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Engenharia de Controle e Automação
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DESENVOLVIMENTO DE UM DINAMÔMETRO PARA
MOTORES ELÉTRICOS EMPREGADOS EM VEÍCULOS EM ESCALA – PARTE II
Aluno: Vivian Suzano Orientador: Mauro Speranza Neto
1. Introdução
Atualmente, testes em motores são muito importantes devido ao avanço da
indústria automobilística. Estes testes devem simular situações mais reais possíveis,
bem como envolver o veículo como um todo. Pode-se, porém, perceber que é
praticamente impossível fazer esses tipos de testes em ruas ou estradas, já que é
necessário acompanhar o desenvolvimento do veículo a cada instante, o que tornaria
esse tipo de teste economicamente inviável.
Por estes motivos os testes são feitos em um ambiente controlado (em um
laboratório) onde é possível acompanhar o desenvolvimento do motor a cada instante,
colhendo e analisando os resultados com a ajuda de um software especialmente
desenvolvido para a aquisição dos dados necessários. Neste projeto, está sendo
desenvolvido um dinamômetro para motores elétricos de corrente contínua com
(brushed) e sem (brushless) escovas. O sistema desenvolvido mede e adquire dados
referentes às principais grandezas envolvidas em análises de motores. Entre elas estão: a
tensão entre os terminais do motor CC, a corrente e o torque exigidos pelo motor em
diversas velocidades e com diversas simulações de carga (das mais leves às mais
pesadas), além da velocidade angular do eixo do motor. Para simular situações
diferentes, como resistência do vento, atrito, entre outros, são acoplados ao eixo do
motor discos de alumínio de diversos tamanhos e inércias.
2. Esquema Físico
Na primeira fase deste projeto, foram estudados os diversos tipos de motores
utilizados em veículos em escala, e o comportamento dos dinamômetros empregados
para levantar o comportamento de motores em geral, assim como se iniciou o
desenvolvimento de um modelo matemático desses sistemas de modo a simular sua
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dinâmica, incluindo cargas quaisquer que serão empregadas durante os testes com os
motores. Utilizando a representação em grafos de ligação do sistema, foi possível
desenvolver os modelos matemáticos e simulações, realizadas com o Simulink/MatLab.
Uma vez concluída a modelagem e as simulações, começou a ser executada a
montagem física do sistema. Nesta fase II, foram especificados os sensores e
componentes que seriam utilizados no projeto e foi desenvolvido todo o circuito de
aquisição de sinais eletrônicos, como os filtros e o processamento digital de tais sinais.
Figura 1: Esquema físico
O esquema do protótipo está representado acima na Figura 1. Ele é composto
inicialmente por um drive comercial ESC (Eletronic Speed Control) comandado
manualmente, por sinal de rádio ou via computador – e desenvolvendo os elementos de
alimentação, de medida de torque e velocidade angular, e de corrente e tensão, com
saídas externas para placa de aquisição compatível com LabView. Acoplado a ele está
Fonte de Tensão. Para a montagem do projeto, foi utilizada uma bateria LiPo 7,4 V
(Figura 2).
Figura 2: Esquema e foto da bateria No próximo item do relatório, será mostrada uma análise detalhada dos
equipamentos utilizados no projeto e como foram implementados cada um dos módulos
mostrados na Figura 1.
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3. Componentes do Sistema
3.1. Speed Control
O controle de velocidade foi implementado se utilizando de um controlador de
velocidade CCPM Servo Consistency Master – Tuning (Figura 3).
Figura 3: Speed Control
Para controlar a velocidade de motores de corrente contínua, o controlador de
velocidade mostrado na Figura 3 utiliza uma técnica conhecida como PWM, que é a
abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. Com esta
técnica, pode-se controlar a velocidade dos motores, mantendo o torque ainda que em
baixas velocidades o que garante partidas suaves mesmo quando há uma carga maior
sobre os motores. Tais aspectos caracterizam o controle PWM como ideal para
aplicações em robótica.
Figura 4: Onda quadrada.
Na Figura 4, o tempo t1 corresponde ao tempo que o motor está energizado e t2
o tempo que ele não está. Como neste caso t1 é igual a t2, durante a metade do tempo o
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motor recebe a tensão de 7,4 V e na outra metade ele recebe 0 V. A tensão média
(figura 5) aplicada ao motor é neste caso de 3,7 V, ou seja, 50% da tensão da bateria.
Figura 5: Ciclo ativo de 50%.
Para diminuir a velocidade do motor, basta reduzir a largura dos pulsos,
mantendo o motor menos tempo ligado, conforme figura 6, que mostra um ciclo ativo
de 30% por que o tempo em que o motor é energizado corresponde a 30% do período da
onda.
Figura 6: Ciclo ativo de 30%.
Da mesma forma, para aumentar a velocidade de motor, aumenta-se a largura
dos pulsos, como ilustrado pela figura 7, onde o ciclo ativo é de 80%.
Figura 7: Ciclo ativo de 80%.
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3.2. Sensores de Tensão e Corrente
Tensão:
As medidas de tensão foram adquiridas através do módulo A/D da National
Instruments NI USB 6009 que permite a aquisição dos dados de tensão e corrente para
tratamento em software desenvolvido no LabView. Trata-se de um conversor analógico-
digital de 14 bits com entradas/saídas analógicas e digitais. Como as entradas do A/D
adquirem medidas em tensão, não foi preciso utilizar um sensor para medição da tensão.
Tal medição foi feita com a entrada analógica do módulo em paralelo com os terminais
do motor, como mostrado na figura 8. Observe que o sinal de tensão precisa ser filtrado
antes da entrada no AD.
Figura 8: Esquema de ligação para aquisição de dados
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A filtragem é necessária porque o sinal que entra nos terminais do motor não é
um sinal DC e sim, um sinal PWM gerado pelo controlador de velocidade (ver item
3.1). Desta forma, a filtragem consiste na integração deste PWM, transformando ele em
um sinal DC. Essa integração é possível utilizando um filtro RC (mostrado na figura
abaixo).
Um modo de compreender este circuito é se voltar ao tempo que o capacitor leva
para se carregar. O capacitor leva um certo período de tempo para carregar e
descarregar através do resistor. A altas frequências, o capacitor tem tempo apenas para
uma pequena carga antes que as entradas invertam sua polaridade. A saída sobe e desce
apenas uma pequena quantia de tempo com relação às subidas e descidas da entrada. A
uma frequência dobrada, existe tempo apenas para que o capacitor se carregue metade
do que poderia se carregar antes, de modo que a tensão sobre o resistor R se aproxima
ao valor da entrada. Exatamente por isso que o filtro, para ser efetivo na integração
do PWM, deve ter uma constante de tempo muito maior que o período do PWM de
entrada.
Sabe-se que o controlador de velocidade utilizado na montagem deste projeto
tem frequência de 2kHz, ou seja, período de 0,5 ms. Assim, um valor razoável para
constante de tempo do filtro é 1000 vezes o período do PWM: 0,5s.
A constante de tempo de um filtro RC é o produto do valor da resistência em
ohms pela capacitância do capacitor em Faradays. Dimensionando os componentes de
forma a atingir o valor supracitado, tem-se R = 5kΩ e C = 100µF. Desta forma, RxC =
0,5s (como proposto de início).
Corrente:
Para a medição da corrente foi necessário a utilização de um sensor de corrente.
O sensor utilizado foi o ACS714 (figura 9). Ele tem um range de medição entre -5A a
+5A e gera uma tensão de saída que corresponde a 185mV/A. Como mostrado na figura
8, o sensor de corrente é ligado em série com a alimentação do motor, exatamente antes
dos terminais de entrada do motor.
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Figura 9: Sensor de corrente
Todos os dados adquiridos serão tratados em software desenvolvido no
LabView.
3.3. Medida de Velocidade Angular
Uma vez definido o módulo de controle de velocidade, foi preciso especificar o
componente do sistema responsável pela medição da velocidade angular. Essa medição
foi efetuado com o Encoder ótico E2-900-394-NE-H-D-B (Figura 10).
Figura 10: Encoder Ótico O encoder mostrado na figura 10 foi acoplado ao motor com a ajuda de uma
junta Cardan e foi preciso usinar uma peça para apoio do sistema motor-encoder (Figura
11). É importante ressaltar que o encoder utilizado tem uma precisão de 5000 pulsos por
revolução, que é mais do que suficiente para a aplicação em questão e ainda fornece
uma medida que permite o cálculo do torque com pouquíssimo erro.
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Este encoder tem como sinal de saída a quadratura do motor, ou seja, uma onda
quadrada cuja frequência é a frequência de rotação do eixo. Uma vez adquirido este
sinal, o cálculo da frequência da onda e com isso, sua velocidade angular ( f = 2πω) foi
feito em software via labView.
Figura 11: Suporte para encoder
3.4. Simulação de Carga
Por último, acoplado ao motor está o efeito de inércia do sistema. Este efeito é
simulado com discos de certa massa específica que simulam efeitos de força de
resistência aerodinâmica, inércia equivalente do veículo, entre outros.
Para efeitos práticos, o valor de inércia equivalente a ser aplicado no motor para
simulação de carga será representado por um disco maciço de aço de diâmetro d e
espessura h:
Onde,
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ρ − massa específica do aço (7850 kg/m³)
v – volume do corpo (m³)
r – raio da seção reta do corpo (m)
h – espessura do corpo (h)
4. Cálculo do Torque
Como proposto inicialmente, o objetivo do projeto é calcular o torque gerado
pelo motor. Uma vez obtidos todos os dados anteriormente mostrados, é possível
calcular o torque de forma razoavelmente simples.
Sabe-se que o torque gerado pelo motor é o produto do momento de inércia
correspondente ao disco e a aceleração angular do motor, ou seja, Tm = Jm x α.
O cálculo da inércia girante já foi mostrado no item anterior e com o sinal de
saída do encoder tem-se a velocidade angular do motor. Assim, basta derivar o sinal de
velocidade angular e fazer a multiplicação com o momento de inércia para se obter o
torque. Todos esses cálculos foram executados no LabView.
5. Software em LabView
Para armazenar os dados e para a criação de uma interface gráfica apropriada
para o usuário, foi utilizado o software LabView. Os principais campos de aplicação do
LabView são a realização de medições e a automação. A programação é feita de acordo
com o modelo de fluxo de dados, o que oferece a esta linguagem vantagens para
a aquisição de dados e para a sua manipulação [3]. Sua aplicação foi importante para
monitoramento e controle do dinamômetro, para a aquisição dos dados, além da criação
de uma interface de fácil manipulação para o utilizador.
O programa adquire os dados e os plota em tempo real, além de apresentar
mostradores dinâmicos e numéricos. Além disso, os dados adquiridos são guardados em
vetores de até 1000 posições para que seja possível a visualização dos dados, mesmo
que o motor não esteja mais conectado ao computador.
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A interface gráfica é apresentada na Figura 12 e parte do código implementado
está na Figura 13.
Figura 12: Interface gráfica LabView
Figura 13: Código LabView
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Nas Figuras 14 e 15 são mostradas algumas fotos do protótipo montado.
Figura 14: Vista do equipamento montado.
Figura 15: Vista superior do equipamento construído.
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6. Conclusões
Com os estudos desenvolvidos na primeira parte do projeto, foi realizada uma
análise completa da dinâmica do sistema, simulações de testes de carga e
dimensionamento dos componentes. Tal análise só foi possível com a utilização do
Matlab, um programa que reúne importantes ferramentas, é fácil de trabalhar e com
código baseado em uma linguagem de utilização em ampla escala.
Nesta segunda parte, o foco do trabalho foi na aquisição e tratamento dos dados
medidos e a criação da interface de controle e utilização do dinamômetro via LabView,
além de se iniciar os dimensionamentos para a construção de um protótipo final.
O LabView se mostrou um programa bastante amigável e de fácil utilização e
além disso, apresenta inúmeros recursos úteis em processamento de sinal, como
filtragem, cálculo de média e valor de RMS, entre outros.
Precisou ser desenvolvida uma eletrônica adicional para a aquisição de dados, mas
não houve problemas na implementação e dimensionamento dos componentes que
foram utilizados.
No decorrer do projeto, ficou bem claro que esse sistema empregado no
dinamômetro é de larga utilização na área automobilística e de automação. Trata-se de
um projeto que abrange várias áreas de conhecimento dentro da engenharia, aplicando
vários conceitos importantes.
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7. Referências
1 - SPERANZA NETO, M., DA SILVA, F.R, Modelagem e análise de sistemas dinâmicos, Rio de Janeiro, Julho 2005
2 - MACHADO, Josélio Alves. Modelagem e simulação de um dinamômetro para motores elétricos empregados nos veículos terrestres em escala. Rio de Janeiro: PUC-Rio, 2001. 118 p. Tese (Mestrado)
3 - National Instruments – Lab View Graphical Programming for Instrumentation.
