PLATAFORMA EXPERIMENTAL PARA MODELAGEM MATEMÁTICA DE MÓDULOS PROPULSORES ELÉTRICOS

Transcrição

1 PLATAFORMA EXPERIMENTAL PARA MODELAGEM MATEMÁTICA DE MÓDULOS PROPULSORES ELÉTRICOS MANUEL M. P. REIMBOLD 1, AIRAM SAUSEN 1, PAULO SAUSEN 1, LUIS F. SAUTHIER 1, FLAVIO KIECKOW 2 1. Laboratório de Robótica, Departamento de Ciências Exatas e Engenharia, UNIJUI Rua Lulu Ingelfritz, Nº 480, Bairro São Geraldo - CEP Ijuí (RS) manolo@unijui.edu.br, airam@unijui.edu.br, sausen@unijui.edu.br, luis.sauthier@unijui.edu.br 2. Laboratório de Mecânica, Departamento das Engenharias e da Ciência da Computação, URI Rua Universidade das Missões, Nº CEP: Santo Ângelo (RS) fkieckow@urisan.tche.br Abstract In Unmanned Aerial Vehicle the stability depends on the propulsion system, which consists by propeller, brushless cc motor, and electronic speed controller. This set has non-linear dynamic performance, making the mathematical modeling realization essential, for control techniques implementation. The model is obtained by System Identification theory, from data input output relationship, which are extracted from experimental platforms. The purpose of this paper is to present the data acquisition system developed in laboratory; it is used to test electric propulsion modules. The developed system follows the methodology: creation, design, simulation, integration and testing, applied in each module and in the system as a whole. The resultant prototype consists of three blocks: seesaw, data acquisition console and processing, and software. In this way, the prototype allows monitoring of thrust, angular velocity, current and electric potential difference of the battery. The developed system consists of a measuring instrument that can be used as resources for teaching and research in undergraduate and graduate programs. Keywords Robotic, VANTS, Data Acquisition, Testing Platform. Resumo Nos Veículos Aéreos Não Tripulados a estabilidade depende do sistema de propulsão, que é composto por hélice, motor cc brushless e controlador eletrônico de velocidade. Este conjunto apresenta um desempenho dinâmico não linear, tornando a realização da modelagem matemática, para a implementação de técnicas de controle, fundamental. O modelo é obtido da teoria de Identificação de Sistemas a partir da relação saída-entrada de dados, os quais são extraídos de plataformas experimentais. O objetivo deste trabalho consiste em apresentar o sistema de aquisição de dados desenvolvido em laboratório que é utilizado no ensaio de módulos de propulsão elétrica. Seu desenvolvimento obedece à metodologia: concepção, projeto, simulação, integração e realização de testes, aplicadas a cada módulo e ao sistema como um todo. O protótipo resultante é composto por três blocos: gangorra, console de aquisição e tratamento de dados, e software. Dessa forma, o protótipo permite monitorar empuxo, velocidade angular, corrente e diferença de potencial elétrico da bateria. O sistema desenvolvido constitui-se em um instrumento de medição que pode ser utilizado como recurso de ensino e pesquisa em cursos de graduação e pós graduação. Palavras-chave Robótica, VANTs, Aquisição de dados, Plataforma de Testes. 1 Introdução Um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) ou UAV (Unmanned Aerial Vehicle) é uma aeronave que não necessita de um piloto embarcado para ser dirigida (PAULA, 2012). Normalmente, os VANTs são usados em tarefas que colocam em risco a vida ou a segurança dos pilotos. Segundo a MARKTESANDMARKETS (2014), o valor das vendas dessas aeronaves aumentará de USD 7,098 bilhões registrados em 2013 para USD 8,351 bilhões até Entre os VANTs que se destacam atualmente estão os que possuem capacidades de sustentação, navegação e aterragem vertical ou VTOL (Vertical Take-Off and Landing). A arquitetura destes obedece a um arranjo de vigas rígidas fixadas a um ponto comum (base). Em cada viga é colocado um sistema de propulsão eletromecânica, o qual se constitui de hélice, motor de corrente continua e controlador eletrônico de velocidade, como ilustrado na Figura 1. Figura 1. Sistema de Propulsão Eletromecânica. A mobilidade, estabilidade e percepção tridimensional dessas aeronaves dependem da relação entre a velocidade angular e o empuxo do sistema de propulsão. Esse desempenho comportamental tem

2 sido descrito utilizando modelagem matemática fenomenológica ou caixa branca. Porém, estas técnicas não são eficientes quando alguns fenômenos são difíceis de deduzir, ou há o desconhecimento de leis físicas que os regem, ou elas são tão complexas que tornam a utilização dos modelos matemáticos impraticáveis pela limitação de tempo e de recursos. A Identificação de Sistemas é uma área do conhecimento que estuda técnicas alternativas à modelagem matemática caixa branca (Aguirre, 2004). Na aplicação destas técnicas exige-se pouco ou nenhum conhecimento prévio do sistema, entretanto, os dados dos sinais de entrada e de saída são fundamentais na obtenção do modelo. Ao conjunto dessas técnicas denomina-se de "identificação caixa preta ou modelagem empírica" (Ljung, 1994), e os modelos resultantes são fisicamente mais significativos. Os dados são coletados a partir dos terminais do sistema, reduzindo a possibilidade de um colapso mecânico ou elétrico. Isto torna a identificação um processo não invasivo e, portanto, passível de ser utilizado na modelagem matemática de módulos de propulsão eletromecânica. Para empregar as técnicas de Identificação de Sistemas nesta investigação, uma plataforma para experimentação, aquisição e tratamento de dados foi desenvolvida. O principal objetivo deste artigo consiste em apresentar o sistema de experimentação, aquisição e tratamento de dados projetado nos laboratórios do GAIC (Grupo de Automação Industrial e Controle) da UNIJUI, o qual é utilizado no ensaio de módulos de propulsão elétrica. Seu desenvolvimento obedece à metodologia: concepção, projeto, simulação, integração e realização de testes, aplicada a cada módulo e ao sistema como um todo. Cabe salientar que a orientação de um VANT do tipo multirrotor demanda três movimentos no espaço: pitch, roll e yaw. Estes são realizados sobre os eixos originados a partir do centro de massa da aeronave. Portanto, a expectativa deste trabalho consiste em obter know-how suficiente para desenvolver novas plataformas de ensaio. Estas deverão permitir a modelagem matemática do desempenho de módulos propulsores eletromecânicos nos três eixos. Este trabalho está organizado em 4 seções. Na Seção 2 é apresentado o objeto de estudo: Módulo de Propulsão Eletromecânico. Os blocos e os circuitos eletrônicos que constituem a plataforma são definidos na Seção 3. Na Seção 4 são expostos os resultados e as discussões. Finalmente, na Seção 5, são apresentadas a conclusão e a proposta para trabalhos futuros. 2 Módulo Propulsor Elétrico Propulsão é o processo de alterar o estado de movimento ou de repouso de um corpo em relação a um dado sistema de referência (Rodrigues, 2009). Esse processo é realizado por vários meios, usandose fontes de energia diversas. A propulsão elétrica utiliza energia elétrica para acelerar o propelente e produzir empuxo. As fontes de energia elétrica (painéis solares, baterias, etc) são, normalmente, separadas do mecanismo que produz o empuxo. O módulo de propulsão eletromecânica, objeto de estudo neste trabalho é constituído de hélice, motor BLDC (Brushless Direct Current) e controlador de velocidade ESC (Electronic Speed Control) conforme ilustrado na Figura 2. Figura 2. Esquema do sistema propulsor elétrico sem a hélice. Hélice A hélice é um termo que designa um conjunto de pás fixadas em um cárter ou cubo central, onde cada pá é caracterizada pela forma da ponta, borda de fuga e borda de ataque como ilustrado na Figura 3. Figura 3. Hélice e suas partes. Cada pá de uma hélice é, essencialmente, uma asa rotativa. Ao haver rotação segundo um eixo, há propulsão, e cada pá descreve uma trajetória helicoidal no espaço. Consequentemente, a hélice empurra o que está em redor (geralmente fluido) convertendo dessa forma, energia rotacional em translacional, deslocando assim o objeto no qual está acoplada. As pás agem como asas e produzem força obedecendo ao princípio de Bernoulli e à 3ª lei de Newton, criando uma diferença de pressões entre ambas as superfícies das pás. A quantidade de movimento que passa por ela, gera uma reação que acelera o corpo contra o deslocamento de ar denominado de empuxo. Valores de empuxo e torque dependem das diversas características construtivas da hélice, como o número de pás, o tipo de material, o diâmetro, o passo, entre outras (Silva, 2011). A força necessária para girar as pás é fornecida por um motor.

3 Motor BLDC O motor BLDC se caracteriza por não possuir ponto de contato entre rotor e estator. Outra característica é o imã permanente que gira em torno do próprio eixo. São motores que apresentam potência elevada, alto torque, baixa inercia, menor tamanho, operação silenciosa, entre outras. No caso do motor que utiliza três fases, as bobinas são inseridas no estator formando três grupos distintos, conectados em delta e defasados 120 um em relação a outro (Ver Figura 4). Gangorra A gangorra tem como base o princípio da alavanca. Numa das extremidades é colocado o módulo propulsor elétrico e, na outra extremidade uma balança. O suporte do motor brushless pode ser deslocado ao longo da estrutura dependendo das características do ensaio. Isso torna o equipamento flexível na utilização de motores de maior e menor potência elétrica. A concepção da gangorra é ilustrada na Figura 6. Figura 6. Concepção da gangorra para ensaios. Figura 4. Diagrama do motor brushless. Controlador de Velocidade - ESC O ESC é um sistema que se divide em dois blocos: um de controle e outro de potência como ilustrado na Figura 5. Console O console de controle faz a ligação entre a gangorra, o computador e o usuário. Esse é totalmente eletrônico e sua função é adquirir e verificar dados de diversas grandezas como diferença de potencial elétrico do controlador de velocidade (V ESC ), corrente elétrica consumida pelos motores (I ESC ) e, modulação da largura do pulso (T p ) que controla a velocidade do motor. Os dados são coletados e tratados por três microcontroladores PIC18f4550. A Figura 7 mostra um esquema do console. Figura 5. ESC (Electronic Speed Control). O primeiro bloco é constituído por um microcontrolador. A partir de um sinal PWM (Pulse Width Modulation), o microcontrolador gera três sinais PWM trapezoidais e defasados de 120º. O segundo bloco do ESC é constituído por transistores MOSFETS, dois por fase. O liga e desliga desses faz a excitação do respectivo enrolamento provocando o giro do motor. 3 Plataforma Experimental O objetivo da plataforma experimental é obter dados dos sinais de excitação e resposta do módulo de propulsão elétrica. Ela se constitui em três blocos: gangorra, hardware e software para condicionamento e tratamento de dados. Figura 7. Esquema do console de aquisição e tratamento de dados.

4 Os três microntroladores PIC18f4550 gerenciam o processo de aquisição das variáveis físicas, controlam o mostrador de dados, modulam a largura do pulso e, enviam os dados ao PC (Personal Computer) via porta USB (Universal Serial Bus). O controle da largura do pulso tem duas possibilidades. Uma é por meio dos potenciômetros do console. E a outra é por software. A seguir serão apresentados os circuitos de aquisição de velocidade, corrente e diferença de potencial da bateria. Estas duas últimas permitem verificar a potência consumida pelo motor. Figura 9. Circuito para aquisição da velocidade angular. Aquisição da Velocidade Para a aquisição de velocidade foi utilizado sensor óptico TCRT5000 inserido num circuito eletrônico como ilustrado na Figura 8. Figura 8. Circuito eletrônico do sensor óptico TCRT5000. Seu princípio de funcionamento se baseia na reflexão ou não do feixe de luz infravermelho quando utilizadas superfícies claras ou escuras. Dessa forma, o sensor é composto por um LED emissor, e um foto transistor como receptor. Seu principio de funcionamento é semelhante a um interruptor, gerando uma forma de onda quadrada no terminal de saída. Esta pode ser interpretada pela interrupção externa de um microcontrolador. Entretanto, com a indisponibilidade da interrupção externa, é necessário um conversor de frequência para tensão. O circuito integrado LM331 é o componente utilizado para essa finalidade. Este componente consiste num conversor de frequência para tensão, indicado para conversão analógico-digital, integração de longo termo e demodulação linear de frequência, entre outras. A conversão para valores de frequência é realizada a partir da equação 1 disponibilizada pelo fabricante. (1) A equação (1) pode agora ser implementada no microcontrolador, e a partir da conversão A/D do mesmo, obter a velocidade angular do motor. Assim é possível definir o circuito de aquisição da velocidade angular do motor, conforme ilustrado na Figura 9. Aquisição da corrente Outro ponto importante no projeto é a aquisição da corrente de consumo dos motores. Os motores brushless possuem 3 fases. Sendo assim cada fase consome 1/3 da corrente total dos motores. O monitoramento do consumo de corrente é feito por um sensor conectado na alimentação do ESC. Como a corrente consumida pelo sistema de controle do ESC é muito menor que a corrente nominal do motor, a corrente do sistema de controle do ESC pode ser desconsiderada. O sensor selecionado, uma vez que atende os requisitos de projeto, é o LA25NP. O circuito eletrônico da aquisição da corrente é ilustrado na Figura 10. Figura 10. Circuito eletrônico da aquisição de corrente do motor brushless. No circuito da Figura 10, os componentes passivos formam um filtro passa baixo. A finalidade é filtrar ruídos, uma vez que estes podem interferir na mensuração da corrente. O diodo zener visa proteger o canal analógico do microcontrolador. Valores superiores a 5,0V podem danificar o canal analógicodigital. Aquisição da diferença de potencial da bateria Uma bateria de LiPo é composta de duas ou mais células de carga. Cada célula possui uma tensão nominal 3,7V. Desta forma, uma bateria 2S, significa que ela é composta de duas células de 3,7V, formando uma bateria de 7,4V. Uma bateria de 3S (3 células) é composta por 3 células fornecendo 11,1V. A utilização do tipo (número de células) de bateria é definida a partir do motor. O motor brushless possui em suas características a tensão máxima de trabalho,

5 que é diretamente relacionada à velocidade de giro do motor. As células das baterias são conectadas em série como mostrado na Figura 11. escrito utilizando C#. A partir da emulação de uma porta USB (função OTG), o usuário consegue controlar o fluxo de dados comunicando-se com o microcontrolador. O software em C# permite visualizar os dados em forma tabulada e gráfica, e imprime relatórios em formato *.txt das variáveis envolvidas no ensaio experimental como ilustrado na Figura 14. Figura 11. Estrutura de bateria LiPo de três células. O monitoramento da diferença de potencial elétrico de cada célula é necessário, uma vez que sua redução influência o desempenho do sistema módulo propulsor elétrico. O circuito eletrônico para monitoramento das células da bateria é ilustrado na Figura 12. Figura 12. Circuito de aquisição da tensão. A aquisição da diferença de potencial da bateria é extremamente fundamental para preservar a vida útil da mesma. A Figura 13 ilustra o nível mínimo de tensão que cada célula pode atingir sem danificar a bateria. Figura 14. Plataforma virtual para controle e tratamento de dados. Uma função implementada no software é o monitoramento da carga da bateria. Ao atingir o nível mínimo, como indicado no gráfico da Figura 13, o programa desliga o motor imediatamente. Um sinal sonoro indica a descarga completa da bateria, alertando o usuário da plataforma. A velocidade dos motores é também ajustada na tela conforme se observa na Figura 14. Tal ação pode ser realizada de duas formas. Primeiramente por meio da barra horizontal localizada imediatamente abaixo do ícone Enviar. E num segundo momento utilizando a caixa de texto, informando o valor do ciclo de trabalho (Duty Cycle) do PWM. Os dados obtidos podem ser salvos em formato *.txt clicando no ícone Salvar. Neste caso, por conveniência, os arquivos produzidos foram lidos utilizando Excel e/ou Matlab. Para limpar a tela onde os dados foram listados, basta clicar no ícone Limpar Dados. 4 Resultados Software Figura 13. Desempenho de descarga de uma célula. O software desenvolvido visa controlar a comunicação entre o console e o PC. Para isto dois programas são implementados, um no microcontrolador e outro no PC. Neste o software foi A coleta de dados é parte importante na Identificação de Sistemas. Por meio deles é possível modelar matematicamente o sistema em estudo. Este trabalho investigativo desenvolveu uma plataforma experimental para obter dados de entrada e saída visando testar módulos de propulsão elétrica. Dois resultados foram obtidos. Primeiro a plataforma para aquisição e tratamento de dados e segundo, a obtenção dos dados satisfatórios das grandezas físicas envolvidas na modelagem matemática. A plataforma apresentou leveza e baixo custo como esperado. Os principais materiais empregados na confecção da plataforma foram PVC (Policloreto de Vinila) e alumínio. Sua finalização é ilustrada na Figura 15.

6 investigado. O desempenho obtido é mostrado na Figura 17. Figura 15. Plataforma de Ensaios para módulos propulsores elétricos. A plataforma permite obter a corrente e a velocidade angular do motor. Para os primeiros testes se utilizou, como sinal de entrada, o perfil de corrente ilustrado na Figura 16. Observa-se nesta que o perfil é uma composição de degraus, e uma vez que a corrente é solicitada o motor se comporta com um sistema subamortecido. Isto conduz a pensar que o motor brushless pode ser modelado matematicamente por uma equação diferencial de segunda ordem. Figura 16: Perfil da corrente duty cycle do PWM. No perfil da Figura 16 é possível notar que variando o duty cycle do PWM, aproximadamente na faixa de 60% a 75%, a corrente máxima entregue ao motor brushless é de aproximadamente 14A. Acredita-se num primeiro instante que tal limitação é consequência do ESC. Com o perfil da Figura 16 mudando o duty cycle foram coletados dois conjuntos de amostras. O primeiro conjunto foi utilizado para obter o modelo matemático do módulo propulsor elétrico. Esse conjunto apresentou o desempenho ilustrado na Figura 17. Figura 17: 2ª. Amostra: Rotação versus corrente. A rotação máxima obtida ficou próximo a rpm (rotações por minuto). Ao analisar os gráficos, percebe-se que há contaminação dos dados com ruído. Entretanto, isto se apresentou de forma vantajosa, uma vez que as técnicas utilizadas se mostraram robustas na obtenção do modelo. 5 Conclusão O desenvolvimento deste trabalho teve duas etapas. A primeira etapa consistiu em conceber, projetar e desenvolver a plataforma experimental. E a segunda etapa consistiu na aquisição de dados para validação funcional da plataforma. Os sinais adquiridos para desenvolver a modelagem matemática do módulo propulsor elétrico apresentaram-se altamente poluídos. Embora não fosse a expectativa, estes permitiram testar inicialmente algumas técnicas de identificação. A robustez dessas foi satisfatória. Por tanto, a plataforma vem ao encontro de estudos a serem realizados posteriormente, constituindo-se em um instrumento de medição, o qual será utilizado como recurso de ensino e pesquisa em cursos de graduação e pós graduação. Dois trabalhos de investigação são imediatos. O primeiro visa conceber uma nova plataforma de ensaios utilizando célula de carga. O segundo consiste na substituição dos microcontroladores PIC18f4550 por um microcontrolador arm 32 bits córtex stm32f103. A expectativa é melhorar o desempenho do console. Agradecimentos Os autores agradecem à FAPERGS as bolsas concedidas para a execução deste trabalho investigativo. Referências Bibliográficas Figura 17: 1ª. Amostra: Rotação do motor versus corrente. O segundo conjunto de dados foi utilizado para validar o desempenho do modelo matemático Aguirre, L. A. (2004) Introdução à Identificação de Sistemas: Técnicas Lineares e Não-Lineares Aplicadas a Sistemas Reais. 2ª. ed. Belo Horizonte: UFMG.

7 Ljung, L. (1999) Systems Identification. Theory for the user. Prentice Hall, London. MARKTESANDMARKETS. Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Market ( ), Disponivel em: < com/market-reports/unmanned-aerial-vehiclesuav-market-662.htm>. Silva, L. P.; Cordeiro,C. S. (2011) Quadricóptero, aspectos gerais e análises da propulsão elétrica. Instituto Federal Fluminense, Rio de Janeiro. Rodrigues, L. E. M. (2009) Fundamentos da Engenharia Aeronáutica Aplicações ao Projeto AS E-AeroDesign. Princípios Fundamentais, Aerodinâmica, Propulsão e Análise de Desempenho. 1 a ed rev. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, São Paulo.