Home

CONSTRUÃ-Ã-O DE UMA BANCADA DIDÃ-TICA

1. Ap ndice D An lise de custos Rela o de componentes AP NDICE D AN LISE DE CUSTOS RELA O DE COMPONENTES 89 COMPONENTES PARA MONTAGEM DA BANCADA TOTAL 2 500 2 2 240 R 120 R 550 R 4400 Placa de PCI 15X20 cm Fenolite fibra cobreado Face simples 19 00 1700 0 R 8000 1 4 00 R R R R R N N Cabo simples 0 75 mm branco metro 2 40 Cabo simples 0 75 mm preto metro 5 4 00 4 2 0 5 2 0 5 7 R 384 1 R 120 O Terminal tipo agulha 100 1 Sindal p conex o 22 ER 0 75 R R R R R R R R R 3 75 CIRCUITO M DULO DE CONTROLE ANAL GICO PID R 036 6 Capacitoreletrol tico 10uF 50V I RS 015 5 015 8 Capacitoreletrol tico 47pF 50V I R 043 R 048 9 ResistorO6W 1kO 15 R 00 R 040 AP NDICE D AN LISE DE CUSTOS RELA O DE COMPONENTES 90 CIRCUITO M DULO DE CONTROLE DIGITAL 6 ResisorO6W 1kO 4 R 08 R 032 8 Resistor06W 2KkO Ta R 008185 032 9 Resistor06W 47K0 Rs 00 R 008 R AP NDICE D AN LISE DE CUSTOS RELA O DE COMPONENTES 91 FONTE DE ALIMENTA O CIRCUITOS DE ACIONAMENTO E CONTROLE A x QUNT PRE O DESCRI O TOTAL Transformador para Fonte de Alimenta o com Prim rio de 110 220 Volts e Secund rio de 2 A com
2. 27 3 10 Fonte do atuador 27 3 11 Diagrama de blocos dos m dulos da bancada 28 3 12 Circuito dO SGBD uu p Quy Ri e DE w 29 3 13 Sensor da Bancada MAGLEV a 30 3 14 Circuito do M dulo do Sensor 30 3 15 M dulo d Sens r cs ys s puas e 32 3 16 Circuito do M dulo de Controle 32 3 17 3 18 3 19 3 20 3 21 3 22 3 23 3 24 3 25 3 26 3 27 3 28 3 29 3 30 3 31 3 32 3 33 3 34 3 35 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 M dulo de controle anal gico 34 Pinagem do microcontrolador PIC18F4520 40 pinos encapsulamento DIP 34 Circuitos de condicionamento 36 Pinagem do conversor D A 4921 37 Est gio de sa da do MCP e do M dulo de Controle Digital 37 Esquem tico do circuito de comunica o serial 5 232 38 Esquem tico do circuito de grava o do PIC e pinagem do conector de cinco vias 39 M dulo de Controle Digital ao sumo o e Eb ag a 40 Circuito esquem tico do M dulo de Sele o 41 M dulo de Sele o RE REA a 43 Circuito do M dulo de Acionamento 44 M dulo de Acionamento __ e 45 Desenh
3. Rel Rel 1 1 1 1 1 Ler as chaves de sele o da estado de estado de estado de Ler as chaves de sele o dos controladores 2 RA4 C Externo C Digital C Anal gico grava o do modulo digital Bloco do selo do Controlador Externo Condi o para o controlador externo L 1 ligado L 2 desligado Cond p funcionamento ido C A Rel 3 desligado Liga luz NA Des iga Des iga Liga luz Desligado verde do LE luz vermel luz verde vermelha Desliga luz verde Liga luz vermelha Exec if chaexter 0 amp chadigit 1 s 1 1 o estado de 5 Grav do P L o estado de RBO C normal D indicador ha do LED indicador do LED indicador do LED indicador do LED indicador do LED indicador AP NDICE C PROGRAMA DO 6 628 PARA O M DULO DE SELE O 85 Bloco do selo do Controlador Digital Condi o para o controlador digital Bloco do selo do Controlador Anal gico Condi o para o controlador anal gico D indicador D indicador indicador indicador D indicador if chaexter 1 amp chadigit 0 s 1 1 r1 0 Rel 1 ligado r2 1
4. 2 R 500 R 1000 8 Conector header 10 pinos 180graus I R 025 R 025 9 Chave Push Button DS 314 Sem Trava Preta 6 R 135 CUSTO TOTAL DO EQUIPAMENTO Bancada Did tica MAGLEV R 940 60 M o de obra do bolsista respons vel pelo projeto periodo de tabalho R 3 504 00 equivalente a 12 meses Custo TOTAL R 4 444 60 Refer ncias Bibliogr ficas 1 Conectando um microcontrolador a um pc Eletr nica Total n 102 Setembro Outubro de 2004 2 Datasheet PIC 16F62x Flash based 8 bit cmos microcontrollers Microchip 1999 3 Datasheet PIC 16F87X 28 40 pin 8 bit cmos flash microcontrollers Microchip 2001 4 Datasheet PIC 18FXX2 High performance enhanced flash microcontrollers with 10 bit a d Microchip 2002 5 Jr Stephen D Umans A E Fitzgerald Charles Kingsley M guinas El tricas 6 ed Book man Porto Alegre 2006 6 Luis Antonio Aguirre Introdu o identifica o de sistemas Editora UFMG Belo Hori zonte 2004 7 Ivo Barbi Elet nica de Pot ncia 6 ed Edi o do Autor Florian polis 2006 8 M Rothe Neves O F Silva J A L Barreiros Metodologia para constru o de prot tipos did ticos para os cursos de controle e automa o de sistemas Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia 2004 9 Rafael Suzuki Bayma Constru o de Prot tipo Did tico para Laborat rio de Ensino e Pesquisa P ndulo Rotacional Trabalho de Conclus o de Curso Univ
5. ss pus sosok mada DEE E SR ES e Q m E AD Q Fones de alimenta o o w sur w TM SUMO M dulos da bancada 3 6 1 M dulo do Sensor 3 6 2 M dulo de Controle Anal gico 3 6 3 M dulo de Controle Digital vi 10 10 11 13 14 15 16 3 64 Controlador Externo 36 5 M dulo de 3 6 6 M dulo de Acionamento a 3 7 Painel de comando 3 8 Estrutura f sica 3 9 CoONCIUS O ee e S S ul k 0 E Projeto do controlador anal gico da bancada Al Introdu o ss e e a eaa lena aa ena e SD A 4 2 Controladores PID 4 2 1 Varia es do algoritmo PID 4 3 Projeto do controlador PID 4 3 1 Ensaio para sintonia do controlador 4 3 2 Determina o dos par metros do controlador 4 3 3 Considera es sobre o controlador anal gico parametrizado ConclusS80 Lu dos do T Conclus o Projeto dos circuitos dos M dulos da Bancada Diagrama de conex es Programa do 16 628 para o M dulo de Sele o An lise de custo
6. A NI A xz BPLPNL A lt 4 lt kK NI A q INY lt A xa 10XY 19H4 1 IAS dIIN OGqS S034 ATDAN 8 0 cia lt 104 59 cha 099 gt oval 195 aos O VARIA so VINOA 39Sq cL OPAILN 3133 36C NNOO 9115 7 99d v o zn Od pii DOELL OSOLL 09Y OcsvasLOld 9 Wod LING a LLNY OISA PEA Vedoo 6Nvieda LLNI OLNY L 9H OLNI OLT4 ZLNY 09H D O LOSO V3 9 A OZO NIQA TH SS PNV SV3 0 yr AN ANILO ENVIEVA 3dHAO 4A38A NIZO NV V3 NICO LNV LVA NILO 0NV 0V3 lt dodav o lt 5 LX LNY AS eta ONAS TOAW AV3HS ONAS 19595 HO z 13S33 HO L 13S33 z 13S334 76 SSA 1 4 ano lt J n As VV89Z9439LOld 4 A APENDICE A PROJETO DOS CIRCUITOS DOS MODULOS DA BANCADA OV ITAS oTnaoN NOVO NO OV 1O3X3 44O AVHO 30 E ov nosxa OOIS9 INNNV 0 Vdl3O1O8 TUSIA 9 ONz31X3
7. o em Engenharia El trica obteve resultados significativos ao construir um prot tipo de um processo de levita o magn tica O desenvolvimento deste prot tipo propiciou equipe experi ncia suficiente para aspirar metas mais ousadas A partir deste momento iniciaram se os estudos que levaram a consolida o de outro processo de levita o magn tica mais flex vel e pr tico que o primeiro prot tipo constru do Este trabalho apresenta o desenvolvimento desta nova planta com o objetivo de disponibilizar um equipamento com recursos de hardware necess rios ao estudo do sistema O sistema proposto nesta monografia composto pelas seguintes partes um eletro m res pons vel por atrair um corpo magnetiz vel atrav s de for as de origem magn tica que se op em for a peso que age sobre o corpo um sensor que capta a posi o do corpo atrav s de um sis tema ptico realimentando a malha do sistema um somador que recebe o sinal de posi o e de uma refer ncia informando o sinal de erro ao controlador permitindo que este atue sobre o n vel de corrente aplicado ao eletro m assim controlando a for a magn tica empregada ao corpo A constru o deste processo permitiu refor ar princ pios fundamentais de diversas reas abordadas durante a gradua o Outros pontos tamb m podem ser ressaltados como o desen volvimento do h bito de pesquisa em especial por elementos al m da grade curricular o refor o de aspect
8. 2002 38 K A Lilenkamp K Lundberg Low Cost Magnetic Levitation Project Kits For Teaching Feedback System Design American control conference 2004 39 Kent H Lundberg Katie A Lilienkamp Guy Marsden Low cost magnetic levitation pro Ject kits IEEE Control Systems Magazine pages 65 69 October 2004 40 Datasheet MAX232 5v powered multichannel rs 232 drivers receivers Maxim 2000 41 Datasheet 4921 12 bit dac with spi interface Microchip 2007 42 R mulo L Milhomem Desenvolvimento de um prot tipo did tico de levita o magn tica Relat rio de Est gio Supervisionado 2009 43 Luiz Henrique Alves Monteiro Sistemas Din micos 2 ed Livraria da F sica S o Paulo 2006 44 Milica B Naumovic Modeling of a didactic magnetic levitation system for control educa tion 2003 45 Norman S Nise Engenharia de Sistemas de Controle 3 ed LTC S o Paulo 2003 46 Katsuhiko Ogata Engenharia de Controle Moderno 4 ed Pearson Prentice Hall S o Paulo 2003 47 Datasheet PM438 Lcd panel meter JPR Electronics 48 Charles K Alexander Matthew N O Sadiku Fundamentos de Circuitos El tricos Book man Porto Alegre 2003 49 Matthew N O Sadiku Elementos de Eletromagnetismo 3 ed Bookman S o Paulo 2004 50 CCS Custon Computer Services http www ccsinfo com Website 51 S Sedra K C Smith Microeletr nica 4 ed Pearson Prentice Hall S o Paulo 2000 52
9. U s _ 1 A Ea 4 2 pode tamb m ser escrita no formato racional Eq 4 3 46 45 52 demons trando que este tipo de controlador introduz dois zeros e um p lo a malha U s TiTps Trs 1 Kp E s Trs 4 3 Desta forma o sistema da Eq 4 3 dito n o causal pois apresenta um n mero de zeros maior do que de p los Isto implica dizer que o sinal de sa da depende de entradas futuras o que caracteriza um sistema antecipativo 58 42 1 Varia es do algoritmo PID O algoritmo b sico de um controlador PID dado pela Eq 4 2 a qual usualmente apresentada em textos did ticos 45 46 52 Pode se representar este algoritmo pelo diagrama de blocos da Figura 4 1 46 52 Contudo ele utilizado com pouca frequ ncia em aplica es industriais pois seu desempenho pode ser melhorado a partir de algoritmos modificados 52 Figura 4 1 Diagrama de blocos de um sistema com um controlador PID b sico CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 54 Admitindo que a refer ncia do sistema R s da Figura 4 1 seja uma fun o degrau uma parcela do sinal de controle U s ser uma fun o impulso devido a presen a do termo deriva tivo 46 Dessa forma o controlador com a o derivativa apresentar uma altera o brusca no sinal U s produzindo uma sobreleva o excessiva indesejada no processo podendo causar a satura o do sinal de controle 28 Este fen meno deno
10. ka 2 4 que uma formula o cl ssica para for as magn ticas 60 Ela tamb m utilizada para deter mina o da for a em um dispositivo eletromec nico elementar 5 11 Entretanto ela possui limita es pois quando z gt 0 F x 17 gt oo que n o observado na pr tica CAP TULO 2 MODELAGEM MATEM TICA DO SISTEMA MAGLEV 13 proposta em 15 utiliza o da Eq 2 5 para a fun o F x 1 F x I ke z a 2 5 Outra forma adequada dada pela Eq 2 6 que apresentada em 57 P 2 6 em que as constantes k e s o caracter sticas da intera o magn tica entre corpo a bobina Todas as fun es apresentadas satisfazem as observa es do sistema real a magnitude da for a de magn tica cresce com o aumento da corrente el trica admitindo OF 91 gt 0 e diminui a medida que o corpo se afasta admitindo OF dx lt 0 Contudo as Eqs 2 5 e 2 6 s o de melhor utiliza o pr tica pelo fato de a for a magn tica ser finita x 0 2 3 Pontos de equil brio Na an lise de um sistema din mico importante identificar seus pontos de equil brio como em estudos de bifurca o e caos 43 O equil brio de um sistema din mico descrito pela equa o de estados y G y u definido pelos valores e uo que satisfazem y 0 G yo uo em que ER eu RP sendo u a entrada do sistema Ou seja s o pontos cujos valores das vari
11. m alimenta os sensores da bancada e outros pontos do circuito para os microcontroladores e outros CIs h uma sa da de 5V uma em 12V para o acionamento de rel s de comando e alimenta o das ventoinhas A sa da de 9V seria utilizada para alimentar os volt metros do painel por m foi observado em 47 que a fonte que alimenta este dispositivo n o pode ser a mesma do circuito a ser medido sendo assim este ponto encontra se dispon vel para uma posterior utiliza o O circuito esquem tico da fonte apresentado na Figura 3 7 A fun o dos capacitores 100n F na sa da dos CIs reguladores eliminar pequenas vari a es de tens o Para prote o dos reguladores foi posto um fus vel em s rie com cada sa da de alimenta o de forma que a corrente n o ultrapasse o valor m ximo permitido pelo componente cerca de 14 35 36 A vers o final do dispositivo mostrada na Figura 3 8 Circuito Integrado CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 26 LM 7805 O 5 Voc O 9 vcc 12 Voc O 20 Vcc 127 24 Vca GND 127 Vca q 2 2200 pF 50 V 10 Vcc Figura 3 8 Fonte de alimenta o dos circuitos de comando e controle CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 27 Fonte de alimenta o do eletro m Por ser um circuito que exige uma quantidade consider vel de pot ncia em rela o aos demais componentes o possui uma fonte de alimenta o dedicada Ela fornece p
12. m de um modo de selecionar a estrat gia de controle desejada Ao longo desta monografia ser o apresentados os m todos e as diretrizes de constru o utili zados na fabrica o deste equipamento denominado Bancada Did tica MAGLEV desenvolvido no Laborat rio de Sistemas de Controle da UFPA Campus de Tucuru Sum rio 1 Levita o Magn tica 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 a sara a E nda S BB RU de e o SSD N A levita o Aplica es da levita o magn tica 0 0 Sistema MAGLEV suas did Sus PAI Objetivos gerais e espec ficos do trabalho Apresenta o e divis o 4 Modelagem matem tica do Sistema MAGLEV Introdu o s s QS Modelo matem tico 1 Pontos Lineariza o do sistema Fun o de Transfer ncia Conchi e s sra Z ua 2 SU bul k O RE dd AE Aspectos construtivos nodes DS DE wO S m s Sum S 3 SC ae Q ss s Q SA a Experi ncia com o primeiro prot tipo MAGLEV Considera es sobre a Bancada Did tica MAGLEV
13. o de transfer ncia do controlador como ser explorado no Cap tulo 4 2 6 Conclus o Este cap tulo prop s um modelo para o comportamento din mico do MAGLEV Ele foi encontrado a partir da an lise do diagrama de for as do sistema e do emprego da segunda lei de Newton Foram tamb m apresentadas algumas fun es para a for a magn tica Foi feita uma an lise do ponto de equil brio do sistema a partir dos quais p de se lineariz lo atrav s da expans o em s rie de Taylor Ent o foi proposta uma fun o de transfer ncia geral em que a partir deste modelo pode se projetar controladores simples A elabora o do modelo matem tico feita de forma sucinta pois este n o o foco deste trabalho Entretanto as equa es que regem o processo foram apresentadas de maneira gen rica facilitando o entendimento do fen meno em quest o Cap tulo 3 Aspectos construtivos 3 1 Introdu o Um dos objetivos do uso de prot tipos did ticos em cursos de engenharia tornar o ensino mais pr tico No entanto a constru o de tais prot tipos vem proporcionando uma importante ferramenta did tica no ensino de engenharia visto que os alunos envolvidos com o projeto s o iniciados a pesquisa cientifica e tem oportunidade de colocar em pr tica conhecimentos adquiri dos em sala medida que o projeto evolui Seguindo esta metodologia s o apresentadas neste cap tulo as caracter sticas construtivas da Bancada Did
14. sticas construtivas e operacionais do m dulo Uma das importantes fun es do M dulo de Controle Digital a possibilidade de grava o do programa no PIC sem a necessidade de remov lo da bancada utilizando um terminal que permite a conex o deste m dulo com um gravador modelo 2 Para realizar a grava o o PIC utiliza modo MSSP 1 operando no modo SPI 4 Este modo permite que dados de 8 bits sejam sincronamente transmitidos e recebidos simultanea mente Esta comunica o tipicamente realizada por tr s ou quatro pinos do PIC 4 e Serial Data SDO RC5 SDO e Serial Data In SDD RC4 SDI DAS e Serial Clock SCK RC3 SCK SCL LVDIN e Slave Select SS RA5S SS AN4 O quarto pino SS pode ser usado quando o modo de opera o SLAVE 5 for selecionado Master Synchronous Serial Port BEscravo CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 39 Para iniciar grava o o gravador fornece uma tens o de 12V no pino que ligado ao pino MCLR do PIC ativando o modo de programa o 27 Durante o processo outros pinos passam a ser usados 27 e 7 Comunica o bidirecional para gravar e ler os programas e RB6 Pino de clock e Vpp 5V Vss GND Um circuito para realizar esta opera o sugerido em 27 que recomenda isolar o micro controlador do resto do sistema no momento em que ocorre a grava o utilizando para isso dois resistores Estes resistores po
15. 3 8 Estrutura f sica Para constituir a bancada foi constru da uma estrutura em madeira com o prop sito de efetuar a fixa o dos dispositivos e acomoda o dos m dulos A madeira foi escolhida como material devido a sua f cil manipula o e baixo custo Outro detalhe que pode ser ressaltado com rela o redu o de custos se trata da m o de obra pois a estrutura foi desenvolvida pelos pr prios alunos A estrutura dividida em duas partes uma m vel para sustentar o sensor de posi o e uma fixa para sustentar o eletro m Estrutura m vel A parte m vel foi elaborada com a inten o de variar a posi o do sensor facilitando seu ajuste Para isso foi desenvolvida uma estrutura fixada parte que sustenta o atuador na qual se pode variar a posi o do sensor em tr s dimens es As partes que a constituem e a forma como foi incorporada ao prot tipo s o mostradas na Figura 3 31 Figura 3 31 Estrutura m vel Estrutura fixa Consiste da estrutura que mant m o atuador suspenso fixado atrav s de uma rosca de metal incorporada sua parte superior esta pe a que permite remover o im quando conveniente Ela tamb m responsavel pelo suporte da parte m vel que sustenta o sensor percorrendo a estrutura atrav s de uma ranhura feita na parte de tr s Foram ainda instaladas canaletas para ocultar os cabos al m de terminais borneiras de press o para as liga es el tricas do m Para abs
16. 95 0 1 6 7 2 06 78 21 7 3 6 1470 147142 6 8 1 3 25 0 1 3 1 0 07 65 269 05 765 220 142 6 8 2 4 8 6 1 9 3 2 08 64 157 35 330 320142 6 8 2 7 6 5 11 4 0 09 117 7 35 5 10 510 47 0 2 3 2 2 3 2 1 0 1 0 1 0 10 23 3 22 8 4 1 610 36 7 5 9 2 3 17 14 0 1 2 1 0 V REFER NCIA EXTERNA SENOIDE a o N o Figura 4 6 Resposta do sistema para refer ncias tipo senoidal e onda quadrada Em que y sinal de posi o do sensor R E Refer ncia Externa CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 62 4 3 2 Determina o dos par metros do controlador Para a constru o do painel da bancada e do circuito do controlador ambos discutidos no Cap tulo 3 eram necess rios apenas quatro valores de capacit ncia de cada par metro Visto que foi planejada a utiliza o de uma chave de quatro posi es para realizar a comuta o entre esses valores Desta forma com base na Tabela 4 1 foi estabelecido para os par metros Cy e valores dentro de uma faixa em que foi observada uma boa resposta do controlador A Tabela 4 2 mostra esses valores de capacit ncias adotados para o controlador Tabela 4 2 Valores das capacit ncias e adotados o controlador N Capacit ncias Cp Cr u 1 1470 47 2 800 22 3 470 10 4 330 4 7 De forma similar foram estabelecidos os valores das resist ncias vari veis Rp Rp e R
17. Em dezembro do mesmo ano no Campus de Tucuru iniciaram se pesquisas sobre o tema com o intuito de desenvolver outro prot tipo Figura 1 8 Somente um ano ap s seu in cio o projeto obteve xito na sustenta o de um corpo ferromagn tico 14 42 no Capitulo 3 s o apresentadas algumas considera es sobre esse projeto Experi ncias semelhantes tamb m s o encontradas em trabalhos do exterior 38 39 que se diferenciam pelo tipo de sensor e do acionamento do atuador Figura 1 7 Prot tipo MAGLEV constru do Figura 1 8 Prot tipo MAGLEV constru do na UFPA Campus do Guam 54 UFPA Campus de Tucuru 14 42 Este trabalho apresenta como objetivo geral a constru o de um processo de levita o mag n tica baseado no Sistema MAGLEV denominado Bancada Did tica MAGLEV que possa ser utilizado como apoio em aulas expositivas de Engenharia El trica Esta planta apresenta se como um equipamento didaticamente adequado ao uso em sala por professores interessados em enri quecer suas aulas e desenvolver pesquisa junto aos alunos A utiliza o de uma interface simples e amig vel a viabiliza o do uso de diferentes t cnicas de controle assim como a possibilidade do uso de atuadores com caracter sticas diferentes faz desta planta um processo singular em rela o aos outros prot tipos j constru dos Com rela o aos objetivos espec ficos s o propostas a consolida o de conhecimentos ad quiridos a
18. GIN A A AS TINIvVd eta 31OHLNOO q os sed NOSNaIS TENIvd das A VYN Ja S A HOSNIS ESSE E HOSNaIS A A 81 AP NDICE C PROGRAMA DO 6 628 PARA O M DULO DE SELE O Ap ndice C Programa do 16 628 para o M dulo de Sele o 82 fuses INTRC NOWD tinclude lt math h gt SILLIN LV IAAL NULLI include lt 16F628a h gt use delay clock 4000000 CA MAGLEV NOPUT BROWNOUT UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR UFPA CAMPUS UNIVERSIT RIO DE TUCURU Z CONSTRU O DE UMA BANCADA DID TICA DE PROCESSO DE LEVITA O MAGN TI ESTE PROGRAMA FOI DESENVOLVIDO PARA SER UTILIZADO EM UM PIC MODELO 16F628A DO M DULO DE SELE O DA BANCADA NOMCLR U 31248440 Coloco 1616 AP NDICE C PROGRAMA DO 6 628 PARA O M DULO DE SELE O 83 void
19. Infravermelho E R 35 R 2 14 EN ES EEE CIRCUITO M DULO DE ACIONAMENTO T DESCRI O oquete para CI torneado 8 pinos ransistor MOSFET IRF 640 esistor de Pot ncia 10W 100 10WIORj esistor 0 6W 10 KQ Amplificador Operacional LM 358 Pot nciometro de 100K Linear Eixo de Ferro Fixado no painel Borne retangular para PCI 2 terminais Borne KF 301 2T Borne retangular para Circuito Impresso KRE 3 3 terminais Diodo UF54404 Diodo 1N4002 7 58 55 o E DIA 72172 10 CIRCUITO M DULO DE SELE O DESCRI O icrocontrolador 16 628 esistor 0 6W 10 KQ esistor 0 6W 1 KQ esistor 0 6W 560 sistor 0 6W 3300 esistor 0 6W 10002 dois deles est o no painel ransistor BC 548 el 14 T73 orne Para Circuito Impresso KRE 6 orne retangular para Circuito Impresso KRE 5 5 terminais s 217 lt e lt oo oo O lt 7 55 q 7 DIA O oo 2 0 AP NDICE D AN LISE DE CUSTOS RELA O DE COMPONENTES 93 PAINEL DE COMANDO QUNT PRE O UNT TOTAL DESCRI O 1 BomeP PinoBananaAzulM dio 6 R OS3 R 498 4 SuporteparaLEDSmmpreto Rs 03 LED 5 mm bicolor verde vermelho R 054 R 486 6 Chave Push Button Comtava NA I R 189 R 189 Chave Push Button Com trava Chave ONOFE NA
20. Karl Johan strom Tore Hagglund PID Controllers Theory Design and Tuning 2 ed 1994 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 98 53 Wikipedia Supercondutividade http pt wikipedia org wiki Supercondutividade Web site extra do em 24 de maio de 2009 s 19 32 54 Raphael Barros Teixeira Desenvolvimento de um Prot tipo de Levita o Magn tica para Ensino e Pesquisa Sistema de Levita o MAGLEV Trabalho de Conclus o de Curso Universidade Federal do Par Bel m PA 2006 55 Roberto A Tenenbaum Din mica Editora UFRJ Rio de Janeiro 1997 56 Datasheet TLO84 General purpose j fet quad operacional amplifiers STMicroelectronics 2001 57 V A Oliveira M L Aguiar J B Vargas Sistemas de controle aulas de laborat rio Publica o EESC USP 2005 58 Simin Haykin Barry Van Veen Sinais e Sistemas Bookman Porto Alegre 2001 59 William G Hurley Werner H Wolfle Electromagnetic design of a magnetic suspension system IEEE Transactions on Education 40 124 130 1997 60 T H Wong Design of a magnetic levitation control system an undergraduate project IEEE Transactions on Education 29 196 200 1986
21. N Od OLINIAIO Ap ndice B Diagrama de conex es 78 19 A APENDICE B DIAGRAMA DE CONEX ES VINILSIS 551 SVA IJINVISAS oa VAVIOSI 3 soad a31NOd IPA 0 O PA 01 04 O OPA Cl o IPA 6 o V VLON SOS LIINILTOA 31NOd JIONINOO 3 OLN3NVNOIOV SOLINIAIO 31NOd Odvdl OdVal Ape EN OV V 1N3SINITv S31NOd T3NIVd A ZEL 80 ANINOO OLNOd AZ 0 A AOL A TV1O1 VION JY34JY LYN YNYJLNI VIONTHIAIAS OYIQIN THW aNIvd 195940 VONSIANONM sysi oLOS VIONTAIAIIA 53 VNHAILXAI VIONgHISIS 3 433 AS HOSSINI HOSNIS OV V1N3NITV 3 S A HOLdI0a4 5 OV V1NSNITV Y S A HOSNAS Od TVNIS L Ov a13S EE 3LN3YY09 195550 SWOS 1X70 VNV O TaNIvd OdDIDO TVNV JIOYLNOO OTNA N OLNINVNOIOY A LNO oA TaNIvd A A TaNIVd A APENDICE DIAGRAMA DE CONEX ES Ivdao S3QX3NOO VNVAOVIA 1 HOSNIS
22. Rel 2 desligado r3 0 Condi o p o funcionamento do C Anal gico Desligado 0 Desliga luz verde do LE CEoff 1 Liga luz vermelha do LEI CDon 1 Liga luz verde do LED CDoff 0 Desiga luz vermelha do LED 0 Desliga luz verde do LE CAoff 1 Liga luz vermelha do LEI D indicador if chaexter 1 amp 1 6 chanalog 0 rl 0 Rel 1 desligado r2 0 Rel 2 desligado 3 1 Condi o funcionamento do Anal gico Ligado r4 0 Rel 3 desligado r5 1 0 Desliga luz verde do LED indicador CEoff 1 Liga luz vermelha do LED indicador 0 Desliga luz verde LED indicador CDoff 1 Liga luz vermelha do LED indicador AP NDICE C PROGRAMA DO 6 628 PARA O M DULO DE SELE O 86 CAon 1 Liga luz verde do LED indicador CAoff 0 Desliga luz vermelha do LED indicador Bloco do selo da chave de sele o GRAVA O EXECU O do modulo digital Condi o para a grava o do PIC if 0 amp chafunc 1 8 r2 1 1 r4 1 Rel 3 ligado r5 0 GonFoff 1 Liga luz verde do LED indicador GoffFon 0 Liga luz vermelha do LED indicador Condi o P funcionamento normal do modulo if 1 amp chafunc 0 amp r2 1 r4 0 Rel 3 desligado r5 1 GonFoff 0 Liga luz vermelha d
23. S o chaves de toque normalmente fechadas e alimentadas com 5V Elas est o conectadas aos pinos 42 e 4 O controlador selecionado ativado em n vel baixo A indica o do controlador utilizado realizada por LEDs bicolores onde cada qual ligado a um pino do PIC Esses LEDs apresentam tr s terminais dois deles para ativar a luz verde ou vermelha e um terminal comum central As conex es dos LEDs no PIC est o distribu das da seguinte maneira para ativar a indica o do controlador externo s o usados os pinos 41 para Controlador Externo CD Controlador Digital CA Controlador Anal gico CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 42 o LED vermelho e o pino 0 para o LED verde para o controlador digital s o utilizados os pinos para o LED vermelho e o pino para o LED verde para a indica o do controlador anal gico s o usados os pinos BY para o LED vermelho e o pino B6 para o LED verde Portanto ao selecionar um dos controladores ativa se a luz verde correspondente a ele indicando o seu funcionamento ao mesmo tempo em que s o ativadas as luzes vermelhas dos outros controladores indicando que est o desativados Os pinos B5 e B4 comandam os rel s RL1 e RL2 respectivamente Esses rel s funcionam como uma chave comutadora de tr s posi es Os sinais de controle est o ligados aos pontos distintos da chave e o ponto comum conectado ao M dulo de Acionamento Dessa forma ao selec
24. a levita o magn tica com o uso de bobinas supercondutoras para produzir campo magn tico capaz de levitar trens 24 Em 1987 o franc s Georg Bednorz e o alem o K A Muller produziram uma cer mica su percondutora de eletricidade misturando b rio lant nio cobre e oxig nio viabilizando o uso da lavita o magn tica empregada ao transporte de massa 2 24 Ao comprovarem a import ncia pr tica do fen meno da levita o magn tica esses cientis tas abriram campo para diversas aplica es trens de alta velocidade que levitam sobre trilhos magn ticos m quinas rotativas cujos eixos levitam ao girar monotrilhos r pidos projetados para serem o transporte de massa do s culo XXI 24 Trem MAGLEV Os trens MAGLEV apresentam se hoje como eficazes meios de transporte por serem r pi dos confort veis e ecologicamente corretos Pa ses como Alemanha Jap o e Estados Unidos tem apostado nesta tecnologia 54 Transporte coletivo p blico CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 5 Figura 1 3 Trem MAGLEV Com a tecnologia atual torna se cada vez mais vi vel o emprego dos Trens MAGLEVs em grandes metr poles proporcionando um meio de transporte r pido confort vel e seguro Estes trens podem atingir a velocidade de at 580km h 17 que somente poss vel porque n o existe contato entre guideway e o ve culo enquanto ele se movimenta sendo ar a principal fonte de resist ncia problema que pode ser r
25. cnica possa ser utilizada torna se ne cess rio um hardware que possa manter o sistema est vel Este o caso do sistema desenvolvido o ES Figura 1 1 Levita o por atra o neste trabalho Levita o Supercondutora Nos ltimos anos outro m todo vem sendo pesquisado em diferentes pa ses incluindo o Brasil Esta nova metodologia baseada no efeito Meissner de exclus o do campo magn tico do interior de supercondutores denominada Levita o Supercondutora Superconducting Quantum Levitation SOL 24 Figura 1 2 Este fen meno s p de ser devidamente explorado a partir do final do s culo XX com o ad vento de novos materiais magn ticos e pastilhas supercondutoras de alta temperatura cr tica que se tornam supercondutoras a temperaturas muito mais elevadas que os supercondutores conven cionais Esta tecnologia vem sendo desenvolvida no Brasil tendo como principal objetivo viabi lizar a constru o de um trem MAGLEV brasileiro 24 CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 4 Figura 1 2 m levitando sobre nitrog nio l quido refrigerado a temperatura de 200 C 53 1 3 Aplica es da levita o magn tica A tecnologia da levita o magn tica encontra aplica o em diversos ramos da engenharia especialmente em situa es nas quais se deseja eliminar vibra es e atrito mec nico 54 Em 1968 os americanos James R Powell e Gordon T Danby do Laborat rio Nacional de Broo khaven patentearam
26. com base na din mica de part culas 55 Considerando a conven o utilizada nos trabalhos 54 60 a for a peso positiva na dire o indicada na Figura 2 1 enquanto que a for a magn tica considerada negativa Essa conven o vale tamb m para a posi o vertical do corpo em rela o ao eletro m que crescente quando a dist ncia entre eles aumenta A esse sistema de for as aplicada a segunda lei de Newton 55 produzindo a 4 2 1 O tempo t ser omitido das equa es daqui em diante F x 2 1 onde massa do corpo derivada segunda em rela o 1 9 acelera o da gravidade F x 1 a for a de intera o magn tica entre o im e a massa fun o da dist ncia z da intensidade de corrente el trica 7 Eq 2 1 pode ser dividida em duas equa es de primeira ordem atrav s da inclus o da vari vel velocidade v desta forma obt m se as Eqs 2 2 e 2 3 de 2 2 m 2 3 Estas equa es descrevem o modelo em vari veis de estado do processo MAGLEV For a magn tica A rela o entre a for a peso e a magn tica para a sustenta o do corpo dada pela 2 1 Entretanto ela foi apresentada de maneira gen rica sendo necess rio estipular uma forma alg brica a fun o F 7 1 para a sua utiliza o pr tica Para esta finalidade diversas express es t m sido empregadas a Eq 2 4 P
27. diretamente relacionado ao ponto de equil brio do sistema din mico conforme analisado no Cap tulo 2 Uma chave utilizada para habilitar ou desabilitar esta fun o O amplificador foi montado a partir de um transistor MOSFET 20 modelo IRF 640 31 Esse transistor funciona como uma fonte de corrente controlada por tens o A porta do transistor esta ligada a sa da do amplificador operacional A onde o terminal negativo conectado fonte do transistor O resistor Rpor uma rede de dois resistores de pot ncia de 20W em paralelo com resist ncia equivalente de 50 Esses resistores s o necess rios para limitar a corrente permitindo um controle linear da bobina A fonte de alimenta o do eletro m fornece cerca de 24 Entretanto a corrente m xima que circula pela bobina est por volta de 1 44 para a bobina do Eletro m 1 com o offset de corrente m ximo 19 4V quando o corpo cai x 20Transistor de efeito de campo metal xido semicondutor CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 45 Outro componente importante o diodo de roda livre D que tem a finalidade de amenizar o efeito transit rio decorrente do carregamento ou descarregamento do eletro m 7 Os resistores R1 e R2 s o 10 A vers o final do m dulo mostrada na Figura 3 28 Figura 3 28 M dulo de Acionamento 3 7 Painel de comando O painel de comando o componente que realiza a intera o do usu rio com a bancad
28. f sicos fundamentais as equa es de movimento do sistema MAG LEV s o desenvolvidas O modelo de caracter stica n o linear necessita do emprego da t cnica de lineariza o resultando em um modelo linear que representa o sistema em torno de um ponto de equil brio O motivo pela ado o do modelo linear tem base nas t cnicas envolvidas para an lise e projeto de controladores abordados durante a gradua o Em seguida encontrada uma fun o de transfer ncia representativa do sistema A partir desta fun o poss vel analisar a estabilidade do sistema suas caracter sticas din micas e proje tar controladores Embora a modelagem matem tica n o seja o tema principal deste trabalho ela importante para entender qualitativamente o sistema e sugerir um primeiro projeto de controle 10 CAP TULO 2 MODELAGEM MATEM TICA DO SISTEMA MAGLEV 11 2 2 Modelo matem tico geral A modelagem matem tica do sistema MAGLEV fundamentada nas leis da din mica Feita uma an lise dos sistemas de for a que atuam sobre o corpo identificam se as for as aplicadas reduzindo se o sistema ao centro de massa do corpo simplificando a an lise de suas equa es de movimento O sistema apresenta um grau de liberdade movimenta se apenas na dire o vertical Suas equa es din micas s o determinadas a partir da aplica o da segunda lei de Newton ao sistema de for as O resultado um conjunto de equa es que possibilita estabe
29. levantado um modelo matem tico atrav s de dois ensaios realizados em 22 um de resposta em frequ ncia para determina o da curva de Bode do sistema e um semi est tico para estima o de par metros do modelo n o linear Figura 4 5 LGR da planta MAGLEV sem compensa o Portanto ap s a an lise da Figura 4 5 foi poss vel estabelecer uma estrat gia para projetar o controlador e Para tornar o sistema est vel deve se acrescentar zeros no semi plano esquerdo para atrair o LGR para a esquerda Adicionar um zero semelhante a adotar um controlador com uma a o derivativa Este trabalho foi conduzido em paralelo a constru o da bancada CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 58 e A condi o de erro estacion rio nulo exige um p lo de malha aberta na origem integra dor Isso tamb m implica em deixar o sistema robusto a dist rbios Deste modo a utiliza o de um controlador PID mostra se conveniente pois incorpora todas as a es planejadas em um nico compensador Al m disso como o modelo da planta n o era conhecido a sintonia do controlador foi feita por tentativas e o reconhecimento de como cada caracter stica do compensador atua auxiliou bastante o sucesso do ajuste Ao final foi realizado um ensaio com a planta para validar os par metros do controlador PID 4 3 1 Ensaio para sintonia do controlador Como j foi explanado anteriormente o c
30. lt lt A A A 35 A A COOPNL aen lt NO D EIXO TIL L 3LNO4 Nesenm ota ven A Im 6 N8SENT Sa Ven lt lt 5 7 q gt Sn lt A lt z q 3434 E lt A HOSNAIS OINAQIN Od OLINIAIO 74 4 A APENDICE A PROJETO DOS CIRCUITOS DOS MODULOS DA BANCADA 9 G L SIMOOTEL SOOJAL 17010 z LIO VW OS Odda ALNOA IO 3AVHO lt vas 9 3AVHO Nesse lt Oza 49 YNOS lt J N8S W1 cio lt Odda YNOS lt LIO OO9ISQTVNV OINAQI Od OLINIAIO ID dAVHO 75 4 A APENDICE A PROJETO DOS CIRCUITOS DOS MODULOS DA BANCADA YW NOOTAL YWNOOTAL ano YWNOO TAL 1asaa ECINHOOTAL ey lasad HO A E GIN aos 19595 HO 10 T z asas INAS LNO NI eta Saan a31 031 LSH 3LNO4 gld SdSd SAH SO dON WATAN saIsvA gt INVISIRIS 9 LIA hm oo SPLYNL lt 4 K a rq SPLYNL
31. m 1 Eletro m 2 L 96 mH 350 mH R 8 5 0 18 Q L R 11 30 ms 19 45 ms N mero de espiras 96 346 Comprimento do N cleo 140 mm 140 mm Di metro do N cleo 26 mm 26 mm Tabela 3 2 Parte da Tabela para fios e cabos padr o simplificada N AWG Sec o mm Resist ncia Q km Capacidade 18 0 82 20 73 2 50 19 0 65 26 15 2 00 20 0 52 32 69 1 60 21 0 41 41 46 1 20 22 0 33 51 50 0 92 23 0 26 56 40 0 73 3 5 Fontes de alimenta o No desenvolvimento da bancada decidiu se construir uma fonte dedicada para o atuador e outra para os circuitos de comando controle e sensores assim como foi no primeiro prot tipo A fonte do atuador foi a que apresentou maior dificuldade de projeto pois necessitava se es tabelecer uma configura o simples e de baixo custo para sua constru o que fornecesse uma pot ncia elevada Para os demais circuitos a fonte de alimenta o foi desenvolvida conforme a necessidade de alimentar os m dulos discutidos na Se o 3 6 Ser o apresentados a seguir os projetos desses dois componentes divididos em fonte de alimenta o dos circuitos de comando e controle e fonte de alimenta o do eletro m Uma terceira fonte foi instalada na bancada alimentar os volt metros CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS ES Fonte de alimenta o dos circuitos de comando e controle A fonte segue o padr o cl ssico de retifica o
32. o diferencial linear invariante no tempo definida como a rela o entre a transformada de Laplace da sa da e a transformada de Laplace da entrada admitindo se todas as condi es iniciais nulas 46 45 Dessa forma aplicando a transformada de Laplace s Eqs 2 16 e 2 17 sAX s AV s 2 20 sAV s koAI s 2 21 AX s ko Al s 32 22 a A raz o entre a sa da e a entrada do sistema dada pela Eq 2 22 que representa a fun o de transfer ncia gen rica do sistema MAGLEV O modelo linear 2 22 geral sob o ponto de vista de n o atribuir uma forma especifica a for a magn tica F x 1 No entanto na Se o 2 2 foram mostradas algumas das possibi lidades comumente utilizadas na literatura CAP TULO 2 MODELAGEM MATEM TICA DO SISTEMA MAGLEV 16 Para o sistema operando em regime permanente um aumento da corrente T causa uma di minui o da posi o x comprovando que o sinal negativo de Eq 2 19 aplic vel Esta rela o entre as vari veis z e sugere uma realimenta o positiva malha do sistema al m de um sinal de refer ncia negativo como exemplificado na Figura 1 6 tamb m correto afirmar que a Eq 2 22 possui p los reais e distintos em pois admitiu se que OF dx lt 0 A disposi o dos p los apresenta simetria em rela o ao eixo imagin rio comprovando a instabilidade do sistema Al m disso o arranjo dos p los pode sugerir a fun
33. veis de estado e entrada anulam a din mica do sistema Aplicando esta condi o s equa es de estado do sistema MAGLEV 2 2 2 3 t v 0 2 7 que coerente pois em equil brio o corpo estar em repouso Para a Eq 2 3 F xol g 0 10 1 mg 2 8 Demonstrando que o equil brio do sistema ocorre quando a for a peso se iguala a for a magn tica um determinado ponto de opera o 10 10 CAP TULO 2 MODELAGEM MATEM TICA DO SISTEMA MAGLEV 14 2 4 Lineariza o do sistema MAGLEV Partindo da an lise das equa es que representam o sistema MAGLEV observa se que o modelo apresenta din mica n o linear o que dificulta o seu tratamento matem tico Em mui tos sistemas f sicos h o envolvimento de rela es n o lineares entre as vari veis por m se a opera o ocorrer em torno de um ponto de equil brio e os sinais envolvidos forem pequenos ent o v lida pelo teorema de Peixoto 43 a aproxima o por um sistema linear Isto im portante porque a maioria das t cnicas envolvidas no curso de gradua o para analisar e projetar controladores s o lineares A lineariza o feita atrav s da expans o em s rie de Taylor 46 dos termos n o lineares da equa o diferencial y G y u em torno do ponto de opera o A Eq 2 9 apresenta uma forma generalizada para a s rie de Taylor de uma fun o vetorial Para se obter a aproxima o linear trunca se a s rie no segund
34. 08 8 bit d a converters National Semiconductor 1995 20 Datasheet DAC1208 12 bit up compatible double buffered d to a converters National Semiconductor 1995 21 Richard Magdalena Stephan Eduardo Gon alves David MAGLEV COBRA O TRANS PORTE URBANO SOBRE TRILHOS MAGN TICOS 2007 22 Adjan Matos de Castro Modelagem e estrat gias de controle digital aplicadas a um sistema de levita o magn tica MAGLEV Trabalho de Conclus o de Curso Universidade Federal do Par Tucuru PA 2010 23 Luis Filipe de Faria Pereira Wiltgen Barbosa Estudo de um Sistema Inteligente para o Controle de Posi o do Plasma no Tokamak ETE Disserta o de doutorado em Engenha ria Elet nica e Computa o Instituto Tecnol gico de Aeron utica S o Jose dos Campos SP 2003 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 96 24 Marcelo do Vale Coimbra MAGLEV uma nova tecnologia aplicada para o transporte de massa Trabalho de Conclus o de Disciplina Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro RJ 2006 25 Roberto Bairros dos Santos Regulador de tens o usando CI www bairrospd kit net ex tra do em 06 de agosto de 2009 s 17 54 2009 26 Samuel Earnshaw On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminiferous ether Transactions of the Cambridge Philosophical Society 3 97 112 1842 27 ELNEC Picprog2 microcontrollers programmer Attp mww elnec com 28 Fl vio Faccin Abordag
35. 24V 24V sm Ponte de Diodo Retificadora D3SBA60 1 R 23 R 239 Capacitor Eletrolitico 2200 uF 50V 2 R 28 R 5 64 Capacitor 100 JS R 0 5 5 075 R 1 50 1 50 1 04 R Regulador de tens o LM 7820 fa F 150JR 6 Reguladordetens o LM7BILD Ja 5 150 R 8 Regulador detens o LM780S 1 R 099 5 099 9 Regulador detens o LM79IO 1 R 200 5 200 Fus vel pequeno vidro gt FONTE DE ALIMENTA O ELETRO M X QUNT PRE O E Transformador para Fonte de Alimenta o com Prim rio de 110 220 Volts e Secund rio de 2 A com 24 24 2 z 3 4 3 72 r lt lt 2 de Diodo Retificadora D5SBA20 1 R 500 3 Capacitor Eletrolitico 2200 uF 50V EH 2 82 Capacitor Poliester 100 1 0 15 5 Regulador de tens o LM 7824 2 1 13 6 Fus vel pequeno vidro 1A RES 0 25 Porta fus vel para placa de circuito impresso exposto 2 25 8 Borne retangular para PCI Borne KF 301 2T 2 terminais 0 66 Total DIV lt lt 7 A CIRCUITO M DULO DO SENSOR 2 3 4 5 6 Borne retangular para Circuito Impresso KRE 3 3 terminais 3 ResistorO6W 10KO o EM EM AP NDICE D AN LISE DE CUSTOS RELA O DE COMPONENTES 92 Pot nciometro de 100K Linear Eixo de Ferro Fixado no painel O Fototransistor Infravermelho TIL78 Receptor
36. 32 40 que capaz de gerar tens es que variam de 10V a 10V a partir de uma fonte de alimenta o de 5V e capacitores externos 1 8 12 13 Figura 3 22 estabelecendo a compatibilidade entre o padr o TTL CMOS e o RS 232 O conector utilizado para a conex o serial da bancada com o PC do tipo DB9 Figura 3 22 que ilustra apenas os pinos utilizados RS uma abrevia o de Recommended Standard que a padroniza o de uma interface comum para comuni ca o de dados entre equipamentos criada no in cio dos anos 60 pelo comit conhecido atualmente como Electronic Industries Association EIA 13 Do ingl s Personal Computer Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmiter 2Transistor to Transistor Logic 13 Complementary Metal Oxide Semiconductor CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 38 1 2 C2 Figura 3 22 Esquem tico do circuito de comunica o serial 5 232 Grava o do microcontrolador Atualmente a programa o de microcontroladores PIC foi bastante simplificada atrav s da utiliza o de compiladores em linguagem C que permitem que o c digo hexadecimal a ser gravado seja gerado a partir de uma linguagem de alto n vel O compilador C utilizado foi o CCS PCW 50 O programa para este m dulo explicado em 22 que trata especificamente do projeto de controladores e modelagem do sistema da ban cada No presente trabalho s o apenas apresentadas as caracter
37. 9 vdl3O1O8 434039 NO30 DOLL OSOLL 99Y 99 vad Lda 1 00 AIJ NCNV CVA LNV LV3 ONv 0VA HTON Sva ANONTO CISO 9VA ND TO LOSO LVH Old 9W 0078L AS E SE AVES ETA lt De AvA gt 2 1 i 2 O unun EE ONSEIXA 2 VEISOLOS 2 E lt Sw os SYLYNL aNo T Oov noaxa 5 8 aL ZTN 7 ER lt OOI 9TNNV VEEOLOS IRS 5 AL O lt Noya 9NHOO TAL VISI 9 ONz31X3 0 VAIIOLOS 34009 La NOQO cLOd L aITOSO LTH 44039 E9018 L AS NO39 T 31NO3 77 4 A APENDICE A PROJETO DOS CIRCUITOS DOS MODULOS DA BANCADA D lt 3LNO4 A OOPSNL ed Z lt D F3OO 18 L L A 31NOd ANO 8 gt T LJOdHN OS 90003 11 LOd E NI LOd Z A LOd T 1135540 515 COOPNL EHYXOO TIL COOYNL A Nesse lt Os lt J N8S W1 ONLINOIONILOd 1195540 415 A lOd lt OLNIINVNOIOV OTNA
38. A paralelo de 8 bits 19 DAC1208 conversor D A paralelo de 12 bits 20 Contudo outros modelos podem ser pesquisados e Utiliza o de um display LCD controlado por um PIC no lugar dos volt metros do painel uma vez que os volt metros utilizados n o proporcionam uma medida precisa e algumas vezes apresentam erro de uma casa decimal O LCD propicia a leitura de outros sinais convenientes ao estudo do sistema al m daqueles aferidos pelos volt metros Para isso pode se utilizar um PIC com canais A D no lugar do PIC16F628A que n o apresenta esta fun o 2 do M dulo de Sele o 7 para fazer a leitura desses sinais e envi los para LCD 5 contudo o uso deste dispositivo fica limitado a valores que est o fixos na bancada como os offsets Para mostrar o sinal de posi o de controle ou perturba o pode se sugerir uma proposta um pouco mais audaciosa a utiliza o um LCD gr fico para mostrar as formas de onda desses sinais Com rela o ao desenvolvimento do processo pode se exaltar a simplicidade e o baixo custo econ mico do experimento A bancada foi constru da pelos pr prios alunos da faculdade o que reduziu os custos de constru o e agrega um importante valor uma vez que valoriza e estimula a comunidade discente em geral Mesmo somando os gastos com a m o de obra do bolsista o custo final do prot tipo ainda inferior ao de algumas plantas adquiridas recentemente pela faculdade para o Laborat rio de
39. Levitation CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 2 de equil brio inst vel 26 54 o que torna imposs vel a levita o por a o de campos passivos 54 A levita o magn tica utilizando o eletrofm como elemento atuador come ou a ser reali zada a partir de 1930 com os trabalhos de F T Holmes 30 Holmes observou que o teorema de Earnshaw s poderia ser aplicado em sistemas cujo fluxo dos p los magn ticos mant m se constantes 30 Portanto utilizando um sistema que permita modificar a for a magn tica para compensar a for a peso poderia se atingir as condi es est veis de equil brio Utilizando a teo ria de controle por realimenta o Holmes alcan ou este objetivo levitando o eixo de um rotor com massa de 6g 30 com o prop sito de estudar o comportamento n o linear deste tipo de fen meno A partir dos estudos de Holmes os m todos utilizados para a levita o magn tica foram aperfei oados principalmente sob o aspecto dos Sistemas de Controle Desde ent o a levita o magn tica passou a ser um atrativo para pesquisa e desenvolvimento tecnol gico Diferentes t cnicas e m todos para promover a levita o magn tica foram desenvolvidos os quais podem ser classificados segundo a natureza da origem das for as magn ticas em levita o por repuls o ou por atra o magn tica Outra t cnica em ascens o a levita o supercondutora Superconducting Quantum Levitation SQL baseado no Efeito M
40. Sistemas de Controle as quais n o oferecem tanta flexibilidade sugerida a utiliza o de um 16 877 3 ou mesmo outro PIC18F4520 4 que s o microcontroladores que apresentam a fun o de convers o A D LCD alfanum rico 16x2 ou com n mero superior de caracteres CAP TULO 5 CONCLUS O 71 de uso quanto bancada Todos os componentes utilizados na constru o deste equipamento e pre os s o mostrados no Ap ndice D Somando se apenas os gastos com componentes e servi os o custo do equipamento foi de R 940 60 agregando se a m o de obra do bolsista o custo total foi de R 4444 60 A Bancada Did tica MAGLEV serve como base para o desenvolvimento de outros traba lhos como por exemplo a determina o de modelos lineares e n o lineares que expliquem a sua din mica Vale ressaltar que o processo desenvolvido neste trabalho um experimento re lativamente complexo do ponto de vista cient fico poss vel que ele seja objeto de estudo em trabalhos de diversas outras reas de pesquisa como controle linear n o linear inteligente robusto e timo Ap ndice A Projeto dos circuitos dos M dulos da Bancada 72 73 4 A APENDICE A PROJETO DOS CIRCUITOS DOS MODULOS DA BANCADA tooa 7 ano E z ousa A T Odda eroOTEL 5 ran SVIONgAaIAIA TS tooa ano Y S A A 5 ano aa A L YNXJ LNI 439 31S nr V oxa
41. UFPA CONSTRU O DE UMA BANCADA DID TICA DE PROCESSO DE LEVITA O MAGN TICA MAGLEV R MULO LIRA MILHOMEM 2 Per odo de 2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR CAMPUS UNIVERSIT RIO DE TUCURU FACULDADE DE ENGENHARIA EL TRICA TUCURU PAR UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR CAMPUS UNIVERSIT RIO DE TUCURU R MULO LIRA MILHOMEM CONSTRU O DE UMA BANCADA DID TICA DE PROCESSO DE LEVITA O MAGN TICA MAGLEV TRABALHO SUBMETIDO AO COLEGIADO DO CURSO DE GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA PARA OBTEN O DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA Tucuru Par 2010 CONSTRU O DE UMA BANCADA DID TICA DE PROCESSO DE LEVITA O MAGN TICA MAGLEV Este Trabalho foi julgado em 09 de junho de 2010 adequado para obten o do grau de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela banca examinadora que atribuiu o conceito EXCELENTE Prof MSc Rafael Suzuki Bayma ORIENTADOR Prof MSc Cleison Daniel Silva MEMBRO DA BANCA EXAMINADORA Eng MSc Raphael Barros Teixeira MEMBRO DA BANCA EXAMINADORA Prof MSc Cleison Daniel Silva COORDENADOR DO CURSO DE GRADUA O ENGENHARIA EL TRICA Agradecimentos Tenho aqui a oportunidade de manifestar minha gratid o a todos aqueles que de maneira direta ou indireta acreditam em mim e me incentivam a correr atr s dos meus ideais Assim expresso meus agradecimentos Em especial aos meus pais Manoel Milhomem Fernandes e Ana Maria Lira Fe
42. a de modo a facilitar o entendimento do processo Ele foi planejado com o prop sito de ser simples e amig vel Este componente possibilita o controle do sistema atrav s da introdu o de controladores ou a adequa o de um previamente colocado na malha do sistema Sobre ele est o ilustradas as liga es dos controladores e de outros dispositivos teis ao funcionamento do sistema A Figura 3 29 mostra o desenho do painel O funcionamento pode ser entendido segundo o percurso da malha da esquerda para a direita indicadas pela dire o das setas no desenho Al m disso para diferenciar os terminais foram instalados conectores de cores diferentes azul para medi o e preto para introdu o de sinais Os termos somador utilizados nas descri es a seguir se referem ao desenho do somador ilustrado no painel CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 46 n CONTROLADOR EXTERNO Is m BANCADA DIDATICA ai Pu 9 Q MAGLEV CHAVE SELETORA 20 V Je EXTERNO DIGITAL Je ANAL GICO REFER NCIA Figura 3 29 Desenho do painel de comando O M dulo do Sensor o primeiro est gio representado pelos dois somadores iniciais onde est o ligados a refer ncia interna e externa A refer ncia interna pode ser retirada ou adicionada atrav s de uma chave e o seu valor regulado por um potenci metro ao mesmo tempo em que um volt metro digital indica seu valor no painel Um LED de cor verd
43. al diretamente do sensor sinal y Figuras 3 12 e 3 14 ao inv s do sinal ERRO Figura 3 14 como sugerido no desenho Se este m dulo estivesse conectado ao M dulo do Sensor poderiam surgir sinais com n veis fora da faixa aceit vel pelo conversor A D do PIC inclusive com a possibilidade de danific lo Desta maneira o layout mais adequado ao painel seria o apresentado na Figura 3 11 Sobre o hardware da bancada o sucesso das etapas de desenvolvimento podem ser atribu dos ao tempo dedicado pesquisa projeto e constru o al m de todos os m dulos do circuito que integram a bancada terem passado por uma minuciosa etapa de testes antes de serem mon tados A t tulo de trabalhos futuros s o sugeridas algumas modifica es visando melhorar o desempenho da bancada e Constru o de uma nova fonte de alimenta o para o eletro m com a finalidade de eliminar o problema da queda de tens o em virtude da conex o da carga e Ado o de um procedimento de grava o autom tica do PIC do M dulo de Controle Digital levando se em considera o que o M dulo de Sele o n o prev o fim do processo de grava o pode ser contornar o problema utilizando o pino Vpp da gravadora que sai 5V para 12V no momento da grava o em um circuito comparador com 6V em uma de suas entradas O circuito sugerido mostrado na Figura 5 5 em que R1 R2 R3 R4 e R5 10k0 R1 VPP O R4 R3 Figura 5 5 Circuito sug
44. ara o atuador um n vel de tens o de 20V Seu funcionamento semelhante ao da fonte de alimenta o dos circuitos de comando e controle exceto por utilizar dois CIs reguladores modelo LM7824 em paralelo para fornecer uma corrente m xima de 24 Mesmo utilizando um regulador de tens o para 24V h uma queda de tens o devido falta de robustez da fonte A Figura 3 9 mostra o circuito esquem tico da fonte do atuador enquanto que a Figura 3 10 mostra a vers o final do dispositivo LM 7824 1 ONO de Diodo 2200 pF 50 V 1 24Vcc 2 A 127 24 Vca 127 Vca O GND 2A LM 7824 Figura 3 9 Circuito esquematico da fonte de alimenta o do eletro m Figura 3 10 Fonte do atuador Fonte de alimenta o dos volt metros Para alimenta o dos volt metros do painel foi adaptada uma fonte de um carregador de celular As especifica es desta fonte s o mostradas na Tabela 3 3 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS Tabela 3 3 Especifica es da fonte dos volt metros Entrada Sa da Tens o Corrente mA Tens o Corrente 100 240 100 6 25 350 3 6 M dulos da bancada 28 Durante o planejamento da bancada conforme discutido na Se o 3 3 percebeu se que a versatilidade de suas fun es exigia um hardware complexo dif cil de ser desenvolvido com os m todos de fabrica o de circuito impresso ut
45. ca Portanto importante que a resposta do atuador para as varia es de cor rente seja r pida Por outro lado preciso conciliar este aspecto com uma indut ncia capaz de produzir uma for a magn tica que consiga levitar uma determinada massa Im s magneticamente pesados podem comprometer os resultados como notado em 54 Figura 3 5 Bobinas constru das para a bancada Portanto buscou se para o primeiro atuador aproximar o valor de indut ncia L e resist ncia R propostos em 14 23 42 a fim de se aproximar das respectivas constantes de tempo Para o segundo eletro m foi estipulado um valor de indut ncia superior de modo que ao se alternar entre esses dois elementos haja a possibilidade de alterar as caracter sticas do atuador Sendo assim s o apresentados na Tabela 3 1 os par metros dos dois atuadores Nos enrolamentos das bobinas foi usado fio de cobre esmaltado de bitola 22 AWG Ele foi utilizado pois n o havia nenhum fio de di metro maior no momento em que foi fabricada a bobina do eletro m Com base na Tabela 3 2 o fio mais adequado seria 19 AW G de acordo com a corrente m xima fornecida pela fonte de alimenta o que est em torno de 24 Contudo foi observado experimentalmente que o fio utilizado n o prejudicou o desempenho do sistema e a estrutura das bobinas CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 24 Tabela 3 1 Par metros dos atuadores Par metros Eletro
46. dade O ajuste desses par metros realizado atrav s do painel oferece melhor compreens o ao usu rio sobre o funcionamento de controladores PID uma vez que poss vel visualizar pron tamente seus efeitos na malha como ilustrado na Figura 5 4 Para empregar estrat gias de controle discreto foi desenvolvido o hardware M dulo de Con trole Digital que permite carregar algoritmos de controle para um microcontrolador incorporado bancada Os detalhes da modelagem projeto e implementa o de controladores digitais na bancada um tema bastante abrangente e permitiu o desenvolvimento de uma monografia para lela 22 que demonstrou com sucesso a viabilidade do uso da bancada em pesquisa e ensino na rea de Sistemas de Controle Sinal ser ajustado refer ncia onda quadrada 0 5 Hz 1 12 T T T T T T T 10H 8 3 l l l 2 25 3 3 5 4 4 5 5 5 5 B t s Y Sinal ajustado Par metro modificado Kp T T T T T T T 10 8H l l l l l 2 25 3 35 4 45 5 5 5 t s Sinal ajustado Par metro modificado TD 10 T T T T T T T 8 H v l l l l l l l 1 5 2 2 5 3 3 5 4 45 5 5 5 Sinal ajustado Par metro modificado Figura 5 4 Ajuste dos par metros do controlador PID anal gico Os circuitos que permitem testar um Controlador Externo tamb m est o funcionando como planejado tendo sido
47. dem ser substitu dos por interruptores ou jumpers que durante a grava o do programa devem estar abertos 27 No circuito do m dulo este procedimento feito por um rel que comuta entre a alimen ta o do circuito e da gravadora pino Vpp Figura 3 23 al m do pino MCLR do PIC Este rel comandado pelo M dulo de Sele o Se o 3 6 5 de modo que no momento da grava o comuta para a alimenta o da gravadora isolando o microcontrolador do restante do sistema O esquem tico do circuito que realiza a grava o mostrado na Figura 3 23 19 No bloco CONTROLADOR DIGITAL do painel Figura 3 29 disponibilizado o terminal que conecta o m dulo a gravadora denominado ISP Contudo na fabrica o da PCI 3 foi utilizado um conector de cinco vias Figura 3 23 REL 3 RESET O o O 1 crav vDD GRAV MCLR O Ol2 vss 5VNC O 3 GRAV PGD GRAV VDD O o I 4 crav poc 5 GRAV MCLR CONECTOR 5 VIAS Figura 3 23 Esquem tico do circuito de grava o do PIC e pinagem do conector de cinco vias 16 os conectores cuja nomenclatura apresenta o prefixo GRAV s o referentes s conex es da gravadora In System Programming 8Placa de Circuito Impresso CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 40 Todos os esquem ticos apresentados nesta se o Figuras 3 19 3 21 3 22 e 3 23 fazem parte de um circuito maior que teve seu esquem tico omitido devido a sua compl
48. desses controladores PI PD e PID PD situam se entre o controle PID e o I PD 46 Estas duas ultimas modifica es no algoritmo de controle PI PD e PID PD levam a um esquema mais geral com dois graus de liberdade 46 A Figura 4 4 mostra sistemas controlados por este tipo de estrat gia em que Ga s e Go s s o controladores independentes 46 As modifica es do algoritmo PID apresentam vantagens quanto tentativa de melhorar o sinal de controle deixando o menos suscept vel a varia es abruptas que dependem da refer ncia de entrada Entretanto para o controlador anal gico da bancada decidiu se utilizar o esquema apresentado na Figura 4 1 pois trata se de um algoritmo b sico e de melhor compreens o quanto as suas a es de controle Figura 4 4 Sistemas utilizando controladores a dois graus de liberdade 4 3 Projeto do controlador PID Quando o modelo matem tico do sistema conhecido poss vel utilizar varias t cnicas de projeto para determinar os par metros do controlador Entretanto existem situa es onde n o se disp e da representa o da planta e o m todo anal tico para o projeto do controlador torna se dif cil Nesses casos abordagens experimentais para sintonia do controlador s o de grande utilidade 46 Alguns m todos podem ser adotados para sintonia de controladores PID como por exem plo Ziegler Nichols 45 46 52 ou varia es deste m todo Tuning Maps Ajuste de Mapas ou CHR C
49. do corpo e a corrente Ip conforme a Figura 3 12 A dist ncia entre o corpo e o im permite maior ou me nor passagem de luz proporcionando mais ou menos corrente no circuito de condicionamento Um aumento na corrente Jg decorrente da queda do corpo ocasiona um aumento de tens o sobre o resistor de 100 Esta tens o rotulada o sinal informado ao circuito de controle como mostra a Figura 3 12 560 Q infravermelho Vr T 8 E 100 KQ VA Figura 3 12 Circuito do sensor CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 30 Para amenizar a influ ncia de outras frequ ncias da luz uma prote o com material negro foi confeccionada envolvendo o receptor e o transmissor Essa prote o consiste em dois tubos de 2 5cm de comprimento e 1 2 de di metro acoplados estrutura como mostra a Figura 3 13 Figura 3 13 Sensor da Bancada MAGLEV Ap s a instala o das prote es o sensor se mostrou mais robusto Tamb m foi utilizado um cabo coaxial na liga o do sensor com o outro est gio do m dulo o que produziu um sinal de posi o menos suscept vel as poss veis interfer ncias Comparador O outro est gio do modulo composto por um circuito comparador 48 51 Seu papel retirar o offset de tens o proveniente do sensor informando ao controlador quando o corpo flutuante est acima ou abaixo da posi o de refer ncia O circuito desse m dulo foi fabricado conforme o es
50. e forma mais vers til foram alguns dos fatores que levaram ao desenvolvimento da bancada Decidiu se construir os circuitos de comando e controle sob a forma de m dulos o que facilita a manuten o e montagem Todos os m dulos est o conectados entre si e com o pai nel disponibilizando elementos para realizar a intera o entre a bancada e o usu rio de forma amig vel No painel mostrado um diagrama demonstrando o funcionamento do sistema que per mite control lo atrav s de tr s t cnicas de controle sendo duas incorporadas bancada uma anal gica e outra digital Uma estrutura em madeira foi constru da com a finalidade de fixar o eletro m o sensor acomodar os m dulos Ela tamb m respons vel por dar um aspecto final do equipamento importante mencionar que experimentalmente foi observado que quando se desconecta o Atuador 1 para conex o do Atuador 2 2 necess rio ajustar um pouco a altura do sensor aumentar a dist ncia em rela o ao n cleo do eletro m Trata se apenas de um problema estrutural pois a rosca de encaixe do Atuador 2 n o apresenta uma excurs o suficiente para acopl lo em uma altura igual a do Atuador 1 A Bancada Did tica MAGLEV em seu estado final apresentada na Figura 3 35 Figura 3 35 Bancada Did tica MAGLEV 2 Atuador 1 bobina de 96H Atuador 2 bobina de 350uH Cap tulo 4 Projeto do controlador anal gico da bancada 4 1 Introdu o A Ba
51. e indica o seu estado de opera o A Refer ncia Externa foi instalada em um terminal ligado ao somador ao qual foi acrescentado um ponto para medi o do sinal total de refer ncia Para medi o do sinal do sensor foi instalado um ponto na entrada do primeiro somador Para utiliza o de outros controladores o painel disp e de um bloco denominado de CON TROLADOR EXTERNO Este bloco disponibiliza ao usu rio um ponto de sa da proveniente do M dulo do Sensor SINAL DE ERRO SENSOR e outro ligado a entrada do M dulo de Acionamento SINAL DE CONTROLE O M dulo de Controle Digital representado por um bloco no qual est o dispon veis dois conectores um para grava o do programa no microcontrolador do M dulo de Controle Digital ISP e outro para comunica o da bancada com um computador DB9 Neste bloco tamb m est o dispon veis duas botoeiras que comutam entre o modo de GRAVA O e o de EXECU O Para reiniciar o programa do microcontrolador uma botoeira de RESET foi colocada no diagrama do m dulo O bloco do CONTROLADOR ANAL GICO foi desenvolvido com a finalidade de repre sentar o circuito da Figura 3 16 de modo a se obter uma melhor compreens o da a o do con CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 47 trolador PID O ajuste dos par metros do controlador realizado pelos reostatos Rp Rr e Rp e a sele o dos capacitores atrav s de chaves comutadoras Os sinais de controle s o transmitido
52. e que realiza diferentes fun es convers o A D e D A Anal gico Digital e Digital Anal gico respectivamente comunica o serial e grava o do microcontrolador O microcontrolador utilizado da fam lia PIC modelo PIC18F4520 4 cujo diagrama de pinos ilustrado na Figura 3 18 Algumas de suas caracter sticas s o mostradas na Tabela 3 4 4 RAD ANO lt 1 1 RA2 AN2NVREF lt RA3 AN3IVREF lt RA4TOCKI RAS5 AN4 SSILVDIN lt REO RD ANS lt lt RE2 CS AN7 VDD RB7 PGD RB6 PGC RB5 PGM V RB3 CCP2 RBZ INTZ RB1 INT1 RB0 INT0 VoD ss RD7 PSP7 RD6 PSP6 RD5 PSP5 lt RD4 PSP4 lt RC7 RX DT RC6 TX CK RC5 SDO RC4 SDI ISDA RD3 PSP3 RD2 PSP2 CD QO N PIC18F442 PIC18F452 Vss sy OSC1 CLKI OSC2 CLKO RA6 lt RC0 T1OSO T1CKI lt RC1 T1OSIICCP2 gt RC2 CCP1 RC3 SCKISCL RDO PSPO gt RD1 PSP1 Figura 3 18 Pinagem do microcontrolador PIC18F4520 40 pinos encapsulamento DIP CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 35 Tabela 3 4 Caracter sticas do microcontrolador PIC18F4520 Frequ ncia operacional DC 40 MHz Mem ria de programa Bytes 32K Mem ria de
53. eissner de exclus o do campo magn tico do interior de supercondutores Levita o por repuls o O m todo tamb m conhecido por levita o eletrodin mica Eletrodinamic Levitation EDL consiste na utiliza o de bobinas para gerar um campo magn tico provocando o aparecimento de uma corrente el trica induzida em um condutor devido movimenta o do campo em suas proximidades Desta forma pela Lei de Faraday Lenz esta corrente induzida dever ter sentido contr rio a da bobina indutora gerando um campo magn tico que se op e ao campo criado pela bobina provocando uma repuls o entre a bobina e o condutor A intera o entre os campos gera uma for a de repuls o capaz de suspender o objeto 24 54 Levita o por atra o Tamb m conhecida por levita o eletromagn tica EML Eletromagnetic levitation aquela em que um corpo de material ferromagn tico mantido suspenso pela for a atrativa de um ele tro m 17 44 A for a atrativa fun o da posi o do objeto e da corrente na bobina do eletro m CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 3 No corpo atuam duas for as a peso e a magn tica O equil brio entre elas resultar na le vita o do corpo Figura 1 1 Este equil brio inst vel logo a levita o impratic vel sem um sistema de realimenta o Este processo dependente da efic cia do sensor de posi o e do controle da corrente do eletro m Portanto para que esta t
54. eitas apenas no intu do de estabilizar o sistema Entretanto an lise quantitativa do quanto estes par metros deveriam ser alterados foram realizadas de forma emp rica at que se notasse a tentativa do controlador em estabilizar a malha e Em um segundo momento ap s estabilizar o sistema foram realizados pequenos ajustes a fim de melhorar o desempenho do controlador Deste modo com a ajuda do oscilosc pio CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 59 foi poss vel observar as modifica es da resposta da planta medida que eram alterados os resistores e os capacitores do circuito da Figura 3 16 Desta forma p de se estabelecer os par metros do controlador comparando as Eqs 4 2 e 3 2 onde 4 6 Tp 4 7 4 8 1 4 9 s o estes par metros que s o determinados neste experimento seguir apresentada meto dologia adotada para realiza o do ensaio 1 Inicialmente a amplitude do sinal da Refer ncia Externa neste caso o gerador de fun o ajustado em 0V Em seguida a Refer ncia Interna offset de posi o e o offset de corrente s o ajustados O offset de corrente alterado at que se perceba que a for a magn tica realmente significante para o equil brio do cilindro o offset de posi o ajustado observando se no oscilosc pio o sinal de posi o y Figura 3 14 verificando se o deslocamento do cilindro
55. el utilizado s o indicadas na Figura 3 3 15 ii dae caia e W jl f 26 54 mm PER 3 Z A 0 20 nm t 106 Figura 3 3 Dimens es do carretel usado Para constituir o n cleo foi utilizado o material ferrite Figura 3 4 por apresentar alta permeabilidade magn tica 49 A geometria escolhida foi o tipo A da Figura 3 2 devido facilidade de constru o Esta forma possui apenas um bloco de material ferromagn tico onde s o enroladas as espiras Figura 3 4 N cleo do eletro m ferrite As dimens es do n cleo foram escolhidas em fun o do carretel e da forma como o eletro m foi fixado estrutura Para isso em uma das extremidades foi fabricada uma rosca Figura 3 4 de modo que o im pudesse ser removido quando necess rio Os atuadores resultantes s o mostrados na Figura 3 5 O enrolamento do primeiro atuador foi envolvido por uma fita isolante enquanto que o segundo foi envolvido por uma carca a de pl stico para prote o mec nica Especifica o t cnica rosca de 1 2 de di metro tipo UNC Rosca Grossa CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 23 Outra caracter stica importante da fabrica o do eletro m a constante de tempo O atuador deve trabalhar com uma constante de tempo pequena pois ela est relacionada com o transit rio da for a magn ti
56. em Inovadora no Projeto de Controladores PID Disserta o de mestrado em Engenharia de Controle de Processos UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QU MICA Porto Alegre RS 2004 29 Richard Stephan Guilherme Sotelo Rafael Gomes Compara oo de configura es para um levitador eletromagn tico pelo m todo dos elementos finitos Congresso Brasileiro de Autom tica 2003 30 F T Holmes Axial magnetic suspensions Rev Phys Instrum 8 444 447 1937 31 Datasheet IRF640 channel 200v 0 150 ohm 18 to 220 to 220fp mesh overlay mosfet STMicroelectronics 1999 32 Wilmar Lacerda Kauss Motor Mancal Magn tico com controle timo implementado em um DSP Disserta o de mestrado em Engenharia El trica Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE Rio de Janeiro RJ 2008 33 J Boehm R B Gerber N R C Kiley Sensors for magnetic bearings IEEE Transactions on Magnetics 29 2962 2964 1993 34 S A Lang Z Q Billings Energy transfer properties of nonlinear systens in the frequency domain Internacional Journal of Control 78 345 362 October 2004 35 Datasheet LM78XX Lm340 Im78xx series 3 terminal positive regulators National Semi conductor 2001 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 97 36 Datasheet LM79XX Lm79xx series 3 terminal negative regulators National Semiconduc tor 1994 37 Datasheet LMx58 Low power dual operational amplifiers STMicroelectronics
57. enuar pequenas oscila es que venham a aparecer Isso tamb m feito para melhorar o amortecimento da malha Em seguida regula se a fim de diminuir o erro de regime permanente 6 Atrav s de um procedimento simples testada a robustez do controlador s o produzi das pequenas perturba es mec nicas no cilindro e observado o sinal de posi o Desta forma visto se o controlador j parametrizado suficientemente robusto a ponto de fazer o corpo rastrear novamente o sinal de refer ncia aplicado ao sistema Caso o proce dimento apresentado neste item falhe o ensaio novamente iniciado a partir do segundo passo 7 Constatada a aus ncia atenua o das oscila es e da robustez do controlador inserido na malha um sinal externo conhecido onda senoidal ou quadrada a fim de verificar se o corpo o excursiona 8 Aumenta se a frequ ncia do sinal da Refer ncia Externa at que a malha se torne inst vel Isto feito com a inten o de determinar a frequ ncia m xima do sinal externo supor tada pelo controlador em todas as amostras foram aplicados sinais de onda senoidal e quadrada Depois mede se a frequ ncia e a amplitude deste sinal 9 Ap s estes passos s o medidas todas as grandezas referentes ao circuito da Figura 3 16 Rp Rr Cp Cr al m do offset de corrente do im e da refer ncia de posi o refer ncia interna No ensaio da bancada os dados das dez melhores amost
58. erido para automatizar o processo de grava o A respeito do funcionamento deste circuito pode se considerar que no momento em que a grava o do PIC for ativada o terminal Vpp ficar em 12V surgindo uma tens o de cerca 5 3V no resistor Rs ligado PIC devido a queda de tens o de 0 7V no diodo D Este sinal em n vel l gico alto para o PIC pode ser usado para iniciar o algoritmo que CAP TULO 5 CONCLUS O 70 comanda o estado do REL 3 Figura 3 23 No momento em que o processo de grava o finalizado Vpp retornar para 5V surgindo uma DDP de OV no resistor Re pelo fato do diodo D estar diretamente polarizado desativando o algoritmo que comanda o estado do rel REL 3 Cogita se na possibilidade deste aparato n o funcionar como o planejado devido ao algoritimo do PIC respons vel pelo comando do REL 3 ter um tempo de processamento grande tornando se lento diante do tempo em que a gravadora envia o sinal de 12V para checar o estado do PIC a ser gravado e Utiliza o de um conversor D A paralelo no circuito do M dulo de Controle Digital observou se que a rotina que gera o sinal serial do PIC para o conversor D A consome muito tempo de processamento para um PIC que trabalha com menos de 16 bits O uso de um conversor paralelo pode permitir uma redu o consider vel deste tempo de proces samento quando o M dulo Digital estiver em uso Alguns modelos de CIs podem ser sugeridos DAC0808 conversor D
59. ersidade Federal do Par Bel m PA 2005 10 Datasheet BC548 Amplifier transistors npn silicon Motorola 1996 11 Edson Bim M quinas El tricas e Acionamento Elsevier Rio de Janeiro 2009 12 Julio Sanchez Maria P Canton Microcontroller Programming The Microchip PICR CRC Press New York 2007 94 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 95 13 Edmur Canzian Minicurso comunica o serial rs232 http www cnz com br extra do em 15 de maio de 2010 s 14 00 14 R mulo L Milhomem Rafael S Bayma Cleison D Silva Adjan M Castro Desenvolvi mento de um prot tipo did tico de levita o magn tica XXXVII Congresso Brasileiro de Educa o em Engenharia 2009 15 Angel Abusleme Aldo Cipriano Esperiencia de levitaci n magn tica de bajo costo para laborat rio de control autom tico Pontif cia Universidade Cat lida do Chile 2003 16 D A B B Coelho E M Lu s Constru o de prot tipo port til para ensino e pesquisa Trabalho de Conclus o de Curso Departamento de Engenharia El trica e de Computa o Universidade Federal do Par Bel m PA 2003 17 Eduardo Alves da Costa Controle da suspens o eletromagn tica de um ve culo maglev 2004 18 Cleison Daniel Silva Antonio da Silva Silveira Ferramenta Computacional em LabVIEW para uso do Prot tipo Did tico Servomotor CC Trabalho de Conclus o de Curso Uni versidade Federal do Par Bel m PA 2006 19 Datasheet 8
60. es em mais detalhes podem ser feitas atrav s de modelos que consigam reproduzir o comportamento n o linear do processo Para isso podem se utilizar modelos NARX Non linear AutoRegressive with eXogenous inputs 6 ou m todos de resposta em frequ ncia pra sistemas n o lineares 34 Conseguiu se ap s um bom ajuste do controlador chegar aos 220 Hz Frequ ncias nas quais o corpo excurciona o sinal de refer ncia CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 64 REFER NCIA 1 SENOIDE 2Hz 1 5Vpp RE y REFER NCIA 2 SENOIDE 20Hz 1Vpp RE y ESPECTRO DO SINAL DE POSI O PARA REFER NCIA 1 40 T T ESPECTRO DO SINAL DE POSI O PARA REFER NCIA 2 T 50 Figura 4 7 Resposta do sistema para refer ncias do tipo senoide com pequenas amplitudes seus respectivos espectros Em que sinal de posi o do sensor R E Refer ncia Externa REFER NCIA 1 SENOIDE 3Hz 2 3Vpp 4 ESPECTRO DO SINAL DE POSI O PARA REFER NCIA 1 yo N ESPECTRO DO SINAL DE POSI O PARA REFER NCIA 2 50 f Hz Figura 4 8 Resposta do sistema para refer ncias do tipo senoide com amplitudes altas e seus respectivos espectros Em que sinal de posi o do sensor R E Re
61. esolvido por ajustes aerodin micos Ao contr rio dos trens convencionais os MAGLEVSs n o transportam unidades de propuls o que se situam na guideway Com isso eliminam a necessidade de rodas freios motores e dispositivos para captar converter e transmitir a energia el trica Consequentemente os MAGLEVs s o mais leves silenciosos e menos sujeitos ao desgaste que os trens tradicionais 24 Figura 1 4 Trem MAGLEV modelo Japon s 3Via exclusiva por onde ve culo MAGLEV trafega CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 6 O projeto do Trem MAGLEV brasileiro denominado MAGLEV Cobra baseia se Levi ta o Supercondutora como t cnica para promover a levita o 21 Tem como objetivo o trans porte urbano em grandes metr poles contudo ainda encontra se em fase de desenvolvimento e pesquisa Por se tratar de uma tecnologia recente ainda n o existem linhas de teste em escala real embora exista o projeto de se construir uma linha em modelo reduzido Figura 1 5 Figura 1 5 Linha em escala reduzida do prot tipo MAGLEV Cobra COPPE UFRJ M quinas Rotativas Mancais Magn ticos e Motores Mancais Magn ticos MMM Usualmente rotores girando s o mantidos em suas posi es por meio de mancais nicos Nas ltimas d cadas os mancais magn ticos t m sido utilizados para manter a posi o radial de cargas girantes atrav s de for as eletromagn ticas 32 O uso desta tecnologia visa levita o do eix
62. exidade Por m no Ap ndice A apresentado o projeto da sua PCI enquanto que a vers o final do M dulo de Controle Digital mostrada na Figura 3 24 Figura 3 24 M dulo de Controle Digital 3 6 4 Controlador Externo Para tornar a bancada vers til planejou se a possibilidade de se utilizar outros circuitos de controle Para este prop sito foram disponibilizados dois terminais no painel nos quais se pode medir o sinal ERRO e inserir um sinal de controle proveniente de um controlador externo a bancada Estes terminais est o em um bloco denominado CONTROLADOR EXTERNO no diagrama do painel Figura 3 29 No primeiro terminal poss vel saber o n vel do sinal ERRO proveniente do M dulo do Sensor que varia conforme a Eq 3 1 De modo que considerando a refer ncia interna e a externa em 0V este sinal excursiona na faixa de 0 17 50V No painel este terminal indicado como SINAL DE ERRO SENSOR o qual dever ser conectado a entrada do controlador do usu rio O outro terminal est ligado entrada do M dulo de Sele o o qual conectado ao M dulo de Acionamento Se o 3 6 6 identificado no painel como SINAL DE CONTROLE Nele pode se inserir um sinal de controle proveniente do controlador do usu rio 3 6 5 M dulo de Sele o O acionamento do atuador por diferentes metodologias de controle exige que haja uma l gica de sele o entre essas estrat gias distintas Esta sele o consiste e
63. fer ncia Externa CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 65 v REFER NCIA 1 ONDA QUADRADA 0 34Hz 1Vpp wE T T T T T T T 12 T T 15 2 25 3 35 4 Figura 4 9 Resposta do sistema para refer ncias do tipo onda quadrada Em que sinal de posi o do sensor R E Refer ncia Externa 4 4 Conclus o Neste cap tulo apresentou se a estrat gia de controle continuo utilizada na bancada que do tipo PID anal gico tendo sido discutida brevemente sua utiliza o e funcionamento foram apresentadas varia es deste algoritmo as quais s o empregados com a inten o de melhorar o sinal de controle Foi tamb m descrito um ensaio realizado para parametriza o do controlador PID Com base nele foram estabelecidas faixas de varia es para os ganhos do compensador com a finalidade de facilitar o ajuste e estabiliza o da malha Este controlador j parametrizado propiciou o equil brio do corpo utilizando os dois atuadores o que mostra certa robustez visto que a altera o desses atuadores altera significativamente o modelo da planta Por fim foram discutidas as caracter sticas da malha quanto a faixas de frequ ncias e am plitudes para sinais de refer ncia senoidais utilizadas no ensaio de resposta em frequ ncia para determina o do modelo da planta 22 Cap tulo 5 Conclus o Neste trabalho foi proposta a constru o de um equipamento did tico para au
64. filtragem e regula o 51 A Figura 3 6 mostra seu funcionamento sob a forma de diagrama de blocos Regulagem Tens o Ed or gt P prote o Figura 3 6 Diagrama de blocos da fonte A fonte utiliza os p los do secund rio do transformador que fornece uma corrente m xima de 24 de modo a aproveitar os dois semiciclos da onda senoidal em um retificador de onda completa de maneira a gerar um n vel positivo e outro negativo de tens o DC em rela o deriva o central do secund rio do transformador Foi utilizado um filtro capacitivo em paralelo com o regulador de tens o para transformar a tens o cont nua pulsante em tens o cont nua com pequena ondula o O elemento de estabiliza o da tens o de sa da um CI regulador de tens o No mercado existe uma s rie de dispositivos que exercem este papel sendo os mais utilizados os das fam lias 78XX e 79XX Estes CIs reguladores s o estabilizadores de tens o com limita o interna de corrente e compensa o de temperatura e podem fornecer v rios n veis de tens o de sa da Os da fam lia 78XX fornecem tens o de sa da positiva enquanto que os da fam lia 79XX fornecem tens o de sa da negativa 25 35 36 Como existem diversos circuitos na bancada alimentados em diferentes n veis de tens o a fonte possui cinco sa das para a alimenta o dos amplificadores operacionais h duas sa das reguladas em 20V e 10V a sa da de 20V tamb
65. hien Hrones and Reswick method 52 O m todo de Ziegler Nichols prop e regras para ajustes dos par metros do controlador Tr e Tp nas quais s o baseadas na resposta experimental do sistema a uma excita o geralmente um degrau como refer ncia sendo conve nientemente aplicado nos casos em que o sistema est vel em malha aberta enquanto que o modelo do processo pode ser ou n o conhecido 45 46 52 CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 57 Por ser inst vel em malha aberta e seus par metros n o serem f ceis de medir o modelo do MAGLEV torna se de dif cil determina o No Cap tulo 2 foi apresentada uma fun o de transfer ncia gen rica para o sistema Eq 2 22 com a qual poss vel fazer uma estimativa da estrutura da fun o de transfer ncia do controlador a ser utilizado atrav s da an lise do LGR da planta Figura 4 5 Concluiu se que a fun o de transfer ncia do MAGLEV possui p los reais e distintos sim tricos em rela o ao eixo imagin rio A O p lo semi plano direito A respons vel pela instabilidade do sistema em malha aberta Vale lembrar que este sistema s pode ser estabilizado atrav s de um controle por realimen ta o Assim o modelo proposto no Cap tulo 2 sugere uma realimenta o positiva malha devido ao sinal negativo do termo Eq 2 19 importante mencionar que posteriormente ao ajuste por tentativas do controlador foi de fato
66. ilizados na faculdade Desta forma o circuito foi dividido em m dulos que o torna mais simples e facilita sua manuten o A Figura 3 11 ilustra os v rios processos da bancada Os blocos foram agregados conforme semelhan a de fun es Os circuitos foram desenvolvidos conforme esta divis o sendo os seus projetos anexados no Ap ndice A Tamb m est anexado ao trabalho no Ap ndice B um dia grama de blocos indicando todas as conex es entre os m dulos e o painel Esta se o descrever como funciona cada m dulo e suas caracter sticas de constru o SINAL DE POSI O V M DULO DO SENSOR CONTROLADOR EXTERNO M DULO DE CONTROLE REFER NCIA NTERNA ANAL GICO M DULO DE SELE O M DULO DE CONTROLE DIGITAL AMPLIFICADOR Lp CORRENTE 1 DA BOBINA A l M DULO DE ACIONAMENTO Figura 3 11 Diagrama de blocos dos m dulos da bancada 3 6 1 M dulo do Sensor O M dulo do Sensor foi desenvolvido para fazer o condicionamento do sinal de posi o para fornecer ao controlador uma forma de onda em conformidade ao que ocorre no sistema O circuito desenvolvido para o m dulo foi dividido em dois est gios conforme o tratamento do sinal sensor e comparador CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 29 Sensor O sensor o elemento respons vel por informar atrav s de uma tens o el trica equivalente a posi o do corpo em rela o ao n cleo do im sem que haja conta
67. ionar CONTROLADOR DIGITAL por exemplo rel RL2 ser ativado atrav s do sinal em n vel alto proveniente do pino B5 Da mesma forma que ao selecionar o CONTROLADOR EXTERNO o rel RL1 ser ativado atrav s do sinal em n vel alto proveniente do pino B4 O CONTROLADOR ANAL GICO acionado atrav s do desligamento dos rel s O m dulo tamb m respons vel pelo acionamento da grava o do microcontrolador do M dulo de Controle Digital discutido na Se o 3 6 3 Isso foi necess rio pois se o algoritmo respons vel pelo controle da grava o estivesse inserido no microcontrolador do M dulo de Controle Digital ele teria que ser regravado a cada vez que se alterasse o algoritmo do controla dor Portanto decidiu se englobar a fun o de grava o com a de sele o dos controladores no mesmo algoritmo do M dulo de Sele o Esse algoritmo foi feito em linguagem C e mostrado no Ap ndice C Ao M dulo de Sele o tamb m est o conectadas duas botoeiras referentes opera o do M dulo do Controlador Digital que est o indicadas no painel como EXECU O EX e GRA VA O GP Essas botoeiras EX e GP funcionam semelhantes as da sele o dos controla dores indicadas tamb m por meio luminoso Ao selecionar o modo GRAVA O o pino B3 do PIC ficar em n vel alto ativando o rel RL3 que se encontra na placa do M dulo do Controla dor Digital importante observar que ao iniciar o processo de g
68. l de posi o do sensor R E Refer ncia Externa 65 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 Bancada Did tica MAGLEV em funcionamento 66 Sistema em operan o utilizando o 1 67 Sistema em operan o utilizando o 2 67 Ajuste dos par metros do controlador PID anal gico 68 Circuito sugerido para automatizar o processo de grava o 69 Lista de Tabelas 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 4 1 4 2 4 3 Par metros dos atuadores 24 Parte da Tabela AW G para fios e cabos padr o simplificada 24 Especifica es da fonte dos volt metros 28 Caracter sticas do microcontrolador 1 18 4520 35 Resist ncias dos circuitos da Figura 3 19 36 Resist ncias do circuito da Figura 3 25 43 Par metros encontrados no ensaio Em que Amt amostra z corrente x posi o RE Refer ncia Externa A Tens o de pico a pico e f Frequ ncia 61 Valores das capacit ncias adotados para o controlador 62 Valores das resist ncias Rp Rp e Rr varia es m ximas e m nimas 62 Cap tulo 1 Levita o Magn tica 1 1 Introdu o Neste cap tulo apresentada uma vis o geral do fen meno da levita o magn tica seu contexto hist rico as
69. le SC A e ERRO respectivamente R Fo Rz 10 Ra Rg 1kQ Os valores dos demais resistores e dos capacitores s o comentados no Cap tulo 4 Analisando o circuito da Figura 3 16 e a Eg 3 2 pode se estabelecer que e O ganho proporcional do controlador regulado atrav s do resistor vari vel Rp que realimenta um circuito somador Este elemento na verdade regula um ganho global para o circuito em quest o n o interferindo apenas na parte proporcional Um amplificador de ganho unit rio foi incluido no circuito a partir dos resistores R4 Rp de forma que o sinal ERRO alcance o est gio do somador sem interfer ncias e a o derivativa feita a partir de um circuito ativo 46 48 51 a partir do amplificador operacional em que est o conectados o resistor vari vel Rp e os capacitores representados por Cp e Um circuito integrador 46 48 51 promove a a o integral atrav s de um amplificador operacional em que est o ligados os capacitores representados C o resistor vari vel Rr O M dulo de Controle Anal gico foi fabricado conforme o circuito da Figura 3 16 sua vers o final mostrada na Figura 3 17 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 34 Figura 3 17 M dulo de controle anal gico 3 6 3 M dulo de Controle Digital O M dulo de Controle Digital permite a utiliza o de t cnicas de controle discreto na ban cada Para isto foi desenvolvido um hardwar
70. lecer o comportamento din mico do sistema O modelo dito geral sob a tica de n o especificar uma fun o para a for a magn tica Sua determina o pode ser dividida em duas etapas a an lise do diagrama de for as do sistema e a an lise da for a magn tica Diagrama de for as Considerando que o objetivo do sistema MAGLEV sustentar um corpo met lico levitando no ar importante analisar as for as que atuam sobre o corpo A figura 2 1 mostra estas for as agindo sobre um corpo levitante de forma cil ndrica a geometria apenas ilustrativa wp Ka mg Figura 2 1 Diagrama de for as do sistema Sendo o corpo influenciado pela a o do campo gravitacional da Terra a for a peso p ser proporcional massa do corpo m e acelera o da gravidade g atuando na dire o do centro da Terra Com o prop sito de compensar a for a peso uma for a magn tica F 1 1 de sentido oposto aplicada sobre o corpo Esta for a de atra o provocada por um campo magn tico gerado a CAP TULO 2 MODELAGEM MATEM TICA DO SISTEMA MAGLEV 12 partir da circula o de uma corrente I t na bobina do eletro m desta forma atraindo o corpo e mantendo o a uma dist ncia z t do n cleo A dist ncia x t considerada entre o centro de massa do corpo e a base do n cleo do eletro m Portanto considerando o ponto P como o centro de massa do corpo Figura 2 1 poss vel determinar a natureza do movimento
71. lisou se as respostas dos sinais de posi o para o ensaio de resposta em frequ ncia realizado em 22 e do apresentado na Se o 4 3 1 Com base nestes ensaios foi poss vel observar algumas caracter sticas gerais do desempenho da malha Quando a amplitude do sinal de refer ncia pequena em torno de 1 6 pode se excur cionar uma larga faixa espectral sem observar grandes distor es harm nicas no sinal de posi o poss vel ultrapassar 100 Hz de frequ ncia Para estas amplitudes observa se um comporta mento din mico razoavelmente linear com gera o de poucos harm nicos Figura 4 7 Devido n o linearidade da planta esperado o aparecimento de harm nicos de ordem par no sinal de posi o quando a perturba o refer ncia for de grande amplitude Especula se que isto ocorra devido ao termo quadr tico do modelo Eq 2 22 Portanto para sinais com ampli tudes altas pr ximas de 3Vpp a faixa de frequ ncias rastre veis 19 reduzida significativamente com a gera o de harm nicos consider veis em baixas frequ ncias Figura 4 8 Para refer ncias do tipo onda quadrada a observa o do fen meno com rela o ocorr ncia de harm nicos equivalente as das respostas analisadas anteriormente Entretanto as faixas de frequ ncias rastre veis reduz se devido a varia o abrupta deste sinal n o ultrapassando os para amplitudes de 1Vpp Figura 4 9 Uma tentativa de estudar estas oscila
72. main int chaexter chadigit chanalog Ch dos controladores int chagrav chafunc Ch do modulo digital int rl 2 r3 r4 r5 cond Cond p funcionamento int CEon CEoff CDon CDoff Ind luminosos LEDs int CAon CAoff GonFoff GoffFon Ind luminosos LEDs Condi es iniciais de funcionamento do sistema Controlador Anal gico ligado conf natural dos rel s 1 0 Cond inicial nula C E r2 0 Cond inicial nula p C D r3 1 Cond inicial favoravel p C A r4 0 Cond inicial nula p Grav do PIC r5 1 Cond inicial favoravel funcionamento normal de C D 0 Desliga luz verde LED indicador CEoff 1 Liga luz vermelha do LED indicador 0 Desliga luz verde do LED indicador CDoff 1 Liga luz vermelha do LED indicador 1 Liga luz verde do LED indicador CAoff 0 Desliga luz vermelha do LED indicador GonFoff 0 Liga luz verde do LED indicador da grava o Liga a luz vermelha do funcionamento normal GoffFon 1 Liga luz vermelha do LED indicador da grava o Liga luz verde do funcionamento normal AP NDICE C PROGRAMA DO 6 628 PARA O M DULO DE SELE O 84 rl 1 r2 0 r3 0 r4 0 5 1 CEon 1 CEoff 0 CDon 0 CDoff 1 0 CAoff 1 while 1 chaexter input pin a2 chadigit input pin a3 chanalog input pin a4 chagrav input pin a5 chafunc input pin b0
73. minado set point kick 2 46 A a o derivativa com filtro pode amenizar este problema Assim em alguns casos contro ladores PID aplicados a ind stria que utilizam o sistema da Figura 4 1 tem seu termo derivativo puro substitu do por Tas 1 yluas onde normalmente em torno de 0 1 46 Quanto menor o valor deste par metro mais pr xima da a o derivativa pura este filtro ficar Em alguns projetos y um par metro de ajuste 46 28 Uma forma de evitar o fen meno de set point kick colocar a a o derivativa do controlador no ramo de realimenta o para que a diferencia o aconte a somente no sinal B s Figura 4 2 este esquema denominado controle PI D 46 Um sistema com este tipo de controlador mostrado na Figura 4 2 46 no qual pode se representar o sinal de controle U s pela Eq 4 4 Figura 4 2 Diagrama de blocos de um sistema com um controlador PI D 3Salto do valor de refer ncia Nesta se o os termos T e Ty ser o utilizados no lugar de e apenas para explicar os diagramas de blocos aqui apresentados 52 sugerida uma faixa de valores para y que variam entre 0 3 20 CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 55 U s K 1 5 R s K 1 gt F re B s 4 4 Ao aplicar uma refer ncia degrau em R s nos sistemas das Figuras 4 1 e 4 2 observa se que os controladores PID e PI D tamb m apresentam uma fun
74. ncada Did tica MAGLEV possui um controlador incorporado a sua malha permitindo r pida estabiliza o e desenvolvimento de experimentos A estrat gia de controle utilizada na bancada do tipo PID anal gico Neste cap tulo mostrada a utiliza o e o funcionamento deste tipo de controlador na bancada que tamb m amplamente utilizado na ind stria 46 52 apresentado tamb m o projeto de controle baseado no LGR da planta na tentativa de atrair os p los de malha fechada do sistema para uma regi o de estabilidade no semi plano esquerdo Como n o era conhecido o modelo da planta o controlador foi sintonizado experimental mente atrav s de um ensaio descrito na Se o 4 3 1 Com base neste ensaio estabeleceram se valores para os par metros do compensador Ap s a parametriza o do controlador foram anali sadas as respostas do sistema para refer ncias senoidais utilizadas em 22 para determinar um modelo para a planta atrav s de um ensaio de resposta em frequ ncia Lugar Geom trico das Ra zes uma t cnica gr fica no dom nio da frequ ncia que representa a posi o dos p los de malha fechada de um sistema para valores de ganho variando de zero a infinito Constru do diretamente a partir dos p los e zeros da fun o de transfer ncia de malha aberta 45 46 51 CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 52 4 2 Controladores PID Controladores PID s o amplamente utilizados em divers
75. nsor realimenta o sinal de posi o para um controlador que regula a corrente apli cada ao eletro m atuador Com base nesse principio foi desenvolvida uma estrutura que consiste basicamente de tr s partes eletro m sensor e um circuito de acionamento e controle a fixa o do eletro m e do sensor foi constru da uma estrutura que permite a substitui o do eletro m e ajustes na posi o do sensor Buscou se reproduzir a configura o exemplificada na Figura 1 6 gt desen volvendo um sistema de baixo custo usando recursos de hardware similares aos utilizados em outros trabalhos que seguem esta metodologia 15 23 54 59 60 Refer ncia de x Sinal de x VINIONLATA SENSOR DE POSI O INFRAVERMELHO RECEPTOR SENSOR DE POSI O INFRAVERMELHO EMISSOR mg Figura 1 6 Estrutura do Sistema MAGLEV Movimenta se em apenas numa dire o Onde x posi o do corpo medida pelo sensor F x 1 for a magn tica mg for a peso SC sinal de controle 1 corrente na bobina CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 8 1 5 Objetivos gerais e espec ficos do trabalho H algum tempo o MAGLEV tem sido objeto de estudos na Universidade Federal do Par UFPA Em 2006 no Campus do Guam Centro Tecnol gico foi desenvolvido um prot tipo deste processo na inten o de utiliz lo em aplica es did ticas Figura 1 7 por m sem xito na estabiliza o do sistema 54
76. nvolveu v rias reas e disciplinas abordadas ao longo do curso Durante o per odo de constru o cerca de dois anos teve se a possibilidade de consolidar conhecimentos adquiridos em sala de aula circuitos el tricos eletr nica eletromagnetismo controle etc Desse modo a contribui o did tica para os alunos envolvidos foi de grande valor visto que a evolu o do projeto coincidiu com o andamento do curso Outros resultados foram obtidos dentre os quais podem se destacar o desenvolvimento do h bito de pesquisa em particular por elementos al m da grade curricular o refor o de aspec tos experimentais como instrumenta o e desenvolvimento de circuitos impressos Destaca se tamb m a habilidade de planejar em especial no momento em que foi necess rio trabalhar a ver satilidade do prot tipo para manter o processo apto a receber outros circuitos de controle al m de deixar acess veis pontos para medi o de sinais De certa forma o trabalho de inicia o cient fica desenvolvido garantiu equipe certo 1 know how sobre o desenvolvimento de equipamentos deste tipo al m de uma vis o do que necess rio para torn lo mais adequado ao uso did tico 3 3 Considera es sobre a Bancada Did tica MAGLEV No desenvolvimento deste trabalho buscou se reproduzir uma estrutura cl ssica de um sis tema MAGLEV semelhante Figura 1 6 dotando a de recursos para o uso em aulas presenciais conforme a experi ncia rela
77. o LED indicador GoffFon 1 Liga luz verde do LED indicador Saida de dados Rel s output bit pin_b4 r1 coloca o pino especifico do pic no nivel da variavel r1 ON OFF Rel 1 output bit pin b5 r2 coloca o pino especifico do pic no nivel da variavel r2 ON OFF Rel 2 AP NDICE C PROGRAMA DO 6 628 PARA O M DULO DE SELE O 87 output bit pin b3 r4 coloca o pino especifico do pic no nivel da variavel r4 ON OFF Rel 3 LEDs Sele o do controlador output bit pin a0 CEon Liga Desliga a luz indicativa verde do controle RAQ output bit pin al CEoff Liga Desliga a luz indicativa vermelha do controle RA1 output bit pin a6 CDon 1 a luz indicativa verde do controle RA6 output bit pin a7 CDoff Liga Desliga a luz indicativa vermelha do controle 7 output bit pin b6 CAon Liga Desliga a luz indicativa verde do controle RB6 output bit pin b7 CAoff Liga Desliga a luz indicativa vermelha do controle RB7 LEDs EXECU O GRAVA O output bit pin b1l GonFoff Liga Desliga a luz indicativa da grava o RB1 output bit pin b2 GoffFon Liga Desliga a luz indicativa do funcionamento RB2
78. o de m quinas rotativas com a finalidade de atenuar vibra es e diminuir as perdas por atrito mec nico na inten o de aumentar a efici ncia da m quina Esta uma das aplica es mais promissoras da levita o magn tica a qual permite que motores operem em altas velocidades sem que haja atrito ou desgaste dos eixos 54 Sua principal aplica o na substitui o dos mancais mec nicos Esta tecnologia apesar dos altos custos e complexidade possui crescente interesse devido s suas caracter sticas singu lares 32 Os Mancais Magn ticos s o empregados nas seguintes reas e Industrias motores de alta velocidade ou de dif cil manuten o de mancais mec nicos e Bioengenharia Bombas de sangue e cora es artificiais e Aeroespacial Girosc pio de sat lites artificiais e Nuclear Ultracentr fuga de enriquecimento de ur nio CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 7 1 4 Sistema MAGLEV O sistema MAGLEV proposto neste trabalho apresenta um grau de liberdade e segue o principio da levita o por atra o Seu objetivo compensar a for a peso de um corpo de material ferromagn tico por meio de uma for a de atra o gerada a partir da circula o de uma corrente el trica na bobina de um eletro m Esse sistema apresenta caracter stica n o linear e naturalmente inst vel de modo que sua estabiliza o s pode ser atingida utilizando um mecanismo de controle por realimenta o Desta forma um se
79. o degrau modificada pelos controladores no sinal U s Em alguns casos essa altera o no sinal de controle pode ser indesej vel 46 A fim de contornar este problema pode se mover para o ramo de realimenta o a a o proporcional e a derivativa do controlador na inten o de interferir somente no sinal de reali menta o B s Este tipo de estrat gia denominada controle I PD A Figura 4 3 46 mostra o diagrama de blocos de um sistema utilizando este tipo de estrat gia O sinal de controle U s deste controlador pode ser representado pela Eq 4 5 Desta forma a a o integral do controla dor afeta apenas no sinal R s Figura 4 3 Diagrama de blocos de um sistema com um controlador I PD 147 18 T Tas B s 4 5 Pode se notar que o algoritmo PID alterado movendo se a a o de controle derivativa ou proporcional ou somente parte delas para o ramo de realimenta o mantendo as propor es restantes no ramo direto Isto demonstrado nas nomenclaturas dos controladores apresentados a qual dividida em duas partes a primeira antes do h fen est vinculada ao ramo direto a segunda ap s o h fen refere se ao ramo de realimenta o Assim para um controlador PI PD 46 a parte PI situa se no ramo direto e a PD no ramo de realimenta o O mesmo serve para CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 56 o PID PD de maneira que as caracter sticas
80. o do painel de comando 46 Painel de comando da 47 Estruturam vel _ GO RA EO O ns nis t s 48 Estrutura O sapos PEDE PEN E Qum DADE Q QS AR E 49 Bancada eea po Sep do die SD o at a 49 Estrutura f sica montada 49 Bancada Did tica MAGLEV 50 Diagrama de blocos de um sistema com um controlador PID b sico 53 Diagrama de blocos de um sistema com um controlador PI D 54 Diagrama de blocos de um sistema com um controlador I PD 55 Sistemas utilizando controladores dois graus de liberdade 56 LGR da planta MAGLEV sem compensa o 57 Resposta do sistema para refer ncias tipo senoidal e onda quadrada Em que sinal de posi o do sensor R E Refer ncia Externa 61 Resposta do sistema para refer ncias do tipo senoide com pequenas amplitudes e seus respectivos espectros Em que sinal de posi o do sensor R E Refer ncia 64 Resposta do sistema para refer ncias do tipo senoide com amplitudes altas e seus respectivos espectros Em que sinal de posi o do sensor R E Refe r ncia Externa 64 Resposta do sistema para refer ncias do tipo onda quadrada Em que y sina
81. o longo da gradua o cria o de uma cultura de inova o entre os discentes centrada 90 termo didaticamente adequado utilizado para designar as seguintes caracter sticas ser de simples manipu la o e instala o pelo professor em sala de aula ou laborat rio permitir trabalhar os conceitos relativos ao tema permitir a realiza o de medi es e seu registro para posterior an lise quantitativa CAP TULO 1 LEVITA O MAGN TICA 9 no objetivo de desenvolver um equipamento descri o do hardware desenvolvido tornando esta monografia uma esp cie de manual de instru es que possa permitir aos outros alunos no futuro reproduzir outras bancadas e fornecer a devida manuten o 1 6 Apresenta o e divis o do trabalho Este cap tulo apresentou os aspectos gerais do fen meno da levita o magn tica suas ca racter sticas e aplica es Tamb m foram discutidas as particularidades do Sistema MAGLEV com foco no desenvolvimento do equipamento proposto Al m disso discutiram se os objetivos gerais e espec ficos do trabalho Ao longo deste trabalho ser o apresentadas as etapas de pesquisa necess rias concretiza o da bancada modelagem matem tica do sistema de levita o magn tica constru o do hardware e da estrutura da bancada e o projeto de um controlador anal gico Por fim feita uma discuss o sobre os resultados obtidos e propostas para trabalhos futuros de acordo com a seguinte estr
82. o perturba o ou para rastreamento A sa da do circuito sinal ERRO da Figura 3 14 pode ser representada pela Eg 3 1 ERRO y E ve 3 1 em que R E o sinal de perturba o Refer ncia Externa R R a fra o de resist ncia do potenci metro conforme o ajuste e Vp a tens o aplicada ao potenci metro Ra equivalente alimenta o positiva dos amp ops da bancada O usu rio pode habilitar e desabilitar a refer ncia interna sempre que desejar atrav s de uma chave que se encontra no painel Adicionalmente poder medir o valor da Refer ncia Total conforme Figura 3 14 caso selecionada por meio de um terminal tamb m presente no painel A vers o final do m dulo mostrada na Figura 3 15 A Refer ncia Externa quando n o estiver em uso deve ter seu terminal aterrado atra v s de um jumper feito no pr prio painel Se o 3 7 Isto necess rio pois verificou se que quando este procedimento n o realizado surge uma tens o de 18V no terminal de sa da do buf fer que isola este ponto amp op A do circuito da Figura 3 14 que leva a um valor de refer ncia de posi o incorreto Todos os resistores do circuito da Figura 3 14 s o de 10 exceto R5 que o mesmo resistor de 100k da Figura 3 12 O resistor de 5600 Figura 3 12 tamb m est incorporado ao circuito na placa do m dulo CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 32 Figura 3 15 M dulo do Sensor 3 6 2 M dulo de C
83. o termo oG oG G y u G yo uo dy 5 Yo uo 2 9 Se for desprezada a influ ncia dos termos de ordem superior pode se aproximar a equa o n o linear G y u por 2 10 AG y u BAu 2 10 Onde AG y u G y u G yo uo 2 11 Ay 2 12 Au u u 2 13 26 2 14 08 2 15 u PEETA onde os termos A e B Eqs 2 11 2 14 e 2 15 s o geralmente utilizados para determinar os estados de um sistema linear invariante no tempo 46 A nota o significa matriz jacobiana CAP TULO 2 MODELAGEM MATEM TICA DO SISTEMA MAGLEV 15 Empregando a s rie de Taylor ao modelo do MAGLEV Eqs 2 2 e 2 3 e admitindo 20 0 como valores de equil brio de posi o e corrente obt m se Ai Av 2 16 Av X Ar 2 17 em que e ko foram adotados apenas como forma de simplificar a Eq 2 17 de modo que o termo quadr tico surge ap s as intera es das derivadas quando se lineariza Eq 2 3 onde 2 _ 1 9F xo 10 2 18 m o 1 ko o 2 19 As Egs 2 16 e 2 17 s o equa es de estado linearizadas do sistema MAGLEV em torno do ponto de opera o 19 19 Atrav s delas poss vel obter a fun o de transfer ncia analisar estabilidade e projetar controladores 2 5 Fun o de Transfer ncia A fun o de transfer ncia de um sistema representado por uma equa
84. oi desenvolvido um prot tipo de levita o magn tica 9 que construiu um p ndulo invertido 16 18 que mostram o desenvolvimento de um servomecanismo port til e uma ferramenta computacional para dar suporte aos experimentos com ele escolha de construir MAGLEV partiu dos alunos por se tratar de uma planta desafiadora em termos de pesquisa e aprendizagem A partir da iniciaram se os trabalhos que levaram a consolida o do primeiro prot tipo MAGLEV 42 Figura 3 1 Figura 3 1 Primeiro prot tipo MAGLEV desenvolvido em funcionamento As principais diretrizes de constru o foram motivadas por 23 onde um prot tipo similar foi constru do com a inten o de testar estrat gias de controle para o processo de um TOKA MAK que usa fus o termonuclear controlada por confinamento magn tico de elementos leves em um reator Uma caracter stica mais did tica ao projeto foi inspirada de 54 onde um sistema similar foi constru do para uso em sala de aula na UFPA por m sem xito no funcionamento Entretanto as refer ncias consultadas n o enfatizavam o projeto da estrutura f sica o que ofereceu uma certa dificuldade e exigiu um pouco de criatividade pois se buscava um modo de acomodar o sensor e realizar ajustes em sua posi o al m de acoplar o e outros m dulos CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 19 Devido s caracter sticas desafiadoras da planta o desenvolvimento do prot tipo e
85. om os rel s a fim de amenizar o efeito transit rio S o mostrados na Tabela 3 6 os valores das resist ncias do circuito da Figura 3 25 A vers o final do m dulo mostrada na Figura 3 26 Tabela 3 6 Resist ncias do circuito da Figura 3 25 Resistor Q Resistor Q Resistor Resistor Q R1 10 k R6 1k R11 1k R16 100 R2 10 k RT Ik R12 330 R17 10 k R3 10 k R8 1k R13 10k R18 560 R4 10 k R9 k R14 330 R19 560 R5 10 k R10 1k R15 10k Figura 3 26 M dulo de Sele o CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 44 3 6 6 M dulo de Acionamento Este m dulo foi desenvolvido para fazer o acionamento do atuador uma vez que os sinais gerados pelos circuitos de controle n o possuem pot ncia suficiente Este o ultimo est gio do circuito desenvolvido para a bancada o qual foi dividido em duas partes terminal controlador e um amplificador O circuito deste m dulo foi montado de acordo com o esquem tico da Figura 3 27 Ajuste do nivel DC de corrente ATUADOR Vfonte Vout IRF 640 SINAL DE o CONTROLE IN R2 Figura 3 27 Circuito do M dulo de Acionamento O terminal controlado um divisor de tens o ligado a um buffer e est conectado entrada n o inversora do amplificador operacional B por um resistor e tem a fun o de regular o n vel DC de corrente que passa pelo eletro m Este est gio se faz necess rio pois o n vel DC de corrente est
86. ontrolador utilizado na bancada do tipo PID anal gico e foi sintonizado experimentalmente Esta se o descreve o ensaio realizado para determinar os par metros deste controlador de maneira a definir valores de capacit ncias e re sist ncias para o circuito da Figura 3 16 que desloquem os p los de malha fechada do sistema para a zona de estabilidade do LGR Alguns equipamentos de instrumenta o como oscilosc pio mult metro e um gerador de fun o foram utilizados no experimento Eles foram necess rios pois foi preciso introduzir dist rbios na malha medir as refer ncias interna externa e offset de corrente e visualizar algu mas formas de onda al m de salv las para posterior an lise O corpo ferromagn tico utilizado no ensaio como massa levitante foi um cilindro de 304 Vale ressaltar que este experimento um procedimento longo e trabalhoso exigindo cautela paci ncia e concentra o visto que o sistema nem sempre estabiliza nas primeiras tentativas e o tempo que o usu rio leva para adquirir experi ncia para realizar os ajustes relativamente grande Como j foi comentado na Se o 4 2 os par metros do controlador PID apresentam um significado f sico ou seja quando s o alterados observa se uma modifica o significativa na res posta do sistema No caso deste ensaio estas altera es podem ser analisadas em dois momentos e No primeiro as modifica es dos par metros do controlador foram f
87. ontrole Anal gico Este m dulo foi desenvolvido para proporcionar a maior intera o do usu rio com a ban cada Isto justificado pelo fato do enfoque cont nuo baseado em amplificadores operacionais ser um assunto tratado no curso de gradua o da faculdade Desta forma os alunos que inter agirem com a bancada ter o a oportunidade de colocar em pr tica conhecimentos adquiridos nos cursos te ricos A a o de controle cont nua desenvolvida do tipo PID 46 45 52 Este controlador consiste da uni o de tr s estrat gias de controle permitindo atuar no transit rio e regime per manente da resposta de forma independente Um enfoque mais detalhado sobre este tipo de controlador ser abordado no Cap tulo 4 SINAL DE CONTROLE o SCA ERRO Figura 3 16 Circuito do M dulo de Controle Anal gico CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 33 Os ajustes do controlador s o promovidos atrav s de elementos dispostos no painel a partir da altera o dos valores de capacit ncias e resist ncias ilustrados no circuito da Figura 3 16 Os capacitores e Cp est o ligados a uma chave seletora de forma que cada posi o dessa chave seleciona um valor de capacit ncia diferente Esses valores foram determinados experimental mente como relatado no Cap tulo 4 3 2 representa a fun o de transfer ncia do circuito da Figura 3 16 onde U s e E s representam a transformada de Laplace dos sinais de contro
88. or o do impacto proveniente da queda do corpo foi feita uma sali ncia na base da estrutura e colocada uma espuma O seu modelo final mostrado na Figura 3 32 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 49 Figura 3 32 Estrutura fixa Bancada A estrutura foi desenvolvida para acomodar os m dulos do prot tipo o painel e os demais componentes Em sua parte superior acomodada a estrutura fixa e a m vel de forma que elas possam ser retiradas Em sua parte frontal fixada o painel que pode ser removido para manu ten o de seus componentes Foram adicionados estrutura para ventila o das partes internas dois orif cios nos quais foram instaladas ventoinhas para facilitar a circula o do ar Tamb m foi constru do um cub culo para acomodar os dispositivos que n o est o sendo utilizados por exemplo o outro atuador Desta forma mostrada na Figura 3 33 a estrutura da bancada em seu estado acabado enquanto que a Figura 3 34 exibe as tr s estruturas montadas Figura 3 33 Bancada Figura 3 34 Estrutura f sica montada CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 50 3 9 Conclus o Neste cap tulo foram apresentados os aspectos construtivos da Bancada Did tica MAGLEV Todo o planejamento e diretrizes de constru o foram adotados com base no primeiro prot tipo constru do A limita o de ajustes compensador do prot tipo MAGLEV descrito na Se o 3 2 e a sugest o de utilizar outros m todos de controle d
89. os no painel Figura 3 29 terminais que permitem a grava o de um programa em um microcontrolador PIC sem neces sidade de remov lo um esquema que conhecido por grava o in circuit atrav s da gravadora modelo PIKPROG dispon vel na faculdade Tamb m foi disponibilizado um terminal para a co munica o serial 5 232 do microcontrolador com um computador Para utiliza o de outros m todos de controle a bancada disp e de um bloco no painel denominado Controlador Externo Se o 3 6 4 Ele disponibiliza ao usu rio um terminal que fornece o sinal ERRO proveniente do M dulo do Sensor Se o 3 6 1 e outro conectado a entrada do m dulo que aciona o atuador Para permitir que o sistema alterne entre os controladores um circuito foi desenvolvido uti lizando rel s e um microcontrolador modelo PIC16F628 2 de modo a selecionar e sinalizar a estrat gia em utiliza o H tamb m a possibilidade de utilizar sinais de refer ncias ou per turba o sendo que o sinal de refer ncia constante incorporado ao circuito da bancada e a perturba o um sinal externo Para simplificar e facilitar a fabrica o dos circuitos os amplificadores operacionais amp op utilizados s o modelos LM358 37 e TL084 56 que s o encapsulamentos contendo dois e quatro amplificadores respectivamente Para prote o dos amp ops foram colocados diodos em cada entrada de alimenta o em todos os m dulos que utilizam o dispositi
90. os t cnicos como instrumenta o e desenvolvimento de circuitos impressos o plane jamento em especial no momento em que foi necess rio trabalhar a versatilidade do prot tipo Desta forma pode se considerar este sistema uma planta com caracter sticas pedag gicas rele vantes no que diz respeito ao seu desenvolvimento e ao uso em aulas expositivas de Engenharia El trica iv O desenvolvimento deste experimento n o foi uma tarefa f cil durando cerca de dois anos Mesmo a equipe tendo certa per cia no desenvolvimento de sistemas deste tipo o projeto foi desafiador pois cada componente do equipamento despendia certo grau de aten o e tempo Para se ter uma id ia preliminar a fabrica o do eletro m durou cerca de dois meses entre a constru o dos n cleos e o enrolamento das bobinas sem contar o tempo que foi gasto no ajuste do controlador anal gico cerca de dois meses e meio Al m do mais o projeto s obteve xito devido ao empenho e dedica o da equipe As dificuldades encontradas ao longo do trabalho foram contornadas com criatividade e um bom planejamento Por exemplo a estrutura do equipamento foi desenvolvida pelos pr prios alunos o que de certa forma diminuiu os custos do projeto Outros pontos tamb m podem ser citados sob este aspecto as prote es do sensor o planejamento do layout do painel a forma que o eletro m foi encaixado estrutura o uso de diferentes compensadores na malha do sistema al
91. os tipos de aplica es devido a sua simplicidade e principalmente pela signific ncia que seus par metros f sicos possuem Em parti cular quando o modelo matem tico da planta n o conhecido e portanto m todos anal ticos de projeto s o mais dif ceis de serem utilizados controladores PID se mostram bastante teis 46 importante ressaltar que mais da metade dos controladores industriais em uso atualmente utilizam esquemas de controle PID 46 Como a maioria desses controladores s o ajustados em campo o emprego de prot tipos did ticos na gradua o garante ao aluno uma experi ncia inicial com sistemas utilizando este tipo de controlador Isto um dos motivos que justificam a ado o do controlador PID como a a o de controle cont nuo na bancada Esta estrat gia age atrav s da uni o de tr s a es proporcional integral e derivativo e O ganho proporcional dependendo da planta pode influenciar diferentes par metros tais como amortecimento transit rio frequ ncia natural transit rio ou ganho DC regime permanente No entanto a a o proporcional pura em geral produz um erro de regime estacion rio 2 e a o integral utilizada para corrigir o erro de estado estacion rio podendo deixar o sis tema robusto a dist rbios e incertezas A a o de controle integral embora remova o erro residual pode conduzir a uma resposta oscilat ria com uma amplitude sempre crescente ou lentamente decre
92. por que ao passar pelo circuito condicionador em que est o os amp ops Ce D rebaixado para uma faixa que varia de 0 5V 7 observado experimentalmente que este sinal pode chegar at 5 2V para uma tens o de 6 8V em Rpor que surge quando o offset de corrente m ximo 19 4V sem o equil brio do corpo CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 36 o ANO o AN1 Figura 3 19 Circuitos de condicionamento As sa das destes circuitos est o conectadas aos canais ANO e AN1 do PIC respectivamente Tamb m h dois pontos Med y e Med V Rpor utilizados para medi o destes sinais os quais est o dispon veis no painel Se o 3 6 5 A Tabela 3 5 mostra os valores das resist ncias do circuito da Figura 3 19 Tabela 3 5 Resist ncias dos circuitos da Figura 3 19 Resistor Resistor Q Resistor Q R2 68 k R8 560 R13 2k R3 1k R9 100 R14 lk R5 2k R10 2k R15 LR R6 620 R11 k R18 2 1 2 k R12 1k A convers o D A realizada pelo CI MCP4921 41 Trata se de um conversor D A de 12 bits que utiliza comunica o serial em 16 bits do tipo SPI 8 que pode ser facilmente gerada em software por fun es internas do PIC e compiladores A sa da do MCP varia em uma faixa de O 5V Desta forma torna se necess rio um ampli ficador para elevar o est gio de sa da para a faixa O 19V Este amplificador foi desenvolvido a partir de um amp op na config
93. produz valores positivos e negativos consider veis O ganho do controlador ajustado quando se percebe o momento em que o compensador come a a atuar de forma coerente isto ao aproximar o cilindro do n cleo a corrente diminui e vice versa 2 Para as capacit ncias e foram inicialmente utilizados os mesmos valores de capa cit ncia usados no controlador do primeiro prot tipo discutido no Cap tulo 3 A cada amostra esses valores s o reajustados e avaliadas as respostas do sistema com rela o estabilidade e o aparecimento de oscila es Esses par metros tamb m s o estipulados com base no LGR da planta na inten o de deslocar os p los de malha fechada para o semi plano esquerdo 3 Todos os potenci metros do circuito da Figura 3 16 exceto os da refer ncia interna e do offset de corrente s o ajustados para que as constantes de tempo do controlador Tp e o ganho assumam um valor m nimo 4 O corpo posicionado sob eletro m uma dist ncia pequena em rela o ao n cleo Regulam se os potenci metros Rp e Rp atrav s deles pode se alterar o ganho Kp e a CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 60 constante de tempo Tp conferindo se o compensador tenta estabilizar o sistema Isto feito at que se constate a presen a de pequenas vibra es em alta frequ ncia que apare cem quando a malha est prestes a estabilizar 5 Regula se Rp tentando at
94. programa instru es 16384 Mem ria de dados Bytes 1536 Mem ria de dados EEPROM Bytes 256 M dulos de Captura Compara o PWM 2 Fontes de interrup o 18 Portas Portas A B C D Timers 4 Comunica o seri MSSP Addressable e USART Comunica ao paralela PSP M dulo A D 10 bits 8 canais de entrada Convers o A D e D A O conversor A D do PIC tem o papel de amostrar os sinais de posi o do sensor sinal y da Figura 3 14 e de tens o no resistor de pot ncia do M dulo de Acionamento Rpor Figura 3 27 Os sinais podem ser digitalizados em uma faixa com resolu o de 10 bits ou seja 1024 n veis O per odo de amostragem pode ser ajustado em software atrav s de contadores de tempo internos do PIC A faixa de convers o A D do PIC varia na escala O 5V Entretanto os sinais da planta variam em uma faixa bem mais ampla cerca de O 19 4V para o sinal de posi o e O 6 6V para a tens o em Rpor Assim torna se necess ria a utiliza o de um circuito que fa a o condicionamento desses sinais para a faixa de convers o do PIC Os circuitos que realizam esta tarefa foram constru dos utilizando amp ops em circuitos do tipo comparador 48 51 Eles s o mostrados na Figura 3 19 O sinal de posi o ao passar pelo circuito em que est o os amp ops A e reduz para uma faixa que varia de 0 4 67V Da mesma forma feito o condicionamento do sinal de tens o em R
95. quem tico mostrado na Figura 3 14 Ref Externa Medi o O Ref Interna Medi o Ref TOTAL Figura 3 14 Circuito do M dulo do Sensor CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 31 Conectado ao terminal n o inversor do amp op do comparador F h um buffer E 51 Este est gio tem por fun o apenas isolar a imped ncia do circuito de controle da imped ncia do sensor de posi o Ele se faz necess rio pois foi comprovado experimentalmente que a imped ncia do circuito de controle influenciava o sinal proveniente do sensor Idealmente este est gio n o realiza nenhuma opera o O terminal inversor do comparador conectado a uma rede de amp ops A B C D res pons veis pelo condicionamento dos sinais de refer ncia Um somador inversor C recebe os dois sinais de refer ncia um interno e outro externo ao circuito Um amplificador inversor de ganho unit rio D utilizado apenas para inverter o sinal A refer ncia interna faz se necess ria para estabelecer uma posi o de refer ncia para o corpo flutuante offset de posi o Ela foi incorporada ao m dulo a partir de um potenci metro ligado como um divisor de tens o ao terminal de tens o positiva do circuito A leitura do sinal de refer ncia realizada por um volt metro instalado no painel de comando O outro terminal de refer ncia permite que um sinal externo por exemplo proveniente de um gerador de fun o possa ser utilizado no processo com
96. r do circuito do controlador Figura 3 16 Para facilitar o uso da bancada os circuitos foram projetados para que as varia es nos potenci metros produzam par metros que estejam sempre dentro de uma faixa onde o sistema em malha fechada est vel Isto importante pois o usu rio poder usar a bancada sem perder tempo com o procedimento de estabiliza o As varia es das resist ncias adotadas s o mostradas na Tabela 4 3 Tabela 4 3 Valores das resist ncias Rp Rp e Rr varia es m ximas e m nimas Varia o Resist ncias Rp Rr M x 26 4 55 4 6 0 M n 6 4 5 4 1 0 A partir dos valores das Tabelas 4 2 4 3 foi poss vel determinar os valores dos par metros do controlador anal gico os quais podem ser aplicados na Eg 3 2 Estes valores s o mostrados no painel Figuras 3 29 3 30 na inten o de ilustrar as varia es de cada componente do circuito da Figura 3 16 classifica o desta resposta em boa ou ruim tem base no sinal de posi o observado no oscilosc pio A res posta considerada boa se o sinal de posi o rastreia o sinal de refer ncia dentro de limites considerados aceit veis CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 63 4 3 3 Considera es sobre o controlador anal gico parametrizado A fim de verificar o comportamento do controlador ajustado com os par metros estipulados na Se o 4 3 2 ana
97. ra o 54 Este dispositivo recebe aten o especial em alguns trabalhos Por exemplo 29 que realiza pelo m todo de elementos finitos uma an lise do desempenho do eletro fm quando s o consi deradas dois tipos distintos de geometria do n cleo Duas configura es para este elemento s o vistos na Figura 3 2 em que B representa a geometria de n cleo envolvente e A a de n cleo envolvido N cleo N cleo de Ferro de Ferro Bobina Bobina Esfera de ferro Tipo Tipo B Figura 3 2 Tipos de n cleo para o eletro m 54 Caracter sticas construtivas do eletro m No planejamento da bancada foi proposta a constru o de dois atuadores com caracter sticas eletromagn ticas diferentes Esses dispositivos t m o papel de alterar as propriedades din micas da planta A experi ncia no desenvolvimento do primeiro prot tipo possibilitou uma melhor compreens o da escolha do material e da geometria dos eletro m s Sendo assim buscou se construir as bobinas de acordo com as apresentadas em 14 23 42 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 22 Para a constru o das bobinas as espiras foram enroladas em um carretel de pl stico com o prop sito de moldar e sustentar o enrolamento Vale ressaltar que esta forma de constru o facilita testes de v rios tipos de materiais ferromagn ticos para a constitui o do n cleo visto a praticidade de acoplamento com a bobina As dimens es do carret
98. ras que es tabilizaram o sistema s o mostrados na Tabela 4 1 A Figura 4 6 mostra um dos sinais observados no oscilosc pio A Figura 4 6 mostra a resposta do sistema sem filtragem para refer ncias do tipo senoidal e onda quadrada para o controlador PID parametrizado a partir dos dados da primeira amostra da Tabela 4 1 O sinal de posi o consegue acompanhar razoavelmente bem o sinal de refer ncia apesar de pequenos desvios que no momento s o atribu dos perturba es n o modeladas ru do e n o linearidades Neste trabalho o termo robustez est associado a id ia de rejei o a dist rbios e rastreamento de um sinal de refer ncia n o sendo portanto utilizado no contexto da teoria de controle robusto CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 61 Tabela 4 1 Par metros encontrados no ensaio Em que Amt amostra 7 corrente x posi o RE Refer ncia Externa A Tens o de pico a pico e f Frequ ncia Amt Rp Rr Cp Gr offsetde offsetde RE Senoide RE Quadrada KO MEF i z V f Hz A V f Hz 01 77 28 0 5 1 330 147 1 6 6 8 1 3 2 2 1 3 2 4 02 91 27 9 17 1 1510 1001 1 6 6 8 2 3 3 2 8 3 0 03 82 28 0 3 7 398 122011 6 6 8 2 5 14 1 1 0 1 0 04 1061 68 3 8 800 14701 1 6 6 8 2 4 15 6 1 4 1 0 05 15 3 32 0 29 470 10 0 3 4 1 6
99. rava o o M dulo de Sele o n o prev o seu fim de forma que ao pressionar o bot o EXECU O no meio do processo de grava o ele ser interrompido Vale ressaltar que os modos GRAVA O ou EXECU O s podem ser acessados quando o bloco do CONTROLADOR DIGITAL estiver selecionado O sinal referente indica o do modo utilizado EXECU O ou GRAVA O feito pelos pinos B1 e B2 do PIC De forma que ao ativar modo GRAVA O o pino B1 ficar em n vel alto ligando o LED verde indicando o modo utilizado ao mesmo tempo em que ativa o LED vermelho do modo EXECU O indicando o seu desligamento Como os LEDs verde e vermelho de cada modo foram conectados em paralelo necessitou se colocar resistores de CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 1000 R20 e R21 em s rie com os LEDs vermelhos pois verificou se experimentalmente que a configura o sem os resistores atenuava a intensidade de luz verde Para realizar o comando dos rel s pelo PIC foram utilizados transistores Esses compo nentes atuam como chaves no circuito da Figura 3 25 assim quando se aplica uma tens o de 5V a base do transistor ele permitir a passagem de corrente entre o emissor e o coletor Como os rel s foram conectados em s rie com transistor ele ser ativado quando o pino do PIC ligado a base do transistor estiver em n vel alto Os transistores utilizados s o do modelo BC 548 10 Foram colocados diodos de roda livre em paralelo c
100. rnandes que atrav s da fibra e persist ncia moldaram meu car ter Voc s s o modelos de luta e perseve ran a para mim Sou extremamente grato por terem me fornecido condi es para me tornar o profissional e pessoa que hoje sou A todos que me auxiliaram a atingir meus objetivos em particular a minha fam lia meus irm os Tarcisio Lira Milhomem e Emanuela Lira Milhomem que s o para mim exemplos de fraternidade lealdade e amizade A minha namorada Kimi Yano pelos anos de companheirismo e dedica o a mim concedi dos inclusive pelas in meras revis es de texto que foram feitas Em particular ao meu orientador Rafael Suzuki Bayma por sua paci ncia persist ncia e dedica o incondicional Gra as ao seu empenho consegui vencer as dificuldades e alcan ar o meu objetivo Aos amigos de laborat rio pela dedica o e empenho Sem a ajuda de voc s n o poderia alcan ar os resultados almejados durante a pesquisa A todos meu sincero Muito Obrigado iii Resumo A constru o de experimentos considerada uma eficiente atividade did tica em cursos de engenharia uma vez que integra esfor os intelectuais e t cnicos dos alunos em dire o a uma meta concreta e bem definida Esta pr tica tem sido desenvolvida na Universidade Federal do Par UFPA inclusive em unidades avan adas do interior como o Campus de Tucuru Seguindo esta metodologia em 2007 o Grupo de Controle e Automa o formado por alunos de gradua
101. s Rela o de componentes 51 51 52 53 56 58 62 63 65 66 72 78 81 88 Lista de Figuras 1 1 Levitacao DOR GULA O a go mpu x 3 1 2 m levitando sobre nitrog nio l quido refrigerado a temperatura de 200 C 53 4 13 Trem MAGLEV sos paia S ss SQ um w q s G S m gs Sh W s A 5 1 4 Trem MAGLEV modelo Japon s 5 1 5 Linha em escala reduzida do prot tipo MAGLEV Cobra COPPE UFRJ 6 1 6 Estrutura do Sistema MAGLEV 7 1 7 Prot tipo MAGLEV constru do na UFPA Campus do Guam 54 8 1 8 Prot tipo MAGLEV constru do na UFPA Campus de Tucuru 14 42 8 2 1 Diagrama de for as dosistema _ ___ __ _ 11 3 1 Primeiro prot tipo MAGLEV desenvolvido em funcionamento 18 3 2 Tipos de n cleo eletro m 54 21 3 3 Dimens es do E DS 22 34 22 3 5 Bobinas constru das a bancada 23 3 6 Diagrama de blocos 25 3 7 Circuito esquematico da fonte de alimenta o dos circuitos de comando e controle 26 3 8 Fonte de alimenta o dos circuitos de comando e controle 26 3 9 Circuito esquematico da fonte de alimenta o do eletro m
102. s para um bloco denominado de CHAVE SELETORA Esse bloco tem a finalidade de indicar a comuta o entre os controladores e seu estado fun cional A sele o dos controladores feita atrav s de botoeiras instaladas em cada bloco de modo que a indica o do controle selecionado realizada por meio luminoso LEDs bicolores verde vermelho Quando se seleciona um m dulo de controle o LED indicativo deste controla dor fica na cor verde enquanto que os demais ficam em vermelho A sa da do bloco CHAVE SELETORA ligada a um somador que recebe um sinal para regular o n vel DC de corrente aplicado ao eletro m A regula o feita atrav s de um po tenci metro e medida por um volt metro digital Este bloco assim como a refer ncia interna pode ser retirado ou inserido a qualquer instante atrav s de uma botoeira Seu estado funcional indicado por um sinal luminoso O ltimo est gio ilustrado por um amplificador que regula o n vel de corrente sobre o atuador Os dois est gios ajuste do n vel DC de corrente e amplificador foram demonstrados no painel de modo a representar o circuito da Figura 3 27 Um ponto foi instalado com o intuito de medir a queda de tens o sobre o resistor Rpor 50 atrav s do qual pode se obter o n vel de corrente que passa pelo eletro m A vers o final do painel de comando ilustrada na Figura 3 30 Figura 3 30 Painel de comando da bancada CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 48
103. scente 46 52 e A a o derivativa depende da taxa de varia o de erro corrigindo o antes que o seu valor se torne expressivo O controle derivativo possui car ter antecipativo o que tende a au mentar a estabilidade do sistema atrav s de uma a o corretiva prematura alterando prin cipalmente o estado transit rio No entanto o processo de deriva o puro amplifica o ru do sempre presente no processo por isto utilizada em conjunto com uma a o proporcio nal ou proporcional integral 46 Ainda que a a o derivativa n o influencie inteiramente no erro estacion rio ela amplia o amortecimento do sistema com isso permitindo o uso de um valor de ganho proporcional mais elevado 46 52 Portanto o controlador PID capaz de atuar em regime transit rio e permanente de forma relativamente independente Uma fun o que representa a a o combinada deste controlador no 2Esta caracter stica geralmente depende do tipo de sistema em que o controlador est inserido CAP TULO 4 PROJETO DO CONTROLADOR ANAL GICO DA BANCADA 53 dom nio do tempo dada pela Eq 4 1 46 45 52 u t Kpe t Kp f e t dt del 4 1 Tr Jo dt onde o ganho proporcional T o tempo integrativo e Tp o tempo derivativo Sua fun o de transfer ncia demonstrada pela Eg 4 2 a qual classicamente utilizada na teoria de Sistemas de Controle para descrever controladores PID 46 45 52
104. ssencialmente em des ligar os contatos el tricos relativos a um tipo de estrat gia enquanto se ligam os contatos asso CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 41 ciados a outro Para isso foi proposta a utiliza o de uma chave comutadora com tr s contatos de entrada e um de sa da cada uma ligada a um m dulo de controle e a sa da ao M dulo de Acionamento O circuito do m dulo foi desenvolvido utilizando o microcontrolador PIC16F628 2 e rel s de modo a selecionar e sinalizar a estrat gia de controle escolhida pelo usu rio No painel esse m dulo est representado pelo bloco denominado CHAVE SELETORA que indica o controla dor utilizado atrav s de sinais luminosos A Figura 3 25 ilustra o circuito desenvolvido para o m dulo O microcontrolador utilizado possui dezoito pinos dos quais dezesseis podem ser usados como E S digitais agrupados em duas portas de oito bits 2 Como foram usados todos os pinos do PIC o clock externo e o MCLR foram desabilitados e seus pinos foram utilizados como entradas e sa das digitais SINAL DE CONTROLE RL SC EXTERNO R6 C EXTERNO DIGITAL RL2 l E osc DIGITAL SC ANAL GICO C ANAL GICO R16 GRAVA O EXECU O Figura 3 25 Circuito esquem tico do M dulo de Sele o As chaves de sele o dos controladores CE CD est o no painel em seus respec tivos blocos
105. t cnicas utilizadas para sua utiliza o e algumas aplica es pr ticas Al m disso apresentado o Sistema MAGLEV o seu funcionamento e seus principais componentes representados em um diagrama de blocos Tamb m s o discutidos os objetivos do trabalho de senvolvido com a finalidade de construir um equipamento adequado ao uso em sala de aula Ao final feita uma apresenta o da estrutura da monografia 1 2 A levita o magn tica A levita o magn tica um processo que consiste em manter um corpo magnetiz vel sus penso no ar pela a o de for a magn tica em sentido contr rio ao peso do corpo O objetivo estabelecer uma rela o de equil brio mantendo o corpo suspenso no ar sem que haja contato di reto for as de campo Em geral o efeito visual do fen meno intrigante e instiga a curiosidade da maioria dos observadores Ao aproximar dois m s observa se que os p los iguais se repelem enquanto que os p los distintos se atraem Desta maneira pode se supor que estas for as de campo possam propor cionar levita o magn tica Em 1842 Samuel Earnshaw estudando esse comportamento provou n o ser poss vel levitar um objeto utilizando combina es de m s permanentes 26 A partir desse estudo Earnshaw elaborou um teorema o qual leva seu nome objetos sob a influ n cia de campos que aplicam for as com o quadrado da dist ncia tendem a formar configura es IDo ingl s Magn tic
106. tada na Se o 3 2 No entanto as sugest es de melhoria na estrutura e a limita o de ajustes do controlador foram os principais fatores que levaram a constru o da bancada al m da proposta de utilizar outros m todos de controle atrav s de uma maneira mais vers til para a sintonia dos controladores A bancada possui um painel que possibilita o controle do sistema atrav s de tr s estrat gias diferentes sendo duas incorporadas a pr pria bancada O painel feito de acr lico ilustrando as liga es dos controladores terminais para liga es externas e medi o indicadores de niveis de tens o e LEDs demonstrando os recursos utilizados Como o curso de gradua o aborda a teoria de controle cont nuo baseado em amplificadores operacionais a bancada disponibiliza o uso deste tipo de estrat gia O compensador utilizado do tipo PID e foi desenvolvido para proporcionar maior intera o do usu rio com a bancada Termo da l ngua inglesa que significa experi ncia t cnica pr tica per cia 2Do ingl s Light Emitting Diode 3PID Proporcional Integral Derivativo CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 20 Para isso a modifica o de seus par metros feita atrav s do chaveamento de capacitores e ajustes potenci metros dispon veis no painel Uma vez que o curso de gradua o tamb m contempla a teoria de controle discreto a ban cada permite aplicar este tipo de estrat gia Est o disponibilizad
107. testados controladores anal gicos do tipo PID com sucesso no equil brio do corpo O sensor de posi o apresentou bom desempenho no processo de medi o Contudo para objetos com geometria muito diferente da cil ndrica houve dificuldade em se sintonizar o controlador Em um experimento posterior onde houve troca da fonte de alimenta o do im para uma faixa de 27 30V o controlador PID anal gico equilibrou uma esfera com massa de aproximadamente 30g 3 Cogita se que talvez o problema possa estar relacionado ao n vel DC de corrente ajustado no M dulo de Acionamento Apesar do sensor de infravermelho apresentar uma boa resposta importante considerar a possibilidade de testar outros dispositivos para medi o da posi o do objeto levitado como sensores capacitivos ou de Efeito Hall Os n veis de ru do e precis o parecem estar compat veis Suspeita se que a excurs o do corpo cil ndrico utilizado nos ensaios seja de 1mm 0 5mm acima 0 5mm abaixo do ponto de opera o 2Foram testados outros objetos com formas geom tricas distintas na tentativa de equilibrar los como esferas parafusos com porcas e moedas Massa pr xima ao do cilindro utilizado nos ensaios e testes CAP TULO 5 CONCLUS O 69 com o observado em outras refer ncias H um pequeno equ voco no painel de comando que importante esclarecer O M dulo de Controle Digital representado no painel por CONTROLADOR DIGITAL recebe o sin
108. tica MAGLEV desenvolvida com a finalidade de realizar experimentos com levita o magn tica As diretrizes de constru o s o baseadas no prot tipo MAGLEV constru do na UFPA Campus de Tucuru sendo assim descrita a experi ncia da constru o deste prot tipo o que propiciou conhecimento sobre o desenvolvimento de equipamentos deste tipo Foi sugerida a utiliza o de diferentes t cnicas de controle na bancada Para isso fabricaram se diversos circuitos de comando e controle que foram divididos em m dulos para facilitar a constru o e a sua manuten o A intera o do usu rio com a bancada realizada atrav s de um painel de comando facili tando o entendimento do processo e possibilitando o controle do sistema atrav s da introdu o e adequa o de controladores Neste componente est o desenhadas as liga es dos controladores e de outros dispositivos do sistema Por fim foi constru da uma estrutura em madeira com a finalidade de fixar os dispositivos eletro m sensores e o painel e acomodar os m dulos 17 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 18 3 2 Experi ncia com o primeiro prot tipo MAGLEV No final de 2006 uma equipe de alunos volunt rios foi constitu da com o objetivo de desen volver um projeto de constru o de um prot tipo did tico Foi apresentada ao grupo a metodo logia de cria o de prot tipos para ensino e pesquisa 8 al m de alguns exemplos motivadores como 54 onde f
109. to direto Esse elemento exige uma aten o especial por ser respons vel por fechar a malha de controle Existem diferentes tipos de sensores para esta aplica o os quais diferem nas caracter sticas de constru o e o principio de funcionamento 33 Pode se destacar dentre esses diferentes tipos sensores capacitivos indutivos ultra s nicos pticos e de efeito Hall Os mais comuns em trabalhos de baixo custo s o os sensores pticos 14 23 42 54 60 especialmente pela efic cia e simplicidade Neste tipo de sensor o corpo interrompe uma parcela da luz gerada por uma fonte luminosa parte transmissora Desta forma a quantidade de luz incidente sobre a parte receptora fun o da dist ncia entre o corpo e o eletro m O sensor de posi o utilizado na Bancada Did tica MAGLEV utiliza este tipo de princ pio e constitu do de dois elementos de material semicondutor um LED emissor e um fototransistor receptor O emissor um LED infravermelho modelo TIL32 O receptor um transistor bipolar infravermelho modelo TIL78 em uma cobertura transparente para que a luz possa atingir a base coletora da jun o Nesse elemento a resist ncia reduzida quando a luz em uma apropriada frequ ncia brilha na jun o base coletor O fototransistor o componente respons vel por gerar um sinal el trico proporcional a quantidade de luz que incide sobre sua base estabelecendo uma rela o entre a posi o
110. ura o n o inversora com ganho 3 4V V Este ganho pode ser ajustado atrav s de um trimpot RV 2 instalado no circuito da Figura 3 21 Peripheral Interface 4 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 37 O SINAL DE CONTROLE SC D Figura 3 20 Pinagem do conversor D A Figura 3 21 Est gio de sa da do MCP e do MCP4921 M dulo de Controle Digital Comunica o serial RS 232 Uma transmiss o serial bit serial converte a mensagem em um bit por vez atrav s de um canal Cada bit representa uma parte da mensagem Estes bits individuais s o rearranjados em seu destino para compor a mensagem original Desta forma num canal ir passar apenas um bit por vez 13 O padr o de comunica o serial RS 232 especifica as tens es temporiza es e fun es dos sinais um protocolo para troca de informa es e as conex es mec nicas 13 Este padr o utilizado para transmiss o de dados entre PIC e o PC promovida pelo m dulo USART do microcontrolador PIC 4 A USART utiliza os pinos TX e RX Figura 3 18 para realizar a comunica o Ap s a configura o desses pinos via software eles n o podem mais ser utilizados como pinos de E S Entrada e Sa da digitais 1 4 54 Como a maioria dos equipamentos digitais utiliza n veis TTL 2 ou CMOS 0 5V torna se necess rio o uso de um CI para converter o sinal em n veis R 232 lido pelo e vice versa Para isto utilizado o CI MAX2
111. utura do texto Cap tulo 2 Modelagem matem tica do Sistema MAGLEV Neste cap tulo s o mostrados resultados te ricos que permitiram melhor compreens o sobre o fen meno onde determinou se as equa es que regem o comportamento din mico do sistema e uma fun o de transfer ncia geral a planta Cap tulo 3 Aspectos construtivos Apresenta os aspectos construtivos da Bancada Did tica constru da com o prop sito de realizar experimentos com levita o magn tica Cap tulo 4 Projeto do controlador anal gico da bancada Apresenta o projeto de um controlador anal gico incorporado ao sistema com a inten o de estabilizar o processo Cap tulo 5 Conclus o Faz uma avalia o dos resultados obtidos com o trabalho sugerindo algumas melhorias para o projeto Cap tulo 2 Modelagem matem tica do Sistema 2 1 Introdu o A modelagem matem tica de sistemas din micos um passo importante na an lise de siste mas de controle cuja finalidade estabelecer uma rela o matem tica entre a entrada e a sa da do sistema Modelos matem ticos podem assumir diferentes formas Entretanto para este tra balho foi utilizada a representa o por fun o de transfer ncia sendo assim este cap tulo trata da modelagem matem tica do sistema de levita o magn tica MAGLEV A din mica dos sistemas pode ser apresentada sob a forma de equa es diferenciais Desta forma partindo de princ pios
112. vo um diretamente e outro reversamente polarizado para proteg los contra uma poss vel troca na ordem das fontes Desta forma nos terminais positivos dos circuitos haver uma queda de aproximadamente 0 7 V devido aos diodos de prote o que dar uma tens o positiva em torno de 19 3V denominada Vp Ao incorporar tantas funcionalidades verificou se que o circuito da bancada acabou se tor nando muito complexo para o processo de fabrica o de placas em uso na faculdade Ent o optou se por desenvolv lo em m dulos facilitando o manuseio fabrica o e manuten o O restante do cap tulo descreve o funcionamento de cada um desses m dulos bem como outros componentes f sicos da bancada eletro m sensor etc Atualmente utilizado o modelo 18F4520 4 CAP TULO 3 ASPECTOS CONSTRUTIVOS 21 3 4 Eletro m O eletro m o elemento atuador do sistema MAGLEV e consiste de uma bobina com um n cleo ferromagn tico A bobina tem a fun o de gerar o campo respons vel pela for a de atra o que age sobre o corpo sendo esta controlada pela corrente que circula em seus enrolamentos A finalidade do n cleo concentrar as linhas de campo para se obter o melhor aproveitamento do fluxo magn tico 49 As linhas de fluxo de campo se assemelham aos p los de um im Deste modo um corpo de material ferromagn tico magnetizado quando se aproxima da extremidade do eletro m surgindo nele uma for a de at
113. x lio ao ensino de Sistemas de Controle atrav s de um processo de levita o magn tica Os objetivos gerais de constru o foram atingidos com xito e houve sucesso na estabiliza o do sistema Figura 5 1 A bancada mostrou ser de melhor utiliza o que o prot tipo MAGLEV anteriormente constru do devido ao uso de uma interface mais elaborada para realizar a intera o entre a bancada e o usu rio Figura 5 1 Bancada Did tica MAGLEV em funcionamento 66 CAP TULO 5 CONCLUS O 67 A pesquisa bibliogr fica ofereceu uma expressiva quantidade de informa o possibilitando compreens o do processo atrav s de um modelo matem tico al m de sugest es para constru o do processo O sistema MAGLEV inst vel em malha aberta e as grandezas que caracterizam o modelo s o de dif cil medi o Apesar do trabalho n o oferecer uma representa o definitiva como se usualmente disp e em projetos de sistemas de controle a estimativa apresentada no Cap tulo 2 permitiu que um controlador preliminar fosse desenvolvido com xito no equil brio do corpo para os dois atuadores Figuras 5 2 e 5 3 Figura 5 2 Sistema em operan o utili Figura 5 3 Sistema em operan o utili zando o Atuador 1 zando o Atuador 2 O controlador anal gico funciona como esperado poss vel alterar seus par metros atrav s da altern ncia entre v rios valores de capacit ncias e resist ncias sem que o sistema perca a es tabili

CONSTRUÃ-Ã-O DE UMA BANCADA DIDÃ-TICA

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

CONSTRU&Atilde;-&Atilde;-O DE UMA BANCADA DID&Atilde;-TICA

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

CONSTRUÃ-Ã-O DE UMA BANCADA DIDÃ-TICA