IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMAS DIDÁTICOS APLICADOS À MECATRÔNICA Mauro Hugo Mathias, Alexandre Liodoro da Silva UNESP - Universidade Estadual Paulista Júlio Mesquita Filho Campus Guaratinguetá Faculdade de Engenharia Departamento de Mecânica Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333 12516-410 Guaratinguetá, São Paulo, Brasil e-mail: mathias@feg.unesp.br Resumo. Este trabalho trata do projeto e implementação de módulos didáticos aplicados ao ensino de disciplinas relacionadas à área de mecatrônica, automação e robótica. No trabalho são apresentados detalhes da concepção de dois módulos didáticos que se aplicam ao acionamento de motores de passo e acionamento de servomotores de corrente contínua (cc). Estes sistemas foram elaborados com o objetivo de auxiliar estudantes na consolidação de conceitos e técnicas aplicados à sistemas de acionamento eletromecânico. Os módulos permitem ao usuário monitorar a operação dos diferentes blocos funcionais dos sistemas de acionamento. No projeto dos sistemas de acionamento e controle foram utilizados circuitos integrados dedicados bem como sistemas computacionais que otimizam a arquitetura do sistema, permitindo assim facilitar a visualização de seus detalhes construtivos. Palavras-chave: Mecatrônica, Automação e Controle, Motores de Passo, Servomotores. NTM - 667
1. INTRODUÇÃO Atualmente às áreas da robótica e mecatrônica tem recebido grande destaque no setor industrial como conseqüência do crescente uso de recursos de automação em empresas de diferentes setores. Está tendência é decorrente da disponibilidade de sistemas computacionais e mecatrônicos de baixo custo. A proposta deste trabalho consiste em apresentar a concepção de dois módulos de aplicação didática que envolvem fundamentos da mecatrônica. Os módulos visam integrar estudantes de graduação e pós-graduação a conceitos de sistemas de acionamento de motores de passo, servomotores, interfaces computacionais, linguagem de programação, sistemas de controle, etc. O primeiro módulo consiste de um sistema de acionamento de motores de passo de concepção eletrônica simples. Este módulo objetiva evidenciar aspectos importantes de sistemas de interfaces e de recursos de programação aplicado ao acionamento de atuadores de concepção digital. No segundo módulo o objetivo foi desenvolver um sistema de acionamento para o controle de um servomotor. Este módulo foi implementado através de circuitos integrados dedicados aos estágios de amplificação, controle de modulação de largura de pulsos (PWM) e inversão de sentido de rotação do motor através da comutação de corrente. Os dois módulos desenvolvidos vêm sendo utilizados como ferramenta de apoio à disciplina introdução à robótica do curso de graduação e fundamentos de mecatrônica do curso de pós-graduação; ambos da área de engenharia mecânica da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. 2. CONCEITOS DE ACIONAMENTO DE MOTORES DE PASSO O motor de passo é um tipo de motor síncrono que tem como característica a transformação de sinais digitais em movimentos incrementais, proporcionando assim sistemas de controle e acionamento de concepção simples, os quais não requerem sistemas refinados de controle de posição. Para o acionamento deste tipo de motor um sinal de entrada formado por um trem de pulsos induz a rotação do rotor a incrementos angulares (passos). O valor do passo dos motores é uma característica intrínseca a concepção e projeto dos mesmos. Os motores de passo em geral apresentam passos com ângulos típicos de rotação de 1,8, 2, 2,5, 5, 7,5, 15, etc. O sentido de rotação do rotor é controlado através da seqüência em que os dados (trem de pulsos) são enviados ao motor. O controle de velocidade angular é estabelecido através da freqüência com que o trem de pulsos é enviado ao motor. A limitação com relação ao último aspecto é que em freqüências elevadas o motor não responde apropriadamente, em vista dos motores de passo possuírem resposta relativamente lenta e torque muito baixo em altas velocidades. Motores de passo podem ser unipolares (utilizam uma fonte de tensão simples) ou bipolares (requer fonte de tensão simétrica). Segundo Histand [1] e Kenjo [2] os motores de relutância variável e de imã permanente são de ampla aplicação. A principal característica do motor de passo de relutância variável é sua inércia baixa, fator que possibilita resposta de acionamento rápida. Já o motor de passo de imã permanente tem como vantagem um pequeno torque residual, quando não energizado, porém isso lhe dá maior inércia e consequentemente uma baixa velocidade. As formas de acionamento de motores de passo podem ser, passo completo, entre-passo, meio-passo e micro-passo. 3. MÓDULO DE ACIONAMENTO DE MOTOR DE PASSO O módulo para acionamento de motores de passo foi implementado visando exemplificar um sistema de acionamento de ampla aplicação em mecatrônica, automação e robótica. A arquitetura do módulo esquematizada na Fig.1 foi desenvolvida para acionar dois motores de passo por intermédio da interface paralela de um microcomputador. Figura 1. Esquema do módulo de acionamento de motores de passo NTM - 668
No esquema o driver tem a função de excitar as bobinas dos motores. Este driver consiste de um circuito integrado ULN 2803 que tem a função de fornecer a potência necessária a operação dos motores. Um circuito lógico, não ilustrado na figura, foi utilizado entre a porta paralela e o driver para proteção dos circuitos internos à interface paralela. O conjunto de Led s representado no esquema permite visualizar como as informações binárias são enviadas ao driver. O controle do sistema é em malha aberta e comandado através de um programa computacional desenvolvido em linguagem C++. O programa permite o controle de um ou dois motores de passo de forma simultânea. A utilização deste módulo como recurso didático possibilita ao usuário visualizar as formas de acionamento em passo completo, entre-passo e meio-passo. O sistema permite a manipulação direta dos dados de entrada do programa, possibilitando ao usuário operar os motores sob diferentes condições de velocidade, sentido de rotação e posicionamento angular. Inovações estão em fase de desenvolvimento visando a utilização de linguagem visual, como C++ Builder e ou Delphi. O acionamento em micro-passo também vem sendo desenvolvido. 3.1 Programa de acionamento O módulo implementado possui uma interface homem-máquina bastante versátil e de fácil operação. O programa possibilita ao usuário realizar tarefas como mover dois motores de passo de maneira simultânea, estabelecendo assim um certo número de passos programável. O programa também permite a seleção de um número de movimentos consecutivos de forma que uma seqüência de movimentos para os dois motores seja executada de forma distinta. Na Fig 2 é ilustrado o formato da janela principal do programa. Figura 2. Tela principal do programa. Na janela, a opção (1) permite definir o tipo de acionamento. Ao definir esta opção uma nova janela é apresentada na tela de forma a permitir a escolha entre os acionamentos em passo completo, entre-passo e meio passo. A opção (2) zera os contadores. Na opção (3) a quantidade de passos a ser movida pode ser definida. Nesta opção os sinais positivo e negativo estabelecem o sentido de rotação dos motores. Por exemplo para rotação no sentido horário o número de passos dever positivo, já no sentido anti-horário o número deverá ser negativo. Na Fig 3 é ilustrada a janela correspondente a escolha da opção (3) da tela principal. Nesta opção o motor X deverá girar 35 passos no sentido horário e o motor Y girará 45 passos no sentido anti-horário. NTM - 669
Figura 3. Janela gerada pelo comando (3) da tela principal para acionamento do motor Outro recurso interessante do programa é a possibilidade de estabelecer o valor absoluto de passos dados pelo motor. Este recurso permite definir posição angular absoluta do eixo do motor dada em passos. Esses contadores podem ser zerados a qualquer momento através do comando (2) da tela principal, indicando uma posição de referência. A velocidade do motor também pode ser alterada através do comando (6) da tela principal. O sistema possui ainda um modo de operação manual onde o usuário pode através de quatro teclas, executar movimentos manuais, sem estabelecer qualquer coordenada. 4. CONCEITOS DO ACIONAMENTO DE SERVOMOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) O ajuste de velocidade de motores para diferentes condições de carga em sistemas mecatrônicos é um tópico de grande importância no campo de eletrônica industrial, Kissel [3]. Em aplicações de sistemas de acionamento que requerem alto torque o controle de acionamento de motores de corrente contínua é fundamental. Em sistemas como estes o comportamento da velocidade em relação à tensão aplicada é linear para uma faixa de velocidades, consequentemente recursos simples de acionamento e ajuste de velocidade podem ser desenvolvidos. Dentre as técnicas de ajuste de velocidades pode-se mencionar os sistemas que utilizam amplificadores lineares e os que utilizam a modulação por largura de pulsos (PWM), Ref.[2], Polonskii [5]. Embora ambas técnicas operem de forma satisfatória, ressalta-se que os amplificadores lineares apresentam a desvantagem de requerer elementos de dissipação robustos, tendo em vista que estes trabalham na região linear de operação de transistores, Sedra [4]. Por outro lado o controle por modulação de largura de pulsos (PWM) tem como vantagens, simplicidade de projeto, baixa potência e baixo custo. Neste trabalho um sistema de acionamento de servomotores de corrente contínua foi desenvolvido através da técnica de modulação de largura de pulsos. O sistema desenvolvido utiliza circuitos em ponte para a reversão do sentido de rotação dos motores. 4.1 Princípio de operação de amplificadores por modulação de largura de pulsos ( PWM ) O princípio de operação do PWM consiste na comutação rápida (em freqüência fixa) entre dois estados da tensão de alimentação na armadura (rotor) do motor. Usualmente o modulador PWM opera à freqüências superiores a 1KHz, assim a corrente resultante através do motor tem flutuação pequena em torno de um dado valor médio. No controle PWM o valor da potência média entregue ao motor é proporcional ao ciclo ativo ( duty-cicle ) do sinal PWM. O ciclo ativo é mantido durante um pulso variável de largura t para um dado período T, sendo definido de forma percentual como a razão entre o tempo em nível alto e o período da forma de onda, conforme a Eq. 1. t Ciclo Ativo = 100 % (1) T NTM - 670
4.2 Sistema de inversão de sentido de rotação de motores cc através de ponte H. Para o controle do sentido de rotação de servomotores cc é necessário inverter o sentido da corrente fornecida a armadura do motor. Para isto utiliza-se um amplificador de corrente e um sistema que possibilita comutar a direção da corrente. Uma das formas de comutar a direção dos motores é através de circuitos em ponte, Ref. [1]. O circuito com estrutura em ponte H é um dos mais eficientes para este controle. Este tipo de circuito utiliza quatro transistores de potência bipolares (BJT s) arranjados em uma configuração H em torno da armadura do motor. Atualmente a tecnologia MOSFET vem sendo utilizada com mais freqüência, por se tratar de um dispositivo de baixa dissipação de potência e de maior rendimento. O esquema do circuito em ponte H é ilustrado na Fig 4. Figura 4. Esquema do circuito em Ponte H. No esquema mostrado quando os transistores Q1 e Q3 são ativados, Q2 e Q4 permanecem desativados, assim a corrente flui através do motor no sentido indicado na figura e o motor gira em um dado sentido. Quando Q2 e Q4 são ativados, Q1 e Q3 estão desativados e a corrente flui no sentido contrário e o motor inverte o sentido de giro. 5. MÓDULO DE ACIONAMENTO DO SERVOMOTOR CC Neste módulo foi implementado através de técnicas de modulação por largura de pulso um sistema de acionamento e controle de velocidade de um servomotor cc. Um circuito em ponte H foi utilizado com o objetivo de inverter a rotação do motor. Através do sistema de controle implementado é possível controlar a velocidade do motor em uma faixa variando de 50 a 100% de sua velocidade máxima. Na Fig 5 é ilustrado o esquema do módulo implementado. Figura 5. Módulo de acionamento do servomotor cc. NTM - 671
No módulo descrito a velocidade do motor é controlada de forma realimentada através de um transdutor de velocidade acoplado ao eixo do motor. O sinal advindo do transdutor opera à uma freqüência proporcional à velocidade do motor. Este sinal é então convertido em sinal de tensão por um dispositivo (conversor) e enviado a um circuito diferencial, que tem a função de comparar o sinal de realimentação com o sinal de referência externo. O sinal de referência estabelecido através de um potenciômetro é o ponto de ajuste da velocidade do motor. O erro resultante dado pela diferença entre o sinal real e o de referência é enviado ao sistema PWM. Ester sistema tem a função de gerar um novo ciclo ativo, possibilitando assim corrigir possíveis alterações na velocidade do motor através do aumento ou diminuição da potência média entregue ao motor. 5.1 Descrição dos elementos do sistema Modulador de largura de pulso. Para a implementação do PWM foi utilizado o circuito integrado LM3524 da National Semiconductor, National [6]. Este integrado permite modular um sinal PWM na faixa de 0 a 50 %, ou 50 a 100%. O LM3524 possui duas saídas que podem drenar corrente de até 200mA com níveis tensão de 60V. No projeto desenvolvido o circuito PWM foi ajustado para modular sinais advindos do sistema de controle com ciclo ativo na faixa de 50 a 100%. Um circuito alternativo aplicado a PWM também foi desenvolvido através de um temporizador 555. Ponte inversora de rotação. O circuito em ponte H, também denominado inversor de rotação, foi implementado através do circuito integrado LMD18200, Ref. [6]. Este circuito pode ser aplicado no acionamento de motores cc e motores de passo com correntes limites de 3 A e tensões de 55 V. Por intermédio de entradas lógicas é possível frear, mudar o sentido de rotação e ou inserir um sinal PWM para controle da velocidade do motor. No módulo desenvolvido o sinal de entrada para os controles de freio e inversão de rotação foram implementados através de chaves push-button ao invés das entradas lógicas. Este recurso objetivou proporcionar melhor interação do usuário com o módulo. O LMD18200 possui também recursos como o sensor térmico que acusa temperaturas acima de 170 C e um sensor de corrente que produz um sinal proporcional à corrente que circula pelo motor, possibilitando assim o controle de corrente na armadura do motor. Conversor Freqüência - Tensão. O circuito integrado LM2907, Ref. [6] foi utilizado com o intuito de converter um sinal de freqüência em sinal de tensão. Este circuito foi aplicado na saída do transdutor de velocidade acoplado ao eixo do motor, permitindo assim realimentar o sistema através do circuito de controle. O conjunto LM2907 e transdutor de velocidade caracterizam o tacômetro do módulo. O tacômetro assim irá proporcionar um sinal analógico linear relacionado à velocidade do motor. Circuito de controle. O sistema de controle foi implementado através de amplificadores operacionais (LM741) estruturados em configurações aplicadas ao condicionamento e amplificação dos sinais de entrada e realimentação do sistema. 5.2 Aplicações didáticas do módulo. O módulo implementado pode ser utilizado como recurso didático de diversas formas, tais como as citadas abaixo: Demonstrar a concepção e operação dos elementos envolvidos nos sistemas de acionamento de servomotores cc; monitorar os sinais que possam auxiliar ao entendimento do comportamento do sistema e de seus elementos; visualizar e compreender conceitos de sistemas de controle em malha aberta e fechada; acessar dispositivos e técnicas de instrumentação aplicadas à realimentação de sistemas servocontrolados. 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS O desenvolvimento dos recursos didáticos mencionados acima consiste em uma das etapas para a implementação de sistemas que possibilitem auxiliar na estruturação de cursos voltados à área de mecatrônica no Departamento de Mecânica da Faculdade de Engenharia da Unesp - Campus de Guaratinguetá. Com estes sistemas foi possível agregar conhecimentos para execução de projetos voltados ao acionamento de motores. Os projetos resultaram em módulos que vêm auxiliando aulas práticas de cursos de mecatrônica e robótica, permitindo assim aos alunos consolidar os fundamentos da teoria de sistemas de acionamento através da manipulação de sistemas de acionamento digitais e analógicos. Dos resultados verificados em aula ressalta-se que o sistemas de acionamento para motores de passo é bastante versátil, permitindo ao usuário uma interface amigável para o controle dos motores. Neste módulo os alunos têm a oportunidade de desenvolver sistemas de automação explorando os conceitos dos diferentes tipos de acionamento de motores de passo. O aluno ainda pode explorar aspectos da operação dos motores à diferentes velocidades verificando as limitações citadas na literatura. NTM - 672
Com relação ao segundo módulo para o acionamento de servmotores o que se deve ressaltar é que este ainda não possui recursos de interação como os do primeiro. É importante destacar que este módulo é uma ferramenta que vem sendo utilizada até o presente para que o aluno consolide seus conhecimentos através da exploração prática da operação dos diferentes subsistemas que compõem um sistema aplicado ao acionamento e controle de servomotores. Portanto neste módulo foi necessário utilizar recursos de instrumentação para que o aluno monitorasse sinais em diferentes pontos do circuito, visando avaliar os aspectos do comportamento do sistema descritos na literatura. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] M.B. Histand, D.G. Alciatore, Introduction to mechatronics and measurement systems, Boston: Mc Graw-Hill, 1999. p400. [2] T. Kenjo, Eletric motors and their controls, Oxford: Oxford Science Publications, 1994. p178. [3] T.E. Kissell, Industrial eletronics applications for programmable controllers instrumentation & process control, and eletrical machines & motor controls, New Jersey: Prentice Hall, 2000. p871. [4] A S. Sedra, K.C. Smith, Microeletrônica, São Paulo: Makron Books, 1992. p1295. [5] M.M. Polonskii, Introdução à robotica e mecatrônica, Caxias do Sul: Educs, 1996. p146. [6] National Semicondutor Corporation, National Power Ics Databook 2900Semiconductor Drive, P.O. Box 58090, Santa Clara, CA 95052. NTM - 673