Nome do Projeto
Modelo matemático de motores de passo e motores de corrente contínua do tipo coreless e brushless
Ênfase
ENSINO
Data inicial - Data final
01/03/2018 - 28/02/2019
Unidade de Origem
Área CNPq
Engenharias - Engenharia Elétrica - Controle de Processos Eletrônicos, Retroalimentação
Resumo
Nos últimos anos o controle de sistemas não lineares tem recebido considerável atenção tanto no meio acadêmico como no industrial. Este recente interesse na análise e projeto de sistemas de controle não linear é devido ao desempenho insatisfatório de controladores lineares quando aplicados a plantas com acentuadas não linearidades ou plantas não lineares atuando sobre uma ampla faixa de operação, além do grande desenvolvimento de estratégias de controle baseado em modelos para sistemas não lineares (SANTOS, 2007).
Um sistema designa-se por não linear sempre que na sua constituição intervenha pelo menos um componente ou um subsistema não linear. Os sistemas não lineares não satisfazem o princípio da sobreposição, pelo que o seu comportamento depende da amplitude dos sinais que nele intervêm. Entende-se por controle não linear o conjunto de procedimentos destinados a fazer com que as variáveis de saída de um sistema não linear se aproximem de uma determinada referência e estabilizem numa vizinhança do seu valor. Como acontece no domínio linear, o controle não linear utiliza realimentação, quer da saída, quer do estado, para gerar um sinal de controle que vai atuar sobre o processo. Por vezes a cadeia de realimentação é projetada como sendo não linear, ou para compensar as não linearidades do sistema a ser controlado, ou para melhorar certos aspectos do controle (SILVA, 2006).
O objetivo deste projeto é despertar no aluno o interesse pela área de controle de processos apresentando uma aplicação prática para o conteúdo teórico relacionado a sistemas não lineares. Equações diferenciais não lineares. Não linearidades físicas como: saturação, zona morta e folga em engrenagens. Utilização de ferramentas de análise e projeto assistido por computador. Projeto de controladores lineares e não lineares.
Objetivo Geral
Apresentar um estudo de caso sobre os motores de passo e motores de corrente contínua do tipo coreless e brushless.
Justificativa
A vocação do presente projeto é permitir que aluno de engenharia de controle e automação ou de engenharia eletrônica ou de engenharia elétrica possa a partir de sucatas eletrônicas, colocar em prática o aprendizado obtido em disciplinas geralmente ministradas nos anos finais de sua graduação. Motores de passo podem ser encontrados em impressoras e scanners, motores de corrente contínua sem núcleo de ferro podem ser encontrados em brinquedos como quadricópteros. Nos veículos aéreos não tripulados (VANTs) também podem ser utilizados motores de corrente contínua sem escovas. O acionamento pode ser realizado utilizando-se a plataforma Arduino e circuitos integrados como o L298 (ponte H), o IRAMS10UP60A (conversor CC-CA trifásico), o ACS712 (sensor de corrente), o A1301 (sensor de efeito Hall), por exemplo. Como ferramenta de análise de circuitos elétricos é possível que o aluno utilize um dos vários módulos de aquisição de dados, com conexão USB, disponíveis no mercado (Analog Discovery da Digilent ou o módulo DT9812 da Data Translation, por exemplo). A fonte de alimentação pode ser a da própria sucata ou qualquer outra que atenda a demanda de potência elétrica. O mesmo conceito da fonte pode ser estendido para o encoder ótico, comumente encontrado em impressoras.
Pretende-se estimular práticas que ampliem o universo do Projeto Pedagógico dos Cursos citados. É a partir do modelo matemático que se definem as estratégias de controle de posição, de velocidade e de torque de motores elétricos. Também é um dos objetivos deste projeto de ensino impulsionar o desenvolvimento de atividades de pesquisa que levem a produção de TCCs de qualidade, haja vista a grande quantidade de TCCs que incluem em seus projetos os tipos de motores aqui tidos como alvo.
Considerando exemplares compactos destes três modelos de motores, pretende-se com a investigação aumentar a gama de exemplos que podem ser utilizados pelo professor em sala de aula para a ilustração de malhas de controle.
Pretende-se estimular práticas que ampliem o universo do Projeto Pedagógico dos Cursos citados. É a partir do modelo matemático que se definem as estratégias de controle de posição, de velocidade e de torque de motores elétricos. Também é um dos objetivos deste projeto de ensino impulsionar o desenvolvimento de atividades de pesquisa que levem a produção de TCCs de qualidade, haja vista a grande quantidade de TCCs que incluem em seus projetos os tipos de motores aqui tidos como alvo.
Considerando exemplares compactos destes três modelos de motores, pretende-se com a investigação aumentar a gama de exemplos que podem ser utilizados pelo professor em sala de aula para a ilustração de malhas de controle.
Metodologia
1 Motores de Passo
A identificação do modelo de um motor de passo é um dos objetivos deste projeto e inicialmente a modelagem a ser abordada será a empregada por Cardozo (2012). O modelo desenvolvido pelo autor foi implementado no ambiente computacional Simulink/MATLAB utilizando o bloco stepper motor da biblioteca do Simulink. Diferentemente de Cardozo (2012) na etapa de simulação do modelo, neste projeto serão criados blocos no Simulink com as equações que descrevem o modelo matemático do motor.
2 Motores Coreless
O ponto de partida para a modelagem dinâmica de um motor CC sem núcleo de ferro será a resposta em frequência apresentada por Martins (2015). Após a identificação do efeito da ressonância, o autor elaborou um modelo matemático capaz de reproduzir fielmente o comportamento do motor, especialmente em relação aos modos ressonantes. Foi realizada uma comparação entre esse modelo (terceira ordem) e o modelo tradicionalmente encontrado na literatura (primeira ordem), a fim de mostrar que o modelo de primeira ordem é inadequado ao estudo de sistemas de controle com alto ganho ou estrutura variável. Pretende-se com este projeto investigar outros métodos de modelagem para este tipo de motor.
3 Motores Brushless
O trabalho de Serighelli (2016) apresenta o modelo no espaço de estados de um motor Brushless Direct Current (BLDC). Segundo o autor a combinação de um controlador do tipo LQR (Linear Quadratic Regulator) com um observador de estados baseado no filtro de Kalman recebe o nome de controlador Linear Quadrático Gaussiano (LQG). A técnica de controle LQG baseia-se no conhecimento do modelo e é empregada em sistemas lineares. Uma vez que o motor BLDC é uma planta não linear, o autor linearizou o modelo em um dado ponto de operação para efetuar o controle da velocidade mecânica. Desta forma, a proposta deste projeto para este tipo de motor será identificar as não linearidades e considerá-las no desenvolvimento do modelo.
A identificação do modelo de um motor de passo é um dos objetivos deste projeto e inicialmente a modelagem a ser abordada será a empregada por Cardozo (2012). O modelo desenvolvido pelo autor foi implementado no ambiente computacional Simulink/MATLAB utilizando o bloco stepper motor da biblioteca do Simulink. Diferentemente de Cardozo (2012) na etapa de simulação do modelo, neste projeto serão criados blocos no Simulink com as equações que descrevem o modelo matemático do motor.
2 Motores Coreless
O ponto de partida para a modelagem dinâmica de um motor CC sem núcleo de ferro será a resposta em frequência apresentada por Martins (2015). Após a identificação do efeito da ressonância, o autor elaborou um modelo matemático capaz de reproduzir fielmente o comportamento do motor, especialmente em relação aos modos ressonantes. Foi realizada uma comparação entre esse modelo (terceira ordem) e o modelo tradicionalmente encontrado na literatura (primeira ordem), a fim de mostrar que o modelo de primeira ordem é inadequado ao estudo de sistemas de controle com alto ganho ou estrutura variável. Pretende-se com este projeto investigar outros métodos de modelagem para este tipo de motor.
3 Motores Brushless
O trabalho de Serighelli (2016) apresenta o modelo no espaço de estados de um motor Brushless Direct Current (BLDC). Segundo o autor a combinação de um controlador do tipo LQR (Linear Quadratic Regulator) com um observador de estados baseado no filtro de Kalman recebe o nome de controlador Linear Quadrático Gaussiano (LQG). A técnica de controle LQG baseia-se no conhecimento do modelo e é empregada em sistemas lineares. Uma vez que o motor BLDC é uma planta não linear, o autor linearizou o modelo em um dado ponto de operação para efetuar o controle da velocidade mecânica. Desta forma, a proposta deste projeto para este tipo de motor será identificar as não linearidades e considerá-las no desenvolvimento do modelo.
Resultados Esperados
O crescente número de processos de fabricação que utilizam motores elétricos, bem como o aumento no número de automações com operações de elevado grau de precisão tornam a área de controle de dispositivos eletromecânicos particularmente interessante.
Os motores de passo não se destacam pelo seu torque, nem por desenvolver diferentes velocidades, seu diferencial está em dividir o movimento de rotação de 360° em pequenos passos que garantem movimentos extremamente precisos. Os tradicionais motores de corrente contínua com escova permitem a simplificação do controle de velocidade, característica semelhante é apresentada pelos motores sem núcleo de ferro (coreless), com apenas dois terminais de ligação com a fonte. Neste contexto os motores de corrente contínua sem escovas (brushless) dependem da comutação eletrônica, porém permitem que altas velocidades mecânicas sejam atingidas.
Considerando exemplares compactos destes três modelos de motores, pretende-se com a investigação sobre o modelo matemático destes, aumentar a gama de exemplos que podem ser utilizados pelo professor em sala de aula para a ilustração de malhas de controle.
Os motores de passo não se destacam pelo seu torque, nem por desenvolver diferentes velocidades, seu diferencial está em dividir o movimento de rotação de 360° em pequenos passos que garantem movimentos extremamente precisos. Os tradicionais motores de corrente contínua com escova permitem a simplificação do controle de velocidade, característica semelhante é apresentada pelos motores sem núcleo de ferro (coreless), com apenas dois terminais de ligação com a fonte. Neste contexto os motores de corrente contínua sem escovas (brushless) dependem da comutação eletrônica, porém permitem que altas velocidades mecânicas sejam atingidas.
Considerando exemplares compactos destes três modelos de motores, pretende-se com a investigação sobre o modelo matemático destes, aumentar a gama de exemplos que podem ser utilizados pelo professor em sala de aula para a ilustração de malhas de controle.
Equipe do Projeto
| Nome | CH Semanal | Data inicial | Data final |
|---|---|---|---|
| ANTONELA BITTENCOURT MAAG | 20 | 04/05/2018 | 31/12/2018 |
| MARCELO ESPOSITO | 8 | 01/03/2018 | 28/02/2019 |
| OTÁVIO SOARES FOLHARINI | 20 | 04/05/2018 | 31/12/2018 |
| SIGMAR DE LIMA | 8 |