DETERMINAÇÃO AUTOMÁTICA DOS PARÂMETROS DA MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA

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1 DETERMINAÇÃO AUTOMÁTICA DOS PARÂMETROS DA MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA FABIANO. ROCHA, S. DPPG / CEFET-MG Belo Horizonte, MG fbino_elt@yhoo.co.br Resuo - Os otores de corrente contínu possue plicções desde o cionento de crgs ecânics co elevdo torque té e dispositivos doésticos coo ipressors. O odelo desss áquins são enos coplexos e coprção s áquins de corrente lternd, ssi coo os dispositivos eletrônicos utilizdos no cionento e os lgoritos de controle. O profundo conheciento dos prâetros dos otores grnte odelos is próxios os reis e ssi sistes de controle is eficientes. Este trblho propõe plicr o étodo clássico utilizdo e lbortórios, n deterinção dos prâetros elétricos e ecânicos d áquin de corrente contínu trvés de u siste eletrônico utotizdo, reduzindo ssi incertezs ns edids, tepo de ensio e custo e u único equipento. Plvrs-Chve Máquins elétrics, prâetros, utoção AUTOMATIC DETERMINATION OF THE PARAMETERS OF THE DIRECT CURRENT MACHINE Abstrct - Continuous current engines re pplied in severl wys, fro the ctivtion of high-torque echnicl lods, to doestic ssets such s printers. This sort of chinery is less coplex in coprison to lternte current chines, s well s the electronic devices used in their ctivtion nd their respective control lgoriths. A profound knowledge regrding engine preters gurntees the developent of ore relistic odels nd, therefore, ore efficient control systes. This rticles proposes the ppliction of the clssic ethod, generlly used in lbs, in order to deterine the electricl nd echnicl preters of continuous current chine through n utotized electronic syste, nd thus reducing uncertinties regrding esures, rehersl tie nd cost in one single piece of equipent. Keywords Electricl chines, preters, utotion NOMENCLATURA RNA - Rede Neurl Artificil. C.C. - Corrente Contínu. USB - Universl Seril Bus. PWM Pulse Width Modultion. ADC Anlog to Digitl Converter. I. INTRODUÇÃO Devido crcterístics tis coo torque elevdo, possibilidde de controle de velocidde sobre u pl fix de vlores, portbilidde, descoplento totl entre velocidde e torque e dptbilidde vários tipos de étodos de controle, os otores C.C. (Corrente Contínu) são lrgente usdos e nueross plicções de controle, incluindo nipuldores robóticos, ecnisos de trnsporte de fits, ciondores de disco, áquinsferrents e tudores de servoválvuls (R. C. DORF, 009). Por isso, u odelo dequdo pr u possível desenvolviento de u siste de controle deve ser obtid. (NAVARRO, 010). Probles de controle envolvendo áquins elétrics são tulente objeto de fonte de estudo não soente pr engenhri de controle s tbé envolve circuitos elétricos de potênci d engenhri elétric, odelos deterinísticos e estocásticos is fieis no trtento dos coportentos não lineres ds áquins elétrics. Modelos is proxidos os coportentos reis dos processos perite ior eficiênci e controlbilidde, coplexidde ds equções teátics já pode ser superd por dispositivos eletrônicos co ior cpcidde de processento e velocidde de chveento, os prâetros são e gerl vlores crcterísticos do processo se controlr. Ensios e lbortório são úteis no intuito de deterinr os prâetros d áquin de corrente contínu, contudo, dend tepo n relizção dos experientos, custo n logístic de trnsporte dos otores subetidos s nálises, reltórios pouco precisos tendo e vist pequen quntidde de ddos coletdos. Este trblho te coo objetivo deterinr de for utoátic e precis os prâetros que são utilizdos nos odelos de controle d áquin de corrente contínu trvés de u siste eletrônico icroprocessdo, possibilitndo nlisr os 1

2 resultdos obtidos e u softwre coputcionl, possibilitndo deterinção de u conjunto ior de inforções d áquin e no projeto de seus controldores. N seção II serão borddos outros trblhos concernentes o te, n seção III o desenvolviento do trblho be coo fundentção teóric plicd, n seção IV present-se os resultdos obtidos e por fi s nálises finis e conclusões últi seção. II. ESTADO DA ARTE Atulente étodos vnçdos coo nálise espectrl e inteligênci coputcionl são utilizdos n identificção do odelo ds áquins elétrics. Os lgoritos utilizdos nesses étodos te se deonstrdo eficientes se plicdos e sistes dinâicos não lineres e co custo coputcionl reltivente bixo. As redes neuris rtificiis pode ser treinds e se proxir do coportento dos sistes físicos dinâicos, pr o treinento d RNA o siste deve ter o seu coportento previente conhecido. O étodo utilizdo por DUMAN, 010 denoindo por Grvittionl Serch Algorith (009) ou siplesente GSA, bsedo e u lgorito swr-bsed perite clculr os prâetros do otor C.C. trvés d lei grvitcionl newtonin e interções entre forçs e ss. O rtigo de SAAB, 001 propõe utilizção de u étodo estocástico bsedo e lgorito de ínios qudrdos n identificção do prâetros do otor de corrente contínu utilizndo o filtro de Kln n estição de vriáveis do odelo. Aind no contexto ds áquins elétrics, (RODEIRO,005) present e su dissertção u lgorito pr detecção utoátic dos prâetros de u otor de indução trifásico utilizndo nálise espectrl d corrente e utilizndo s sus coponentes de frequênci estir velocidde, escorregento e resistênci. No étodo clássico identificção dos prâetros do odelo d áquin de corrente contínu é relizdo trvés de ensios e lbortório utilizndo conceitos de físic e elétric, o que o torn u procediento lento e incluiu necessidde de equipentos específicos. A. Modelo do otor C.C. III. DESENVOLVIMENTO O odelo dinâico do otor C.C. será deduzido desprezndo os efeitos n qued de tensão ns escovs/coutdor e histerese que possue coportento não liner. Ests considerções fcilit construção do odelo e não lter significtivente s nálises e regie pernente. Outr iportnte considerção é de que o fluxo no circuito cpo d áquin C.C. é constnte ou coposto por iã pernente. Pr todos os efeitos o controle de torque e velocidde será efetudo exclusivente pelo circuito de rdur. A expressão do torque desenvolvido pelo otor pode ser escrit pel equção 1. T (1) K I ϕ é fluxo de cpo no entreferro K é constnte do projeto de enrolento I é corrente no circuito de rdur A nálise do circuito equivlente do otor C.C. possibilit obter o odelo co s grndezs elétrics. Aplicndo lei de Kirchhoff ds tensões n lh do circuito de rdur teos que: di dt V L RI E 0 () V A tensão nos terinis de rdur L Indutânci de rdur R Resistênci de rdur E Forç contr-eletrootriz gerd proporcionlente velocidde do otor. Aplicndo trnsford de Lplce e () obteos u relção iportnte entre tensão plicd nos terinis de rdur, corrente de rdur e tensão gerd coo é ostrdo e (3). V ( ( L s R ) I ( E ( (3) A forç contr-eletrootriz gerd é proporcionl velocidde do otor, dest for E pode ser substituído el equção 4. E ( K ( b (4) Kb Constnte de proporcionlidde Substituindo (4) e (3) teos corrente de rdur e teros ds grndezs elétrics do otor e velocidde de rotção. V ( Kb( I( R L s O torque de crg tbé pode ser representdo pel for presentd n equção 6. (5)

3 T ( Js L (6) ( B( ( T ( T d ( J é constnte de inérci do conjunto do rotor B é constnte de trito viscoso As grndezs elétrics e ecânics pode ser relcionds trvés do digr d figur 1. TL V I Te velocidde estbilizd. Desprezndo-se s perds resistivs e gnétics, pode-se firr que potênci elétric, bsorvid d fonte é igul potênci ecânic desenvolvid pelo otor: P (8) e P ec T T e n ec A equção pode ser escrit coo: P P P Perds () e ec e (9) Onde P e=v I pode ser edido vrindo-se tensão de rdur té tensão noinl e edindo esss dus grndezs pr diferentes velociddes, d es for s perds no circuito de rdur pode ser clculds por: n ( ) Perds R I (10) Fig. 1 Digr e blocos d áquin C.C. N construção de odelos dinâicos e projeto de controldores é necessário o conheciento prévio dos prâetros d áquin que uits vezes não são disponibilizdos pelo fbricnte. B. Metodologi Qundo se desej obter ddos is precisos ou qundo não existir uits inforções disponibilizds pelos fbricntes e ctálogo ou ddos de plc é necessário utilizr de lgu étodo pr deterin-los. Será presentdo o ensio utilizdo e lbortório tbé plicdo o desenvolviento do siste utoático. 1. Resistênci de rdur Resistênci totl do circuito de rdur (R) é deterind pel vrição d tensão édi V, que é edid juntente co corrente édi I, resistênci então é clculd pel inclinção d prte liner d crcterístic V xi, trçd prtir dos resultdos experientis: R V (7) I Este procediento é tbé chdo de teste e curto circuito, deve ser feito co vlores pequenos de V, d orde de dez por cento ou enos d tensão noinl do otor.. Coeficiente de trito Dest for o coeficiente de trito pode ser clculdo prtir de: Te K 3. Constnte de inérci (11) Pec Te (1) Consiste e celerr e estbilizr o otor nu velocidde, desligndo-se e seguid, lientção e observndo qued d velocidde co o tepo. N expressão (13) teos relção entre o oento de inérci co velocidde: J K (13) O τ é definido coo constnte de tepo d ss girnte, é igul o intervlo de tepo pr o qul velocidde ou tensão do otor decresce pr 37% do vlor inicil. L R (14) Deterindo τ o vlor do oento de inérci fic deterindo por (13). 4. Indutânci de rdur De (14) é possível deterinr L já que resistênci de rdur já foi obtid nteriorente. U étodo siplificdo é relizdo edindo-se potênci elétric bsorvid pelo otor, girndo vzio e co 3

4 5. Constnte de velocidde Co equção 4 é possível deterinr tensão gerd excitndo o otor C.C. co corrente de cpo noinl, e fzer co que ele gire e u deterind velocidde, por exeplo, noinl, ciondo por outr áquin, que ssue o ppel de otor, coo propost deste trblho está relciondo co siplicidde do siste, podeos considerr que vzio tensão gerd será es d tensão de lientção, fzendo váris edições té tensão noinl de rdur podeos deterinr constnte de velocidde por: E K IV. SISTEMA AUTOMÁTICO (15) A propost do siste é peritir deterinção dos prâetros d áquin C.C. de for utoátic e de bixo custo, onde s inforções e resultdos serão presentdos e u softwre supervisório conectdo o siste por eio de u counicção USB. O projeto te crcterístic de eliinr necessidde do ensio d áquin dentro de u lbortório especilizdo evitndo disprender hors de trblho nos ensios já borddos. A figur present o digr e blocos do siste proposto. IHM (PC) CONTROLADOR DRIVER FONTE BARRAMENTO CC SENSOR TENSÃO E CORRENTE Fig. 3 Digr eletrônico MEDIDOR VELOCIDADE MÁQUINA CC Fig. Digr e blocos do siste utoático O digr eletrônico copleto é presentdo n figur 3, coo dispositivo controldor é utilizdo o icrocontroldor d MicroChip PIC18F4450 que possui bos crcterístics no desenvolviento deste trblho, internente possui u port USB que perite troc de ddos entre o siste e u icrocoputdor onde estrá instldo o softwre supervisório, possui conversores nlógico digitl co resolução de té 1 bits que serão utilizdos n edição d corrente e tensão do otor C.C., ódulo PWM pr vrir tensão plicd no otor, lé de 16kbyte de eóri pr código do progr. A corrente do otor é edid trvés d qued de tensão no resistor R9 ligdo e série co o enrolento de rdur, proporcionl corrente que circul no otor e no terinl d fonte do trnsistor Q1. A tensão chved e 10kHz plicd n rdur é edid trvés d tensão no terinl fonte do MOSFET enos tensão do brrento C.C. que é de 150V, ostr dess tensão é gerd pelo circuito do divisor R5 e R7 juntente co o plificdor opercionl U3-B de gnho unitário e plicd o terinl do icrocontroldor. Todo o processo de ensio ocorre co o otor se crg, dest for, s correntes envolvids são bixs ipossibilitndo sensibilizr entrd do conversor nlógico digitl, pr elevr o gnho e possibilitr edição foi utilizdo u configurção não inversor co o segundo plificdor opercionl disponível no circuito integrdo (LM358) pr elevr tensão edid e R9 tornndo- coptível co fix de operção do ADC. 4

5 Neste trblho não são executdos todos os ensios, os prieiros experientos pr nálises e testes for no intuído de deterinr resistênci do circuito de rdur do otor e vlir eficáci do siste proposto. O lgorito representdo pelo fluxogr d figur 4 descreve o procediento dotdo neste ensio. RESISTÊNCIA DE ARMADURA Configur PWM pr tensão Vx Mede tensão V+ Mede corrente I V=Tensão brrento V+ N 5 ostrs? Clcul R=Vx/I Clcul édi de R REFERÊNCIAS [1] R. C. Dorf., R.H. BISHOP., Sistes de controle oderno, LTC Editor, 8 Edição, Rio de Jneiro, 001. [] C. M. Nvrro, G. C. P. Junior, A. S. Crvlho, Estição dos prâetros de u otor de corrente continu por eio de redes neuris rtificiis, in Proc. of ENGEP, 010. [3] DUMAN, S. MADEN, D. GÜVENÇ, U. Deterintion of the PID Controller Preters for Speed nd Position Control of DC Motor using Grvittionl Serch Algorith. IEEE. p.5-9, 010. [4] SAAB, S. S. Preter Identifiction of DC Motor: An Experientl Approch. IEEE. p , 001. [5] R. V. Rodeiro, Prâetros do otor de indução trifásico pr estição d velocidde por nálise spectrl, Tese de estrdo, UFB, Slvdor, 005. [6] J. C. Bsílio, M. V. Moreir, Experientos pr estição dos prâetros de u otor de corrente continu, in Proc. of COBENGE, vol. 01, pp , 001. [7] PIC18F4450 Dtsheet FIM Fig. 4 Procediento pr deterinção d resistênci de rdur do otor. V. CONCLUSÃO Após lguns testes e justes nos circuito pode-se concluir que o siste é tecnicente viável. O softwre supervisório não foi desenvolvido neste trblho, contudo podeos visulizr os resultdos prtir de u icrocoputdor executndo u softwre terinl prtir dos ddos trnsferidos pel USB. Algus odificções nos circuitos deve ser relizds pr elhorr precisão ds grndezs edids e reduzir ruído provocdo pel lt frequênci de chveento do conversor PWM. Este trblho não propôs inovr u étodo de deterinção dos prâetros do otor pois todos os conceitos já são be conhecidos por profissionis dest áre, s si contribuir pr redução d flh hun e celeridde nos processos que envolve os ensios e áquins elétrics de corrente contínu. 5