CONTROLE DE UM SERVO MOTOR Versão 2015 RESUMO Esta experiência tem como objetivo a familiarização e o projeto de um circuito de controle simples de um servo motor. A parte experimental inclui atividades de familiarização de um servo motor e depois de implementação de um circuito digital para controle de sua posição. OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Funcionamento de um servo motor; Modulação PWM; Circuito de controle. 1. PARTE TEÓRICA Um servo motor é um motor elétrico cuja principal diferença com outros motores é seu controle de posicionamento. É muito usado em aplicações, como automodelismo e aeromodelismo, onde o controle preciso de posicionamento de partes do equipamento é essencial para seu funcionamento. A figura 1 ilustra seu uso em aeromodelos. Figura 1.1 Exemplo de aplicação de servo motores. Internamente, como ilustrado na figura 1.2, um servo motor é composto por diversos elementos: Motor responsável pelo acionamento das engrenagens e eixo principal do servo motor; Engrenagens responsáveis pela redução da rotação do motor e aumento do torque; Encaixe de saída conexão de saída para controle; Potenciômetro usado para monitorar a posição do servo motor; Circuito de controle base do funcionamento do servo motor, monitora a saída do potenciômetro e a ativação do motor interno para manter a posição determinada pela entrada. Figura 1.2 Organização interna de servo motores. Controle de um Servo Motor - quadrimestral (2015) 1
O controle do servo motor é obtido por um sinal de entrada que apresenta níveis de tensão TTL e que especifica a sua posição. O formato deste sinal segue a modulação PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação por largura de pulso), conforme ilustrado na figura 1.3. Uma informação é codificada em modulação PWM através da largura do pulso em nível alto em relação ao período total de oscilação, ou seja, através do seu fator de forma (duty cycle). Figura 1.3 Modulação PWM e Fator de forma. A modulação PWM tem diversas aplicações. Uma aplicação simples é usá-lo para controlar a intensidade luminosa de um led, conhecida como dimmer de leds. Ao mudar a razão em que o sinal fica em nível alto é possível controlar o tempo em que o led fica iluminado e, assim, com uma frequência de oscilação adequada, temos a sensação de que é possível mudar sua intensidade luminosa. Em um servo motor, a posição é controlada com um sinal com período de 50 Hz e pulsos com largura de 1 até 2 ms, conforme ilustrado na figura 1.4. Variando-se a largura do pulso a posição pode ser variada em até 180º. Figura 1.4 Sinais de controle de um servo motor. A conexão do servo motor pode adotar alguns padrões diferentes, dependendo do fabricante. A figura 1.5 mostra a conexão do fabricante JR. Contudo, todas as conexões apresentam três sinais: TERRA ou VCC ou + (5V) Sinal de controle: sinal PWM com nível de tensão compatível com TTL. Figura 1.5 Conexões de um servo motor. Controle de um Servo Motor - quadrimestral (2015) 2
2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Atividades Pré-Laboratório Realize as atividades antes da realização da experiência no Laboratório Digital. 2.1.1. Familiarização com o Servo Motor Como primeira atividade deve ser realizada uma atividade de familiarização no Laboratório Digital em horário de OpenLab, antes de conectarmos o circuito de controle do servo motor a ser projetado. a) Localize o cabo de controle e identifique os sinais de controle do servo motor. Apresente no planejamento, as cores que identificam cada sinal. b) Acerte o gerador de sinais digitais do Analog Discovery para gerar um sinal periódico de 50Hz. Verifique como controlar o duty cycle do sinal para variar o período em nível alto entre 1 e 2 ms (veja figura 1.4). Anote os procedimentos e capture imagens no planejamento. c) Alimente o servo motor no painel de montagens experimentais e ligue o sinal de controle do servo motor no sinal gerado pelo Analog Discovery passando pelo circuito integrado 74LS365. d) Varie os valores da largura de pulso do sinal PWM e, com auxílio de um osciloscópio, anote as formas de onda e a posição do servo motor. Discuta os resultados. 2.1.2. Projeto do circuito de controle do Servo Motor Nesta experiência deverá projetado um circuito de controle de um servo motor com formas de onda conforme apresentado na figura 1.4. A especificação da interface do circuito de controle é apresentada na figura 2.1. posição entra Controle de um servo pwm clock Figura 2.1 Interface do circuito de controle de um servo motor. O sinal de controle PWM do servo motor é gerado a partir de dois sinais de entrada: posição: sinal de 3 bits que permite especificar a posição do servo motor. Os valores de entrada permitem ajustar o servo para a posição mínima (001), central (100) e máxima (111). O valor 000 deverá gerar uma saída nula 1 na saída. entra: a mudança do sinal de controle é acionada apenas com a borda de subida deste sinal. clock: sinal de clock de 50MHz da placa DE2. DICA: A geração do sinal de controle PWM pode ser realizada de várias formas. A primeira usa um contador e o acionamento da saída em nível alto é baseado na comparação da contagem com certos valores pertencentes a um determinado intervalo. Por exemplo, durante a contagem de um contador módulo 40, a geração de um sinal PWM com fator de forma de 25% pode ser realizada com a saída em nível alto durante os primeiros 10 valores de contagem. Uma alternativa é adotar o diagrama de transição de estados da Figura 2.2. Com base na adoção de um contador módulo N, enquanto a contagem for menor que determinado valor, a saída fica em nível ALTO. A partir deste valor, a saída fica em nível baixo até o final do ciclo de contagem. Este valor deve ser calculado para gerar o fator de forma desejado. O fator de forma ou duty cycle pode ser obtido pela divisão 100%(valor/N). e) Documente o funcionamento do projeto. Incluir cartas de tempo com a geração de diversas saídas com os diferentes fatores de forma. f) Procure documentar o circuito de forma a permitir uma futura alteração do projeto. 1 A saída nula é um sinal com valor 0V. Controle de um Servo Motor - quadrimestral (2015) 3
Figura 2.2 Um diagrama de transição de estados para o controle PWM. 2.2. Síntese do Circuito de Controle de um Servo Motor g) Sintetizar o circuito na placa de desenvolvimento FPGA DE2 da Altera, usando a seguinte designação de pinos. POSIÇÃO: chaves SW0 a SW2 ENTRA: botão KEY0 ou outra entrada CLOCK: CLK_50 PWM: GPIO_0[0] h) Executar os testes necessários para mostrar o correto funcionamento do circuito. i) Capture as formas de onda no osciloscópio. 2.3. Controle de um Servo Motor Neste item, o circuito de controle deverá ser ligado ao servo motor. j) Ligue a saída do circuito projetado na entrada de controle do servo motor, usando o circuito integrado 74LS365 para a interligação. k) Varie a posição com o acionamento das chaves e verifique o comportamento do servo. l) (DESAFIO) Implemente uma modificação especificada pelo professor ao projeto do circuito de controle. Documente o projeto. Demonstre seu funcionamento. Descreva no relatório as atividades experimentais executadas. 2.4. Atividades Pós-Laboratório m) Após realizar as atividades experimentais, responder as questões abaixo. 1. Explique como seria um sistema de controle de um sistema composto por dois ou mais servo motores? 2. Como o circuito de controle do servo motor pode garantir que o sinal PWM não apresente pulsos com largura fora dos limites de funcionamento correto do servo? Explique. 3. Apresente possíveis aplicações do circuito da experiência. Controle de um Servo Motor - quadrimestral (2015) 4
3. BIBLIOGRAFIA ALTERA. Altera DE2 Development and Education Board User Manual. 2008. Fairchild Semiconductor. TTL Data Book. Mountain View, California, 1978. FREGNI, E.; SARAIVA, A. M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, 1995. TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Digital Systems: principles and applications. 11 th ed., Prentice-Hall, 2011. WAKERLY, J. F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, 2006. 4. MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados TTL: 7400, 7404, 7408, 7432, 7485, 7486, 74138, 74157, 74161, 74175 (usar como referência). 74LS365. 5. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa, 5V 5%, 4A. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 computador compatível com IBM-PC com software Altera Quartus II. 1 placa de desenvolvimento FPGA DE2 da Altera com o dispositivo Altera Cyclone II EP2C35F672C6. 1 Analog Discovery da Digilent. Histórico de Revisões E.T.M./2014 versão inicial. E.T.M./2015 revisão Controle de um Servo Motor - quadrimestral (2015) 5