UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ UNIVALI CAMPUS ITAJAÍ

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1 UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ UNIVALI CAMPUS ITAJAÍ ANÁLISE DE TIPOS DE BATERIAS PARA USO NO ROPE PAULO ROBERTO OLIVEIRA VALIM Msc. Eng. Elétrica RAPHAEL DA SILVA Acadêmico Eng. Industrial Mecânica Curso de Ciência da Computação Laboratório Redes de Computadores Itajaí, Abril de 2016

2 Resumo O propósito deste trabalho foi realizar uma análise do acionamento do motor de passo modelo 28BYJ48 através de baterias. Trata-se do motor de passo utilizado para a movimentação do brinquedo educativo do projeto ROPE. Para tanto foi preparado um ambiente de testes onde fosse possível testar o motor de passo funcionando em diferentes tensões de alimentação como também uma análise do acionamento para 2 tipos diferentes de baterias. A variedade de tipos, formas e capacidades de baterias disponíveis no mercado é muito grande e, desta forma, a escolha das baterias levaram em conta aspectos como volume, durabilidade custo e disponibilidade. Os resultados obtidos vão ajudar a orientar a escolha da melhor bateria a ser usada no projeto ROPE. Sumário Lista de tabelas, gráficos, quadros e ilustrações Introdução... 1 I Fundamentos teóricos Motores de Passo Tipos de acionamento... 8 II Resultados e análises Cenário A Cenário B...11 Conclusão Referências...13 Anexos...14

3 Lista de tabelas, gráficos, quadros e ilustrações Figura 1. Esquema de ligação de um motor de passo bipola... 6 Figura 2. Esquema de testes do sistema Figura 3. Formas de onda no motor de passo Tabela 1. Tabelas com os tipos de acionamentos... 9 Tabela 2. Testes sincronismo motor-de-passo Tabela 3. Descarga Bateria NiCd... 11

4 Introdução Este relatório é o resultado de uma das etapas da parceria estabelecida entre o laboratório LITE como o laboratório de Redes de Computadores, ambos da Univali, campus Itajaí. O objetivo é o apoio em algumas áreas para o desenvolvimento do projeto do brinquedo educativo ROPE, que vem sendo realizado pelo LITE. Assim, nesta primeira parte o tópico abordado foi identificar a causa e propor uma solução para o problema de inconsistência no movimento realizado pelo brinquedo. Uma análise do comportamento do sistema de alimentação do brinquedo se mostrou necessária pois o protótipo em desenvolvimento estava apresentando alguns sintomas anormais durante os testes e tudo indicava ser um problema associado à bateria. O trabalho também incluiu uma análise do tipo de acionamento realizado através do firmware gravado no microcontrolador, o que poderia também ser a origem dos problemas. Assim foi estabelecido um ambiente de teste consistindo de instrumentos como fonte de alimentação ajustável, osciloscópio, multímetro e a parte do hardware e motores de passo usadas no protótipo do brinquedo. A ideia foi possibilitar reproduzir diferentes cenários de funcionamento com o respectivo monitoramento das grandezas envolvidas como tensão de alimentação, corrente e também o movimento correto do motor de passo. Este monitoramento é fundamental para o funcionamento correto do sistema uma vez que não há realimentação da posição do motor e todo movimento está baseado no número de passos do motor. Assim, não é aceitável que se tenha perdas de passos durante a movimentação. Além de uma fonte de alimentação externa, testes neste ambiente monitorado também foram realizados com baterias de 2 tipos diferentes: a atual, que está sendo usada no protótipo e que apresentou problemas, e uma outra, indicada como possível alternativa de solução.

5 I - Fundamentos teóricos 1 Motores de Passo Os motores de passo são usados geralmente em aplicações que exige precisão de medida e controle. Exemplos de aplicações incluem impressoras jato de tinta, máquinas CNC e bombas volumétricas. Diversas características comuns a todos os motores de passo fazem deles ideais para estes tipos de aplicações. Estas características são (Yeadom, 2001): Sem escovas - os motores de passo são sem escovas. O comutador e as escovas dos motores convencionais são alguns dos componentes mais sujeitos a falhas, além de criarem arcos voltaicos que são indesejáveis ou perigosos em alguns ambientes. Independente da carga - os motores de passo girarão em uma velocidade constante independente da carga, contanto que a carga não exceda a taxa de torque para o motor. Posicionamento em laço aberto - os motores de passo movem-se em incrementos angulares discretos. Desde que o motor funcione dentro de sua especificação de torque, a posição do eixo é conhecida sem a necessidade para um mecanismo de realimentação. Travamento - os motores de passo podem manter o eixo parado em uma certa posição. Além destas características acrescenta-se a resposta excelente ao inicio, à parada e à reversão do movimento. Há três tipos básicos de motores de passo: ímã permanente, relutância variável e híbrido. Os motores de imã permanentes têm um rotor magnetizado, enquanto os motores de relutância variável tem rotores dentados de ferro doce. Os motores de passo Híbridos combinam aspectos do ímã permanente e da tecnologia de relutância da variável. O estator, ou a peça estacionária do motor de passo possui múltiplos enrolamentos. O arranjo destes enrolamentos é o fator principal que distingue tipos diferentes de motores de passo do ponto de vista elétrico. Os motores de ímã permanentes podem ser montados usando enrolamentos unipolares, enrolamentos bipolares. Os motores de passo unipolares são facilmente reconhecidos pela existência de uma derivação central (center tap) em cada um dos enrolamentos (figura 1). O número de fase é duas

6 vezes o número de bobinas, uma vez que cada bobina se encontra dividida em duas. Normalmente, a derivação central dos enrolamentos está ligada ao terminal positivo da fonte de alimentação e os extremos de cada enrolamento são ligados alternadamente a terra assim inverte a direção do campo gerado por cada um dos enrolamentos, (JONES, 2001), (MEDEIROS, 2004). Figura 1 - Esquema de ligação de um motor de passo unipolar Ao contrário dos motores de passo unipolares, os motores bipolares requerem um circuito de atuação bem mais complexo. Eles são conhecidos pelo seu excelente tamanho/torque e proporcionam um maior torque comparativamente a um motor unipolar do mesmo tamanho. Os motores bipolares são constituídos por enrolamentos separados que devem ser atuados em ambas as direções para permitir o avanço de um passo, ou seja, a polaridade deve ser invertida durante o funcionamento do motor de passo (JONES, 2001), (MEDEIROS, 2004). O motor de passo usado no projeto ROPE é do tipo unipolar. Existem alguns parâmetros as serem considerados na escolha do motor de passo: a. Tempo máximo para percorrer a distância desejada b. Precisão estática desejada c. Precisão dinâmica desejada d. Tempo permitido para retornar a desenvolver a especificação de precisão estática a partir da especificação de precisão dinâmica (settling time). e. Resolução de passos exigida (combinação do tamanho de passo, engrenagens e desenho mecânico). f. Atrito do sistema: todos os sistemas mecânicos exibem um pouco de força de atrito. Quando dimensionar o motor, deve-se levar em conta que o motor tem que prover torque suficiente para superar qualquer atrito do sistema.

7 g. Inércia do sistema: a inércia de um objeto é a resistência que ele oferece a mudanças de velocidade. Com uma carga com inércia grande, o motor leva muito mais tempo para acelerar ou desacelerar a carga. A velocidade de rotação do motor é independente da inércia. Para o movimento rotativo, a inércia é proporcional à massa do objeto que é movida multiplicada pela sua distância do eixo de rotação. h. Características de velocidade por torque do motor: torque é a força rotacional, definida como uma força linear multiplicada por uma distância. Quando selecionar um motor controlador, a capacidade do motor tem que exceder as exigências globais da carga. O torque de qualquer motor pode, variar com a sua velocidade, as curvas de velocidade por torque devem ser consultadas pelo projetista. i. Relação torque por inércia: este número é obtido pelo torque do motor dividido por sua inércia de rotor. Esta relação determina a velocidade que o motor pode acelerar e desacelerar sua própria massa. Motores com torque semelhante podem ter relações de torque por inércia com variação na sua construção. j. Margem de torque: sempre que possível deve ser especificado que o motor possa prover mais torque que o necessário. Esta margem de torque permite o funcionamento em condições adversas como endurecimento de lubrificante ou outro atrito inesperado. Efeitos de ressonância podem fazer o torque de motor ser ligeiramente baixo em velocidades pequenas. Selecionar um motor que fornece pelo menos 50% de margem sobre o torque mínimo exigido como condição de ideal. Os itens f ao j estão diretamente relacionados ao movimento. As especificações do modelo do motor disponíveis contém pouca informação sobre estes parâmetros. Alguns dependem do projeto, como inércia do eixo, por exemplo. Já outros já outros são complexos para serem obtidos.

8 2 Tipos de Acionamentos Os motores de passo podem ter seu movimento definido pelo acionamento de suas bobinas de diferentes formas, permitindo uma seleção que estabelece um compromisso entre torque e consumo de energia. A seguir temos um resumo das características destes modos e que estão mostrados na figura 2. a. Passo completo wave: uma bobina é acionada de cada vez, em uma ordem que vai definir o sentido da rotação. b. Passo completo normal: duas bobinas são acionadas de cada vez. A resolução angular é a mesma do wave, porém neste tipo de acionamento se consegue um torque maior (~1,41 vezes maior) ao custo de um maior consumo de energia (2 vezes maior), já que sempre duas bobinas são acionadas simultaneamente. c. Meio passo (half-step): neste tipo de acionamento as duas e uma bobina são acionadas alternativamente. Permite uma resolução angular maior que os passos anteriores mas com uma desvantagem de ter uma variação no torque, que é menor quando somente uma bobina está acionada. d. Micro passo: obtido usando-se uma técnica de interpolação entre as posições de passo completo e meio passo. Obtido através de um circuito complexo que realiza o controle linear das correntes de acionamento dos estatores. O acionamento utilizado no projeto é o passo completo normal. A frequência com que as bobinas são chaveadas determina a velocidade angular do motor de passo. O item h do tópico anterior apresenta esta característica para o motor de passo: o torque diminui com a velocidade do eixo. Assim, existe um limite natural para a velocidade angular máxima para o motor em vazio e este valor é reduzido quando se acrescenta uma carga no eixo do motor. Ainda, conforme o item j do tópico anterior, uma margem de segurança para o torque deve ser adotada pois uma perda de sincronismo em um ou mais passos durante o movimento vai alterar a precisão do posicionamento do brinquedo. O projeto utiliza a biblioteca AccelStepper do Arduino para gerar os chaveamentos das bobinas do motor de passo e que, por sua vez, utiliza o passo completo. O princípio da biblioteca é gerar um tempo variante entre os chaveamentos, conhecido como rampa de acionamento, sendo que

9 estes tempos são calculados em tempo real. O uso desta rampa de acionamento tem por finalidade fazer com que o motor tenha um torque maior para superar a inércia e atritos iniciais, aumentando gradativamente sua velocidade com base em um parâmetro denominado aceleração (definida na função setacceleration(acceleration)), e atinja uma velocidade máxima (definida na função setmaxspeed(maxspeed)). Os valores destes parâmetros vai depender das características do motor de passo, das condições de uso e da carga em seu eixo. Passo completo wave Meio Passo Passo completo normal Tabela 1 Tabelas com os tipos de acionamentos II- Resultados e análises Os seguintes cenários de testes foram criados, todos baseados no hardware e tipo de acionamento utilizados atualmente no projeto, como mostrado na figura 2.

10 Figura 2 Esquema de testes do sistema 1- Cenário A Testes do limite de tensão de alimentação do sistema Descrição: O circuito foi ligado a uma fonte de alimentação variável externa e ao motor de passo (obs.: foi testado somente com 01 motor). Foi simulada uma carga no eixo do motor-de-passo conforme esquema ilustrado na figura 4. O firmware foi alterado no que diz respeito ao movimento realizado de tal forma a deslocar a carga em um sentido, por exemplo subindo, e então fazendo o mesmo deslocamento no sentido contrário. O conjunto foi testado para diferentes valores de aceleração e velocidade máxima da biblioteca AccelStepper. Um resumo dos resultados pode ser observado na tabela 2. Parâmetros Bilbioteca AccelStepper Tensão mínima (abaixo este valor ocorre perda de sincronismo do Vel. Máxima Aceleração motor-de-passo) V ,5V ,8V Não funciona Não funciona Não funciona Tabela 2 Testes sincronismo motor-de-passo É possível observar que o movimento do motor é limitado pela velocidade máxima e pela tensão de alimentação. A aceleração tem influencia com relação à inércia e atrito do sistema

11 motor/carga. O sinal destinados a uma das bobinas no motor de passo foi monitorado durante os testes com um osciloscópio e um exemplo de formas de onda obtidos estão mostrados nas figuras 5a) e 5b). Na figura 5a) sem perda de sincronismo e na figura 5b) com perda de sincronismo, para o parâmetro uma velocidade máxima igual a 400. Deve-se notar também que o momento registrado corresponde ao sistema em velocidade máxima, daí o intervalo de duração dos pulsos serem constantes e igual a aproximadamente 4ms (metade do período observado em uma bobina). Também foi medido o consumo de corrente no sistema e foi de aproximadamente 120mA. a) b) Figura 3 Formas de onda no motor de passo 2- Cenário B Testes do sistema alimentado com bateria Neste teste a fonte de alimentação externa foi substituída por bateria. A primeira bateria a ser testada foi a bateria de celular Li-ion com tensão nominal de 3,8V. Coerente com os resultados obtidos no teste anterior, o motor de passo apresentou perda de sincronismo desde o inicio dos testes. Reduziu-se o parâmetro velocidade máxima para valores inferiores a 400 e ainda assim a perda de sincronismo continuou. Os testes foram repetidos com uma nova bateria, esta com tensão nominal de 4,8V do tipo Níquel-Cadmio e o sistema teve um comportamento normal para o parâmetro velocidade máxima de 400 e também para o de 500. Testes de durabilidade da bateria não foram realizados com precisão, porém um teste rápido apresentou valores de tensão na bateria em função do tempo mostrados na tabela 3. Quando o teste foi interrompido o sistema ainda estava funcionando sem perda de sincronismo aparente.

12 Tempo (min) Tensão 5,02 4,88 4,88 4,88 4,88 4,80 4,80 4,72 4,64 4,56 Tabela 3 Descarga Bateria NiCd

13 Conclusão Dos testes realizados pode-se concluir: A inconsistência de movimento do brinquedo observada durante os testes realizados no protótipo tem como causa o valor da tensão da bateria utilizada. A bateria possui uma tensão nominal de 3,8V e os testes realizados em bancada, apesar de usar uma carga no eixo de valor adotado sem nenhuma relação com o brinquedo, demostrou que não funcionada para tensões inferiores a 4V; Para o motor-de-passo utilizado o tipo de acionamento, passo completo normal, é a melhor escolha pois vai garantir o maior torque possível. Recomenda-se uma alteração no firmware de modo a desligar a energização das bobinas do motor-de-passo enquanto o brinquedo estiver parado, aguardando nova sequencia de comandos. Evitando-se assim, consumo desnecessário de energia; Adoção de bateria que opere com tensões superiores a 4V. Para não se ter desperdício de energia em um regulador de tensão, no caso de baterias com tensão superiores a 5V, recomenda-se uma bateria com tensão nominal mais próxima possível de 5V; O ajuste da velocidade máxima no valor de 400 se mostrou uma das melhores alternativas dentro do compromisso velocidade/precisão do movimento. Seria interessante a realização de testes mais precisos sobre a durabilidade da bateria.

14 Referências YEADOM, William H. Handbook of Small Electric Motors. McGraw-Hill, 2001 JONES, Douglas W. Control of Stepping Motors. THE UNIVERSITY OF IOWA, Department of Computer Science Disponível em: acesso em: Março 2007 MEDEIROS, S.M. Controle de Motor de Passo Utilizando Microcontrolador MSP430 Trabalho de Formatura Apresentado a Faculdade de Engenharia de Sorocaba SP, Brasil, 2004.

15 Anexos Imagens cenários de testes