Projeto e implementação de um sistema de levitação magnética microcontrolado

Transcrição

1 Projeto e implementação de um sistema de levitação magnética microcontrolado "O projeto desenvolvido representa a integração de diversas ferramentas da Plataforma LabVIEW demonstrando todas as etapas do projeto de um sistema LEVMAG com um grau de liberdade. " - Evandro Rech, O desafio: Projetar um controlador embarcado para um sistema de levitação magnética (LEVMAG) a partir de simulações e ensaios prévios que permitam identificar sua função de transferência, efeitos de não-linearidades e faixa de operação. A solução: Inicialmente o circuito de acionamento foi dimensionado através da utilização do programa NI Multisim. Através do toolkit Control Design & Simulation foram realizadas simulações prévias de toda a planta e o ajuste dos parâmetros do controlador. Finalmente, utilizando os ganhos obtidos, o controlador foi embarcado no EK-LM3S8962 utilizando o NI LabVIEW Embedded Module for ARM. Autor(es): Evandro Rech - Projeto e implementação de um sistema de levitação magnética microcontrolado Professor orientador Alexandre Brincalepe Campo Instituição de ensino Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo Produtos utilizados 1) NI Multisim ) NI LabVIEW ) Control Design & Simulation Toolkit ) NI LabVIEW Embedded Module for ARM ) Evaluation Kit LM3S8962 Resumo O projeto desenvolvido representa a integração de diversas ferramentas da Plataforma LabVIEW demonstrando todas as etapas do projeto de um sistema LEVMAG com um grau de liberdade. Inicialmente é abordado o circuito de acionamento chaveado do eletroímã, para o dimensionamento de seus componentes e verificação de funcionamento utilizando o NI Multisim. Tendo estudado o funcionamento da interface de potência, seu modelo e o da planta são criados no toolkit Control Design & Simulation, introduzindo também as não-linearidades mais comuns de ambos os modelos. Através da aplicação da Teoria de Controle Moderno com Realimentação dos Estados e Imposição de Polos, é desenvolvido um controlador para ser embarcado em microcontrolador. Após simulações e ajustes, o mesmo controlador é utilizado no módulo LabVIEW Embedded for ARM. Introdução Neste artigo são demonstradas todas as etapas do projeto e implementação de um sistema LEVMAG com um grau de liberdade através da interação de diversas ferramentas em uma plataforma gráfica de desenvolvimento. A planta utilizada para os ensaios práticos é apresentada na figura Dimensionamento da interface de potência Optou-se pelo uso de um circuito de acionamento chaveado para a etapa de potência dada a sua eficiência. De acordo com referências, verificou-se que o uso de uma ponte-h assimétrica permite ao eletroímã do LEVMAG devolver energia à fonte e responder mais rapidamente. Por se tratar de uma ponte-h assimétrica, foi necessário dimensionar um circuito para acionamento de MOSFETs tipo N em low side e high side através do circuito integrado IR2110 e da técnica de bootstrap. Após o projeto, o circuito da figura 2 foi simulado através do NI Multisim, utilizando um gerador PWM para representar o controlador. Apesar de não haver um caminho direto para a carga do capacitor de bootstrap, esta foi mantida através de uma pequena corrente circulando pelo eletroímã. Verificou-se a necessidade de limitar o duty-cycle do PWM em valores máximo e mínimo para manter a carga necessária no capacitor para acionamento do MOSFET. Notou-se na simulação que um aumento na tensão VPWR ocasiona um aumento na corrente de fuga dos diodos 1N5822 cuja tensão reversa é 40V assim, para reduzir esse efeito, foram utilizados dois diodos em série em cada ramo do circuito. 2. Simulação integrada dos modelos A simulação do circuito pelo NI Multisim revelou que o seu modelo pode ser tratado como um simples circuito RL série e que as não-linearidades dos semicondutores utilizados podem ser desprezadas na aplicação. O simulador para o sistema LEVMAG utiliza como base modelos identificados na prática e largamente estudados. Para isso considera-se que a força magnética (FMAG) produzida pelo eletroímã é proporcional ao quadrado da corrente elétrica (i) nele aplicada e à derivada de sua indutância (L) com a posição (h) do objeto levitado, conforme a equação 1. (Tabela 1) As características do modelo do simulador foram obtidas da planta real (Fig. 1) a partir de ensaios de sua indutância em diferentes posições do objeto. A 1/5

2 As características do modelo do simulador foram obtidas da planta real (Fig. 1) a partir de ensaios de sua indutância em diferentes posições do objeto. A curva obtida de indutância é então aproximada a uma função exponencial através do NI LabVIEW. Para que a representação apresente os coeficientes necessários na modelagem, introduziu-se como referência a estrutura desejada para a função e então o coeficiente desconhecido foi obtido de forma interativa. Também através de ensaios, a curva de resposta do sensor de efeito hall utilizado para medir a posição (entreferro) foi levantada. Uma região linear na operação do sensor foi escolhida para sua utilização. Os modelos obtidos são linearizados e um controlador por realimentação de estados é dimensionado através de recursos do toolkit Control Design & Simulation no programa NI LabVIEW. Os ganhos obtidos são baseados em uma linearização em torno dos pontos H = 11 mm e I = 0,8A. A alocação dos polos foi feita a esquerda do plano complexo sem um critério de otimização, foram considerados apenas os resultados descritos nas referências utilizadas. No simulador são previstas otimizações que permitam ao controlador trabalhar apenas com números inteiros, além de prever outras características presentes no microcontrolador que será usado, como ganho, taxa de amostragem do ADC e velocidade de tratamento da rotina principal. Para o controlador operar apenas com números inteiros, a técnica utilizada foi elevar a ordem de grandeza das entradas para melhorar a resolução das operações seguintes. As divisões foram retiradas e substituídas, ao final da rotina, por uma única operação de deslocamento binário, realizando assim, apenas uma divisão e um truncamento. Na figura 3 é apresentado o diagrama de blocos utilizado na simulação e na figura 4 o painel frontal com as respostas obtidas. 3. Programação do EK-LM3S8962 A programação do evaluation kit LM3S8962 através do módulo LabVIEW Embedded for ARM utilizou o mesmo controlador elaborado no simulador. Foram apenas adicionados recursos para configuração dos periféricos, rotinas de interrupções, laços para garantir a ordem de execução das tarefas e um temporizador para fixar o tempo de execução da rotina. A figura 5 apresenta o diagrama de blocos elaborado. 4. Conclusões Demonstrou-se neste trabalho o projeto e desenvolvimento de um sistema LEVMAG com controlador embarcado. As ferramentas utilizadas propiciaram a elaboração gráfica e reaproveitamento de recursos em cada etapa de forma rápida e integrada. A simulação prévia do circuito projetado no NI Multisim levou a considerações importantes relativas às limitações dos componentes, de forma que correções fossem feitas antes da realização prática. Também foram avaliadas características de funcionamento que permitiram realizar aproximações no simulador elaborado na próxima etapa. Através de recursos diversos utilizados para a modelagem do sistema LEVMAG no NI LabVIEW e do toolkit Control Design & Simulation, foi elaborado um simulador com características similares à planta real, conforme comparação de resultados anteriores com trabalhos de referência. Com o controlador que será embarcado incluído na simulação, foram encontradas algumas dificuldades em ajustar os ganhos para a estabilização do sistema, da mesma forma que ocorreria ao realizar o experimento diretamente na prática, permitindo efetuar ajustes para o correto funcionamento. Para embarcar o controlador foi utilizado o módulo LabVIEW Embedded for ARM e bastou copiar a rotina já desenvolvida no simulador, incluindo poucos recursos extras. O teste definitivo do sistema completo ainda está em andamento, sendo que neste trabalho foram descritas todas as fases do desenvolvimento do sistema até o momento. Para o sistema físico são esperados resultados muito satisfatórios dadas as respostas do simulador. Também se presume que a implementação será rápida, pois apesar de possíveis ajustes que precisem ser realizados, o código fonte gráfico que será embarcado é muito simples. Em trabalhos futuros pretende-se utilizar no controle um regulador ótimo quadrático e realizar ensaios para monitoramento sensorless do entreferro. Com os recursos já descritos e também outras ferramentas como o System Identification Toolkit tais melhorias são possíveis, permitindo uma rápida implementação, com foco principal no problema de controle em si. Biografia do autor Evandro Rech, nascido em junho de 1985, é Tecnólogo em Sistemas Eletrônicos pelo Instituto Federal de São Paulo IFSP e Mestrando em Automação e Controle de Processos na mesma instituição. Profissionalmente exerce o cargo de Técnico de Ensino em eletroeletrônica no Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial SENAI Professor Vicente Amato. 2/5

3 3/5

4 Figura 1: Planta LEVMAG utilizada nos ensaios. Figura 2: Circuito de acionamento simulado no NI Multisim. Figura 3: Diagrama de blocos do simulador de sistemas de levitação magnética. 4/5

5 Figura 4: Painel frontal do simulador com as respostas obtidas. Figura 5: Diagrama de blocos do controlador embarcado no EK-LM3S8962. Informações legais Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA NOS TERMOS DE USO DA NI.COM ( ( 5/5