Kit experimental de conversores CC-CC controlados através de interface USB utilizando software livre sob GPLv3

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1 Kit experimental de conversores CC-CC controlados através de interface USB utilizando software livre sob GPLv3 Cleiton Gili 1, Laio Oriel Seman 2, Luiz Carlos Gili 3, Romeu Hausmann 4 Abstract Lessons in the classroom can often not given sufficient time to teach students the necessary practice for learning. Toward that lack of time, a kit that can generate pulses for different dc-dc converter is made in order to facilitate learning and to assist the teacher. And how it will be better if this kit is controlled by a computer, catching the student's attention by the use of modern tools that are used in their day-to-day, all through USB (Universal Serial Bus) communication, present on most computers produced since ten years ago. The project also encompasses the whole concept of free software, bringing an open tool, written in a high level language called Python, with source code available so that anyone can contribute to the work. In the study all the required steps to build the kit are shown, divided into three stages, hardware, firmware and software. Index Terms dc-dc converters, pic 18f4550, pwm, software open-source. INTRODUÇÃO A aprendizagem em conversores estáticos é fundamental para os estudantes de Engenharia Elétrica. Uma ferramenta importante para auxiliar nesta aprendizagem é a realização de atividades práticas que envolvem as diversas topologias de conversores. Uma das dificuldades encontradas na experimentação dos conversores estáticos é a geração dos sinais de comando do(s) interruptor(es) controlado(s), uma vez que cada estrutura de conversor possui características específicas para o comando dos semicondutores controlados. O desenvolvimento de um sistema (doravante denominado kit) que possa trazer praticidade e auxiliar o professor na tarefa de demonstrar o funcionamento de conversores estáticos, é uma contribuição interessante se for de baixo custo. Este trabalho apresenta o estudo e implementação de um kit para gerar os sinais de comando de diversas topologias de conversores CC-CC. Para tanto, foi utilizado software livre, desenvolvido em Python e licenciado sob GPLv3 para permitir a todos a sua modificação e redistribuição. O sistema se comunica com um microcontrolador, modelo PIC 18F4550, através de interface USB. Assim, o usuário poderá gerar sinais de controle para as topologias básicas: Buck, Boost, Buck-Boost, Half-Bridge, Full-Brige, etc. O sistema possui também uma interface amigável com o usuário, que permite definir e alterar a razão cíclica e a frequência dos pulsos gerados durante a operação do conversor. PYTHON Na busca de uma linguagem adequada para o desenvolvimento do projeto, buscou-se por uma livre, de fácil utilização e bem documentada. Que pudesse prover não só ao usuário final uma experiência agradável, mas que também facilitasse a vida do programador de forma a tornar o processo criativo menos desgastante. A linguagem Python [4] preencheu todos os requisitos necessários. Uma linguagem de programação de alto nível, interpretada, imperativa, orientada a objetos, de tipagem dinâmica e forte. Aqui, um parenteses deve ser feito para diferenciar uma linguagem de alto de uma de baixo nível, a linguagem de alto nível é como se chama uma linguagem com um nível de abstração relativamente elevado, longe do código de máquina e mais próximo a linguagem humana, facilitando sua programação. SOFTWARE LIVRE Por ser um projeto acadêmico, a licença GPL traz ao kit a possibilidade de evolução pela mão de terceiros, para que possam acrescentar suas idéias e valores ao projeto, disseminando e compartilhando o conhecimento com todos. O movimento pelo software livre é um dos movimentos de maiores sucessos que emergiram nos últimos 25 anos, dirigida por uma comunidade mundial de programados éticos dedicados à causa da liberdade e compartilhamento. Mas o sucesso do movimento pelo software livre depende em conscientizar nosso amigos, vizinhos e colegas de trabalho sobre o perigo da não liberdade nos softwares, sobre o perigo da sociedade perder o controle sobre a computação. (Tradução livre de uma citação da Free Software Foundation, disponível em fsf.org/about) O conceito de software livre, pode ser melhor entendido através das das definições que as próprias fundações dão à causa. 1 Cleiton Gili, Professor substitudo da Universidade Regional de Blumenau (FURB), cgilinet@gmail.com 2 Laio Oriel Seman, Estudante de graduação da Universidade Regional de Blumenau (FURB), laioseman@gmail.com 3 Luiz Carlos Gili, Estudante de graduação da Universidade Regional de Blumenau (FURB), luizcarlosgili@gmail.com 4 Romeu Hausmann, Professor titular da Universidade Regional de Blumenau (FURB), romeuh@furb.br DOI /ICECE

2 Para a Free Software Foundation [2] considerar um software como livre, quatro tipos de liberdade devem ser concedidas ao usuário. Liberdade 0: A liberdade para executar o programa, para qualquer propósito; Liberdade 1: A liberdade de estudar como o programa funciona, e adaptá-lo para as suas necessidades; Liberdade 2: A liberdade de redistribuir cópias do programa de modo que você possa ajudar ao seu próximo; Liberdade 3: A liberdade de modificar o programa e distribuir estas modificações, de modo que toda a comunidade se beneficie. Atender as quatro liberdades implica que o software seja distribuído juntamente com o seu código-fonte e que não sejam colocadas restrições para que os usuários alterem e redistribuam esse código. DESENVOLVIMENTO Neste capítulo é apresentado e comantado o desenvolvimento do kit de controle PWM e dos três elementos que o compõe: hardware, firmware e software, focando principalmente neste último, que é o objetivo principal deste trabalho. Hardware Todo o conceito do kit (figuras 1 e 2) se baseia na geração de sinais de comando com modulação PWM. Para gerar esses pulsos, foi escolhido um microcontrolador da Microchip, modelo PIC 18F4550 [1]. A escolha se deu principalmente pelo seu baixo custo, e pelos seus módulos especiais de PWM, com registradores internos pré-definidos para controle de topologias Half-Bridge e Full-Bridge, que despertaram grande interesse para o desenvolvimento do kit. O microcontrolador escolhido também conta com total integração com USB (Universal Serial Bus), uma interface de comunicação amplamente difundida no mercado, e disponível em basicamente todos os computadores lançados nos últimos 10 anos. A geração do sinal PWM se dá através de registradores especiais, relacionados a um timer, assim cada vez que existe um estouro no tempo definido, um novo pulso é gerado. FIGURA. 2 KIT MONTADO Firmware Esta é a parte do projeto em que ferramentas opensource não são inclusas, ficando a programação do microcontrolador atrelada a programas proprietaries da própria Microchip. É importante, no entanto, ressaltar a boa documentação disponibilizada pela empresa para os seus circuitos integrados. Além de datasheets dos componentes e seu funcionamento, exemplos de códigos para as mais diversas aplicações também são fornecidos. Todo o código do firmware foi baseado no exemplo fornecido pela própria Microchip conhecido como Microchip USB Stack, e também nos exemplos do desenvolvedor independente Simon Inns [3]. Todas as operações matemáticas são tratadas pelo software, devido a maior capacidade de processamento do computador. Ao microcontrolador cabe apenas a tarefa de gerar os sinais PWM com as caracteíristicas que lhe são enviadas. Basicamente o firmware funciona preso em um loop infinito, a cada nova interação é verificado se alguma informação adicional foi recebida através da interface USB. Caso haja nova informação, esta é tratada por uma rotina específica. Os dados recebidos/transmitidos através da USB, podem consistir em pacotes de até 64 bytes. Desta forma foi definido que o primeiro byte de um pacote define o tipo de ação a ser tomada pelo microcontrolador, e os bytes subsequentes são os parâmetros desta ação, bem como frequência do PWM, tempo de trabalho, etc. Software FIGURA. 1 ESQUEIMÁTICO DO FUNCIONAMENTO Considerando a grande capacidade de processamento dos computadores pessoais, optou-se por utilizar seu processamento nas principais tarefas. Dessa forma, o 271

3 microcontrolador é empregado como interface entre o computador e o conversor CC-CC a ser controlado. A figura 3 mostra a interface gráfica do programa, onde é possível ver todos os métodos de geração e os parâmetros que podem ser escolhidos e/ou modificados. smarthphones do mercado, uma possibilidade alternativa de controle do kit foi desenvolvida. Através de uma modificação no código do software principal em Python, que é executado no computador principal, feita com o intuito de transformá-lo em um servidor, ele foi colocado em modo de espera para a recepção de pacotes através do protocolo UDP (User Datagram Protocol). Dessa forma, ao invés dos comandos serem passados através da interface em produzida a partir da biblioteca Qt, eles são recebidos através do protocolo citado e repassados ao microcontrolador através da interface USB. A figura 4 representa o modo de configuração halfbridge disponibilizado ao usuário do software mobile. FIGURA. 3 TELA DO SOFTWARE EM PYTHON O primeiro modo de geração de PWM é definido como PWM Genérico, onde o estudante pode definir dois pulsos como ativos/inativos (independentemente), sua frequência e razões cíclicas (que são a relação entre o tempo que um pulso permanece alto dentro de um período de tempo). Neste modelo o usuário tem a liberdade de gerar pulsos sem a necessidade de atrelá-los a um conversor, para poder visualizar seu funcionamento geral. O segundo modo de geração é definido como Halfbridge, aqui as principais funções dizem respeito a mudança da frequência, razão cíclica e de tempo morto. Por fim, o modo Full-bridge trás mais opções ao usuário. Aqui não apenas o funcionamento do conversor deve ser considerado, mas também sua utilização para o acionamento de um motor CC, considerando os quatro quadrantes. Os quatro quadrantes trazem a tona a plena possibilidade de controle de um motor, sendo ele passível de aceleração e regime tanto no sentido horário como antihorário, e também proporcionando frenagem nos dois sentidos. FIGURA. 4 TELA DO SOFTWARE MOBILE RESULTADOS EXPERIEMENTAIS Após a montagem do kit como demonstrado na figura 2, todos seus modos de geração foram testados. A figura 5 apresenta a ligação do kit ao conversor Full-bridge como exemplo de aplicação. Já na figura 6, os pulsos apresentam os resultados experimentais obtidos através do modo PWM Genérico utilizando frequência de 30kHz com razões cíclicas de 80% e 30%. INTEGRAÇÃO COM ANDROID Pensando também na integração com o sistema Android, hoje em dia presente na maioria dos tablets e 272

4 O modo de configuração Half-bridge permite gerar sinais de comando com ou sem a presença de tempo morto. Nas figuras 8 e 9 são apresentados os resultados experimentais dos sinais gerados para o comando do conversor Half-bridge sem e com tempo morto, respectivamente. FIGURA. 5 MODO DE LIGAÇÃO A UM CONVERSOR FULL-BRIDGE FIGURA. 8 COMANDOS HALF-BRIDGE SEM TEMPO MORTO FIGURA. 6 PWM GENÉRICO DEMONSTRADO No modo full-bridge a figura 7 remete ao funcionamento normal em uma direção de rotação: FIGURA. 9 COMANDOS HALF-BRIDGE COM TEMPO MORTO Testes em Conversor Chopper FIGURA. 7 COMANDOS FULL-BRIDGE Para comprovar o funcionamento do comando do tipo Full-bridge um protótipo de um conversor CC-CC chopper foi montado para controle de um motor CC (figura 10). Tendo a possibilidade de funcionamento nos quatro quadrantes (regime horário, regime anti-horário, aceleração e desaceleração). As seguintes formas de onda foram obtidas utilizando o protótipo citado, na frequência 25kHz com uma razão cíclica de 70%. A figura 11 origina do motor funcionando em regime permanente, enquanto as figuras

5 e 13 demonstram respectivamente o motor acelerando e desalecerando. FIGURA. 10 CONVERSOR CHOPPER LIGADO A UM MOTOR CC FIGURA. 11 FORMAS DE TENSÃO E CORRENTE NO MOTOR FIGURA. 13 DEMONSTRAÇÃO DA DESACELERAÇÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS Durante o estudo foi feito um levantamento sobre o software livre, conceitos da linguagem Python, e seu uso em um projeto incluindo microconroladores. Pode ser verificado que a linguagem se mostrou adequada na comunicação via USB, parte essencial na estruturação do projeto. Durante a fase de testes do protótipo verifcou-se que as formas de onda foram compatíveis com as esperadas e necessárias para o controle de conversores CC-CC. Isso pode ser comprovado a partir da experimentação. Como sugestão para trabalhos futuros testes mais extensivos sobre multiplataforma, testando a Controladora PWM em sistema operacional MAC OS X. Por fim, a importância do compartilhamento de código ficou evidente pois a conclusão deste trabalho não teria sido viável sem a colabação de desenvolvedores independentes que disponibilizaram gratuitamente seu código pela internet. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Datasheet do componente PIC18F4450. Disponível em: < [2] Free Software Foundation. GNU General Public License. (fsf.org/licenses/gpl.html), Free Software Foundation, Inc., Cambridge, Massachusetts, [3] Página pessoal do hobista Simon Inns. Disponível em: < [4] Python Documentation Index. Disponível em: < FIGURA. 12 DEMONSTRAÇÃO DA ACELERAÇÃO 274