Laboratório 4: Acionamento do Motor

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1 Universidade Federal do ABC Universidade Federal do ABC Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas ESTO004 Instrumentação e Controle 1 o quadrimestre de 2017 Laboratório 4: Acionamento do 1 Objetivos Esta prática tem como objetivo apresentar o funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua (CC), bem como o seu acionamento. Para isto, será utilizada uma ponte H, que permite controlar a polaridade da tensão nos terminais do motor de CC. Nesta prática, para facilitar a implementação do acionamento do motor, a ponte H utilizada será de um circuito integrado (CI). Além disso, serão apresentados os fundamentos para produzir um sinal digital utilizando uma placa de aquisição com o software LabVIEW. 2 Base teórica 2.1 Elétrico de CC O sistema elétrico e mecânico do motor de CC é apresentado na Fig. 1. Figura 1: Sistema elétrico e mecânico do motor de CC. Adaptado de [1]. Pela Lei de Lorentz, a relação entre a corrente que passa pela armadura do motor i a e o momento produzido pelo motor é: M = Ki a (1) em que M é o momento gerado pelo motor, i a é a corrente elétrica que passa pela armadura do motor e K é uma constante de proporcionalidade. Este momento é causado pelo campo magnético gerado por ímãs localizado no estator do motor (a parte estática do motor), além da corrente elétrica i a gerada pela tensão da armadura do motor e a. Quando a armadura do motor está rotacionando, o fluxo magnético gerado pelo campo magnético dos ímãs do estator que passa pelas bobinas da armadura do motor varia no tempo. Esta variação no tempo do fluxo magnético, de acordo com a Lei de Faraday, produz uma tensão e b, conhecida como força eletromotriz, que se relaciona com velocidade angular ω do motor de acordo com a seguinte equação: e b = K b ω (2) O circuito elétrico da armadura do motor se comporta de acordo com a seguinte equação diferencial: L a di a dt + R ai a + e b = e a (3)

2 em que R a é a resistência elétrica da armadura do motor e L a é a indutância da armadura do motor. A parte mecânica do sistema do motor, de acordo com a segunda Lei de Newton, se comporta de acordo com a seguinte equação diferencial: J dω dt + bω = M = Ki a (4) em que J é o momento de inércia da carga do motor e b é o atrito viscoso (atrito proporcional à velocidade angular) atuando no motor. Com alguma manipulação algébrica nas equações acima, chega-se a: ω = K b i a J b ω = K br a K dω dt ( di a e a e b L a dt ( di br ea ω = a L a a dt 1 + KK b br a ) J dω b dt ) J dω b dt (5) Quando o sistema vai para o regime permanente, as derivadas se anulam, e a velocidade angular do motor tem a seguinte expressão: ω = K br a + KK b e a (6) Ou seja, a velocidade angular do motor é proporcional à tensão na armadura do motor. Se a tensão e a aumenta, a velocidade angular aumenta. Se a tensão e a muda o sinal (inverte a polaridade), o sentido da velocidade angular muda. 2.2 Ponte H A ponte H é um circuito utilizado para aplicar uma tensão elétrica em uma carga em duas polaridades diferentes. É muito utilizado em diversas áreas para controlar a direção de rotação de uma motor de CC. Este circuito é composto de 4 chaves como mostrado na Fig. 2(a). O circuito é alimentado por uma tensão V e alimenta uma carga elétrica (nesta prática, a carga é o motor de CC). Quando a chave de cima da esquerda e de baixo da direita são fechadas e as outras duas estão abertas (Fig. 2(b)) a carga é alimentada com a tensão V. Quando a chave de coma da direita e a de baixo da esquerda estão fechadas e as outras duas abertas (Fig. 2(c)), a carga é alimentada com a mesma tensão V, porém com a polaridade invertida (a) (b) (c) Figura 2: Diagrama esquemático de uma ponte H (a) ponte H desligada; (b) ponte H ligada em uma polarização; (c) ponte H ligada na polarização contrária. A ponte H pode ser implementada com componentes mecânicos, como relês, ou eletrônicos, como transistores. Não será detalhado aqui as possíveis formas de se implementar uma ponte, pois extrapola os objetivos desta prática CI SN Nesta prática, a ponte H utilizada será a implementada no circuito integrado (CI) SN da Texas Instrument. O datasheet do CI [2] pode ser encontrado na página sn pdf. Este CI consegue controlar até dois motores, já que são implementados dois circuitos iguais aos da Fig. 2. A tensão para alimentar a carga suportada pelo CI vai de 4,5 V a 36 V. O motor CC utilizado nesta 2

3 prática utiliza uma tensão de alimentação de armadura de até 12 V. A entrada 1,2 EN do CI liga ou desliga o circuito. As entradas 1A e 2A fecham as chaves mostradas nas Fig. 2(b) e (c), respectivamente. Figura 3: Pinagem do CI SN754410, juntamente com seus três modos de operação (retirado do datasheet do CI). 2.3 Acionamento do CI SN Nesta prática o CI SN será controlado com o auxílio da placa de aquisição DAQ. Dentro do programa Labview serão controladas algumas variáveis booleanas, que serão utilizadas para controlar o motor elétrico. A conversão de variável booleana para valores de tensão elétrica é realizada pela placa DAQ. Os valores booleanos FALSO são convertidos pela placa DAQ para 0 V e os valores booleanos VERDADEIRO são convertidos para 5 V. Desta maneira é possível utilizar o LabView para controlar um CI, já que o CI SN utiliza estes valores de tensão para converter para os valores lógicos FALSO e VERDADEIRO, respectivamente (ver [2]). 2.4 Sinal Pulse Width Modulation (PWM) Existem diversas situações em que se deseja controlar a tensão aplicada a uma carga resistiva (por exemplo, a uma lâmpada, para controlar a sua luminosidade, ou a um motor de CC, para controlar sua velocidade de rotação). É possível controlar a tensão média aplicada a uma carga resistiva R L utilizando um circuito divisor de tensão com um potenciômetro. No entanto, este circuito tem o inconveniente de ser difícil de controlar de forma automática a resistência do potenciômetro. Uma forma alternativa de diminuir a tensão média aplicada a uma carga resistiva R L seria interromper de forma intermitente o fornecimento de corrente para a carga. Uma maneira de se obter esta intermitência seria chavear rapidamente o circuito da Fig. 4, fazendo com que a média da tensão sobre a carga diminua proporcionalmente ao tempo em que a chave permanece fechada em relação ao que ela permanece aberta. Fazer o chaveamento manual do circuito da Fig. 4 não seria algo muito prático para fins de controle da tensão média aplicada a uma carga resistiva (e no caso do motor de CC, controlar a sua velocidade de rotação). Uma maneira para fazer este chaveamento seria utilizando componentes eletrônicos que funcionam como uma chave controlada por um sinal de tensão ou de corrente. O CI SN pode atuar como esta chave, controlada utilizando o pino 1,2EN do CI. É sobre este terminal que atuará o sinal conhecido como PWM. PWM vem da sigla em inglês Pulse Width Modulation ou Modulação por Largura de Pulso. Este sinal nada mais é do que uma onda quadrada (sinal que adota dois valores, um baixo e um alto) que tem o período de tempo com nível alto variável. A porcentagem de tempo em que a onda quadrada permanece com seu nível alto é conhecida como seu ciclo de trabalho, ou pelo termo inglês duty cycle (ver Fig. 5 e Eq. (7)). Duty Cycle % = Tempo do ciclo de trabalho ativo Período da onda 100 (7) Figura 4: Formas de variar a tensão média aplicada a uma carga R L. 3

4 12V 6V 0V Figura 5: Exemplo de um sinal PWM. 3 Lista de material Itens por grupo: 1. 1 CC de 12 V 2. 1 CI SN fonte CC 4. 1 multímetro digital com cabos jacaré osciloscópio com uma ponta de prova cabos banana-banana para conexão na fonte 7. fios ou jumpers 8. 1 placa/suporte para o CI 9. 1 computador licença do software LabView placa de aquisição dados NI DAQ USB chave de fenda para os conectores da placa de aquisição suporte universal garra disco com ângulos 4 Prática No laboratório: Nesta atividade, montaremos um circuito para o acionamento de um motor CC utilizando uma ponte H (ver Fig. 2). A tensão de alimentação do motor CC é de 12 V, que virá da fonte CC. Ajuste a corrente máxima da fonte CC para 500 ma. 1) Alimente o motor CC com 12 V diretamente na fonte CC. É esperado que o motor rotacione. 2) Inverta a polaridade da alimentação do motor CC. Isto é feito trocando de posição os fios do motor que são alimentados por cada uma das saídas da fonte. Repare o que aconteceu com a rotação do motor. 3) Diminua na fonte a tensão que alimenta o motor. Repare o que aconteceu com a rotação do motor. A partir de qual tensão o motor começa a girar? 4) Desligar a fonte. 5) Para fazer o controle de posição do motor, desejamos poder controlar a tensão elétrica (tanto sua intensidade quanto sua polaridade) que alimenta o motor de forma automática. Como não podemos fazer isso diretamente com a fonte CC, usaremos o CI SN para controlar a tensão que alimentará o motor com o auxílio do LabView. 6) Conecte o saída de 5 V da placa de aquisição ao pino Vcc1 do CI (ver na Fig. 3 qual o pino). 4

5 7) Conecte o pino AO0 da placa de aquisição à entrada 1,2EN do CI. Este pino controla se o motor recebe ou não tensão nos seus terminais (ver tabela na Fig. 3). 8) Conecte o pino P0.0 da placa de aquisição à entrada 1A do CI. Conecte o pino P0.1 da placa de aquisição à entrada 2A do CI. Os terminais 1A e 2A do CI controlam a polaridade da tensão nos terminais do motor. Eles sempre devem ser logicamente inversos um do outro (ou seja, se 1A é verdadeiro 2A deve ser falso, e vice versa). 9) Ligue o computador e o LabView. Conecte a placa DAQ a uma entrada USB do computador. 10) Crie uma VI no LabView que seja capaz de controlar a direção e velocidade de rotação do motor. Para isso, você irá utilizar: (a) Um bloco DAQ Assistant que será responsável por realizar a comunicação do LabView com a saída analógica da placa de aquisição. Configure-o na opção Generate Signals > Analog Output > Voltage > AO0. Coloque Generation Mode em 1 Sample (On Demand). (b) Um bloco DAQ Assistant que será responsável por realizar a comunicação do LabView com a saída digital da placa de aquisição. Configure-o na opção Generate Signals > Digital Output > Line Output > Port 0/Line 0 e Port 0/Line 1. Coloque Generation Mode em 1 Sample (On Demand). (c) Um bloco Simulate Signal. Nas propriedades do sinal, selecione Square no tipo de sinal (onda quadrada), frequência de 30 Hz, amplitude de 2,5 V, offset de 2,5 V e número de amostras por segundo igual a 145 e número de amostras igual a 1. Isto irá gerar um sinal PWM que tem amplitude 5 V. (d) Um slide que vai de -100 a 100 (é possível ajustar estes valores clicando no primeiro e no último valor). Este slide será utilizado para controlar o ciclo de trabalho no sinal PWM enviado para o motor, bem como o sentido da rotação do motor. (e) Um bloco timer fornecido no laboratório. O sentido de rotação do motor será controlado pelo sinal do slide 11) O primeiro DAQ Assistant será utilizado para controlar a velocidade do motor. A saída da onda quadrada (sinal PWM) deve ser à entrada EN do timer, e a saída EN do timer deve ser ligada a este DAQ Assistant. 12) A direção do motor deve ser determinada pelo sinal do slide. Para isso utilize um bloco comparador Greater or Equal Zero. 13) Para a entrada do segundo DAQ Assistant, deve ser utilizado um bloco Build Array com duas entradas. 14) O segundo DAQ Assistant será utilizado para controlar a direção do motor. A saída deste DAQ Assistant irá para as entradas 1A e 2A do CI. Portanto elas devem ser o inverso lógico uma da outra. Para isso utilize um bloco not. 15) Utilize um bloco Absolute Value para computar o módulo do valor dado pelo slide. O módulo computado deve ser utilizado como valor do Duty Cycle da onda quadrada (bloco Simulate Signal). 16) A saída da onda quadrada (sinal PWM) deve ser a entrada EN do timer, e a saída EN do timer deve ser ligada a este DAQ Assistant. 17) A saída STOP do timer deve ser ligada ao terminal de critério de parada do laço while (não utilizar botão para a parada do while). 18) Conecte o GND da placa de aquisição (ver no manual da placa qual o pino) ao GND do CI (ver na Fig. 3 o pino). Além disso o terra da fonte deve ser ligado ao GND da placa de aquisição e do CI. 19) Deixe a fonte de tensão desligada. Execute a VI criada pelo grupo. Utilize o osciloscópio para medir o sinal PWM gerada na saída AO0 da placa de aquisição. Tenha certeza que o osciloscópio está com o modo de acoplamento DC. Verifique se o ciclo de trabalho do sinal PWM mostrado no osciloscópio corresponde ao valor no slide. Copie a onda mostrada no osciloscópio para os valores de ciclo de trabalho de 10 %, 50% e 80%. 20) Conecte cada terminal do motor CC às saídas 1Y e 2Y do CI. Chame o Professor antes de passar deste ponto! 21) Conecte a saída de 12 V da fonte CC ao pino Vcc2 do CI (ver na Fig. 3 qual o pino). 5

6 22) Ligue a fonte de tensão, ajuste a tensão de saída para 12 V e execute a VI. Utilize o osciloscópio para medir o sinal fornecido ao ENABLE do CI. Tenha certeza que o osciloscópio está com o modo de acoplamento DC. Varie o ciclo de trabalho do sinal PWM com o slide e anote os valores de tensão médio para os valores de ciclo de trabalho de 10 %, 50% e 80%. Além disso, anote o menor ciclo de trabalho para que o motor rotacione. Qual o valor médio da alimentação do motor neste caso? 23) Salve a VI criada. Ela será utilizada nas próximas práticas. 24) Preencha a Fig. 6 com as ligações feitas no circuito e os valores de tensão na fonte CC. Esse item deve ser feito com muito cuidado, já que será utilizado no Lab 6. Fonte CC Figura 6: Diagrama esquemático do circuito montado. O diagrama deve ser completado no Laboratório. Para o relatório: Os gráficos e cálculos podem ser feitos com o auxílio do software de preferência do grupo (um exemplo de software que pode ser utilizado é o LabView utilizado na aula). A maneira como os gráficos e cálculos foram feitos devem ser explicados no relatório. 1) Coloque uma cópia (tanto o Front Panel quanto o Block Diagram) da VI criada no laboratório. Explique a função de cada bloco da VI e quais são suas variáveis de entrada e saída, destacando as que foram utilizadas no experimento. 2) Descreva o comportamento do motor quando a tensão aplicada na armadura do motor é alterada. 3) Coloque uma cópia do gráfico mostrado pelo osciloscópio do sinal PWM gerado pela placa de aquisição para cada um dos ciclos de trabalho pedidos. Os ciclos de trabalho dos sinais gerados correspondem aos valores dos slide? 4) Descreva o comportamento do motor para cada posição dos switches presentes no Front Panel da VI. 5) Coloque uma cópia dos diagrama esquemático com as ligações (Fig. 6). 6) Faça uma associação entre os três estados da ponte H mostrados na Fig. 2 e os estados lógicos das entradas 1,2EN, 1A e 2A do CI SN Referências [1] K. Ogata, System Dynamics [2] Texas Instruments, SN Quadruple Half-H Driver datasheet,