquina de indução e repectivo converore, determinam a exitência de regiõe ditinta de funcionamento, figura.5. Para velocidade inferiore à velocidade nominal da máquina, tem-e a região de binário contante, enquanto para velocidade uperiore tem-e a região de enfraquecimento de fluxo, vito que não e pode utilizar uma tenão uperior à nominal, o aumento da velocidade acima do eu valor nominal é acompanhado pela diminuição do fluxo, e conequentemente, do binário máximo diponível. Na figura ão ainda repreentada a regiõe de funcionamento da máquina em regime permanente e o limite admiívei em regime tranitório. Figura.5 - Zona de funcionamento da máquina de indução[11]. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 11

18 . O Motor de Indução Trifáico De notar que para velocidade reduzida, exite uma deterioração da capacidade de autoremoção do calor produzido na máquina, impoibilitando a utilização plena da potência em erviço prolongado, endo retringido o limite de binário admiível, ito no cao da não exitência de ventilação forçada [11]. Figura.6 Evolução do parâmetro da máquina de indução em função da velocidade [6] Na figura.6 etá repreentada a evolução do divero parâmetro do motor de indução em função da velocidade, entre ela a tenão e corrente no etator, o binário electromagnético deenvolvido, o fluxo de magnetização, e o ecorregamento. De notar na região de enfraquecimento de fluxo a divião entre uma zona de potência contante e uma zona de velocidade elevada, endo neta última mai acentuada a redução do binário... Modelo em Regime Permanente. Um do princípio fundamentai da máquina aíncrona incide no deenvolvimento de um campo magnético girante no entreferro. Ete campo pode er gerado por um enrolamento trifáico, percorrido por um itema trifáico inuoidal de corrente de amplitude I e frequência f ω =. π Para um itema trifáico de corrente dado pela equaçõe.1 a.14, verifica-e em cada enrolamento um campo inuoidal pulante obre o repectivo eixo. 1 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

19 . O Motor de Indução Trifáico I I I a b c ( ω t) = I co (.1) π = I co ω t (.13) 3 π = I co ω t+ (.14) 3 Sendo o motor de indução uma máquina que comporta trê enrolamento de fae, cuja contrução e funcionamneto ão equilibrado, é poível efectuar o etudo com o recuro a única fae e aim repreentar num equema eléctrico todo o parâmetro que o contituem. I R l l r Rr I r U I m M R Fe 1 R r Figura.7 - Equema equivalente por fae do motor trifáico [11] I ω l U I R U m I φ θ I r Lado do Etator I 0 I C I r Rr δ I m Lado do Rotor ψ m θ r U m I r I ω l Figura.8 Diagrama vectorial do circuito equivalente por fae [6] Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 13

20 . O Motor de Indução Trifáico A figura.7 apreenta o referido equema no qual ão apreentada a tranformaçõe de energia envolvida, bem como a perda eléctrica aociada. Na figura.8 encontra-e o diagrama vectorial repreentativo da grandeza eléctrica envolvida. Como e pode verificar na figura.7, o itema motor tem como entrada uma energia eléctrica cujo valor, a meno de alguma perda, é tranformada em energia mecânica traduzida no binário de rotação do veio do motor e na velocidade angular. Embora não eteja referido na figura, nem toda a energia mecânica é tranmitida ao eixo. Exitem perda mecânica aociada ao funcionamento do próprio motor, perda ea cujo valor pode er influenciado pela variação da velocidade ou que e refletem no funcionamento da máquina em regime permanente. A potência aociada ao eu divero elemento ão repectivamente [6]: Potência abovida: P = ab 3 U I coφ (.15) Potência de Perda no cobre do etator: P = 3 I R (.16) l Potência de Magnetização: U m P lc = 3 (.17) R Fe Potência de entregue no ecundário: P g R = 3 I r (.18) Potência de Perda no cobre do rotor: P = 3 I R (.19) lr r r Potência de Saída: P o = P g P lr = 3 I r 1 Rr (.0) Potência no veio motor: P m = P P (.1) o FW onde P FW ão a perda mecânica no próprio motor, devida ao atrito vicoo. Dado que a potência de aída é o produto de binário pela velocidade, então o binário eletromagnético é dado por: T e P 3 1 R o r = = I r Rr = 3n pp I r (.) ωm ωm ω O circuito equivalente da figura.7 pode er implificado como e motra na figura.9, onde a reitência de perda no ferro R Fe é deprezada e a indutância de magnetização M é colocada à entrada. 14 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

21 . O Motor de Indução Trifáico I R l lr I m I r U M R r Figura.9 - Equema equivalente por fae aproximado Eta aproximaçõe ão facilmente jutificada numa máquina a plena potência onde (R e +jw l e ) << w M. Tipicamente, a implificação efectuada traduz-e numa diferença de 5% face à máquina real. Tendo em conta o equema da figura.9 e aumindo que o motor não etá a funcionar na vizinhança da velocidade incrona, a corrente I r é obtida pela expreão: I r = U Rr R + + ω ( l + l ) r (.3) ubtuindo a corrente na expreão., obtem-e: T e = 3 n pp ω R R Rr + r U + ω ( l + l ) r (.4) endo: ω ω r r = = 1 (.5) ω ω ω l = L M e l = L M (.6) (.7) r r onde: n pp repreenta o número de pare de pólo U S o valor eficaz da tenão imple no etator A velocidade angular eléctrica de rotação do veio motor é deignada ω r e é dada por ω = (.8) r n pp ωm Como e pode verficar pela expreão, o binário motor depende do quadrado do valor eficaz da tenão e apreenta doi valore limite (máximo e mínimo), para o valore 1 e, repectivamente, cujo valore aproximado erão dado por: Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 15

22 . O Motor de Indução Trifáico T ( 1, ) = 3n pp U ω ± + + R R ω ( l ) lr (.9) 1, =± R U + ω ( ) l + l r (.30) Na figura.7 etá a repreentação gráfica do binário que obdece à expreão atrá indicada. Figura.10 Curva do binário em função do ecorregamento [11] A expreão de binário em função do ecorregamento anteriormente definida é válida para uma tenão de entrada com amplitude e frequência contante..3. Modelo para o Comportamento Dinámico. O circuito equivalente por fae da máquina aíncrona e a repreentação vectorial da divera grandea analiado no ponto anterior, apena ão válido para o regime etacionário. Para variaçõe de velocidade, torna-e neceário analiar o comportamento da máquina em regime tranitório. O complexo deempenho dinâmico da máquina de corrente alternada deve-e ao facto de o enrolamento trifáico do rotor e delocar relativamente ao enrolamento trifáico do etator. O eu funcionamento pode er encarado como o de um tranformador com o ecundário móvel, onde o coeficiente de acoplamento entre a fae do etator e do rotor mudam continuamente com a poição do rotor. 16 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

23 . O Motor de Indução Trifáico Para a formulação de modelo dinâmico é neceário, para além de e proceder a alguma implificaçõe, geralmente admitida para efeito de controlo [11], recorre-e à utilização de tranformaçõe matemática de modo a deacoplar variávei, auxiliando na reolução de equaçõe complicada de coeficiente variante no tempo, permitindo igualmente que toda a variávei ejam referida a um único referencial Tranformação entre o referencial abc e αβ. A tranformação entre a referência trifáica abc etacionária, numa referência arbitrária igualmente etacionária de dua fae, denominada αβ, é a deignada tranformação de Concórdia. Figura.11 Tranformação entre referencial abc e αβ O eixo α encontra-e coincidente com o eixo da fae a (θ = 0º), pouindo o eixo β um atrao de π/ relativamente ao eixo α, como repreentado na figura.11. De notar que a adição de uma terceira variável, denominada componente de equência nula ou homopolar, torna a matriz de tranformação quadrada e invertível. A tranformação de Clarke é dada pela expreão.31. [ f ] [ T ][ ] 0 αβ 0 f abc αβ = (.31) π π ( ) 1 1 co 0 co co π π 3 3 αβ = en( 0) en en = 0 (.3) [ ] T 0 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 17

24 . O Motor de Indução Trifáico 18 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador A matriz.3 caracteriza-e por er unitária, endo o produto deta pela ua tranpota igual à matriz identidade: [ ] [ ] n T 0 0 I T T = αβ αβ (.33) Aim, a matriz da tranformação invera é igal à ua tranpota.34. [ ] [ ] = = T T T αβ αβ (.34) Analiando a figura.11 e aumindo o eixo αβ orientado egundo um ângulo θ=0 relativamente ao eixo abc (eixo a coincidente com o eixo α), e tendo em conta a expreõe.31 e.3, a tenõe u α e u β relativa ao referencial αβ, em função da tenõe u a, u b, u c, ão dada pela equação matricial preente em.35. = u u u c b a (.35) Coniderando que não exite neutro na máquina de indução, a oma da corrente no enrolamento do etator é nula, endo poível deprezar a componente de equência nula. A componente u α e u β ão então dada repectivamente por.36 e.37. = c b a u 1 u 1 u 3 u α (.36) = c b u 3 u 3 3 u β (.37) Por outro lado, atendendo à expreão.34, a tenõe u a, u b, u c, em função da tenõe u α e u β, ão dada pela equação matricial preente em.38. Deprezando a componente de equência nula, a componente u a, u b, u c, ão repectivamente dada por.39 a.41.

25 . O Motor de Indução Trifáico Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 19 = 0 c b a u u u u u u β α (.38) u α 3 u a = (.39) + = β α u 3 u 1 3 u b (.40) = β α u 3 u 1 3 u c (.41) O circuito trifáico equilibrado da máquina aíncrona com acoplamento magnético entre fae, repreentado na figura.1 para o itema de coordenada reai abc, é regido pela equaçõe.4 e.43, na forma matricial [11]. Figura.1 Circuito trifáico com acoplamento magnético + = c b a c b a a c b a dt d i i i R u u u ψ ψ ψ (.4) [ ] = = c b a a a a c b a c b a i i i L M M M L M M M L i i i L ψ ψ ψ (.43) Relativamente à equação.4, a tenõe por fae dependem da queda de tenão em cada enrolamento, e da variação fluxo ligado com o memo. Analiando a

26 . O Motor de Indução Trifáico 0 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador equação.43 relativa ao fluxo ligado por fae, tem-e que L a e M, ão repectivamente, a indutância própria e mútua. Procedendo a uma tranformação de coordenada do referencial abc para o referencial αβ, recorrendo à matriz de tranformação e à ua invera,.3 e.34, [ ] 0 T αβ e [ ] 1 0 T αβ repectivamente, torna-e poível obter equaçõe diferenciai deacoplada. Atendendo à equaçõe.44 a.46, e recorrendo à referida tranformação de referencial, tem-e a equação.4, dada por.47. [ ] = c b a u u u T u u u β α αβ (.44) [ ] = c b a i i i T i i i β α αβ (.45) [ ] = c b a T ψ ψ ψ ψ ψ ψ β α αβ (.46) [ ] [ ] [ ] + = a T dt d i i i T R u u u T ψ ψ ψ β α αβ β α αβ β α αβ (.47) Multiplicando ambo o termo de.47 por [ ] 0 T αβ, como e motra em.48, obteme a equação matricial.49. [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] + = a T T dt d i i i T T R u u u T T ψ ψ ψ β α αβ αβ β α αβ αβ β α αβ αβ (.48) + = 0 0 a 0 dt d i i i R u u u ψ ψ ψ β α β α β α (.49) Analogamente, a equação.43 repreentada no referencial αβ é exprea pela equação matricial.51, endo a matriz de indutância [L ] dada por.5. A indutância L e L 0 na expreão.5, ão dado repectivamente por.53 e.54

27 . O Motor de Indução Trifáico ψ 1 [ T ] ψ = [ L][ T ] αβ 0 ψ α ψ β= ψ α β ψ 0 [ L' ] i i α β 0 i 0 i i i α 1 αβ 0 β 0 (.50) (.51) L 0 0 L = 0 L 0 (.5) 0 0 L 0 [ '] L = L + a M (.53) L = L M (.54) 0 a Tal como referido atrá, é poível deprezar a componente de equência nula. Aim,.49 e.51 podem er apreentada por.55 e.56, repectivamente. u u α β iα d ψ α = Ra + (.55) iβ dt ψ β ψ α iα = [ L '] (.56) ψ β iβ Torna-e evidente a equivalência de repreentação entre o referencial abc e αβ, do itema de equaçõe que rege o circuito trifáico equilibrado da máquina de indução com acoplamento magnético entre fae. A equação do circuito trifáico equilibrado da máquina de indução, repreentada atravé de vectore epaciai repreentado no referencial αβ, é dada pela expreão.57. d = ψ αβ (.57) dt uαβ Ra iαβ Tranformação entre o referencial αβ e dq. A tranformação entre o referencial etacionário de dua fae αβ, num qualquer referencial dq que roda a uma velocidade angular ω, como ilutrado na figura.13, é deignada por tranformação de Park e é obtida pela expreão.58. [ f ] [ T ( )][ ] dq = dq θ f αβ (.58) Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 1

28 . O Motor de Indução Trifáico q β b u q u β u d u α d θ = ω t α a co( θ ) en( θ ) [ T ( )] = dq c Figura.13 Relação entre o eixo abc, αβ e dq θ (.59) en( θ ) co( θ ) A variável θ é o ângulo de defaagem entre o eixo α do referencial αβ, e o eixo d do referencial dq. A invera da matriz.59 é dada por.60. co( θ ) en( θ ) θ (.60) en( θ ) co( θ ) 1 [ T ( )] = dq A tranformação de Park dada pela expreão.61, realiza por ua vez a tranformação da referência trifáica abc etacionária, para a referência difáica denominada dq, que roda à velocidade angular ω. [ f ] T ( θ ) dq0 [ ][ f ] = (.61) dq0 abc Aplicando agora a uma tranformação [T(θ)], e adicionando a componente de equência nula, tem-e a matriz.6. π π co( θ ) co θ co θ π π θ = en( θ ) en θ en θ + (.6) [ T ( )] dq0 Coniderando unitária a matriz.6, tem-e para a ua invera a matriz.63. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

29 [ T ( )] dq0. O Motor de Indução Trifáico 1 co( θ ) en( θ ) 1 π π 1 θ = co θ en θ (.63) π π 1 co θ + en θ Obervando a figura.13, e tendo em conta a expreõe.58 e.59, a tenõe u d e u q relativa ao referencial dq, em função da tenõe u α e u β, ão dada pela equação matricial.64. A componente u d e u q ão repectivamente dada por.65 e.66. u u d q = co( θ ) en( θ ) en( θ u ) co( θ ) u α β (.64) u u d q = u co( θ ) u en( θ ) (.65) α + β = u en( θ ) u co( θ ) (.66) α + β Por outro lado, atendendo à expreão.60, a tenõe u α e u β em função da tenõe u d e u q ão dada pela equação matricial.67. A expreõe.68 e.69 repreentam u α e u β em função de u d e u q. u u α β co( θ ) = en( θ ) en( θ ) u co( θ ) u d q (.67) u u α = u co( θ ) u en( θ ) (.68) d q = u en( θ ) u co( θ ) (.69) β d + q Procurando agora etabelecer uma equivalência entre referenciai αβ e dq para a obtenção da equação do circuito trifáico equilibrado da Máquina Aíncrona, conidera-e a repreentação de um dado vector genérico xdq no referencial dq em função da variávei x d e x q : x dq xd + = jx (.70) q Recorrendo à equaçõe.65 e.66, e tomando para a grandeza de tenão uma grandeza genérica x, tem-e.71. O vector em termo da variávei x α e x β : xdq pode er igualmente repreentado Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 3

30 . O Motor de Indução Trifáico x dq d q jθ jθ ( x + jx )( co( θ ) jen( θ )) = ( x + jx ) e = xαβ e = x + jx = (.71) α β α β A equação.71 ilutra que o referencial dq encontra-e a rodar θ (t) em relação ao referencial αβ. Atendendo à referida equação, determina-e a relação entre xdq e x αβ, dada pela expreão.7. A equação do circuito trifáico equilibrado da máquina de indução pode er repreentada atravé de vectore epaciai no referencial dq,.73. jθ xαβ = x dqe (.7) x dq e θ j d dt jθ jθ = Raidqe + ψ dqe (.73).3.3. Equaçõe de Tenão no Etator e no Rotor. Pela expreõe deenvolvida anteriormente, torna-e poível encontrar um modelo dinâmico para a máquina de indução. Sendo a derivada do fluxo em relação ao tempo dado por.74,.73 pode er ecrita igualmente na forma.75. u d dt dq d ψ dq e + dt e jθ jωt jωt = ψ dq e jωψ dq e (.74) d dt jω t jωt jωt jωt = R i dq e + ψ dq e + jωψ dq e (.75) Deenvolvendo a equação.75 em função da componente do eixo directo d,.77, e do eixo de quadratura q,.78, têm-e quatro equaçõe, dua referente ao etator e dua referente ao rotor. u u u d d q ( ψ + jψ ) + jω ( ψ + jψ ) d + juq = R id + jr iq + d q d q (.76) dt d = R id + ψ d ωψ q dt (.77) d = R iq + ψ q +ωψ d dt (.78) Para o referencial dq a rodar à velocidade de incronimo ω, a equaçõe referente ao etator ão dada por.79 e.80. No cao do rotor, ete poui uma velocidade eléctrica de rotação ω r diferente da velocidade de incronimo ω, delocando-e o referencial dq com uma velocidade ω ω r relativamente ao rotor. A equaçõe referente ao rotor ão dada por.81 e.8. u d = R i d + d ψ d wψ q dt (.79) 4 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

31 . O Motor de Indução Trifáico u u u q dr qr = R = R r = R r i i i q dr qr d ψ q wψ d dt d dt d dt ψ ψ dr qr ( w n ppwm) ψ qr ( w n ppwm) ψ dr (.80) (.81) (.8) A expreõe de fluxo ligado encontram-e definida eguidamente. d d ( i i ) ψ = l i + M + (.83) dr r dr d dr ( i i ) ψ = l i + M + (.84) dm d ( i i ) d dr dr ψ = M + (.85) q q + M( iq iqr) qr + M( iq iqr) ( i i ) ψ = l i + (.86) ψ = l i + (.87) qr qm r ψ = M + (.88) q qr.3.4. Equação do Binário Electromagnético. Coniderando a expreão.18 referente à potência no entreferro Pg, a expreão.0 relativa à potência mecânica deenvolvida Pm, e a relação entre a velocidade mecânica e a velocidade do campo girante do etator,.8, a expreão de binário electromagnético. pode aumir a forma.89. T P g e = n pp (.89) ω Deprezando a perda magnética, expreão.17, a tenão e o fluxo de magnetização ão dado por.90 e.91, repectivamente: U m = ω ψ (.90) m ψ m = M I m (.91) No referencial dq, o binário electromagnético em módulo é dado repectivamente por.9 e.93. T e ( ψ i ψ i ) 3 = n pp dm q qm d (.9) ( ψ i ψ i ) 3 Te = n pp dm qr qm dr (.93) Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 5

32 . O Motor de Indução Trifáico Atendendo à expreõe.83 a.88, torna-e poível definir a expreõe.94 e.95 repeitante ao fluxo ligado no etator, e.96 e.97 repeitante ao fluxo ligado no rotor. d ( l + M) id + M idr = L id + M idr ψ = (.94) q ( l + M) iq + M iqr = L iq + M iqr ψ = (.95) dr d ( lr + M) idr = M id Lr idr ψ = M i + + (.96) qr q ( lr + M) iqr = M iq Lr iqr ψ = M i + + (.97) Tomando como variávei o fluxo ligado no rotor e a corrente no etator para o cálculo do binário electromagnético, e eliminando i dr e i qr na equaçõe.96 e.97 recorrendo repectivamente a.85 e.88, obtém-e a expreõe.98 e.99 de fluxo ligado no rotor, no referencial d e q repectivamente: ψ dm Lr ψ dr = M id + Lr id = ψ dm lr id (.98) M M ψ dm Lr ψ qr = M iq + Lr iq = ψ dm lr iq (.99) M M Na equaçõe.100 e.101, repectivamente componente directa e quadratura do referencial dq, tem-e o fluxo de magnetização em função do fluxo ligado no rotor e da corrente no etator. Subtituindo eta na expreão.9, torna-e poível definir a expreão.10. Sendo.103 a equação mecânica da máquina de indução, em que J é o momento de inércia, B é o coeficiente de atrito vicoo, e T C é o binário de carga aplicado, e atendendo a.10, tem-e então equação da variação da velocidade em ordem ao tempo,.104. M ψ dm = ( ψ dr + lr id) (.100) L r r ( + l i ) M ψ qm = ψ qr r q (.101) L r ( ψ i ψ i ) 3 M Te = npp dr q qr d (.10) L dω dt m T e = J + Bωm+ dωm dt r T C B 1 ( ψ dr iq ψ qr id) m TC 3 M = npp ω J L J J (.103) (.104) 6 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

33 . O Motor de Indução Trifáico Na máquina de indução, a contante de tempo eléctrica ão menore que a contante mecânica, endo a dinâmica eléctrica conequentemente mai rápida. Aquando de uma variação da condiçõe de alimentação, a rapidez da dinâmica eléctrica traduz-e numa rápida variação do binário electromagnético deenvolvido, endo mai lenta no entanto, a repota de velocidade. Atendendo à equação mecânica da máquina de indução,.103, verifica-e a dependência entre o binário electromagnético deenvolvido e a evolução da velocidade. Sendo o binário electromagnético e o binário de carga, aim como a velocidade, dependente da variável tempo t, a referida equação pode tomar a forma.105. dωm( t ) Te ( t ) = J + Bωm( t ) + TC ( t ) (.105) dt O egundo termo correponde ao binário de atrito que caracteriza epecialmente o funcionamento em regime permanente. Do ponto de vita dinâmico, o termo mai relevante é o primeiro que correponde ao binário de aceleração, pelo que podemo implificar a equação obtendo: dωm( t ) Te ( t ) TC ( t ) = J (.106) dt.4. Comando por Variação Simultânea de Tenão e Frequência (V/f). Para que uma máquina de indução funcione terá empre que exitir ecorregamento. A diminuição da velocidade faz com que o ecorregamento vá aumentando, o que leva a um aumento do binário. Quando é colocada uma carga maior obre o veio do motor, o ponto de funcionamento movee para a equerda obre a curva de binário até que é atingido o binário de bloqueio, conforme e motra na figura.14. O motore de indução ão normalmente concebido para funcionarem a uma tenão e frequência fixa. No entanto, e a frequência de entrada do motor é alterada, a velocidade íncrona do motor também muda em conformidade. A alteração da frequência tem o efeito de mover a curva de perfil do binário para a equerda ou para a direita. Se a frequência de entrada do motor for alterada continuamente, erá gerada uma família de curva de perfi de binário, como é motrado na figura.15. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 7

34 . O Motor de Indução Trifáico Figura.14 Binário veru Ecorregamento Sendo o motor uma carga indutiva, a reactância do motor irá diminuir com a diminuição da frequência. Aim, e é feito um ajute na frequência de alimentação, então a tenão também deve er ajutada de forma proporcional. A relação entre a frequência e tenão para uma velocidade variável em motore aícrono é denominada perfil V/f, ou Volt/Hertz, ou implemente controlo ecalar. Figura nº.15 Curva caracterítica de binário num perfil V/f A relação V/f neceária para um motor epecífico pode er determinado a partir do parâmetro de identificação do motor. Por exemplo, upondo que um motor determinado foi projectado para funcionar a 0 VAC, 50 Hz, e queremo que o motor trabalhe a metade da velocidade nominal, então deve er uada metade da frequência nominal de entrada e uma tenão de entrada de 10 V. 8 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

35 . O Motor de Indução Trifáico Figura nº.16 Tenão em função da frequência num perfil V/f Na figura.16 é apreentado um gráfico da tenão em função da frequência tipico de um perfil V/f. Saliente-e a exitência de doi patamare, que correpondem ao valore mínimo e máximo de tenão. Ete patamare contituem limitaçõe ao método V/f por quetõe ubtancialmente diferente. O valor mínimo é neceário para vencer o momento de inércia e o atrito vicoo. A utilização deta zona é também crítica pelo facto e encontrar numa zona de funcionamento do motor em que a autoremoção de calor é deficiente, limitando-e o eu uo para curto período de tempo ou quando e diponha de uma refigeração forçada (externa). Figura nº.17 Zona de funcionamento num perfil V/f O patamar uperior correponde à tenção máxima admitida pela máquina. Sendo forçoo manter a tenão, um aumento de frequência implica uma diminuição de fluxo, e conequentemente uma redução do binário diponível. A zona de funcionamento atrá referida etão repreentada na figura.17, na qual e detaca uma área ombreada onde a potência deenvolvida deve er reduzida para evitar um obreaquecimento que poderia danificar permanentemente o iolamento Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 9

36 . O Motor de Indução Trifáico eléctrico do condutore. É ainda notória a redução proporcional no binário gerado na zona de enfraquecimento de fluxo a qual pode er jutificada pela expreão U ψ (.107) f O controlo ecalar V/f é muito utilizado em motore de indução trifáico de rotor do tipo gaiola de equilo devido ua facilidade de implementação, confiabilidade e cuto do itema. Interea conhecer bem o método poi todo o outro método têm em regime permanente comportamento qualitativamente emelhante a ele Método V/f, um comando em malha aberta. Atendendo ao circuito equivalente por fae do motor de indução, e deprezando a queda de tenão no ramo longitudinal de entrada e a reitência de magnetização, a corrente de magnetização I m em módulo é dada pela expreão.108. Sendo o fluxo de magnetização dado pela expreão.109, e procedendo à ubtituição neta da expreão.108, tem-e.110. I m U U U = = = (.108) X ω M π f M m ψ = M (.109) m I m ψ m U 1 U = M = (.110) π f M π f Analiando a expreão.110, e U e f forem tai que o eu quociente eja contante e igual ao fluxo nominal, conegue-e aegurar um valor de fluxo praticamente contante, numa larga faixa de frequência abaixo da frequência nominal. Na figura.18 repreenta-e o controlo de tenão e frequência em malha aberta. Ete controlador é igualmente deignado por variador de frequência. Figura.18 Controlador de Tenão e Frequência, método V/f, em malha aberta [17] 30 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

37 . O Motor de Indução Trifáico No diagrama apreentado na figura.18 o controlo da tenão é efectuado de forma eparada e ao nível da rectificação. Deta forma, a tenão ao nível do barramento DC do inveror de tenão é variável em função da frequência que e pretende aplicar à máquina. Uma olução alternativa é a aplicação de uma tenão DC contante ao nível do barramento endo o controlo da tenão efectuado ao nível do inal de controlo do inveror, nomeadamente na onda modulante, conforme erá explicado no capítulo eguinte..4.. Regulação do ecorregamento utilizando o comando V/f. No método de controlo V/f, a variaçõe de binário de carga e da tenão de alimentação reultam em variaçõe na velocidade de rotação do rotor. Com o intuito de contornar ete problema, ou eventualmente obter uma velocidade contante do motor pode proceder-e ao aperfeiçoamento do referido método, recorrendo à implementação do controlo de V/f num dipoitivo em malha fechada com regulação de ecorregamento, ilutrado na figura.19. Figura.19 Controlo V/f com regulação do ecorregamento [17] O erro entre a velocidade de rotação de referência e a lida pelo enor, aplicado a um controlador PI e limitador, origina o inal relativo à velocidade do campo girante do etator em relação à velocidade do rotor, w l. Eta diferença omada à velocidade eléctrica de rotação do rotor, origina o inal de frequência de comando w, poibilitando o controlo de frequência pela utilização de um inveror. Pode igualmente er realizado o controlo da tenão de comando atravé do rectificador, recorrendo à função caracterítica U(w) que incorpora compenação de tenão para baixa frequência [17]. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 31

38 . O Motor de Indução Trifáico Sendo o ecorregamento proporcional ao binário deenvolvido, ete método pode er encarado como um controlo de binário em malha aberta no interior de uma malha de controlo de velocidade. O comportamento dete método de controlo, face ao efeito de variação do binário de carga e tenão de alimentação encontram-e ilutrado na figura.0 e.1. Figura.0 Efeito da variaçõe de binário de carga [6] Coniderando o ponto inicial 1 e o aumento do binário de carga de Tc e Tc, a velocidade reduzir-e-á, correpondendo ao ponto de operação. No entanto, a malha de controlo de velocidade efectua um aumento de frequência até alcançar novamente a velocidade inicial, ponto 3. Por outro lado e coniderando novamente o ponto inicial 1 na curva a, a diminuição da tenão de alimentação implicará uma alteração para o ponto. A queda de velocidade actuará na malha de controlo de velocidade, aumentando a frequência de modo a alcançar a velocidade inicial verificada no ponto de operação 1 da curva c [6]. Figura.1 Efeito da variaçõe da tenão de alimentação[6] Na figura. é apreentado um diagrama implificado de uma variante ao equema anterior, endo que agora o controlo da tenão é efectuado ao nível do converor, actuando obre a amplitude do inal modulante, e ainda é apreentado um controlador PI para uma maior eficiência no controlo. Ete equema não 3 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

39 . O Motor de Indução Trifáico neceita de enore de corrente nem de tenão endo por io um itema relativamente imple e económico [14] [15]. * U S * ω r * ω S ωr U S ω r Figura. - Dipoitivo em malha fechada para compenação do ecorregamento utilizando o método V/f Influência da reitência do etator na caracterítica V/f. O efeito da reitência faz-e entir epecialmente a baixa velocidade onde a queda de tenão indutiva não ão muito uperiore à queda de tenão reitiva, ou eja, para baixa frequência (velocidade reduzida), a queda de tenão na reitência do etator R deixa de er deprezável face à indutância de magnetização (ω 0, R > ω M), implicando que a tenão diponível na indutância de magnetização eja inferior à tenão de alimentação U, reduzindo-e o fluxo e ocorrendo uma conequente diminuição do binário útil. Aim, para velocidade próxima de zero, a tenão não etá na relação V/f. A introdução dete efeito pode er efectuada com correcçõe na função V/f. É aplicada uma tenão mai elevada de modo a compenar a queda de tenão reitiva na reitência do etator e a manter aim o fluxo num valor contante. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 33

40 . O Motor de Indução Trifáico 34 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

41 3. Accionamento do Motor 3. Accionamento do Motor 3.1. Converore de Potência. A máquina de indução foram deenvolvida para trabalharem alimentada com fonte de tenão inuoidai. Quando e pretender alimentar eta máquina de modo que a velocidade eja varável é neceário dipor de uma fonte de alimentação de amplitude e frequência variávei. Eta ão realizada com montagen de componente de electrónica de potência. Na figura 3.1 etão repreentado o tipo de converão de energia eléctrica e o repectivo tipo de converore. Amplitude e Frequência Contante DC ENTRADA AC CHOPPER INVERSOR RECTIFICADOR CICLOCONVERSOR CONTROLADOR DE TENSÃO AC DC SAÍDA AC Amplitude e/ou Frequência Variávei Figura Tipo de converore de potência e forma de tenão aociada [1] Converore AC/AC. O converore AC/AC directo permitem a obtenção de grandeza eléctrica alternada de frequência variável a partir de grandeza alternada de frequência fixa. O dipoitivo que permitem ete tipo de converão ão o Controladore de Tenão, Cicloconverore ou o Converore de Matriz. Com o controlador de tenão típico, como o apreentado na figura 3., é poível controlar o valor eficaz da tenão atravé do controlo do ângulo de diparo do emicondutore. Embora eja poível a implementação de controladore de tenão Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 35

42 3. Accionamento do Motor AC com variação de frequência, nomeadamente com o recuro a inai PWM, a ua principal vocação é o controle da tenão ao nível da amplitude. Figura 3. Controlador de tenão AC trifáico báico O cicloconveror permite regular a frequência de modo contínuo a partir de zero reolvendo aim vário problema imultaneamente, como por exemplo, o arranque com binário elevado de carga. Ete problema é reolvido utilizando uma variação de frequência progreiva, neceitando para io de uma olicitação mínima da rede. Figura 3.3 Cicloconveror com 3 tranformadore trifáico O cicloconveror trifáico é contituído por 3 ponte de rectificação reverívei ligada em etrela. Eta ponte de rectificação ão alimentada por 3 tranformadore trifáico como motra figura 3.3 ou por um tranformador trifáico com 3 enrolamento ecundário trifáico. Neta egunda olução o 36 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

43 3. Accionamento do Motor dimenionamento do tranformador deverá er feito de modo que a maior parte da reactância de diperão dete eja aociada ao ecundário para evitar problema de comutação no cicloconveror [13]. Podem obter-e frequência na gama de zero a 50% da frequência de entrada de modo que a velocidade máxima de rotação é apena metade da velocidade poível quando a máquina e encontrar ligada à rede eléctrica. Por outro lado, para e obter um rendimento razoável a frequência de aída não deverá ultrapaar um terço da frequência à entrada [13]. O cicloconverore têm ainda a devantagem de utilizarem um número elevado de tiritore cujo controlo é relativamente complexo. A ua principal aplicação quando alimentado pela rede indutrial é a alientação a frequência variável de motore íncrono e aíncrono utilizado em accionamento de baixa rotação e grande potência. São também utilizado na alimentação de motore aíncrono de tracção na locomutiva dieel-eléctrica equipada com alternador de 400 Hz [13]. Figura 3.4 Circuito báico de um converor matricial para uma máquina de indução [18] O converore de matriz, cujo circuito báico conta da figura 3.4, ão uma boa olução para o problema da converão de AC-AC com variação da frequência, oferecendo quae toda a caracterítica exigida por um converor de frequência etático ideal [18]. Ele pouem muita vantagen em relação ao inverore de tenão ou corrente convencionai. Um converor de matriz não exige componente de armazenamento de energia como condenadore volumoo ou uma indutância no barramento DC. Ele permitem um fluxo de potência bidirecional entre a fonte de Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 37

44 3. Accionamento do Motor alimentação e a carga. A maioria da etratégia de modulação contemporânea ão capaze de proporcionar forma de onda praticamente inuoidal de entrada e de aída com reduzida harmônica de corrente de ordem baixa, endo ainda poível controlar o factor de potência de entrada. Como e pode verificar pela apreentação reumida do converore directo AC- AC, a ua vocação aponta apena para um da grandeza aociada a tenão, um pela variação da ua amplitude outro pela variação da frequência. A complexidade do eu comando pode também er um apecto a alientar Inverore. Actualmente, a variação de frequência eencialmente é feita com recuro a um circuito intermédio que pode er de corrente contínua ou de tenão contínua, tomando a deignação de inverore de corrente ou de tenão, repectivamente. O inveror de tenão, também deignado por ondulador de tenão, em princípio, fornece uma aproximação da forma de onda apreentada pela rede, endo o eu funcionamento apreentado em detalhe no ponto eguinte. Como o nome indica, o inveror de corrente é alimentado por uma fonte de corrente contínua contante podendo er ajutável. Embora uma fonte de corrente contínua ideal não pae de um conceito, ete pode er razoavelmente aproximado por um rectificador controlado em corrente ou de um Chopper com regulação de corrente e uma bobina colocada do lado DC. Figura 3.5 Converor Converor AC-DC-AC com circuito intermédio em corrente [34] A figura 3.5 motra o eu circuito bae. O rectificador controlado em corrente mantém a corrente I dc contante. No lado do motor, a corrente é conduzida 38 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

45 3. Accionamento do Motor equencialmente entre uma da fae da máquina pela metade uperior do inveror e retorna ao circuito de corrente contínua por outra fae endo conduzida pela metade inferior do converor. O inveror do lado da máquina garante uma comutação equencial. Como a máquina de indução aborve empre potência reactiva, o converor de corrente terá de ter a capacidade de comutar de forma forçada. Para io utilizam-e dipoitivo com corte comandado ou a montagem repreentada na figura 3.5 onde a comutação é realizada pelo circuito auxiliare compoto pelo díodo e condenadore. Quando e utilizam dipoitivo com corte comandado utilizam-e condenadore do lado da máquina que permitem uma comutação em pico de tenão. Um do inconveniente deta montagem é a poibilidade de ocorrência de fenómeno de reonância entre ete condenadore e a máquina. O dipoitivo de corte utilizado (na dua montagen) terão de er capaze de uportar tenõe invera, embora não neceitem do díodo em anti-paralelo uado no inveror de tenão. Uma vez que a corrente é contante, em regime permanente e em valor médio, a queda de tenão na bobina reduz-e à ua queda de tenão reitiva. A ocilação da tenão rectificada vai dividir-e pela bobina e pela máquina na proporção da ua indutância. Figura 3.6 Forma de onda da máquina de indução alimentada com inveror de corrente [34] Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 39

46 3. Accionamento do Motor Como o rectificador e encontra regulado, a corrente I dc é impota no circuito intermédio a corrente contínua. A tenão no circuito DC é impota pela máquina poi o inveror impõe-lhe a corrente. A figura 3.6 apreenta a forma de onda da tenão, da corrente, e do binário na máquina eléctrica quando alimentada com inveror de corrente. Como e pode verificar o binário apreenta uma taxa de variação batante razoável, o que repreenta uma devantagem face ao inveror de tenão. O deenvolvimento do itema de velocidade variável que e tem verificado no último ano etá aociado ao deenvolvimento do emicondutore de potência bem como ao deenvolvimento de nova tecnologia de comando e controlo, em epecial no que repeita a microcontroladode e repectivo periférico. O tipo de converor eléctrónico que e deverá utilizar num accionamento electromecânico depende da máquina eléctrica que e etá a utilizar, do tipo de fonte de energia diponível e da performance deejada. Dado o objectivo propoto no preente trabalho, o converor que mai e adequa é o inveror de tenão poi o controlo pretendido é ao nível na tenão nomeadamente a ua amplitude e frequência. Nee contexto, eguidamente erá feito um etudo mai alargado dee converor. 3.. Ondulador de Tenão. O modelo do ondulador trifáico de tenão pode er repreentado de uma forma genérica pelo eguinte bloco: O eu equema báico encontra-e repreentado na figura 3.7. A máquina de indução (MI) é alimentada com um ondulador de tenão que tem a etrutura que e repreenta na figura. Ete ondulador gera forma de onda de tenão alternada a partir de uma fonte de tenão contínua etabilizada. Figura 3.7- Equema báico do ondulador de tenão[34] 40 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

47 3. Accionamento do Motor A entrada em tenão DC pode er ainda er obtida a partir de uma rectificação de uma tenão alternada, ficando o itema com a eguinte repreentação Figura Diagrama de um converor AC-DC-AC com circuito intermédio em tenão. O bloco AC/DC pode er contruído por um imple rectificador não comandado, já o bloco DC/AC é contituído eencialmente por dua componente: circuito de potência e circuito de comando. A alimentação do barramento DC também pode er realizada com um outro converor de tenão, a funcionar como rectificador controlado, figura 3.9, ligado à rede que faz a converão AC/DC. Ete converor, funcionando com técnica de modulação de largura de impulo e controlado apropriadamente permite o controlo da potência activa e reactiva ob condiçõe de corrente quae inuoidal. Figura Converor AC-DC-AC com circuito intermédio em tenão[34] Modelização do Ondulador de Tenão. Como e pode ver na figura 3.10, o circuito de potência é contituindo por uma fonte de tenão U dc e trê braço compoto por ei dipoitivo emicondutore: Q 1, Q, Q 3, Q 4, Q 5 e Q 6. Figura 3.10 Circuito de potência do ondulador de tenão trifáico em ponte Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 41

48 3. Accionamento do Motor O pare Q 1,Q 4 (1º Braço), Q,Q 5 (º Braço), Q 3,Q 6 (3º Braço) do ondulador ão comandado independentemente, de modo a operar ciclicamente defaado de 1/3 de período, ou eja de 10 o. São repreentado por f 1, f, f 3 a funçõe de comando para cada braço do ondulador que, atendendo ao eu etado lógico 0 ou 1, colocam repectivamente ao corte ou à condução o dipoitivo de comutação uperior. O dipoitivo de comutação inferior tem uma lógica de funcionamento complementar. Sinal Modulante 1 + Amplitude: Amod Frequência: fmod Φ=0 0 Sinal Modulante _ + t Q 1 Q Q 1 Q Q 1 Q Amplitude: Amod Frequência: fmod Φ=10 0 Sinal Modulante 3 _ + t Q 3 Q 4 Barreira de iolamento galvânico Q 3 Q 4 Circuito de guiamento Q 3 Q 4 Amplitude: Amod Frequência: fmod Φ=40 0 _ t Q 5 Q 5 Q 5 Q 6 Q 6 Q 6 Onda triangular Amplitude: A Frequência: f Figura 3.11 Equema de bloco do comando triângulo-inuoidal. O circuito de comando é reponável pela criação do inai que irão comandar o dipoitivo condutore. O inai de comando ão do tipo modulação triângulo-inuoidal e a ua implementação tem por bae a técnica repreentado atravé do diagrama apreentado na figura Detaque-e a criação do inai complementare, endo que o memo ão defaado no tempo ( t), para evitar ituaçõe de curto circuito. Aim, a criação do inai de comando tem o tem o eguinte preupoto: - Onda inuoidai: amplitude contante A, frequência contante f e defaada 10 o ; - O pare Q 1 Q 4, Q Q 5, Q 3 Q 6, do braço 1, e 3 do ondulador ão comandado independentemente. 4 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

49 3. Accionamento do Motor - Em cada intante o pare de interruptore Q 1 e Q 4, Q e Q 5, e Q 3 e Q 6 não podem er colocada imultaneamente à condução para não provocar um curto-circuito; - A barreira de iolamento galvânico e o circuito de guiamento não alteram o etado lógico da funçõe de comando. Figura 3.1 Onda triangular, tenõe de comando e inai de comando para dipoitivo emicondutore [33] Na figura 3.1 ão motrado o inai utilizado na geração do inai de comando: Onda portadora triangular, tenõe de comando u 1, u e u 3 e o inai reultante da operação de modulação (Hin1,,3), um por cada braço, que irão comandar o emicondutore. Ete inai terão o eu complementare (Lin1,,3). Pela análie da figura é poível obter para cada braço a relaçõe da razõe cíclica δ 1, δ, δ 3 em função da tenão de comando (modulante) e a amplitude da onda triangular: u 1 u δ 1 = 1 + δ = 1 + δ 3 = 1 + (3.1) (3.) (3.3) A A A A tenõe em cada um do braço do ondulador em função do inai de comando (f 1, f, f 3 ) ão a eguir repreentada. u 3 U U U = U = U = U dc dc dc.f 1. f. f 3 com f 1, f, f 3 [0,1] (3.4) Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 43

50 3. Accionamento do Motor A tenõe compota em função da tenõe em cada um do braço: U U U = U = U = U U U U (3.5) Subtituindo, vem : U U U = U = U = U dc dc dc.( f.( f 1 f.( f f 3 3 f 1 ) ) ) (3.6) A tenõe U S1, U S e U S3, decorrem do comando imétrico imple de cada grupo. A tenõe compota relacionam-e com a tenõe imple por: U U U = U = U = U S 1 S S 3 U U U S S 3 S 1 (3.7) Figura nº 3.13 Repreentação da tenõe compota Donde, a tenõe U S1, U S e U S3, na carga podem er obtida por: U U U S U U + U = U = U S 1 S Reolvendo S S1 S = U = U U. U + U U U 1 S 3 S1 S 3 S S 3 + U U = 0 U U U 3 S1 = U U 1 =.(U U 1 S1 S + U 3 S 3 S1 S U 3 U = U = U = U S U S1 ) 1 3 S1 U + U + U 3 U. U S S 3 S S + U 1 em ordem a U S1, obtem-e, U S1 = U. 1 + U S1 S 3 = U1+ U 3 U 1 =.(U 3 U S1 ) Com a expreão U S = U 3 U S1 U S, ubtituindo U S1, obtido anteriormente, reulta: U S = U U 3 31 S 44 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

51 3. Accionamento do Motor Finalmente com a expreão U S 3 = U S1 U S e com a expreõe de U S1 e U S atrá determinada obtem-e: U S 3 = U Aim endo: U U U 1 U 3 S 1 S S 3 1 = U 3 = U 3 = U U U U (3.8) Subtituindo 3 no itema de equaçõe atrá obtido, reultam a eguinte expreõe: U U U S1 S S1 1 1 = U. f 1 f f 3 ) = U( f 1 + f f 3 ) = U( f 1 f + f 3 ) O itema eguinte na forma matricial fica com a eguinte configuração: (3.9) U U U S1 S S 3 = 1 U f 1 f f 1 3 (3.10) 3... O inal PWM e o Accionamento do Motor. Depoi de efectuada uma abordagem matemática, podemo, em forma de reumo, dizer que o ondulador de tenão é um circuito inveror que tem como função converter a tenão contínua do barramento DC em tenão alternada a qual irá alimentar o motor. Se colocarmo uma onda na ligação de uma da trê fae, veremo um inal PWM com uma amplitude aproximadamente igual à tenão do barramento DC. Dado que o enrolamento do motor ão indutivo, a tenão de entrada erá integrada para produzir uma corrente no motor que é proporcional à razão cíclica de inal PWM. Sendo o inal PWM modulado ao nível do microcontrolador, à aída do inveror podem er gerada corrente AC cuja forma de onda etá directamente relacionada com a onda modulante utilizada. Seja qual for a topologia do circuito inveror uado, pode penar-e em cada par complementar de tranítore ligado ao barramento DC como endo uma entidade única, controlada por um gerador de PWM único. Cada par complementar de Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 45

52 3. Accionamento do Motor tranítore etá ligado a um enrolamento de fae do motor. Uma razão cíclica de 50% PWM é uada como valor nulo de referência. Se todo o ciclo de PWM têm uma razão cíclica de 50%, então toda a fae terão aplicada a mema tenão média e não haverá fluxo de corrente no motor. Se a razão cíclica do inal PWM gerado for uperior a 50%, então erá gerada uma corrente poitiva no enrolamento. Se a razão cíclica for inferior a 50%, então erá gerada uma corrente negativa no enrolamento. O inal PWM é aim utilizado como um converor digital para analógico de modo a produzir corrente do motor Tempo de Tranição de Frequência. O método ecalar V/f para controlo do motor é uma técnica de regime permanente, em que haja uma grande preocupação relativamente ao tempo de repota da máquina. Eta máquina tem uma repota relativamente lenta, endo importante evitar o valore exceivo de corrente quando etão em caua variaçõe de frequência. Aim de eguida vai er apreentado o método utilizado para uaviar a alteraçõe na frequência de alimentação da máquina. Foi coniderada apena a região de binário contante, ou eja, a zona activa do perfil V/f, egundo o diagrama apreentado na figura U 100% ω ω 40% fmin N min ω min f nom N nom ω nom f máx N máx ω máx t ω 1 t 1 t t Figura Perfil V/f implificado O binário motor é dado pela expreão: dω T m = J t + K Dω+ T dt r Figura Variação da velocidade em função do tempo (3.11) Admitindo que o binário reitente é nulo e que o binário de atrito é deprezável, reultará: T m dω = J dt (3.1) 46 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

53 3. Accionamento do Motor donde, J dt = dw T m t dt = t1 ( T ) m J no min al w w1 dw t min imo J = t t = (3.13) 1 ( T ) m no min al ( ω ω ) 1 Coniderando o momento de inércia da máquina J e o eu binário nominal T n, e admitindo que a máquina etrá parada e vai atingir a ua velocidade nominal ω n, neceita de um tempo determinado t n, para a atingir: t = n ( T ) m J no min al ω Ete é o tempo mínimo neceário para levar a velocidade da máquina de 0 rad/ a ω n. Tratando-e de uma variação de velocidade de: ω = ω ref ω, o tempo actual neceário erá dado por: J tmin imo t n = ω = ω (3.14) ω ( ) ω ( t ) n ω ( T ) m no min al ω ωref ωactual = t min imo = tmin imo (3.15) ω ω Sabendo que ω=πf, podemo fazer uma aproximação de forma a utilizar a frequência de alimentação, endo a expreão apreentada na forma: f ref f actual n = t f min imo (3.16) f ( t ) conequentemente, o tempo de tranição entre a frequência actual f actual e a frequência de referência f ref terá que er empre uperior a ete. O valor a utilizar deverá ter em conta o valore depreado no início, como o atrito da própria máquina, no entanto, o factor mai importante erá o binário da carga que irá er aplicada ao veio do motor Cálculo da Velocidade Angular. Para que eja poível aferir do deempenho do itema em termo de controlo em velocidade e em epecial efectuar o controlo em malha fechada é neceário obter informação fidedigna da velocidade de rotação do motor, em tempo real. Exitem vário método para Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 47

54 3. Accionamento do Motor obtenção dea informação. No preente trabalho, optou-e por determinar a velocidade de rotação a partir da informação fornecida pelo trandutor incremental de poição, olução eta que e torna deejável também por razõe de ordem económica. Deenvolveu-e aim um taquímetro digital, recorrendo à potencialidade do microcontrolador, com o qual e procurou obter uma precião e um tempo de repota aceitávei. O cálculo da velocidade pode er efectuado por doi método principai: método da contagem do impulo durante um determinado intervalo de tempo e método da medição de tempo entre impulo. De eguida ão apreentado ee doi método poívei para o cálculo de velocidade angular e ainda um terceiro com o qual e pretende utilizar a vantagen do anteriore Método da contagem de impulo. Um do método mai divulgado para realizar um taquímetro digital correponde a fixar um determinado intervalo de tempo (T e ), durante o qual e contam o impulo recebido (C m ). A velocidade virá então dada pela equação (3.17), onde π/m é o ângulo entre doi impulo conecutivo. π C = m T m ω (3.17) e Ete método encontra-e normalmente limitado a aplicaçõe onde não ejam requerida repota rápida, dado a contagem de ±1 impulo implicar um erro de cálculo que é inveramente proporcional ao intervalo de contagem e ao número de dente da roda. É de alientar que para baixa velocidade de rotação, a contagem de mai ou meno um impulo correponde a um erro relativo elevado, pelo que ete método não é aconelhado neta zona de funcionamento Método da contagem de tempo entre impulo. Um método alternativo ao anteriormente apreentado conite na contagem de período, T b, de um ocilador de frequência elevada, f, entre doi impulo conecutivo da roda dentada. A velocidade virá agora dada pela equação (3.18), onde C b é o número de período contado do ocilador de frequência f. π 1 ω = (3.18) m C b T b 48 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

55 3. Accionamento do Motor Ao contrário do método anterior, que apreentava um tempo de repota contante e um erro relativo inveramente proporcional à velocidade de rotação, ete egundo método conduz a um tempo de repota que depende da velocidade angular, endo inveramente proporcional ao valor deta variável. Devido a eta caracterítica, o método da contagem de tempo entre impulo apreenta-e mai defavorável quando a velocidade ão elevada (intervalo de contagem mai curto), apreentando um erro relativo proporcional à velocidade de rotação. De notar que a ecolha do número de dente da roda dentada (m) é muito importante, provocando uma diminuição do tempo de repota aociada a ete método, com conequente aumento de erro Método combinado tempo de repota contante. O método anteriormente analiado ão complementare, endo o primeiro mai favorável na velocidade elevada e o egundo quando eta variável aume valore reduzido. Como o objectivo é obter informação obre a evolução temporal da velocidade de rotação do veio da máquina, com erro reduzido e repota dinâmica rápida, pode efectuar-e uma combinação do doi método anteriormente decrito. Aim, é realizada a contagem de período (T b ) do relógio de frequência elevada, não apena entre doi impulo da roda dentada ma im entre C m impulo, de forma a manter um tempo de repota aproximadamente contante. O cálculo do valor de C m, mai adequado para cada velocidade de rotação, pode er determinado a partir da equação (3.17), endo dado por (3.19). mω Te Cm = INT (3.19) π Na função anterior INT(α) repreenta a parte inteira de α. Atravé dete cálculo garante-e um tempo de repota do taquímetro compreendido entre T e / e T e, para velocidade uperiore a um determinado valor mínimo, vindo aproximadamente igual a T e para velocidade elevada. O cálculo da velocidade angular da máquina vem aim dado pela equação (3.0). π C = m C T m ω (3.10) b b O erro aboluto ( ω) e relativo ( ω/ω) erão máximo quando o tempo de contagem vale T e /, endo expreo repectivamente pela equaçõe (3.5) e (3.6). Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 49

56 3. Accionamento do Motor T ω =ω T b (3.1) e ω = ω T T b = e C te (3.) Na expreõe anteriore foi coniderado um erro correpondente à contagem de ±1 impulo C b, na hipótee de e verificar um tempo de contagem T e muito uperior ao período, T b, do ocilador de frequência elevada. O método obtido atravé da combinação da dua primeira técnica erá à partida o que conduz a melhore deempenho, apreentando um erro relativo e um tempo de repota aproximadamente contante, em quae todo o domínio de funcionamento. 50 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

57 4. Microcontroladore 4. Microcontroladore 4.1. Sitema Embebido. O termo projecto de itema incorporado, embebido ou embutido abrange uma gama muito ampla de projecto de microproceadore e não e reumem a um imple Microcontrolador. O traço comum ao projecto de itema embebido é uma compreenão da interacção que o diferente componente do itema têm un com o outro. É importante entender como funciona o hardware e a limitaçõe que a utilização de um determinado periférico pode ter obre o reto do itema. É eencial aber como deenvolver o oftware para ee itema e o efeito que o projecto de hardware podem ter obre o oftware e vice-vera. Um itema embebido é um itema com microproceador que é criado para controlar uma função ou conjunto de funçõe e não é projectado para er programado pelo utilizador final, da mema forma que é um PC [9]. Um utilizador pode fazer ecolha obre a funcionalidade, ma não pode alterar a funcionalidade do itema, pela adição/ubtituição de oftware. Um itema embebido é projectado para executar uma determinada tarefa, embora com ecolha e opçõe diferente. O último ponto é importante porque e diferencia do mundo do PC, onde o utilizador final pode reprogramá-lo empre que um pacote de oftware diferente é comprado e executado. No entanto, o PC têm fornecido uma fonte facilmente aceível de hardware e oftware para itema embebido, não endo urprea que ele formam a bae de muito itema embebido. Actualmente a neceidade de controlar o mundo fíico é tão grande que levou ao uo generalizado de microproceadore e conequentemente do itema embebido. Diferente filoofia de arquitectura foram utilizada na ua concepção e criação de proceadore. A arquitectura de proceadore varia dede microcontroladore de 8 bit a proceadore CISC e RISC e termina com o proceadore de inal digital onde e inclui a família de proceadore ARM (Advanced RISC Machine). Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 51

58 4. Microcontroladore A maioria da peoa ua o microcontroladore indirectamente em objecto comun e aparelho em o perceber. Sem o microproceador, ete produto não eriam tão ofiticado ou barato como ão hoje. A incorporação de microproceadore em equipamento e aparelho de conumo começou ante do urgimento do computador e conome a maioria do microproceadore que ão hoje fabricado. Deta forma, a utilização do microproceadore embutido etá mai profundamente enraízada do que qualquer outro circuito electrónico. Num carro pode haver mai de 50 microproceadore a controlar funçõe tai como o motor atravé de itema de controlo do motor, travõe com controlo electrónico antibloqueio, de tranmião com controlo de tracção e controlo electrónico da caixa de velocidade, itema de egurança com airbag, vidro eléctrico, ar condicionado e aim por diante. Num carro bem equipado, quae todo o apecto têm de alguma forma aociado o controlo electrónico e, aim, a neceidade de um microproceador integrado num itema embebido. A palavra controlo é muito apropriada para itema embebido, poi em praticamente toda a aplicaçõe de itema integrado, o objectivo é controlar um apecto de um itema fíico como temperatura, movimento, e aim por diante, utilizando uma grande variedade de entrada e aída. Um itema embebido é contituído por vário componente, nomeadamente: Proceador. O principal critério de ecolha para o proceador é o de ter a capacidade de fornecer o poder de proceamento neceário para executar a tarefa dentro do itema a um ritmo adequado ao propóito do itema. Acontece frequentemente que a tarefa ão ubetimada em termo do eu tamanho e/ou complexidade, o que leva a que a ua epecificação e expanda para além da capacidade do proceador. Quando o oftware utiliza linguagen de alto nível, o itema operativo e o tratamento da interrupçõe podem ultrapaar o eperado em tempo e epaço. Eta ão quetõe que podem tranformar um bom projecto em papel, num perfeito falhanço, aquando da ua implementação. Embora o deempenho do proceador eja eencial e contitua o primeiro critério de preocupação, há outro como o preço de todo o itema e não apena o cuto do proceador ioladamente, o conumo de energia, ferramenta de oftware, diponibilidade de componente e aim por diante. 5 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

59 4. Microcontroladore Memória. A memória é uma parte importante do projecto de itema embebido e influencia fortemente o deenvolvimento de oftware, ditando a forma como o oftware é concebido, ecrito e deenvolvido. A memória é contituida, eencialmente, por dua área atendendo à ua funçõe dentro de um itema integrado: - Armazenamento do programa que erá executado. No mínimo, erá neceário guardar em memória não-volátil o código de arranque do itema. O oftware que contém pode er o programa completo, ou uma imple rotina de inicialização que reencaminha o proceamento para outro local onde etá ediado o oftware completo, dentro ou fora do itema. Ea rotina de inicialização é muita veze referida como um programa ou rotina de inicialização; - Armazenamento de dado, como variávei do programa e o reultado intermédio, a informação de etado e quaiquer outro dado que poam er gerado durante toda a operação. O oftware precia de alguma variávei de memória para armazenar e gerir etrutura de oftware, como, por exemplo, o tack Periférico. Um itema embebido tem neceidade de comunicar com o mundo exterior e io é feito pelo periférico. O periférico de entrada ão normalmente aociado a enore que medem o ambiente externo, fornecendo a informação neceária para o controlo eficaz da operaçõe de aída que o itema embebido realiza. Deta forma, um itema embebido pode er modelado num conjunto de trê etado, onde a entrada de dado é informação para o primeiro etado, o egundo etado ão o proceo que actuam a aída que contituem o terceiro etado. Se ete modelo for aplicado a um controlador de motor, a entrada erão a velocidade real do motor, a potência conumida e a velocidade de referência. A aída eria um trem de impulo modulado em largura por uma forma de onda que controla a potência do motor e, conequentemente, a velocidade e ainda uma aída para um painel de controlo que indica a velocidade actual do motor. O principai periférico uado incluem entrada/aída do tipo: Binária. São imple pino externo cujo etado lógico pode er controlado pelo proceador. Ele podem er utilizado individualmente ou Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 53

60 4. Microcontroladore agrupada em conjunto para criar porta paralela, onde um grupo de bit pode er de entrada ou de aída imultaneamente. Série. Eta ão a interface que enviam ou receber dado atravé de um ou doi pino em modo érie. Eta ão meno complexa na ligação, ma ão mai exigente em termo de programação. A porta paralela é muito parecida com uma localização de memória e é mai fácil de viualizar e, portanto, uar. A porta érie tem que ter o dado carregado num buffer e, em eguida, iniciar o comando de envio. Nete cao a comunicação deverá er complementada com informaçõe adicionai de acordo com o exigido pelo protocolo. Analógica. Enquanto que o proceadore trabalham no domínio digital, o mundo natural rege-e por valore analógico. Aim, a interface entre o itema e o ambiente externo têm de er capaze de converter dado de analógico para digital e vice-vera. Diplay. Eta é forma do itema comunicar com o operador motrando o etado da variávei ou o reultado da ua operaçõe. Ea comunicação pode fazer-e atravé de um imple LED ligado a um pino de aída ou atravé de um conjunto de pino ligado a um Diplay de ete egmento, ou ainda pequeno painéi LCD alfanumérico. Temporizada. Temporizadore e contadore ão, provavelmente, o dipoitivo mai uado dentro de um itema embebido Software. O componente de oftware dentro de um itema embebido, muita veze inclui a tecnologia que agrega valor ao itema e define o que ele faz e como ele faz. O oftware pode er compoto de vário componente diferente: Inicialização e configuração; Sitema operativo ou ambiente run-time; O oftware da própria aplicaçõe; Tratamento de erro; Apoio à depuração e manutenção Factore que Condicionam a Ecolha. O microcontrolador é um dipoitivo no qual etão incluído o componente fundamentai do itema 54 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

61 4. Microcontroladore embebido: o proceador, a memória e periférico. Aim, na maioria do cao, para uá-lo como itema embebido, bata adicionar-lhe o oftware. Actualmente uma grande parte do microcontroladore incluiu já o programa mínimo para proceder ao arranque báico do itema. Vário ão o fabricante de microcontroladore, do quai podemo detacar a Microchip com o PIC/dPIC, Atmel com o AVR, INTEL e o 8051, Hitachi e a érie H8, Freecal e o 68HC1/68HC16, Texa Intrument com o MSP430/C000, etc. Ecolher um microcontrolador torna-e cada vez mai dificil, tendo em conta a grande variedade de fabricante e de modelo. Para o que utilizam o microcontrolador com paatempo, o eleito erão certamente o PIC e o AVR. Em termo indutriai a ecolha tem que er bem criterioa, poi a exigência ão bem maiore, quer em velocidade de proceamento, periférico diponívei, memória diponível, e ainda, o não meno importante, a ferramenta de deenvolvimento que permitam deenvolver projecto de uma forma conitente e fiável. Aim, no decorrer do preente trabalho, a pequia incidiu eencialmente obre doi fabricante, atendendo quer à grande variedade de microcontroladore, ma acima de tudo, pela diponibilidade de documentação técnica, kit de avaliação e deenvolvimento, ferramenta de oftware e diveridade de livraria adequada ao propóito do preente trabalho. O fabricante em caua foram a Microchip e a Texa Intrument. Em termo de capacidade do microcontroladore, diveridade de livraria e documentação, podemo referir que o nível é elevado para qualquer um dee fabricante. O factor novidade e a maior facilidade de programação do periférico, foram motivo batante para que a ecolha recaíe obre o egundo fabricante. 4.. A Gama C000 da Texa Intrument. O dipoitivo da gama C000 da Texa Intrument ão microcontroladore de 3-bit com periférico integrado de bom deempenho para projecto de aplicaçõe de controlo em tempo real. O eu núcleo optimizado pode executar vário algoritmo de controlo complexo a uma velocidade uficiente para aplicaçõe exigente ao nível do controlo. A integração de poderoo periférico e a ua eficiência em tarefa de matemática e de itema de controlo, combinado com periférico de comunicação Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 55

62 4. Microcontroladore SPI, UART, IC, CAN e McBSP fazem do C000 a boa olução para o controlo baeado num único circuito integrado. Figura Arquitectura bae do microcontroladore C000 da TI. Periférico integrado, como o 16 canai ADC de 1 bit funcionando a um ritmo da ordem do 1,5 Mample/ e módulo PWM com uma reolução que pode atingir 65 p, pode tornar o mundo analógico digitalmente aceível. Figura 4. - Performance e evolução do microcontroladore C000 da TI. 56 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

63 4. Microcontroladore A aplicaçõe típica incluem fonte de alimentação digitai AC/DC e DC/DC, itema de energia renovável, controle digital de motore, iluminação e de comunicação em linha de alimentação, etc Arquitectura do CPU. O controlador C000 utiliza um proceador central a 3-bit, chamado C8X, com um itema optimizado de getão de barramento do periférico e da interrupçõe. Sendo um cruzamento entre um microcontrolador geral e um proceador de inal digital (DSP), o núcleo C8X traz a denidade do código e velocidade de execução de um DSP com a facilidade de utilização e aceibilidade de um microcontrolador. O eu recuro incluem: i) Um eficiente compilador de C que dedicado ao hardware permite gerar um código compacto, tornando-o líder da indútria na alta denidade de código; ii) Um único ciclo de intruçõe de leitura/ecrita e ciclo único de multiplicação a 3-bit; iii) Um atendimento rápido de interrupçõe (até 9 ciclo) com alvamento automático do contexto zero-cycle ; iv) 96 vectore de interrupção dedicado que não requerem nenhum oftware de tomada de decião; v) Unidade floating-point a 3-bit no controladore Delfino; vi) Em dipoitivo Piccolo, um Controle Law Accelerator (CLA) independente que procea ciclo de controlo de vírgula flutuante para libertar o CPU para outra finalidade. vii) O trê timer a 3-bit do CPU trazem precião e flexibilidade para toda a aplicaçõe. viii) Um módulo de código de egurança impede adulteraçõe e protege a propriedade intelectual Periférico. O controladore C000 incluem módulo periférico: i) Módulo PWM que oferecem alta reolução (até 65 p) e controlo da razão cíclica, do período e da fae. Além dio, a detecção de zona de tranição totalmente programável e geração de banda morta para oferecer protecção completa do itema de falha e tranitório. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 57

64 4. Microcontroladore ii) Até 16 canai de entrada analógica com uma amotragem ADC a 1 bit de até 1,5 Mample/. iii) Unidade de Captura (ECAP) baeada no timer de 3-bit permitem uma detecção com alta precião e maior flexibilidade. iv) Módulo Quadrature Encoder Pule (QEP) para elecionar o inai do controladore de poição decodificado com o hardware; v) Módulo de comunicação SPI, UART/SCI, IC, e LIN ligam o controladore C000 com o reto do itema Opçõe da Gama. A gama C000 incorpora microcontroladore de ponto fixo e de vírgula flutuante com uma grande variedade de periférico e configuraçõe de memória que poderão er ecolhido em função da aplicaçõe de controlo deejada. A eguir ão apreentada alguma caracteritica da érie Piccolo e Delfino Série Piccolo. O microcontroladore Piccolo de 3 bit (TMS30F803x/x), da Texa Intrument, ão uma família recente de microcontroladore com elevada integração, tendo como objectivo facilitar a implementação de controlo em tempo real intenivo em divera aplicaçõe onde o cuto é o mai importante. Ete tipo de microcontroladore pode er uma boa opção, quando é exigido um controle em tempo real com uma maior eficiência energética e onde o cuto da aplicaçõe é enível, nomeadamente para aplicaçõe tipicamente incapaz de jutificar o cuto aociado. Aplicaçõe tai como, inverore olare, itema híbrido bateria para alimentação de automóvei e iluminação LED, ou a comunicação via linha de energia, ão exemplo dea relidade. O primeiro dipoitivo F80x/F803x incluem verõe entre 40 e 60 MHz, até 18 kb de memória flah, ADC de 1 bit, moduladore PWM de elevada reolução (epwm) e módulo adicionai como ociladore de elevada precião, comparadore analógico, interface de comunicação e entrada e aída para uo genérico. A família de microcontroladore de ponto fixo Piccolo etá diponível em divero encapulamento, a partir de 38 pino. O dipoitivo F80x/3x incluem ociladore integrado em neceidade de componente externo e itema de getão de energia avançado, com regulador de tenão interno. São alimentado com uma tenão de alimentação de 3,3 V e geram, interiormente, a tenão 58 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

65 4. Microcontroladore neceária para o eu funcionamento. Pouem protecçõe contra perturbaçõe na alimentação e reinicialização automática. TMS30F80x Com uma frequência da ordem do 40-60MHz podem conter até 64KB de memória flah interna, apreenta-e em pequeno circuito integrado (CI) de 38 pino e periférico com o Moduladore por Largura de Impulo de 150 p de alta reolução (epwm), converore ADC de 1-bit a 4,6 Mample/, ociladore de alta precião, comparadore analógico e uporte para IC, SPI e SCI. TMS30F803x - Ete Microcontroladore de 3-bit trabalham à frequência de 60 MHz e podem ter até 18KB de memória flah num circuito integrado de 64 ou 80 pino. O dipoitivo F803x têm todo o periférico e a caracterítica do 80x além de um acelerador de lei de controlo (CLA) para o ciclo de alta eficiência de controlo, um módulo QEP e interface de comunição CAN e LIN Série Delfino. São microcontroladore de vírgula flutuante e oferecem uma frequência de proceamento que pode chegar ao 300 MHz, uma capacidade de memória RAM de até 51KB, canai de DMA para aceo à memória de alta velocidade e um núcleo de baixa latência que tornam o Delfino uma excelente olução para o exigente deempenho de aplicaçõe de controlo em tempo real, tai como controle de ervo-accionamento, energia renovável, o acompanhamento da linha de alimentação e de aitência ao condutor. TMS30F833x - Ete dipoitivo trabalham a uma frequência da ordem do 150 MHz e têm uma capacidade de memória de 51KB de flah interna e 68KB de RAM. TMS30C834x Tendo como bae o dipoitivo F833x, o C834x oferece um deempenho de até 300 MHz, até 51KB de memória RAM de aceo único e o módulo de PWM com reolução de 65 p Ferramenta de deenvolvimento. A texa Intrument pouie vário kit de deenvolvimento, neta gama de produto, bem como ferramenta de programação e um conjunto de livraria que permitem o deenvolvimento mai ou meno fácil e utentado de aplicaçõe. Eta poderão er depurada em ambiente agregado à ferramenta de deenvolvimento ante memo de erem gravada em Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 59

66 4. Microcontroladore memória flah para trabalharem de forma autónoma. Em matéria de kit ão aqui apreentado doi que foram utilizado no deenvolvimento do módulo de comando e monitorização do itema (figura 4.3), e poteriormente efectuar a recolha de dado para obtenção do gráfico para análie da repota dinâmica do itema (figura 4.4), nomeadamente a que repeitam à velocidade de rotação do motor. Figura 4.3- Kit da Texa Intrument utilizado no módulo de controlo. Figura ControlStick com o F807 da Texa Intrument utilizado na recolha de dado O Microcontolador TMS30F807. O F807 pertence à família de microcontroladore Piccolo e fornece a potêncialidade do núcleo C8x completado por um conjunto integrado de periférico de controlo com um número de reduzido de terminai exteriore. É alimentado a 3.3 V e a ua frequência de trabalho é de 60 MHz. O diagrama de bloco funcional do TMS30F807 encontra-e no Anexo A A Unidade Central de Proceamento. A unidade central (CPU) é um proceador de ponto fixo a 3-bit de baixo cuto. Ete dipoitivo herdou a melhore caracterítica de proceamento de inal digital; um conjunto reduzido de intruçõe (RISC); a arquitectura, firmware e a ferramenta do microcontroladore. A caracterítica do CPU incluem uma arquitectura Harvard modificada, endereçamento circular e manipulação de dado ao nível do bit. A caracterítica RISC ão a execução de intruçõe num único ciclo (ingle-cycle), operaçõe de 60 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

67 4. Microcontroladore regito para regito e a arquitectura Harvard modificada [7]. A arquitectura Harvard modificada do CPU permite que o carregamento de intruçõe e dado eja executado em paralelo. O CPU pode ler intruçõe e dado ao memo tempo que grava dado em imultâneo a fim de manter a operação de intrução de ciclo único atravé do pipeline. Da ua caracterítica detacam-e ainda:: - Pipeline protegida O CPU implementa um pipeline de 8 fae, que impede que a ecrita e a leitura do memo local ocorram fora da ordem; - Área de regito independente O CPU contém regito que não etão mapeado na zona de dado. Ee regito funcionam como regito do itema de controlo, regito de matemática e o apontadore de dado. O regito de controlo do itema ão acedido pela intruçõe epeciai. O outro regito ão acedido pela intruçõe epeciai ou por endereçamento indirecto (endereço em regito); - Unidade de aritmética lógica (ALU); - Unidade aritmética de regito de endereçamento (ARAU); - Rotação de Bit efectua rotaçõe até 16 bit de dado para a equerda e para a direita; - Multiplicador Ete executa a multiplicação 3 bit x 3 bit com complemento para, apreentando um reultado a 64 bit. A multiplicação pode er efectuada entre número com ou em inal. O C8x efectua o endereçamento a 3 bit para o dado e a bit para o código, o que permite o endereçamento de 4G word (16 bit) de dado e 4M word de código. O mapeamento de memória relativo ao F807 encontra-e repreentado no anexo B. O divero bloco não etão à ecala. Como e pode verificar pelo mapa, a memória encontra-e dividida em vário egmento: código (ROM), dado, código/dado, vectore de interrupção, Flah, protegida, reervada, etc. A tabela de 3 vectore de interrupção é retirada de eenta e quatro endereço na zona de código. O vectore de interrupção podem er mapeado para a parte uperior ou inferior do endereçamento de memória em função do etado do bit V map. O vectore de interrupção poderão ainda reidir na tabela de vectore PIE (expanão de periférico de interrupção) e ea memória pode er uada para colocar código. A capacidade total de memória é de 1 kb de memória RAM e 64kB de memória Flah. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 61

68 4. Microcontroladore O Periférico. Do periférico diponívei no TMS30F807 podemo detacar: - Comunicação érie: SCI (UART), SPI, IC; - 3 timer a 3 bit; - 8 módulo PWM, com timer independente de 16 bit (epwm); - 1 módulo de captura (configurável como aída PWM) (ecap); - Converor Digital Analógico a 1 bit, com 7/13 canai, 17 n; Em termo de livraria em código C, o periférico encontram-e repreentado por etrutura compota por campo de vário tipo que permitem uma grande flexibilidade de programação do regito, podendo a mema er efectuada ao nível do bit, byte ou word. Na caixa de texto abaixo é apreentado um exemplo de uma etrutura que uporta o regito do módulo ecap: union ECFLG_REG { Uint16 all; truct ECFLG_BITS bit; }; // truct ECAP_REGS { Uint3 TSCTR; // Time tamp counter Uint3 CTRPHS; // Counter phae Uint3 CAP1; // Capture 1 Uint3 CAP; // Capture Uint3 CAP3; // Capture 3 Uint3 CAP4; // Capture 4 Uint16 rvd1[8]; // reerved union ECCTL1_REG ECCTL1; // Capture Control Reg 1 union ECCTL_REG ECCTL; // Capture Control Reg union ECEINT_REG ECEINT; // ECAP interrupt enable union ECFLG_REG ECFLG; // ECAP interrupt flag union ECFLG_REG ECCLR; // ECAP interrupt clear union ECEINT_REG ECFRC; // ECAP interrupt force Uint16 rvd[6]; // reerved }; Geração do inai PWM. O periférico modulador de largura de impulo (PWM) é um elemento-chave no controle de muito do itema electrónico de energia encontrada em equipamento comerciai ou indutriai. Ee itema incluem o controle digital de motore, controlo em fonte de alimentação comutada, fonte de alimentação ininterrupta (UPS) e outra forma de converão de energia. O periférico epwm realiza a converão de digital para analógico (DAC), onde a razão cíclica é equivalente a um valor analógico DAC []. 6 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

69 4. Microcontroladore Um periférico PWM eficaz deve er capaz de gerar complexo inai PWM com a mínima obrecarga do CPU ou com a ua intervenção mínima. Ele deve er programável ao mínimo pormenor e muito flexível, endo muito fácil de entender e uar. O módulo epwm em etudo repeitam eta exigência permitindo a definição de todo o tempo e recuro neceário para o controlo do inal PWM em cada dipoitivo. O epwm é contruído a partir de pequeno módulo de canal único com recuro ditinto que podem operar em conjunto quando neceário para formar um itema. O módulo epwm repreenta um canal PWM completo compoto de dua aída PWM: EPWMxA e EPWMxB. Quando neceário, o módulo epwm podem er encadeado atravé de um equema de incronização do timer, que lhe permite funcionar como um itema único. Além dio, ete equema de incronização pode er etendido ao módulo de captura (ecap). O número de módulo encadeado é dependente da aplicação. O módulo podem também funcionar de forma autónoma. A geração do inai PWM tem como bae o funcionamento do contadore do módulo, progamávei em contagem crecente (up count), decendente (down count) ou acendente e decendente (up-down count). Figura 4.5- Valor do regito do contador e frequência do inal PWM []. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 63

70 4. Microcontroladore A definição do tipo de contagem permite implementar a forma de onda triangular ou dente de erra. A frequência do inal PWM é controlada pelo regito que define a bae de tempo (TBPRD). A Figura 4.5 motra o período (T PWM ) e frequência (F PWM ) para o vário tipo de contagem. O incremento de tempo para cada etapa é definido pela frequência de relógio do módulo contida no regito (TBCLK), que é uma verão pré-ecalada do relógio do itema (SYSCLKOUT). O contador de bae de tempo tém aim trê modo de funcionamento eleccionado pelo regito de controlo da bae de tempo (TBCTL): - Modo Up-Down-Count - Nete modo, o contador é inicializado em zero e é incrementado até o valor do período (TBPRD) é alcançado. Quando o valor do período é atingido, inicia-e o decremento até chegar a zero. Nete ponto é iniciado um novo ciclo. - Modo Count-Up - Nete modo, o contador é inicializado em zero vai er incrementado até atingir o valor no período (TBPRD). Quando o valor do período é atingido, o contador é colocado a zero e começa um novo ciclo; - Modo Down-Count - No modo de contagem decrecente, o contador é inicializado o valor da bae de tempo (TBPRD) endo decrementado até atingir o valor zero. Quando chega a zero, é reinicializao o contador com o valor da bae tempo e começa novo ciclo. Figura 4.6- Modo Up-Down Count e definição da razão cíclica []. 64 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

71 4. Microcontroladore O valor actual do contador conjugado com o valor carregado no regito do comparador (CMPA) permite definir a razão ciclica do inal PWM. Figura 4.6 ilutra como pode er gerada uma forma de onda PWM imétrica uando o modo Up-Down- Count. No exemplo motrado, o regito CMPA é uado para fazer a comparação. Quando o contador é incrementado o regito CMPA conduz a uma aída PWM alta. Da mema forma, quando o contador é decrementado a aída PWM etará em baixo. Quando CMPA = 0, o inal PWM erá nulo que reulta numa razão cíclica de 0%. Quando CMPA = TBPRD, o nível do inal PWM erá empre alto, endo a razão cíclica de 100%. Na equência do referido anteriormente, é poivel controlar trê módulo de forma íncrona, utilizando para o efeito um módulo que impõe a frequência (Mater) e doi outro módulo (Slave) que funcionam, de forma íncrona, na frequência impota por ea módulo. Sabendo que cada módulo tem dua aída, a quai podem er programada em modo complementar, é poível comandar o diparo de ei emicondutore, na forma de trê pare, em o elemento de cada par funcionam de forma complementar, ou eja quando um emicondutor conduz ou outro etará ao corte. Figura 4.7 motra como trê módulo PWM podem controlar um inveror de 3 fae para accionar um motor. Figura 4.7- Configuração do módulo epwm para a criação de ei inai PWM[] Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 65

72 4. Microcontroladore Na figura 4.8 etá repreentada a evolução do inai no trê braço do inveror de potência. Como podemo verificar, etão definida dua banda morta (RED e FED), para evitar que o emicondutore que compõem cada braço conduzam em imultâneo, provocando um curto-circuito no barramento DC e conequente detruição do emicondutore. A definição dea banda é efectuada pela programação de um campo do regito do módulo epwm. Figura Diagrama temporal do 6 inai PWM [] 66 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

73 5. Implementação do Sitema 5. Implementação do Sitema 5.1. Módulo de Potência. Como já foi referido no capítulo 3 do preente trabalho, o converore etático de potência ão contituído por dua componente: uma de potência, contituida pelo dipoitivo emicondutore de comutação; e a de comando que é a reponável pela geração do inai que vão permitir o diparo do dipoitivo de comutação. Eta dua componente etão ligada por um circuito que, para além de acondicionar o inai de diparo atravé de um circuito de guiamento, faz ainda o iolamento galvânico entre a referida componente, atravé de acopladore óptico. Ao itema é ainda adiccionado um PC, atravé do qual o microcontolador motra o valore actuai da grandeza em jogo e pode receber o valore de referência. O diagrama de bloco do itema etá apreentado na figura 5.1. A figura 5. apreenta uma fotografia onde e pode ver o apecto geral da implementação fiica do itema implementado. Figura 5.1- Repreentação geral do itema A componente de comando é eencialmente contituida pelo microcontrolador (MCU) TMS30F807 da Texa Intrument, que contiui um itema deignado por Sitema de Controlo, cujo funcionamento erá explanado na alínea eguinte. O circuito intermédio e o de potência fazem parte de um módulo integrado o qual e paa a deignar por Módulo Converor de Potência. Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 67

74 5. Implementação do Sitema Figura 5. - Apecto geral do itema implementado Ete módulo tem como componente principal o IRAMS10UP60B, da Internacional Rectifier, contituído por um ondulador de tenão trifáico e por um circuito de guiamento ou driver (figura 5.3). Figura Módulo Converor de Potência 68 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

75 5. Implementação do Sitema A alimentação do vário andare de guiamento é aegurada em boottrap. O módulo de potência poui auto-protecção contra curto-circuito. A amotragem de corrente na carga é feita utilizando trandutore por efeito de Hall, o CAS 15-NP da LEM, permitindo uma viualização do eu andamento no tempo, ou a realização de itema de protecção ou de controlo em cadeia fechada. A barreira de acoplamento óptico na entrada implementada com acopladore óptico HCPL3 (Hewlett Packard), permite o envio de inai de comando para o dipoitivo de comutação. Na figura 5.4 é apreentado o apecto geral do módulo de potência e o eu equema eléctrico contitui o anexo C ao preente trabalho. Figura 5.4 Apecto geral do Módulo Converor de Potência Trandutor de Velocidade (Taquímetro). Ete dipoitivo é compoto por dua parte: Uma roda perfurada (1 orifício) com uma ecção de 46 mm (figura 5.5) que e encontra fixada no veio do motor e o dipoitivo ótpico cujo feixe é interrompido pela paagem da roda perfurada. 80Ω 100 nf Figura Trandutor de Velocidade Taquímetro Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 69

76 5. Implementação do Sitema O dipoitivo óptico tem capacidade para gerar doi tipo de inal, canai A e B, facilidade que não é utilizada atendendo à limitaçõe da roda girante utilizada. ã Figura Sinal gerado pelo Trandutor de Velocidade (1500 rpm) O inai gerado pelo dipoitivo óptico têm o apecto apreentado na figura 5.6. Tal como e pode verificar, não há uniformidade no impulo, quer na ua largura, quer na ditância entre ele. Ete apecto eria evitado e foe criado um único orifíco, no entanto, ea opção reultaria num erro de leitura demaiado grande, em epecial na baixa rotaçõe, como e pode verificar pelo gráfico apreentado na figura 5.6. A curva er1, er1 e er4 correpondem ao erro relativo da velocidade quanda da utilização de uma roda girante de 1, 1 e 4 orifício, repectivamente. [rpm] Figura Evolução do erro relativo devido ao número de orificio da roda girante O erro relativo à não uniformidade do inai gerado pelo taquímetro, ão em grande parte corrigido em programação atravé da utilização de uma pequena tabela de dimenão igual ao número de orifício, da qual é utilizada a média do valoe obtido para uma rotação completa. 70 Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador

77 5. Implementação do Sitema Trandutore de Corrente. Ete dipoitivo colocado à aída do inveror de potência utilizam o efeito de Hall, cuja técnica pode er obervada na figura 5.8. Figura 5.8 Trandutore de Corrente - efeito de hall Cloed Loop O gráfico repreentativo da caracteritico da ua repota conta da figura 5.9, verificando-e que o valor de aída durante o funcionamento em repouo (I=0) centra-e em,5 V, endo que, em termo nominai o eu valore de aída variam entre 1,875 V e 3,15 V, valore limite correpondente à corrente nominal máxima e mínima de -15 A e +15 A, repectivamente. Figura 5.9 Curva caractrítica do CAS-15P O equema eléctrico do trandutor é apreentado na figura 5.10, endo que o filtro RC paa baixo de aída não faz parte do módulo. Figura Equema eléctrico do CAS-15P Controlo de Velocidade e Monitorização de um Motor de Indução Trifáico uportado em Microcontrolador 71