CONTROLE DE FORÇA EM SISTEMAS ROBÓTICOS E MECATRÔNICOS

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Ana Clara Neusa Varejão Lagos
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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DANILO CARVALHO DE GOUVEIA FABRÍCIO DE ANDRADE PHELLYPE MAXIMINO BALTAZAR CONTROLE DE FORÇA EM SISTEMAS ROBÓTICOS E MECATRÔNICOS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITBA 2011

2 DANILO CARVALHO DE GOUVEIA FABRÍCIO DE ANDRADE PHELLYPE MAXIMINO BALTAZAR CONTROLE DE FORÇA EM SISTEMAS ROBÓTICOS E MECATRÔNICOS Proposta de Trabalho de Conclusão de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de engenheiro eletricista. Orientador: Prof. Dr. Winderson Eugenio dos Santos CURITBA 2011

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do Tema PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA... 8 REFERÊNCIAS... 9

4 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica (WEG, 2009, p. 2) e pode ser dividido em motores de corrente alternada (CA), como por exemplo, os motores síncronos, assíncronos e universais, ou em motores de corrente contínua (CC), como os motores a ímã permanente. Quando os motores são acrescidos de sensores de movimento (posição, velocidade, aceleração, torque, etc.) torna-se possível sua aplicação em sistemas servo-controlados. Neste caso, quanto melhor as características construtivas dos motores, melhor será o seu desempenho no servossistema. É esta categoria de motores a que se chama de servo-motores. Sendo que, cada vez mais a indústria faz o uso da tecnologia do servo motor (Electro Craft Corp, 1973). Os três tipos de servomotores mais utilizados são: de corrente contínua, de corrente alternada síncrono e de corrente alternada assíncronos (PAIXÃO, 2009, p.6). Muitas aplicações, tais como: elevadores, robôs e carros elétricos, necessitam de sistemas servo acionados, os quais são capazes de operar motores em quatro quadrantes e fornecer torques tanto positivos como torques negativos. Exemplificando, enquanto um elevador está descendo ou um carro elétrico está sendo freado, o torque de condução tem de ser aplicado com o objetivo de inverter o sentido do movimento. Para estas e muitas outras aplicações utiliza-se o acionamento por controle em malha fechada para alcançar maior precisão em seu movimento (VERBOSKI, 2007, p.39) Delimitação do Tema Os servomotores são utilizados quando se necessitam de controle de velocidade, alta precisão de posicionamento, dimensões reduzidas, entre outros fatores (WEG, 2003). Possuem uma grande variedade de aplicação e função, principalmente no setor da robótica. Neste trabalho pretende-se apresentar as principais características dos servomotores e realizar o controle de torque e posição em um servomotor. Dentre outras aplicações, espera-se que os resultados contribuam para o projeto de robôs. 3

5 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS A demanda cada vez maior de produtos e serviços criou a necessidade de aumento da produção industrial, juntamente com a melhoria dos níveis de qualidade nos produtos (MECATRÔNICA ATUAL, 2002, p. 7) visto que o mercado tornava-se exigente gradativamente. Os servomotores passaram então a ser utilizados em sistemas que necessitam de controle de altas velocidades com torque adequado e precisão. Os controladores de velocidade já são largamente empregados na indústria há várias décadas, sendo o estado da técnica atual constituído pelos inversores com controle vetorial para acionamento de motores assíncronos. Já quanto ao controle de posição, esta é uma tecnologia que se tornou mais madura na segunda metade do século XX, e principalmente associada ao desenvolvimento de sensores (encoders e resolvers) assim como dos dispositivos da eletrônica de potência empregadas nos drivers. Por outro lado, sistemas servo acionados para controle de aceleração e torque, ainda estão em desenvolvimento. Apesar de já existirem diversas aplicações, inclusive comerciais, desta natureza, a ciência por trás desta técnica ainda não é um consenso no meio acadêmico. Controladores de torque, em particular são tecnologias chaves para indústrias produtoras de robôs, e provavelmente constituem-se de segredos protegidos a sete chaves. Desta forma, uma pergunta deve ser feita: qual a melhor maneira de controlar o torque em um servoposicionamento? Neste trabalho, serão apresentadas as características dos servomotores, bem como suas aplicações e funcionamento. Serão levantados os modelos existentes para o controle de torque em servoposicionamento, possibilitando identificar a melhor solução a ser aplicada em robôs manipuladores. 4

6 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral Investigar métodos de controle de torque e posição em servomotor, de forma a identificar o melhor modelo a ser empregado em robô manipulador Objetivos Específicos Revisar a teoria de sistemas de controle; Conhecer o funcionamento de um servo-motor; Conhecer o controle de posição de um servo-motor; Conhecer o controle de torque de um servo-motor; Levantar os algoritmos existentes para o sistema de controle em servosmotores; Identificar plataformas computacionais existentes adequadas para a realização dos testes em bancadas do controle do servo-motor; Simular os algoritmos existentes visando selecionar o de melhor desempenho; Implementar o experimento prático do controle do servo-motor objetivando a coleta dos dados gerados; Avaliar teoricamente os dados obtidos através do ensaio do controle do servo-motor; Corrigir eventuais distorções verificadas através do experimento, em particular relacionadas aos ganhos e sintonização dos controladores; Emitir comentários e conclusões. 5

7 1.4 JUSTIFICATIVA Para sistemas onde a intensidade do torque, controle da velocidade e o controle do posicionamento são cruciais para o processo, precisa-se de um controle robusto para evitar erros durante a execução. Desta forma encontrando o sistema de controle mais adequado procura-se otimizar o desempenho dinâmico de forma a reduzir perdas e o erro nas diversas situações. Tendo em vista que a ciência por trás do controle de torque não esta tão disponível, os resultados do estudo irão trazer soluções e conteúdos que auxiliarão no projeto de robôs. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Para serem atingidos os objetivos propostos, serão necessárias pesquisas bibliográficas sobre o princípio de funcionamento dos servomotores e forma que estes motores são controlados, tanto em relação ao torque quanto à sua posição. Após, será feito um levantamento dos algoritmos existentes para controle de servomotores e as plataformas computacionais necessárias para a realização de testes em bancadas. Será ainda realizado o experimento prático para coleta de dados e correção de eventuais distorções. Este trabalho será do tipo descritivo com o objetivo de identificar o método de controle de torque e velocidade de um servomotor. A pesquisa bibliográfica será composta por três fases: pesquisa baseada em referenciais teóricos, análise e comparações, identificando similaridades com as descrições dos referenciais teóricos e, finalmente, registro formal dos resultados. 6

8 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho será composto basicamente por seis partes. A primeira, intitulada introdução, tratará do tema da pesquisa e sua delimitação, objetivos do trabalho, justificativa quanto à escolha do assunto abordado e, por fim, a metodologia adotada. A segunda parte será composta por uma fundamentação teórica, abordando servomotores e seus métodos de controle. A terceira etapa constará os modelos computacionais já existentes, seguido de uma próxima com as simulações realizadas em software. Uma quinta parte constará a análise referente às simulações, buscando compará-las com os dados teóricos. Finalmente, para concluir o trabalho, serão feitas as considerações finais e listadas suas referencias bem como sugestão para possível continuidade. 7

9 1.7 CRONOGRAMA Atividades out/11 nov/11 dez/11 jan/12 fev/12 mar/12 abr/12 mai/12 jun/12 jul/12 ago/12 set/12 out/12 nov/12 dez/12 Revisar o sistema de controle; Conhecer o funcionamento de um servo-motor; Conhecer o controle de posição de um servo-motor; Conhecer o controle de torque de um servo-motor; Levantar os algoritmos existentes para o sistema de controle em servos-motores; Identificar plataformas computacionais existentes adequadas para a realização dos testes em bancadas do controle do servo-motor; Simular os algoritmos existentes visando selecionar o de melhor desempenho; Implementar o experimento prático do controle do servomotor objetivando a coleta dos dados gerados; Avaliar teoricamente os dados obtidos através do ensaio do controle do servo-motor; Corrigir eventuais distorções verificadas através do experimento; Emitir comentários e conclusões. 8

10 REFERÊNCIAS Electro-Craft Corp. DC Motors Speed Controls Servo Systems. 2. ed. EUA: Hopkins, OTTOBONI, Augusto. Servo-acionamentos. Mecatrônica Atual, São Paulo, n. 6, p. 7-14, out PAIXÃO, Jaqueline P. Controle de velocidade de motores elétricos f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ. Normas para elaboração de trabalhos acadêmicos. Curitiba: Editora da UTFPR, VERBOSKI, José Luiz. Acionamento de uma articulação robótica 3D por servomotores. Projeto final II - Curso de graduação em Engenharia Industrial Elétrica com ênfase em Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, WEG. Motores Elétricos de Corrente Alternada. Jaraguá do Sul: Weg, [20--]. 107 p. WEG. Variação de velocidade. Jaraguá do Sul: Weg, 2003.

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