DESENVOLVIMENTO DE UM DINAMÔMETRO PARA MOTORES ELÉTRICOS EMPREGADOS EM VEÍCULOS EM ESCALA PARTE II

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM DINAMÔMETRO PARA MOTORES ELÉTRICOS EMPREGADOS EM VEÍCULOS EM ESCALA PARTE II Aluno: Vivian Suzano Orientador: Mauro Speranza Neto 1. Introdução Atualmente, testes em motores são muito importantes devido ao avanço da indústria automobilística. Estes testes devem simular situações mais reais possíveis, bem como envolver o veículo como um todo. Pode-se, porém, perceber que é praticamente impossível fazer esses tipos de testes em ruas ou estradas, já que é necessário acompanhar o desenvolvimento do veículo a cada instante, o que tornaria esse tipo de teste economicamente inviável. Por estes motivos os testes são feitos em um ambiente controlado (em um laboratório) onde é possível acompanhar o desenvolvimento do motor a cada instante, colhendo e analisando os resultados com a ajuda de um software especialmente desenvolvido para a aquisição dos dados necessários. Neste projeto, está sendo desenvolvido um dinamômetro para motores elétricos de corrente contínua com (brushed) e sem (brushless) escovas. O sistema desenvolvido mede e adquire dados referentes às principais grandezas envolvidas em análises de motores. Entre elas estão: a tensão entre os terminais do motor CC, a corrente e o torque exigidos pelo motor em diversas velocidades e com diversas simulações de carga (das mais leves às mais pesadas), além da velocidade angular do eixo do motor. Para simular situações diferentes, como resistência do vento, atrito, entre outros, são acoplados ao eixo do motor discos de alumínio de diversos tamanhos e inércias. 2. Esquema Físico Na primeira fase deste projeto, foram estudados os diversos tipos de motores utilizados em veículos em escala, e o comportamento dos dinamômetros empregados para levantar o comportamento de motores em geral, assim como se iniciou o desenvolvimento de um modelo matemático desses sistemas de modo a simular sua 1

2 dinâmica, incluindo cargas quaisquer que serão empregadas durante os testes com os motores. Utilizando a representação em grafos de ligação do sistema, foi possível desenvolver os modelos matemáticos e simulações, realizadas com o Simulink/MatLab. Uma vez concluída a modelagem e as simulações, começou a ser executada a montagem física do sistema. Nesta fase II, foram especificados os sensores e componentes que seriam utilizados no projeto e foi desenvolvido todo o circuito de aquisição de sinais eletrônicos, como os filtros e o processamento digital de tais sinais. Figura 1: Esquema físico O esquema do protótipo está representado acima na Figura 1. Ele é composto inicialmente por um drive comercial ESC (Eletronic Speed Control) comandado manualmente, por sinal de rádio ou via computador e desenvolvendo os elementos de alimentação, de medida de torque e velocidade angular, e de corrente e tensão, com saídas externas para placa de aquisição compatível com LabView. Acoplado a ele está Fonte de Tensão. Para a montagem do projeto, foi utilizada uma bateria LiPo 7,4 V (Figura 2). Figura 2: Esquema e foto da bateria No próximo item do relatório, será mostrada uma análise detalhada dos equipamentos utilizados no projeto e como foram implementados cada um dos módulos mostrados na Figura 1. 2

3 3. Componentes do Sistema 3.1. Speed Control O controle de velocidade foi implementado se utilizando de um controlador de velocidade CCPM Servo Consistency Master Tuning (Figura 3). Figura 3: Speed Control Para controlar a velocidade de motores de corrente contínua, o controlador de velocidade mostrado na Figura 3 utiliza uma técnica conhecida como PWM, que é a abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. Com esta técnica, pode-se controlar a velocidade dos motores, mantendo o torque ainda que em baixas velocidades o que garante partidas suaves mesmo quando há uma carga maior sobre os motores. Tais aspectos caracterizam o controle PWM como ideal para aplicações em robótica. Figura 4: Onda quadrada. Na Figura 4, o tempo t1 corresponde ao tempo que o motor está energizado e t2 o tempo que ele não está. Como neste caso t1 é igual a t2, durante a metade do tempo o 3

4 motor recebe a tensão de 7,4 V e na outra metade ele recebe 0 V. A tensão média (figura 5) aplicada ao motor é neste caso de 3,7 V, ou seja, 50% da tensão da bateria. Figura 5: Ciclo ativo de 50%. Para diminuir a velocidade do motor, basta reduzir a largura dos pulsos, mantendo o motor menos tempo ligado, conforme figura 6, que mostra um ciclo ativo de 30% por que o tempo em que o motor é energizado corresponde a 30% do período da onda. Figura 6: Ciclo ativo de 30%. Da mesma forma, para aumentar a velocidade de motor, aumenta-se a largura dos pulsos, como ilustrado pela figura 7, onde o ciclo ativo é de 80%. Figura 7: Ciclo ativo de 80%. 4

5 3.2. Sensores de Tensão e Corrente Tensão: As medidas de tensão foram adquiridas através do módulo A/D da National Instruments NI USB 6009 que permite a aquisição dos dados de tensão e corrente para tratamento em software desenvolvido no LabView. Trata-se de um conversor analógicodigital de 14 bits com entradas/saídas analógicas e digitais. Como as entradas do A/D adquirem medidas em tensão, não foi preciso utilizar um sensor para medição da tensão. Tal medição foi feita com a entrada analógica do módulo em paralelo com os terminais do motor, como mostrado na figura 8. Observe que o sinal de tensão precisa ser filtrado antes da entrada no AD. Figura 8: Esquema de ligação para aquisição de dados 5

6 A filtragem é necessária porque o sinal que entra nos terminais do motor não é um sinal DC e sim, um sinal PWM gerado pelo controlador de velocidade (ver item 3.1). Desta forma, a filtragem consiste na integração deste PWM, transformando ele em um sinal DC. Essa integração é possível utilizando um filtro RC (mostrado na figura abaixo). Um modo de compreender este circuito é se voltar ao tempo que o capacitor leva para se carregar. O capacitor leva um certo período de tempo para carregar e descarregar através do resistor. A altas frequências, o capacitor tem tempo apenas para uma pequena carga antes que as entradas invertam sua polaridade. A saída sobe e desce apenas uma pequena quantia de tempo com relação às subidas e descidas da entrada. A uma frequência dobrada, existe tempo apenas para que o capacitor se carregue metade do que poderia se carregar antes, de modo que a tensão sobre o resistor R se aproxima ao valor da entrada. Exatamente por isso que o filtro, para ser efetivo na integração do PWM, deve ter uma constante de tempo muito maior que o período do PWM de entrada. Sabe-se que o controlador de velocidade utilizado na montagem deste projeto tem frequência de 2kHz, ou seja, período de 0,5 ms. Assim, um valor razoável para constante de tempo do filtro é 1000 vezes o período do PWM: 0,5s. A constante de tempo de um filtro RC é o produto do valor da resistência em ohms pela capacitância do capacitor em Faradays. Dimensionando os componentes de forma a atingir o valor supracitado, tem-se R = 5kΩ e C = 100µF. Desta forma, RxC = 0,5s (como proposto de início). Corrente: Para a medição da corrente foi necessário a utilização de um sensor de corrente. O sensor utilizado foi o ACS714 (figura 9). Ele tem um range de medição entre -5A a +5A e gera uma tensão de saída que corresponde a 185mV/A. Como mostrado na figura 8, o sensor de corrente é ligado em série com a alimentação do motor, exatamente antes dos terminais de entrada do motor. 6

7 Figura 9: Sensor de corrente Todos os dados adquiridos serão tratados em software desenvolvido no LabView Medida de Velocidade Angular Uma vez definido o módulo de controle de velocidade, foi preciso especificar o componente do sistema responsável pela medição da velocidade angular. Essa medição foi efetuado com o Encoder ótico E NE-H-D-B (Figura 10). Figura 10: Encoder Ótico O encoder mostrado na figura 10 foi acoplado ao motor com a ajuda de uma junta Cardan e foi preciso usinar uma peça para apoio do sistema motor-encoder (Figura 11). É importante ressaltar que o encoder utilizado tem uma precisão de 5000 pulsos por revolução, que é mais do que suficiente para a aplicação em questão e ainda fornece uma medida que permite o cálculo do torque com pouquíssimo erro. 7

8 Este encoder tem como sinal de saída a quadratura do motor, ou seja, uma onda quadrada cuja frequência é a frequência de rotação do eixo. Uma vez adquirido este sinal, o cálculo da frequência da onda e com isso, sua velocidade angular ( f = 2πω) foi feito em software via labview. Figura 11: Suporte para encoder 3.4. Simulação de Carga Por último, acoplado ao motor está o efeito de inércia do sistema. Este efeito é simulado com discos de certa massa específica que simulam efeitos de força de resistência aerodinâmica, inércia equivalente do veículo, entre outros. Para efeitos práticos, o valor de inércia equivalente a ser aplicado no motor para simulação de carga será representado por um disco maciço de aço de diâmetro d e espessura h: Onde, 8

9 ρ massa específica do aço (7850 kg/m³) v volume do corpo (m³) r raio da seção reta do corpo (m) h espessura do corpo (h) 4. Cálculo do Torque Como proposto inicialmente, o objetivo do projeto é calcular o torque gerado pelo motor. Uma vez obtidos todos os dados anteriormente mostrados, é possível calcular o torque de forma razoavelmente simples. Sabe-se que o torque gerado pelo motor é o produto do momento de inércia correspondente ao disco e a aceleração angular do motor, ou seja, Tm = Jm x α. O cálculo da inércia girante já foi mostrado no item anterior e com o sinal de saída do encoder tem-se a velocidade angular do motor. Assim, basta derivar o sinal de velocidade angular e fazer a multiplicação com o momento de inércia para se obter o torque. Todos esses cálculos foram executados no LabView. 5. Software em LabView Para armazenar os dados e para a criação de uma interface gráfica apropriada para o usuário, foi utilizado o software LabView. Os principais campos de aplicação do LabView são a realização de medições e a automação. A programação é feita de acordo com o modelo de fluxo de dados, o que oferece a esta linguagem vantagens para a aquisição de dados e para a sua manipulação [3]. Sua aplicação foi importante para monitoramento e controle do dinamômetro, para a aquisição dos dados, além da criação de uma interface de fácil manipulação para o utilizador. O programa adquire os dados e os plota em tempo real, além de apresentar mostradores dinâmicos e numéricos. Além disso, os dados adquiridos são guardados em vetores de até 1000 posições para que seja possível a visualização dos dados, mesmo que o motor não esteja mais conectado ao computador. 9

10 A interface gráfica é apresentada na Figura 12 e parte do código implementado está na Figura 13. Figura 12: Interface gráfica LabView Figura 13: Código LabView 10

11 Engenharia de Controle e Automação Nas Figuras 14 e 15 são mostradas algumas fotos do protótipo montado. Figura 14: Vista do equipamento montado. Figura 15: Vista superior do equipamento construído. 11

12 6. Conclusões Com os estudos desenvolvidos na primeira parte do projeto, foi realizada uma análise completa da dinâmica do sistema, simulações de testes de carga e dimensionamento dos componentes. Tal análise só foi possível com a utilização do Matlab, um programa que reúne importantes ferramentas, é fácil de trabalhar e com código baseado em uma linguagem de utilização em ampla escala. Nesta segunda parte, o foco do trabalho foi na aquisição e tratamento dos dados medidos e a criação da interface de controle e utilização do dinamômetro via LabView, além de se iniciar os dimensionamentos para a construção de um protótipo final. O LabView se mostrou um programa bastante amigável e de fácil utilização e além disso, apresenta inúmeros recursos úteis em processamento de sinal, como filtragem, cálculo de média e valor de RMS, entre outros. Precisou ser desenvolvida uma eletrônica adicional para a aquisição de dados, mas não houve problemas na implementação e dimensionamento dos componentes que foram utilizados. No decorrer do projeto, ficou bem claro que esse sistema empregado no dinamômetro é de larga utilização na área automobilística e de automação. Trata-se de um projeto que abrange várias áreas de conhecimento dentro da engenharia, aplicando vários conceitos importantes. 12

13 7. Referências 1 - SPERANZA NETO, M., DA SILVA, F.R, Modelagem e análise de sistemas dinâmicos, Rio de Janeiro, Julho MACHADO, Josélio Alves. Modelagem e simulação de um dinamômetro para motores elétricos empregados nos veículos terrestres em escala. Rio de Janeiro: PUC-Rio, p. Tese (Mestrado) 3 - National Instruments Lab View Graphical Programming for Instrumentation. 13