DESENVOLVIMENTO DE UM “KIT” DE BAIXO CUSTO PARA ... · por ter acreditado no nosso projeto, ... FIGURA 2.22 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO FULL-BRIDGE ... a d dl Variação

ANA CAROLINA PFAFFENZELLER JULIANO DE PELLEGRIN PACHECO

MARCEL PEREIRA DOS SANTOS

DESENVOLVIMENTO DE UM “KIT” DE BAIXO CUSTO PARA MOTORIZAÇÃO DE UMA CADEIRA DE RODAS

Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Industrial Elétrica- Ênfase em Eletrotécnica do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná- CEFET-PR

Orientador: Prof. Dr. Eduardo F. R. Romaneli Co-orientador: Prof. Dr. Joaquim Eloir Rocha

CURITIBA ABRIL 2004

Dedicamos este trabalho a Deus, que nos deu forças nos momentos

difíceis e aos nossos pais, que sempre nos incentivaram.

Há homens que lutam um dia e são bons, Há outros que lutam um ano e são melhores,

Há, no entanto, aqueles que lutam toda a vida. Esses são imprescindíveis.

Bertold Brecht

AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente ao professor Eduardo Félix Ribeiro Romaneli,

por ter acreditado no nosso projeto, que somente foi concluído devido ao seu

impecável papel de orientador.

Aos professores Joaquim Eloir Rocha, Jorge Carlos Guerra e Antônio

Carlos Pinho, pelas orientações iniciais e por estarem sempre dispostos em nos

esclarecer as dúvidas que surgiram no desenvolvimento deste trabalho.

Ao Departamento de Eletrotécnica, nos nomes dos professores Carlos

Alberto Dallabona e Paulo Sérgio Walenia, pelo apoio nos momentos decisivos.

Um agradecimento em especial, ao Engenheiro Eletricista Rogério Vieira,

que muitas vezes deixou seus compromissos de lado para nos auxiliar, e com sua

experiência nos fez compreender e solucionar os problemas encontrados, de uma

maneira mais prática e eficiente.

Da mesma maneira, agradecemos ao Técnico em Eletrônica Edson

Bestvina, pelo apoio e paciência em suas explicações técnicas, e por sempre estar

disposto a esclarecer as nossas dúvidas, demonstrando interesse em ver o projeto

funcionando.

Ao amigo Rodrigo Fagundes Eggea pelo auxílio no desenvolvimento dos

programas dos microcontroladores e ao amigo Maurício Ferreira, por sempre estar

ao nosso lado e por suas contribuições indispensáveis. À empresa ADEMCO SIPROEL S.A. pela disponibilização dos

equipamentos, à empresa ORTOMETAL, no nome do Sr. Baltazar, pela doação de

uma cadeira de rodas e à distribuidora SOL nos nomes da Sra. Magali V. Vieira e do

responsável técnico Sr. Marcos, pelo empréstimo das Baterias DELPHI utilizadas

nos testes do protótipo e suporte técnico.

Ao Sr. Diomar Martins, pelo auxílio no desenvolvimento e montagem da

adaptação mecânica e a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para a

realização deste projeto.

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1 - ESTATÍSTICA DE DEFICIENTES FÍSICOS NO BRASIL ........................................ 1

QUADRO 2 - ACUMULADORES REGULADOS À VÁLVULA ....................................................... 15

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - POTÊNCIAS DISSIPADAS NA IMPEDÂNCIA “SHUNT” EM FUNÇÃO DA

RESISTÊNCIA ......................................................................................................... 45

TABELA 2 - CÁLCULOS DE FREQÜÊNCIAS GERADAS PELO

MICROCONTROLADOR COM UM CLOCK DE 8 MHZ......................................... 59

LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.01 - CIRCUITO EQUIVALENTE DA MÁQUINA CC...................................................... 9 FIGURA 2.02 - OPERAÇÃO EM QUATRO QUADRANTES DE UMA MÁQUINA CC................... 10 FIGURA 2.03 - CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE X VELOCIDADE................................ 11 FIGURA 2.04 - PARTES CONSTITUINTES DE UMA BATERIA ................................................... 16 FIGURA 2.05 - DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM MICROCONTROLADOR ................................ 21 FIGURA 2.06 - MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO.......................................................... 23 FIGURA 2.07 - MODULAÇÃO PWM DE NÍVEL CONTÍNUO......................................................... 24 FIGURA 2.08 - ESPECTRO DE SINAL PWM ................................................................................ 24 FIGURA 2.09 - ESPECTRO DE SINAL PWM COM PORTADORA DE FREQÜÊNCIA VARIÁVEL .............................................................................................................. 25 FIGURA 2.10 - SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR PNP........................................... 27 FIGURA 2.11 - SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN .......................................... 27 FIGURA 2.12 - FUNCIONAMENTO DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN ................................. 27 FIGURA 2.13 - SEÇÃO TRASVERSAL DE UM MOSFET TIPO N ................................................ 28 FIGURA 2.14 - SIMBOLOGIA DE UM MOSFET TIPO N ............................................................... 29 FIGURA 2.15 - CAPACITÂNCIAS PARASITAS DE UM MOSFET ................................................ 29 FIGURA 2.16 - MODELO PARA ANÁLISE DE CHAVEAMENTO.................................................. 30 FIGURA 2.17 - FORMA DE ONDA DURANTE A CONDUÇÃO..................................................... 30 FIGURA 2.18 - FORMA DE ONDA DURANTE O BLOQUEIO....................................................... 31 FIGURA 2.19 - EVOLUÇÃO DOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ..................................... 31 FIGURA 2.20 - LIMITES DE OPERAÇÃO DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA................... 32 FIGURA 2.21 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO PUSH-PULL .............................. 34 FIGURA 2.22 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO FULL-BRIDGE .......................... 35 FIGURA 2.23 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO HALF-BRIDGE .......................... 36 FIGURA 2.24 - CONFIGURAÇÃO DE UMA MÁQUINA SIMPLES ................................................ 37 FIGURA 2.25 - CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE RODAS E EIXOS........................................ 38 FIGURA 2.26 - CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE ENGRENAGENS........................................ 38 FIGURA 2.27 - CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ENGRENAGENS DE UMA BICICLETA............................................................................................................. 39 FIGURA 3.01 - PINAGEM DO MICROCONTROLADOR AT90S8515 ........................................... 42 FIGURA 3.02 - ESQUEMA DO CIRCUITO DE PONTE COMPLETA COM A IMPEDÂNCIA SHUNT........................................................................................... 45 FIGURA 3.03 - PICO DE CORRENTE NA PARTIDA DO MOTOR................................................ 46 FIGURA 3.04 - ESQUEMA DO COMPARADOR PARA SURTO DE CORRENTE........................ 47 FIGURA 3.05 - ESQUEMA DO CIRCUITO COMPARADOR PARA INDICAÇÃO DE BATERIAS BAIXA ............................................................................................ 48 FIGURA 3.06 - ESQUEMA DO CIRCUITO COMPARADOR DE BATERIA BAIXA E BLOQUEADOR ....................................................................................... 49 FIGURA 3.07 - ESQUEMA CIRCUITO INVERSOR ....................................................................... 50 FIGURA 3.08 - SINAL PWM E SINAL PWM INVERTIDO.............................................................. 50 FIGURA 3.09 - ESQUEMA CIRCUITO PORTAS E: HABILITA PWM............................................ 51 FIGURA 3.10 - ESQUEMA CIRCUITO “DRIVER” PARA PONTE COMPLETA............................. 52 FIGURA 3.11 – CIRCUITO EM PONTE COMPLETA .................................................................... 53 FIGURA 3.12 - PINAGEM DO MICROCONTROLADOR ATMEL AT90S2313.............................. 56 FIGURA 3.13 - DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS...................... 58 FIGURA 3.14 - SINAL PWM COM FREQÜÊNCIA DE15,68 KHZ.................................................. 60 FIGURA 3.15 - FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DE CONTROLE (CPU) ................................... 62 FIGURA 3.16 - FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DO JOYSTICK ................................................ 64 FIGURA 3.17 - GRÁFICO DE VELOCIDADE X TEMPO ............................................................... 67 FIGURA 3.18 - ILUSTRAÇÃO DA RAMPA DE ACESSO ANGULADA A 15 GRAUS E DAS FORÇAS ATUANTES SOBRE A CADEIRA .............................................. 68 FIGURA 3.19 - DIAGRAMA PARA A FORÇA RESULTANTE ....................................................... 69 FIGURA 3.20 - MOTORREDUTOR BOSCH CEP......................................................................... 71 FIGURA 3.21 - CURVA DE PERFORMANCE DO MOTORREDUTOR BOSCH CEP .................. 72 FIGURA 3.22 - BATERIA DELPHI FREEDOM............................................................................... 75 FIGURA 3.23 - BASE DA BATERIA................................................................................................ 77 FIGURA 3.24 - BASE DA CAIXA DE CONTROLE......................................................................... 78 FIGURA 3.25 - SUPORTES DOS MOTORES................................................................................ 78

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS A/D – Analógico/Digital

AACD – Associação de Assistência à Criança Deficiente

AMD – Advanced Micro Devices

BAUDS– BAUD ou taxa de BAUDS: medida do número de mudanças de

sinal (comutação) transmitido por segundo;

CA – Corrente Alternada

CC – Corrente Contínua

CEFET – Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná

CPU – Unidade Central de Processamento (“Central Process Unit”)

D/A – Digital/Analógico

EEPROM–Memória Exclusiva de Leitura, Programável e Apagável

(“Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory”)

FLASH – Memória programável

I/O – Input/Output

IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

IGBT – “Insulated Gate Bipolar Transistor”

LCD – Indicador de Cristal Líquido (“Liquid Cristal Display”)

LED – Diodo Emissor de Luz (“Light Emiter Diode”)

MOS – Semicondutor de Óxido de Metal (“Metal Oxide Semiconductor”)

MOSFET- Transistor de Semicondutor de Óxido Metálico por Efeito de

Campo (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”)

NBR – Norma Brasileira Regulamentadora

PCI – Placa de Circuito Impresso

PWM – Modulação por Largura de Pulso (“Pulse Width Modulation”)

RAM – Memória de Acesso Aleatória ( “Random Access Memory”)

RFI – Interferência Rádio Freqüência (“Radio Frequency Interference”)

ROM – Memória Exclusiva de Leitura (“Read Only Memory”)

RX – Receptor (“Receiver”)

SIT – Transistor de Indução Estática (“Static Induction Transistor”)

TBP – Transistor Bipolar de Potência

TTL – Lógica Transistor-Transistor (“Transistor-Transistor Logic”)

TX – Transmissor (“Transmitter”)

LISTA DE SÍMBOLOS Símbolos utilizados nos equacionamentos:

Símbolo Significado

fφ Fluxo de campo

fK Constante de proporcionalidade do campo

fI Corrente de campo em motores de corrente contínua

emT Torque eletromagnético

tK Constante de torque do motor

aI Corrente de armadura

ae Força contra-eletromotriz

eK Constante de tensão do motor

mw Rotação do eixo

Pe Potência elétrica

Pm Potência mecânica

Vt Tensão aplicada nos terminais da armadura do motor

aR Resistência da armadura de um motor

aL Indutância da armadura de um motor

t

a

ddl

Variação da indutância da armadura em função do tempo

d Diâmetro da roda da cadeira de rodas

v Velocidade da cadeira de rodas

N Número de rotações por minuto de uma roda

π Constante matemática: 3,14159 a Aceleração da cadeira de rodas t Tempo

rF Força resultante

m Massa estimada da cadeira de rodas com a carga

T Torque do motor


α Ângulo de inclinação da rampa

pF Força peso

inF Força de inércia

inrdF Força de inércia em cada roda

P Potência mínima exigida em cada roda

I Corrente solicitada pela carga (motor + circuitos)

Símbolos utilizados nos diagramas de circuitos:


GSV Tensão Gatilho-Fonte

DSV Tensão Dreno-Fonte

DI Corrente do dreno

G Gate (Gatilho do MOSFET)

D Dreno (MOSFET)

S Source ( Fonte do MOSFET)

GDC Capacitância Gatilho - Dreno do MOSFET

GSC Capacitância Gatilho - Fonte do MOSFET

DSC Capacitância Dreno – Fonte do MOSFET

Q Transistor bipolar ou de potência

D Diodo retificador

SV Tensão da fonte de alimentação

PV Tensão do primário do transformador

OV Tensão do secundário (saída do transformador)

SN Número de enrolamentos no secundário

PN Número de enrolamentos no primário

M Motor elétrico de Corrente Contínua

RSHUNT Resistência “shunt”


R Resistor

C Capacitor

TP Trimpot

Vcc Alimentação de 5V

GND Referência do circuito (Terra)

U Circuito Integrado

Dz Diodo Zener

Símbolos utilizados para unidades de grandezas físicas:

Símbolo Unidade Descrição

V Volt Tensão

A Ampére Corrente

Ah Ampére hora Capacidade de carga

N Newton Força

Nm Newton metro Torque

W Watt Potência

km/h Quilômetro por hora Velocidade

m/s Metro por segundo Velocidade

rpm Rotação por minuto Velocidade rotacional

m/s2 Metro por segundo ao quadrado Aceleração

M Metro Comprimento

cm Centímetro Comprimento

“ Polegada Comprimento

° Grau Distância angular

kg Quilograma Massa

S Segundo Tempo

Hz Hertz Freqüência

Ohm Resistência

F Faraday Capacitância

°C Graus Celsius Temperatura

LISTA DE APÊNDICES

APÊNDICE 01 - CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO EM FORMATO ASSEMBLY DA CPU – MICROCONTROLADOR AT90S8515 APÊNDICE 02 - CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO EM FORMATO ASSEMBLY DO JOYSTICK - MICROCONTROLADOR AT90S2313 APÊNDICE 03 - ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO DE CONTROLE DA CADEIRA DE RODAS – CPU APÊNDICE 04 - ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA PONTE COMPLETA–PONTE H APÊNDICE 05 - ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO DO JOYSTICK APÊNDICE 06 - DESENHO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DO CIRCUITO DE CONTROLE DA CADEIRA DE RODAS –CPU APÊNDICE 07 - DESENHO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA PONTE COMPLETA – PONTE H APÊNDICE 08 - DESENHO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DO CIRCUITO DO JOYSTICK APÊNDICE 09 - LISTA DOS MATERIAIS UTILIZADOS NO PROJETO APÊNDICE 10 - TABELA DETALHADA DOS CUSTOS DO PROJETO APÊNDICE 11 - DESENHOS MECÂNICOS APÊNDICE 12 - FOTOS RETIRADAS NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

RESUMO

Este trabalho apresenta as fases do desenvolvimento do protótipo de um kit para

motorização de uma cadeira de rodas, tendo como finalidade transformar uma

cadeira de rodas convencional em uma cadeira de rodas motorizada. Utilizando um

circuito eletrônico microcontrolado, cujo acionamento é realizado pelo usuário

através de um joystick. Há dois motores independentes que tracionam as rodas

através de um acoplamento mecânico, sendo o circuito alimentado por duas

baterias.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento teórico, e as fases de construção do

protótipo, divididas em: desenvolvimento dos circuitos eletrônicos, elaboração de

programas para microcontroladores, testes em laboratório e pesquisas de mercado.

O intuito de se desenvolver um protótipo de baixo custo é tornar possível às pessoas

deficientes o acesso a cadeira de rodas motorizada, uma vez que ainda é muito

pequeno em nosso país o percentual de deficientes que tem acesso a esse

benefício, que pode ser um fator de melhoria da qualidade de vida dessas pessoas.

Palavras-chave: motorização; cadeira de rodas; microcontrolador; bateria; motor;

adaptação mecânica.

ABSTRACT

This research presents all the stages of development of electrical motor kit for a

wheelchair.

The main goal of this kit is to transform a normal wheelchair (for disabled person) into

an electronic controlled chair with DC motors, using an electronic circuit with

microcontroller and a joystick that controls the movement. This command drives two

DC motors independently, through a mechanical adaptation using chain wheels and

chains. The power supply composed by from two automotive batteries.

This work presents the theoretical development and the construction stages of the

prototype. The stages are: electronic circuits and firmware development; laboratory

tests and economic analysis.

Reducing the cost of the final Lab Model, allows several disabled persons to have

access to this equipment. In Brazil, few people have access to a motorized

wheelchair.

Key-words: kit; motorization; wheelchair; microcontroller; battery; motor; mechanical

adaptation.

SUMÁRIO AA

1 INTRODUÇÃO GERAL...................................................................................................... 1 1.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1 1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 2 1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................ 3 1.3.1 Objetivo geral ........................................................................................................ 3 1.3.2 Objetivos específicos............................................................................................. 3 1.4 METODOLOGIA.......................................................................................................... 3 1.5 RESULTADOS A SEREM APRESENTADOS ............................................................ 4 1.6 ESTRUTURA DA EXPOSIÇÃO .................................................................................. 4

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................... 5 2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 5 2.2 MOTORES ELÉTRICOS............................................................................................. 5 2.2.1 Motores de corrente alternada .............................................................................. 6 2.2.2 Motores de corrente contínua ............................................................................... 7 2.3 BATERIAS................................................................................................................. 11 2.3.1 Classificação das baterias quanto à sua aplicação ............................................ 12 2.3.2 Classificação dos acumuladores quanto à construção....................................... 15 2.3.3 Partes constituintes de uma bateria .................................................................... 16 2.3.4 Funcionamento de uma bateria........................................................................... 12 2.3.5 Utilização correta das baterias ............................................................................ 13 2.4 SISTEMA DE CONTROLE........................................................................................ 18 2.4.1 Microcontroladores .............................................................................................. 18 2.4.2 Modulação por largura de pulso (PWM).............................................................. 23 2.4.3 Semicondutores................................................................................................... 26 2.4.4 Conversores ........................................................................................................ 33 2.5 ADAPTAÇÃO MECÂNICA ........................................................................................ 36 2.5.1 Máquinas simples................................................................................................ 36 2.5.2 Rodas e eixos...................................................................................................... 37 2.5.3 Engrenagens ....................................................................................................... 38 2.6 CONCLUSÃO............................................................................................................ 39

3 METODOLOGIA E RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................... 40 3.1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 40 3.2 VISÃO GERAL DO FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO DE CONTROLE............... 40 3.3 ESCOLHA DO MICROCONTROLADOR.................................................................. 40 3.3.1 Pinagem e descrição funcional do microcontrolador ATMEL AT90S8515 ......... 42 3.4 ESCOLHA DA FERRAMENTA DE PROGRAMAÇÃO ............................................. 43 3.5 ESTUDO DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS UTILIZADOS NO PROJETO ............ 44 3.5.1 Circuito de proteção contra surto de corrente..................................................... 44 3.5.2 Circuito de indicação de bateria baixa ................................................................ 47 3.5.3 Circuito inversor................................................................................................... 49 3.5.4 Circuito com portas lógicas que habilita/desabilita os sinais de PWM ............... 51 3.5.5 Circuito driver para motor CC.............................................................................. 51 3.5.6 Circuito ponte completa....................................................................................... 52 3.6 DESENVOLVIMENTO DO JOYSTICK ..................................................................... 54 3.6.1 Características principais do joystick .................................................................. 55 3.6.2 Escolha do microcontrolador para o joystick..................................................... 55

3.7 DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS UTILIZADO ......PARA COMUNICAÇÃO ENTRE A CPU E O JOYSTICK ..................................... 57

3.8 ESTUDO E ELABORAÇÃO DO PROGRAMA.......................................................... 58 3.8.1 Cálculos iniciais para programação .................................................................... 59 3.8.2 Visão geral da programação ............................................................................... 60 3.9........ CONFECÇÃO DOS ESQUEMAS ELÉTRICOS E DAS PLACAS DE CIRCUITO .......IMPRESSO (PCI) DO PROJETO............................................................................. 65 3.9.1 Confecção dos esquemas elétricos .................................................................... 65 3.9.2 Confecção do leiaute das placas de circuito impresso (PCI).............................. 66

3.10 ESTUDO DO MOTOR............................................................................................. 66 3.10.1 Dimensionamento do motor .............................................................................. 66 3.10.2 Cálculo do torque do motor ............................................................................... 70 3.10.3 Escolha do motor............................................................................................... 70 3.11 ESTUDO DAS BATERIAS ...................................................................................... 72 3.11.1 Dimensionamento das baterias......................................................................... 72 3.11.2 Escolha da bateria............................................................................................. 74 3.12 ADAPTAÇÃO MECÂNICA ...................................................................................... 77 3.12.1 Base de kit......................................................................................................... 77 3.12.2 Adaptação nas rodas......................................................................................... 79 3.12.3 Adaptação nos motores .................................................................................... 79 3.13 ESTIMATIVA DE CUSTO...........................................Erro! Indicador não definido. 3.13.1Comparativo de custo entre uma cadeira de rodas motorizada e uma cadeira de .............rodas adaptada com o kit. .................................................................................. 80 3.14 CONCLUSÃO.......................................................................................................... 81

4 CONCLUSÃO GERAL ..................................................................................................... 82 REFERÊNCIAS................................................................................................................... 86 APÊNDICES........................................................................................................................ 89

1

1 INTRODUÇÃO GERAL

1.1 INTRODUÇÃO

Conforme pesquisa realizada pelo IBGE em 2001, publicada pelo Jornal

Folha de São Paulo, há no Brasil 24,5 milhões de pessoas portadoras de deficiência,

cerca de 14,5% da população brasileira. O jornal informa que foram incluídas na

pesquisa todas as pessoas que apresentem alguma dificuldade de enxergar, de

ouvir, de locomover-se ou que tenham alguma deficiência mental.

Desse total, segundo o CENSO 2000 realizado pelo IBGE, a deficiência

motora atinge mais de 7.800.000 brasileiros, sendo que quase 90 % destes não têm

acesso a uma cadeira de rodas motorizada. QUADRO 1 – ESTATÍSTICA DE DEFICIENTES FÍSICOS NO BRASIL.

Tipos de Deficiências e quantidade de pessoas portadoras:

Visual

16.573.937

Motora

7.879.601

Auditiva

5.750.809

Mental

2.848.684

Física

1.422.224

FONTE: IBGE 2000

No mercado nacional o custo da cadeira motorizada é muito elevado, em

torno de R$ 4.500,00, tendo também uma manutenção cara, e difícil acesso para os

equipamentos de reposição, impossibilitando às pessoas deficientes adquiri-las ou

mantê-las.

Em relação a esses aspectos é importante que se tenha disponível “kits” de

baixo custo para automatização de cadeiras de rodas, dando ênfase na

transformação de uma cadeira de rodas convencional em uma cadeira motorizada.

De forma prática, pretende-se utilizar no desenvolvimento do projeto materiais e

equipamentos que são facilmente encontrados no mercado, para viabilizar o acesso

deste “kit” a uma faixa maior da população.

2

1.2 JUSTIFICATIVA

Conforme verificado com alguns fornecedores e fabricantes, as cadeiras de

rodas motorizadas possuem um custo bastante elevado, estando fora do alcance da

maioria da população que tem problemas de paralisia dos membros inferiores.

Existe no mercado um “kit” para motorização de cadeiras de rodas, que

pode chegar ao consumidor por R$ 4.000,00, conforme pesquisa realizada na AACD

(Associação de Assistência à Criança Deficiente). A intenção deste projeto é diminuir

ainda mais este ônus ao consumidor. Este “kit” não é vendido separadamente,

sendo necessária a compra da cadeira de rodas simultaneamente, o que passa a

ser um ônus adicional ao comprador. Pretende-se amenizar os problemas acima

abordados, com o desenvolvimento de um kit de motorização de uma cadeira de

rodas utilizando componentes acessíveis, de baixo custo e de “simples” instalação,

possibilitando assim, o acesso dos portadores de deficiência a um equipamento

motorizado.

Verifica-se que para a solução deste problema o custo é a variável

principal, mesmo que a eficiência do produto final não seja equivalente ao similar

existente.

Do ponto de vista do grupo, o fundamental é possibilitar uma contribuição

social, observando a grande dificuldade que as pessoas portadoras de deficiência

motora têm em adquirir as cadeiras motorizadas e o fato de se poder utilizar das

pesquisas e conceitos que serão adquiridos para o desenvolvimento deste projeto

na vida profissional e pessoal.

3

1.3 OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo Geral

Desenvolver, através de um método simples e com componentes e

equipamentos disponíveis no mercado, o projeto de transformação de uma cadeira

de rodas convencional em uma cadeira motorizada.

1.3.2. Objetivos Específicos

• Pesquisar quais os modelos de motores elétricos CC que mais se adaptam ao

projeto;

• Pesquisar quais os modelos de baterias que mais de adaptam para o projeto;

• Verificar a viabilidade econômica de se desenvolver um kit de motorização de

cadeiras de rodas mais barato e acessível do que o já existente no mercado;

• Fazer uma integração entre os três módulos do projeto (acionamento, controle e

alimentação);

• Instalar o equipamento em uma cadeira de rodas e fazer o teste em laboratório

(teste de funcionamento).

1.4 METODOLOGIA

A metodologia empregada para o desenvolvimento do protótipo consiste

primeiramente em uma análise bibliográfica, seguida da revisão de literatura. A

construção do kit foi dividida em três fases distintas, sendo a primeira, o projeto do

protótipo que envolve o circuito de controle e a adaptação mecânica. Na segunda

fase, será realizada a integração de todas as partes do projeto, tendo como

resultado a construção do kit para motorização de uma cadeira de rodas. E,

finalmente, na terceira fase, serão feitos os testes em laboratório.

Como complemento deste projeto, será realizada uma pesquisa de

mercado, avaliando-se os custos dos componentes empregados na construção do

protótipo.

4

1.5 RESULTADOS A SEREM APRESENTADOS

• Protótipo do circuito eletrônico de controle;

• Protótipo do circuito eletrônico de potência;

• Estudo econômico preliminar do protótipo;

• Adaptação mecânica;

• Pesquisa teórica.

1.6 LIMITAÇÕES DO PROJETO

O carregador para as baterias é externo ao kit, e será adquirido no

comércio. Algumas proteções elétricas e mecânicas não foram previstas neste

protótipo inicial, mas podem ser implementadas futuramente, tais como:

desacoplamento mecânico dos motores ao eixo da cadeira de rodas e aumento das

proteções contra curto circuito.

1.7 ESTRUTURA DA EXPOSIÇÃO

No capítulo 1 apresenta-se um breve relato dos principais fatores que

levaram à escolha do tema do projeto, assim como uma ambientalização da

problemática que nos levou a desenvolver este projeto.

No capítulo 2 será demonstrada a fundamentação teórica, com conceitos

sobre motores elétricos, baterias, microcontroladores, entre outros.

Na seqüência, o capítulo 3 detalha todas as etapas despendidas para a

construção do kit, as soluções e resultados obtidos com o desenvolvimento do

projeto.

No capítulo 4 será apresentada a conclusão geral do projeto, contendo a

análise final do custo do kit, bem como as considerações finais, melhorias e

sugestões para trabalhos futuros.

5

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 INTRODUÇÃO

Hoje em dia, a cadeira de rodas é talvez uma das invenções que tem

permitido a maior independência da pessoa incapacitada motrizmente. Inventores,

engenheiros, terapeutas e outros profissionais têm idealizado uma ampla gama de

acessórios para aumentar as possibilidades dos deficientes, desde um simples

recolhedor para recuperar objetos caídos, até um sofisticado método para escrever a

máquina por meio do alento. Todos estes aparelhos têm um único objetivo em

comum que é ajudar as pessoas com deficiências a viver com maior independência

e autonomia (CILSA, 2004).

Certas adaptações de automóveis e controles especiais, permitem dirigir e

locomover-se com uma maior facilidade. Cadeiras de rodas, muletas, elevadores e

rampas aumentam a mobilidade dentro e fora de seus ambientes de seus lares.

Existem distintos tipos de cadeiras de rodas (de passeio, esportivas, com motor)

segundo a necessidade de cada pessoa e da atividade que necessite realizar

(CILSA, 2004).

Neste capítulo, serão abordados os conceitos teóricos dos componentes e

equipamentos empregados no desenvolvimento deste projeto, tais como motores,

baterias, componentes eletrônicos, etc.

2.2 MOTORES ELÉTRICOS

Como definição básica de motores elétricos pode-se considerar que é uma

máquina que se destina a transformar energia elétrica em energia mecânica. Ou

seja, num motor, a simples presença da corrente elétrica, seja CC ou CA, nos

garante movimento em um eixo, que pode ser aproveitado de diversas maneiras

dependendo da aplicação do motor (WEG, 2001, p. D-3).

É considerada uma máquina de construção simples, custo reduzido e não

poluente. Possui uma grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais

diversos tipos e potências (WEG, 2001, p. D-3).

6

Os tipos mais comuns de motores elétricos são:

• Motores de Corrente Contínua;

• Motores de Corrente Alternada, e estes ainda se dividem em:

o Motores Síncronos;

o Motores de Indução.

2.2.1 Motores de Corrente Alternada

São os modelos de motores mais utilizados, devido ao fato de que a

distribuição de energia elétrica é realizada normalmente em corrente alternada

(WEG, 2001, p. D-3).

A grande maioria das aplicações tem sua configuração mais econômica

com a utilização de motores de indução de gaiola. Estima-se que 90% (em

unidades) dos motores fabricados sejam deste tipo. Quando não há necessidade de

ajuste e controle de velocidade e a potência é inferior a cerca de 500CV, sua

utilização é amplamente dominante. Pode-se dizer que outros tipos de motores são

utilizados somente quando alguma peculiaridade determina tal opção (WEG, 2001,

p. D-3).

a) Motores Síncronos

Este motor funciona com a velocidade fixa, e somente é utilizado para

grandes potências, devido ao seu custo elevado para tamanhos menores, ou ainda

quando é necessário que a velocidade seja constante (WEG, 2001, p. D-3).

b) Motores de Indução

Já este motor funciona normalmente com um escorregamento1 constante,

que varia de acordo com a carga mecânica aplicada em seu eixo. Este é o motor

mais utilizado de todos devido a sua simplicidade e baixo custo. É adequado para

quase todos os tipos de máquinas acionadas encontradas hoje em dia. Para as

1 Escorregamento: Diferença entre a velocidade do motor e a velocidade síncrona.

7

aplicações de motores de indução em que se deseja controlar a velocidade pode-se

utilizar os inversores de freqüência (WEG, 2001, p. D-3).

2.2.2 Motores de Corrente Contínua

O uso de motores elétricos de corrente contínua é restrito, pois seu custo é

elevado e para sua utilização é necessário um dispositivo que efetue a conversão da

corrente alternada em corrente contínua (WEG, 2001, p. D-3).

DUARTE (2001 p.3) refere-se a motores de corrente contínua afirmando

que:

São conhecidos por seu controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino e são, portanto, largamente utilizados em aplicações que exigem tais características. Vale comentar que a utilização dos motores de corrente contínua teve um grande incremento nos últimos anos, graças à eletrônica de potência. Fontes estáticas de corrente contínua como tiristores confiáveis, de baixo custo e manutenção simples, substituíram os grupos conversores rotativos. Com isso, motores de corrente contínua passaram a constituir alternativa mais atrativa em uma série de aplicações.

O funcionamento básico dos motores de corrente contínua estão fundamentados na Força de Lorentz quando aplicadas a uma carga em movimento dentro de um campo magnético; para melhor entendimento pode-se considerar uma espira de corrente inserida num campo magnético criado por um ímã permanente onde há uma corrente originada de uma fonte de corrente contínua. Quando ocorre a passagem dessa corrente a mesma faz com que apareçam duas forças que possuem sentidos contrários uma em cada lado da espira. Essas forçam originam um torque que faz com que a espira gire, transformando a energia elétrica da corrente em energia cinética num eixo acoplado às espiras. A direção da rotação depende da polaridade da bateria e da direção das linhas de campo magnético criadas pelo ímã.

a) Circuitos Equivalentes para Motores de Corrente Contínua

Nos motores de corrente contínua a corrente de campo, aqui denominada

por If é que exerce o controle sobre o fluxo, e o fluxo nesses tipos de motores é

identificado no estator através de um enrolamento de campo como se pode verificar

na equação 1 (ROCHA, 2002, p. 19).

8

fff IK ⋅=φ (1)

Sendo Kf é considerada uma constante de proporcionalidade do campo.

Nesses tipos de motores o desenvolvimento da potência elétrica se dá no

enrolamento da armadura localizado no rotor do motor.

Através do comutador são feitas as retificações das correntes e tensões

que são feitas pela armadura que se encontra localizada no rotor (ROCHA, 2002, p.

19).

O produto obtido da interação do fluxo (φf) e da corrente de armadura

designada por Ia é o torque eletromagnético conforme equação 2.

aftem IKT ⋅⋅= φ (2)

Sendo Kt uma constante de torque do motor.

A rotação de condutores da armadura com uma velocidade designada por

(wm), quando na presença do fluxo (φf), origina uma força contra-eletromotriz

denominada (ea) que pode ser obtida através da equação 3 (ROCHA, 2002, p. 19).

mfea wKe ⋅⋅= φ (3)

Onde Ke é considerada uma constante de tensão do motor.

Para regimes ditos permanentes, pode-se considerar que Pe é igual a Pm,

pois como Kt e Ke são numericamente iguais e os valores de Pe e Pm podem ser

obtidos através das equações 4 e 5 respectivamente:

amfeaa IwKIePe ⋅⋅⋅=⋅= φ (4)

amftemm IwKTwPm ⋅⋅⋅=⋅= φ (5)

Para se estabelecer uma corrente Ia , é aplicada nos terminais da armadura

uma tensão controlada (Vt), obtida através da equação 6; além disso, o valor de Ia

pode ser obtido, isto é, determinado por (Ra) que é a resistência da armadura, pela

indutância da armadura designada por (La) e também pela força contra-eletromotriz

(ea) (ROCHA, 2002, p. 21).

9

t

aaaaa d

dlLIReVt +⋅+= (6)

A equação 6 é demonstrada pelo circuito equivalente da figura 2.01.

FIGURA 2.01 – CIRCUITO EQUIVALENTE DA MÁQUINA CC.

FONTE: ROCHA, J.E. Acionamentos Elétricos. Curitiba: Cefet-PR, 2002.

Durante o ato de frenagem os motores de corrente contínua agem como

geradores, embora raramente as máquinas dessa natureza sejam usadas como

geradores.

Quando se reduz o valor da tensão terminal (Vt) abaixo do valor da força

contra-eletromotriz (ea), a corrente da armadura (Ia), irá reverter sua direção. Devido

à mudança de direção da corrente o torque eletromagnético reverte seu sentido

também, por sua vez a energia cinética quando somada à inércia do sistema, tem

como produto a energia elétrica através da máquina de corrente contínua. Somente

durante esse fenômeno é que se pode dizer que a máquina de corrente contínua

age como um gerador de energia (ROCHA, 2002, p. 22).

Como durante o ato de frenagem a polaridade da força contra-eletromotriz

não se altera, pois se considera que a direção de rotação não foi alterada, e

considera-se ainda que a velocidade do rotor diminui a força contra-eletromotriz

diminui em magnitude, com isso a geração de tensão só se encerra quando o rotor

pára, isto é, quando toda a energia inercial for retirada (ROCHA, 2002, p. 22).

O motor de corrente contínua pode ser manuseado, isto, é colocado em

funcionamento nos dois sentidos de rotação, e seu torque eletromagnético pode ser

revertido para a frenagem em qualquer dos sentidos de rotação. A figura 2.02

demonstra a operação em quatro quadrantes deste acionamento (ROCHA, 2002, p.

22).

10

FIGURA 2.02 – OPERAÇÃO EM QUATRO QUADRANTES DE UMA MÁQUINA CC.

FONTE: ROCHA, E.J. Acionamentos Elétricos. Curitiba: Cefet-PR, 2002.

b) Características de Torque x Velocidade para Motores de Corrente Contínua

Pode-se obter a velocidade (wm) quando em regime permanente através da

equação 7, como uma função do torque eletromagnético para uma dada tensão

terminal (Vt).

⋅−=

t

emat

em K

TRVK

w 1 (7)

Na figura 2.03 mostra-se as curvas características de torque – velocidade;

ao serem observadas pode-se concluir que à medida que o torque aumenta a sua

velocidade diminui. A forma inclinada dessas curvas se deve à queda de tensão

provocada pela resistência da armadura versus a corrente da mesma, que cresce

com o aumento do torque. Para motores de grande potência essa inclinação da

curva de velocidade é geralmente pequena; já para motores de potência menores

pode ser grande (ROCHA, 2002, p. 23).

11

FIGURA 2.03 – CURVA CARACTERÍSTICA TORQUE X VELOCIDADE

FONTE: ROCHA, J.E. Acionamentos Elétricos. Curitiba: Cefet-PR, 2002.

2.3 BATERIAS

Os acumuladores, muitas vezes conhecidos como baterias, são

dispositivos cuja função é permitir que durante o seu fenômeno de descarga,

transformem a energia química em energia elétrica. Isto ocorre por meio de uma

reação eletroquímica de óxido - redução. Já durante o processo de carga, pode-se

ter o processo no sentido contrário, em que a energia elétrica é convertida em

energia química (DIAS; KARASINSKI, 2003 cap. 2).

Ao se submeter uma bateria a um processo de carga, a eletrólise da água

do eletrólito produz hidrogênio no eletrodo negativo e oxigênio no eletrodo positivo,

com isso pode-se concluir que nas baterias ventiladas pode-se ter perda de água e

como conseqüência disto deve-se repor água durante sua vida útil (DIAS;

KARASINSKI, 2003 cap. 2).

Durante o processo de carga de uma bateria, o primeiro gás a ser

produzido é o oxigênio, já o hidrogênio é produzido quando se tem praticamente a

placa negativa carregada. Devido à baixa eficiência de carga da placa positiva, é

que pode se ter um espaço de tempo entre a produção do oxigênio e do hidrogênio

(DIAS; KARASINSKI, 2003 cap. 2).

12

2.3.1 Funcionamento de uma Bateria

Dióxido de chumbo (PbO2), é uma substância que possui grande tendência

de receber elétrons, enquanto que o chumbo metálico (Pb), tem uma grande

tendência de doar elétrons. A isso pode se chamar diferença de potencial (ADELCO

2001).

Assim, se forem colocados em contato chumbo metálico com dióxido de

chumbo, e se estabelecerem condições para que os elétrons possam se locomover

de um lado para o outro, a transferência de elétrons do chumbo para o dióxido de

chumbo se dará com extrema facilidade. O meio utilizado para a transferência de

elétrons no caso das baterias automotivas é uma solução de ácido sulfúrico, pela

sua boa estabilidade térmica, alta condutividade iônica, baixo nível de impurezas e

baixo custo (ADELCO 2001).

A configuração mais simples para um acumulador elétrico seria a de uma

placa negativa (chumbo - Pb) e uma positiva (dióxido de chumbo - PbO2) separadas

por um separador poroso e imersa na solução se ácido sulfúrico. A isso pode se

denominar célula. Cada célula possui uma tensão de 2 volts, dada pela diferença de

potencial entre os elementos utilizados. A quantidade de carga elétrica que essas

placas podem oferecer é definida pela quantidade de material ativo presente, então,

teoricamente, quanto maior a placa maior a carga disponível. Para que não se tenha

que fazer baterias imensas, ao invés de serem aumentados os tamanhos das

placas, liga-se uma placa positiva a uma placa positiva original e uma outra placa

negativa à placa negativa original (ligação em paralelo) tendo desta forma o que

pode ser chamado de elemento (ADELCO 2001).

Para se obter uma bateria de 12 volts, basta que sejam ligados 6

elementos, de 2 Volts cada, de modo que as placas positivas de um elemento se

liguem às placas negativas de outro (ligação em série) (ADELCO 2001).

Esses seis elementos estão dentro da bateria em compartimentos

separados para que não ocorra contato entre as soluções, o que causaria um

circuito elétrico fechado, descarregando a bateria. Na descarga que ocorre quando a

eletricidade passa por um circuito elétrico externo, para a realização de um trabalho,

como por exemplo, girar o motor de partida, acendendo uma lâmpada, os elétrons

saem da placa de chumbo (placa negativa) pela grade e chegam a placa de dióxido

de chumbo (placa positiva) fechando um circuito elétrico (ADELCO 2001).

13

2.3.2 Utilização Correta das Baterias

As baterias são normalmente especificadas de acordo com a quantidade

de eletricidade armazenada, expressa em termos de capacidade de descarga a 20

horas. Assim uma bateria de 36 Ah, é aquela que dá 36 Ah em 20 horas de

descarga, ou de outra maneira, irá demorar 20 horas para se descarregar a uma

corrente de 1,8A. A indústria também especifica qual a corrente de partida que uma

bateria irá fornecer, mas em geral essa já vem definida junto com a capacidade. A

indústria automobilística também define para cada modelo de automóvel qual a

bateria (em termos de capacidade) adequada (MOURA 2003).

Uma bateria de capacidade menor que a adequada será mais exigida na

hora de partida do veículo e portanto sofrerá ciclos de descarga mais profundos que

os normais, encurtando a vida útil da mesma. Por outro lado, uma bateria com

capacidade maior do que a recomendada para o veículo, não será adequadamente

recarregada pelo sistema de recarga do veículo, permanecendo por maiores

períodos em estado de carga parcial ou de descarga. A permanência da bateria por

longos períodos em estado parcial de carga traz dois inconvenientes à aceleração

da corrosão das placas positivas e formação de micro curtos-circuitos (MOURA

2003).

A tensão de recarga de uma bateria deve estar em torno dos 13,8 a 14,8

Volts. Tensões maiores aceleram as reações de consumo de água e de corrosão

das placas positivas. Finalmente a bateria deve estar bem fixada nos veículos para

impedir vibrações excessivas que provocam queda de massa das placas e,

conseqüentemente, perda da capacidade (MOURA 2003).

O usuário deve portanto, utilizar somente a bateria especificada para o

veículo, mantê-la bem afixada e, ao mesmo tempo, garantir que o sistema de

recarga esteja em bom estado impedindo situações de sub ou sobrecarga. Somente

assim será possível para o usuário desfrutar da longa vida e da pouca necessidade

de manutenção que as tecnologias modernas incorporadas na fabricação da bateria,

podem lhe proporcionar (MOURA 2003).

14

2.3.3 Classificação das Baterias Quanto à sua Aplicação

a) Acumuladores Ventilados

a.1) Acumuladores de Alta Intensidade de Descarga

Estes tipos de baterias são ideais para aplicações em que há alta descarga

e a vida longa das mesmas são condições essenciais. São utilizadas em aplicações

estacionárias como sistemas “no-break”, arranque de motores de turbina, inversores,

grupos motogeradores, freios magnéticos entre outras (NBR - 14197, 1998).

a.2) Acumuladores de Média Intensidade de Descarga

A característica peculiar deste tipo de bateria é quanto ao seu tempo de

descarga que é entre uma e vinte horas. São indicadas em aplicações estacionárias

como subestações, aeroportos, hospitais, centrais elétricas entre outras inúmeras

aplicações (NBR - 14197, 1998).

a.3) Acumuladores de Baixa Intensidade de Descarga

Já estes tipos de baterias são indicados para casos onde há pequena

autodescarga e grandes intervalos entre períodos de manutenção são necessários.

Também são utilizadas para aplicações estacionárias como sistemas fotovoltaicos,

equipamentos de emergência, sinalização marítima, estações de bombeamento,

faróis de transmissores de navegação entre várias outras. As baterias deste modelo

têm como característica principal reter até 85% de sua capacidade nominal, após

permanecerem um ano em circuito aberto com temperaturas na faixa de 25°C (NBR

- 14197, 1998).

b) Acumuladores Regulados à Válvula

No quadro 2 pode-se ter uma breve noção de alguns tipos de

acumuladores regulados à válvula. Na primeira coluna estão relacionados a que

15

grupo pertencem e qual a sua via útil em média, já na segunda coluna estão

algumas definições sobre cada modelo, e na terceira coluna estão citados alguns

tipos de aplicações para cada tipo.

2.3.4 Classificação dos Acumuladores Quanto à Construção

Classificando os acumuladores quanto ao seu tipo de construção pode-se

ter:

• Chumbo – Ácido (ácida);

• Níquel – Cádmio (alcalina);

• Níquel – Ferro (alcalina);

• Níquel – Zinco (alcalina);

• Prata – Zinco (alcalina);

• Prata – Cádmio (alcalina);

• Níquel ou Prata – Hidrogênio (alcalina);

• Zinco – Óxido de Manganês (alcalina).

QUADRO 2 – ACUMULADORES REGULADOS À VÁLVULA

Grupo Definição Aplicação

Alta Integridade Acima de dez anos

Acumuladores que apresentam elevados índices de desempenho, segurança e integridade mecânica, tendo

uma expectativa de vida útil superior a dez anos.

Uso em instalações que requerem alto grau de

confiabilidade do sistema. Alto Desempenho

Dez anos Acumuladores que apresentam índices de

desempenho, segurança inferiores a do grupo. Alta integridade, tendo uma expectativa de vida útil de dez

anos.

Uso em instalações que requerem médio grau de

confiabilidade do sistema.

Uso Geral 5 a 8 anos

Acumuladores em que as exigências de durabilidade e segurança não são requisitos essenciais, tendo uma

expectativa de vida útil de 5 a 8 anos.

Uso em instalações que a confiabilidade do sistema não é

um requisito fundamental. Padrão Comercial

3 a 5 anos Acumuladores cujas exigências técnicas são as

mínimas necessárias para atender o uso em aplicações comerciais comuns, tendo uma expectativa de vida útil

de 3 a 5 anos.

Uso típico em equipamentos de emergência de pequena capacidade ou portáteis.

FONTE: NBR – 14204, Rio de Janeiro 1998.

16

2.3.5 Partes Constituintes de uma Bateria

As partes que compõem uma bateria podem ser verificadas na figura 2.04.

a) Grade

Nas baterias, as grades são feitas com uma liga dos elementos chumbo e

cálcio que caracteriza uma geração de baterias que realmente não necessitam de

nenhuma manutenção ou adição de água.

Além disso, pode-se listar as seguintes vantagens:

• melhor condutividade;

• menor taxa de auto-descarga;

• maior resistência à degradação térmica;

• maior resistência à corrosão.

FIGURA 2.04 – PARTES CONSTITUINTES DE UMA BATERIA.

FONTE: PAMPA.Disponível em http://www.bateriaspampa.com.br/_delphi2.htm Acesso em 02 de

Janeiro de 2004.

http://www.bateriaspampa.com.br/_delphi2.htm

17

b) Placa

Uma vez empastadas com o material ativo, as grades passam a ser

chamadas de placas.

São grades produzidas com uma liga de chumbo onde é aplicada uma

massa de óxido de chumbo adicionada de outras substâncias que responderão por

determinadas reações.

Estão diferenciadas em placas positivas e negativas e são responsáveis

pelo acúmulo e condução de corrente elétrica.

c) Separador

É utilizado para evitar que as placas se toquem e causem um curto-circuito.

O separador utilizado na maioria das baterias é microporoso e encapsula todas as

placas negativas, ou seja, as placas são envelopadas.

d) Conectores de Placas

Têm como função unir as placas de um mesmo tipo, formando grupos

positivos e negativos, e fazer a integração entre as células.

e) Elemento

É um grupo de placas positivas e negativas intercaladas. Cada elemento

gera 2 volts; portanto, são necessários 6 elementos para se conseguir uma bateria

de 12 volts.

f) Caixa / Tampa

As caixas e tampas são feitas com um material leve, o polipropileno de alta

impacto, excepcionalmente resistente e durável. As caixas resistem às vibrações

que ocorrem em serviço e em diversos tipos de terreno, e são divididas em 6 células

para abrigar cada elemento.

18

g) Solução

Composta por 35% de ácido sulfúrico e 65% de água destilada essa

solução é indispensável para as reações químicas que deverão ocorrer.

Quando o processo de carga e descarga ocorre há alteração da densidade

da solução pela diminuição de ácido (descarga) ou o inverso (carga). Por este

referencial pode-se medir naturalmente o estado de carga da bateria.

h) Capacidade de um Acumulador

Umas das características consideradas mais importantes para as baterias

é a sua capacidade, em outras palavras a quantidade de corrente elétrica que pode

ser obtida através das reações eletroquímicas que nela ocorrem.

A medição da capacidade de uma bateria é feita através da corrente de

descarga constante, como o produto desta corrente pelo tempo transcorrido desde o

início da descarga até que o potencial caia a um valor predeterminado.

2.4 SISTEMA DE CONTROLE

2.4.1 Microcontroladores

Com o avanço da tecnologia e a utilização da eletrônica digital por grande

parte das empresas, o emprego de microcontroladores vêm sendo muito requisitado

para um melhor desenvolvimento da produção, diminuindo os custos e trazendo

benefícios para as empresas que utilizam esse dispositivo (CASARE 2001).

É importante salientar que, considerando a relação custo / benefício, os

microcontroladores podem não só ser usados em empresas de médio / grande porte,

como podem também ser utilizado em vários projetos de eletrônica, na substituição

de vários componentes digitais, obtendo-se assim no final do projeto um melhor

acabamento – pois um microcontrolador ocupa um menor espaço físico e uma maior

eficiência e praticidade, uma vez que todos os comandos seriam executados via

software (CASARE 2001).

19

Antes de um aprofundamento no assunto microcontroladores, é importante

se conhecer um pouco da história desses componentes desde as suas origens. Na

década de 70 começaram a ser utilizados microprocessadores em computadores

para uma maior eficiência no processamento de dados (CASARE 2001).

O microprocessador Intel foi um dos precursores e, a partir daí, houve uma

preocupação em melhorar cada vez mais o sistema de processamento de dados

através desses componentes. Baseado na arquitetura de um microprocessador e

seus periféricos foi criado um componente que (fisicamente em uma unidade)

comportasse todo um sistema que equivalesse a um microprocessador e seus

periféricos, assim surgiu o microcontrolador.

Existem no mercado muitos tipos de microcontroladores, sendo o 8051 o

mais popular. O microcontrolador reúne num único componente vários elementos de

um sistema, antes baseado em um microprocessador e auxiliado por vários

componentes independentes tais como memória RAM, ROM, comunicação serial,

conversores A/D, etc. A memória de programa pode ser ROM, FLASH ou outro tipo.

A ATMEL possui uma enorme família de componentes com as mesmas

características do 8051, alguns até com as mesmas pinagens dos registradores;

outros com pinagens diferentes, mas com o mesmo conjunto de instruções, com

clock de 4 MHz até aproximadamente 10 MHz. A DALLAS Semicondutores tem um

microcontrolador de alta performance, de até 90MHz, compatível com 8051

(CASARE 2001).

O microcontrolador é um dispositivo programável que utiliza células

especiais, chamadas registradores, para processar informações. Os registradores

são grupos de 8 ou 16 flip-flops, dispositivos capazes de armazenar 2 níveis de

tensão. Um grupo de 16 bits é conhecido como palavra para processadores de 16

bits, que pode ser dividida em grupos de 8 bits chamados bytes, e grupos de 4 bits

chamados nibbles (CASARE 2001).

a) Programação

Para programação desses dispositivos pode-se utilizar linguagem de alto

ou baixo nível de acordo com as características do projeto, dado que programas em

alto nível otimizam o tempo de desenvolvimento, porém ocupam maior espaço na

20

memória do dispositivo e, conseqüentemente, levam mais tempo para serem

executados.

b) Sistemas Digitais e Analógicos

CASARE, Leandro. (2001) refere-se a sistemas analógicos e digitais

afirmando que:

Os termos tempo contínuo e analógico são equivalentes quando empregados para caracterizar sinais e sistemas. Sinais analógicos são funções de uma variável de tempo contínuo e sistemas analógicos são aqueles que manipulam sinais analógicos. De maneira análoga, os termos tempo discreto e digital são também equivalentes. Um sinal de tempo discreto existe apenas em instantes específicos de tempo. Sistemas de tempo discreto são aqueles que manipulam sinais digitais.

Microcomputadores e microprocessadores digitais são largamente utilizados na indústria atual, seja para controle dos processos. No entanto, um grande número de sistemas industriais é de natureza analógica. Sempre que um microcomputador faz parte de um sistema analógico a presença de conversores A/D (Analógico Digital) e D/A (Digital Analógico) se faz necessária. Cada sinal analógico que será processado por um computador digital deve primeiro ser convertido de analógico para digital por um conversor A/D.

Paralelamente, cada valor digital que irá influenciar o sistema analógico deverá primeiro ser convertido de digital para analógico por um conversor D/A. Como a saída do computador digital não muda até que os próximos cálculos e conversões D/A sejam completados, o sinal analógico gerado por alguns conversores D/A são mantidos constantes durante cada ciclo.

c) Diagrama de Blocos de um Microcontrolador

O microcontrolador possui 32 linhas de comunicação divididas em quatro

portas de oito bits como pode ser verificado na figura 2.05. Tais linhas podem ser

utilizadas como entrada ou saída em um mesmo programa, de acordo com os

valores carregados em registradores específicos de definições. Através destes

registradores é possível também definir o estado inicial da porta, nível alto ou nível

baixo, ou até mesmo definir linhas de entrada em tri-state. Através destas linhas

se executam todas as rotinas de controle do meio externo definidas pelo

programador. Os microcontroladores são amplamente utilizados em sistemas de

controle industrial (CASARE 2001).

21

FIGURA 2.05 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM MICROCONTROLADOR

FONTE: FACENS. Disponível em http://www.li.facens.br/~f98387/download/Microcontrolador_AT90S8515.pdf Acesso em 02 de Janeiro de 2004.

http://www.li.facens.br/~f98387/download/Microcontrolador_AT90S8515.pdf

22

d) RISC Versus CISC

A tecnologia RISC (Reduced Instruction Set Computing) foi desenvolvida

pela IBM nos anos 70 e o primeiro chip surgiu em 1980. Sua proposta baseou-se em

um conjunto reduzido de instruções, sendo definidas apenas as mais

freqüentemente utilizadas e se evitando o uso de microcódigos. As instruções

também seriam simplificadas, trabalhando com apenas um operando (SUELY 1996).

A maioria dos sistemas embutidos (e também dos microcontroladores) está

baseada no conceito CISC – Computador com Conjunto de Instruções Complexo (do

inglês Complex Instruction Set Computer).

Uma CPU CISC normalmente tem mais de 100 instruções e muitas delas

são poderosas e específicas para realização de algumas tarefas. O programador é

muito exigido, pois cada instrução se porta de uma maneira específica. Algumas

operam somente em certos espaços de endereços ou registradores e outras podem

somente reconhecer um certo tipo de modo de endereçamento. Este tipo de CPU

está restrita às CPU’s de baixo desempenho, pois uma grande quantidade da área

do CI é gasta para implementar a lógica de controle (ZELENOVSKY 2003).

O conceito RISC, que é o complementar de CISC, está se espalhando

pelos sistemas dedicados. O termo RISC significa Computador com Conjunto de

Instruções Reduzido (do inglês Reduced Instructions Set Computer). Essas

máquinas oferecem poucas instruções e, por isso, sua unidade de controle é mais

simples permitindo que se logre uma melhor otimização. Os benefícios do RISC,

além do melhor desempenho, são um menor CI, uma menor quantidade de pinos e

um menor consumo de energia (ZELENOVSKY 2003).

Com a evolução e desdobramento do mercado de microcontroladores e

sistemas embutidos, surge o conceito SISC – Computador com Conjunto de

Instruções Específico (do inglês Specific Instruction Set Computer). A idéia agora é

limitar ou especializar os recursos da CPU em benefício de outras tarefas como I/O,

interrupções e acesso à memória e, além disso, incluir instruções que facilitem a

manipulação de “bits”, de canais de I/O, de temporização, etc. Ou seja, a CPU é

enxuta e com várias instruções para facilitar as operações de controle

(ZELENOVSKY 2003).

23

2.4.2 Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Nas modulações do tipo PWM, enquanto a chave permanece operando o

tempo é um fator que vai variando, enquanto a freqüência é mantida constante.

O resultado da comparação entre o sinal de controle dito modulante com

uma onda do tipo periódica chamada também de portadora é o sinal de comando

(POMILIO, 2004).

Na figura 2.06 pode se ter uma exemplificação de uma forma de onda

deste tipo.

FIGURA 2.06 – MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO

FONTE: POMILIO, A.J. Fontes Chaveadas. Campinas: Unicamp, 2004.

Quando se deseja que a relação entre o sinal de controle e a tensão de

saída seja do tipo linear, é necessário que a freqüência da onda dita portadora seja

no mínimo de 10 vezes mais que a freqüência da onda modulante, visando desta

maneira facilitar a filtragem do valor médio do sinal modulado para que o sinal de

controle possa ser recuperado (POMILIO, 2004).

a) Espectro Harmônico de Sinal PWM

O resultado da modulação de um nível contínuo, produzido através de dois

níveis de tensão com a freqüência das ondas do tipo triangular pode ser

demonstrado com a figura 2.07. Já na figura 2.08 tem-se representado o espectro

desta mesma onda, onde é identificado que a reprodução do sinal modulante se dá

através de uma componente contínua (ROCHA, 2002).

24

FIGURA 2.07 – MODULAÇÃO PWM DE NÍVEL CONTÍNUO


FIGURA 2.08 – ESPECTRO DE SINAL PWM


b) Modulação PWM com Freqüência de Portadora Variável

Quando se tem um sinal com uma freqüência de chaveamento que não é

fixa, pode-se obter um espalhamento do espectro, desde que a freqüência varie

dentro de um limite aceitável e de uma forma aleatória fazendo assim com que as

componentes de alta freqüência do espectro não estejam concentradas, mas em

torno da freqüência de base. Isto pode ser verificado na figura 2.09 (ROCHA, 2002,

p. 23).

25

FIGURA 2.09 – ESPECTRO DE SINAL PWM COM PORTADORA DE FREQÜÊNCIA VARIÁVEL


c) Vantagem do Uso da Modulação PWM

A grande vantagem do uso circuitos PWM como controladores contra os

circuitos resistivos é quanto à eficiência. O PWM trabalha com eficiência quase 1

(menos de 1% de perda), para um circuito resistivo trabalhando a 50% da carga. Isto

é uma grande vantagem para fontes de energia renovável.

Uma outra grande vantagem é que, na modulação de largura de pulso, os

pulsos estão com o valor nominal de pico, gerando um maior torque nos motores.

Um controlador resistivo, já que deverá ter uma tensão reduzida, poderá

causar parada de um motor devido ao torque reduzido. Além disso, podem-se usar

potenciômetros menores para controlar uma variedade de cargas, ao contrário dos

resistivos que usam reostatos grandes e caros.

d) Desvantagem no uso da modulação PWM

Uma das desvantagens do PWM é a complexidade e a possibilidade de

gerar interferência de rádio freqüência (RFI). A RFI pode ser minimizada colocando

o controlador perto da carga e em alguns casos, usando filtros adicionais.

26

2.4.3 Semicondutores

Desde a invenção do primeiro tiristor de junção PNP, pelos laboratórios

Bell em 1957, houve um grande avanço nos dispositivos semicondutores de

potência (OTTO, 2000).

Para serem aplicados em sistemas de elevada potência e substituírem as

rudimentares válvulas ignitron, phanotron e thyratron, os dispositivos semicondutores

devem ser capazes de suportar grandes correntes e elevadas tensões reversas em

seu chaveamento. Além disso, em várias aplicações de eletrônica de potência, há

necessidade de uma operação em elevadas freqüências de chaveamento dos

dispositivos semicondutores, como, por exemplo, os inversores de tensão,

necessários para a construção de filtros ativos de potência. Dessa forma, os

dispositivos semicondutores devem possuir baixas perdas de potência durante o

chaveamento (OTTO, 2000).

Até 1970, os tiristores convencionais foram exclusivamente usados para o

controle de potência em aplicações industriais. Desde 1970, vários tipos de

dispositivos semicondutores de potência foram desenvolvidos e se tornaram

disponíveis comercialmente. Estes dispositivos podem ser amplamente divididos em

cinco tipos: os diodos de potência, os tiristores, os transistores bipolares de junção

de potência, os MOSFET’s de potência, os SIT’s (Static Induction Transistor) e os

IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor) (OTTO, 2000).

a) Transistor Bipolar de Potência

Um transistor bipolar (ou de junção) é, basicamente, um dispositivo que

permite controlar a corrente que entra num dos terminais, através da corrente

injetada em outro terminal. A construção de um transistor bipolar é semelhante à de

um diodo, mas com duas junções muito próximas. Pode apresentar-se em duas

versões, conforme a seqüência de tipos de semicondutores: PNP ou NPN como

demonstrado nas figuras 2.10 e 2.11 (OTTO, 2000).

27

FIGURA 2.10 – SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR PNP

FONTE: UALG. Disponível em http://w3.ualg.pt/~jmariano/introele Acesso em 24 de Janeiro de 2004

FIGURA 2.11 – SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN


Tomando como base o caso de um transistor NPN. As considerações são

válidas, com as devidas alterações, para um transistor PNP (essas alterações são,

basicamente, a inversão dos sentidos das correntes e da polaridade das fontes de

tensão) (OTTO, 2000).

Para o transistor funcionar em regime linear, é necessário que uma das

junções esteja polarizada diretamente (base-emissor), e a outra (base-coletor)

polarizada inversamente. Nestas condições, considerando as correntes e tensões

indicadas na figura 2.12.

FIGURA 2.12 – FUNCIONAMENTO DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN


http://w3.ualg.pt/~jmariano/introele



28

Estas quantidades relacionam-se entre si: um modelo pormenorizado do

transistor estabelece uma relação entre estas seis variáveis (das quais apenas

quatro são independentes). No entanto, para uma grande parte das situações

práticas, pode-se utilizar um modelo simplificado (OTTO, 2000).

Em um modelo do tipo simplificado pode-se considerar que o seu

funcionamento linear se baseia nas seguintes condições:

• A corrente de coletor é proporcional à corrente de base quando o

transistor se encontra afastado das zonas de corte (IC = 0) e de saturação (IC apenas

limitada pelos elementos externos).

• A tensão entre a base e o emissor (VBE) é constante quando em

condução. Esta junção comporta-se como um diodo que, nesta aproximação,

corresponde a um diodo ideal.

b) MOSFET

Os MOSFET`s são dispositivos de três terminais, acionados por tensão, ao

contrário do transistor bipolar e do tiristor que são acionados por corrente e possuem

uma habilidade de operar em altas freqüências, por terem tempos de comutação

muito curtos (BARBI 2001).

Uma seção transversal de um MOSFET é mostrada na figura 2.13. Para

uma tensão positiva entre o gatilho (G) e a source (S), haverá uma indução de

cargas negativas (n) no canal que permitirá condução de corrente entre o dreno (D)

e a fonte (S), para uma tensão positiva VDS (BARBI 2001). FIGURA 2.13 – SEÇÃO TRASVERSAL DE UM MOSFET TIPO N

FONTE: UFC. Disponível em http: //www.dee.ufc.br/~fantunes/Elet_Potencia/cap01.pdf Acesso em 29 de Janeiro de 2004.

29

O MOSFET, quando em condução, é essencialmente um dispositivo

resistivo. Por apresentar uma resistência de condução relativamente alta é

usualmente utilizado como um dispositivo de chaveamento (BARBI 2001).

A exemplificação do modelo de um MOSFET tipo n pode ser verificada

através da figura 2.14.

O MOSFET apresenta uma certa capacitância parasita, e sua característica

de chaveamento dependerá das constantes de tempo relativas a estes elementos

capacitivos. A figura 2.15 mostra as capacitâncias parasitas do dispositivo já a figura

2.16 mostra o circuito empregado para analisar a característica de chaveamento. Na

figura 2.17 são mostradas as formas de onda durante a condução e na 2.18 as

formas de onda durante o bloqueio (BARBI 2001).

FIGURA 2.14 – SIMBOLOGIA DE UM MOSFET TIPO N


FIGURA 2.15 – CAPACITÂNCIAS PARASITAS DE UM MOSFET


30

FIGURA 2.16 – MODELO PARA ANÁLISE DE CHAVEAMENTO


FIGURA 2.17 – FORMAS DE ONDA DURANTE A ENTRADA EM CONDUÇÃO


31

FIGURA 2.18 – FORMAS DE ONDA DURANTE O BLOQUEIO

FONTE: UFC. Disponível em http: //www.dee.ufc.br/~fantunes/Elet_Potencia/cap01.pdf Acesso em 02 de Fevereiro de 2004.

Os dispositivos semicondutores estão mudando de estrutura bipolar para

dispositivos com gatilhamento a óxido de metal (MOS). Projeta-se uma redução de

peso e tamanho nos dispositivos semicondutores, bem como um aumento na

eficiência dos sistemas à base de eletrônica de potência. Os transistores bipolares,

embora extremamente populares nos anos 50, foram substituídos pelos MOSFET de

potência e IGBT. Futuramente, espera-se que as chaves a base de silício sejam

substituídas por equivalentes à base de carboneto de silício.

Na figura 2.19 é ilustrada uma evolução dos semicondutores de potência. FIGURA 2.19 – EVOLUÇÃO DOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA

FONTE: UFC. Disponível em http: //www.dee.ufc.br/~fantunes/Elet_Potencia/cap01.pdf Acesso em 09 de Fevereiro de 2004.

32

c) IGBT

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada

impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP

(Transistores Bipolares de Potência). Sua velocidade de chaveamento é

determinada, “em princípio”, pelas características mais lentas – as quais são devidas

às características do TBP. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos TBP;

no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua

operação em freqüências de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na

faixa de dezenas e até centenas de Ampères (OTTO 2000).

Juntando o que há de bom nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um

componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de carga de

alta corrente em regime de alta velocidade.

A figura 2.20 contém uma comparação entre os principais dispositivos

semicondutores de potência quanto às suas características de tensão, corrente e

freqüência de operação. Pode ser visto que os tiristores são os dispositivos que

conseguem suportar os maiores valores de corrente e tensão, mas não podem

operar em freqüências de chaveamento elevadas.

FIGURA 2.20 – LIMITES DE OPERAÇÃO DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA

FONTE: UFRJ. Disponível em http: //www.gta.ufrj.br/grad/01_1/igtb Acesso em 10 de Janeiro de

2004

33

Os IGBT’s possuem uma capacidade de suportar maiores tensões e

podem operar em mais altas freqüências que os transistores bipolares de potência e

podem suportar maiores tensões e correntes que os MOSFET’s de potência. A

região de operação segura do IGBT é maior que as regiões reservadas ao MOSFET

e ao transistor TBP, o que era desejado (OTTO 2000).

Na estrutura do IGBT, é importante notar que o terminal de porta está

conectado a duas regiões – isoladas do material semicondutor através de uma

camada isolante de óxido de silício (SiO2) – ao invés de ser apenas uma região

como se costuma ver em MOSFET’s. O IGBT apresenta formação de dois canais ao

invés de apenas um (OTTO 2000).

O IGBT é freqüentemente utilizado como uma chave, alternando os

estados de condução e corte os quais são controlados pela tensão de porta (OTTO

2000).

2.4.4 Conversores

A grande maioria dos acionamentos das máquinas de corrente contínua é

feita utilizando-se conversores do tipo abaixadores de tensão, ou seja, aqueles nos

quais a tensão média aplicada à carga é menor do que a tensão de alimentação do

conversor (POMILIO 2001).

Já os conversores do tipo elevadores de tensão são usados quando se

deseja frenar a máquina, com envio de energia para a fonte (frenagem

regenerativa). Este tipo de conversores são denominados de recortadores,

pulsadores, chaveadores (POMILIO 2001).

São exemplos de conversores CC-CC aplicáveis aos motores de corrente

contínua os conversores tipo Push-Pull, Full-Bridge (ponte completa), e Half-Bridge

(meia-ponte) (POMILIO 2001).

a) Push-Pull

Os conversores do tipo Push-Pull são utilizados em aplicações em que se

têm pequenas potências, devido ao fato de ele provocar um mau aproveitamento do

transformador, dificultando a prevenção e até mesmo a eliminação da saturação do

núcleo, e isto se deve à desigualdade entre os tempos de comutação dos

34

interruptores (BARBI 2001).

Sua utilização é recomendada para aplicação em baixas tensões pois o

mesmo submete os interruptores a tensões elevadas (BARBI, 2001).

Sua configuração é demonstrada através da figura 2.21, e o seu princípio

de funcionamento é o seguinte (RASHID, 1999):

Quando o transistor Q1 passa a conduzir, uma tensão denominada Vs

surge na metade do enrolamento primário, já quando Q2 passa a conduzir, a tensão

denominada Vs é aplicada sobre a outra parte do enrolamento primário do

transformador (RASHID, 1999).

A tensão que surge no enrolamento primário pode variar de –Vs a Vs, logo

em termos ideais a corrente média através do transformador deve ser zero.

Os transistores Q1 e Q2 operam em um ciclo de trabalho na faixa de 50%.

A tensão de circuito aberto é considerada duas vezes maior que a tensão da fonte, e

a corrente média de um dos transistores é a metade da corrente que circula pela

fonte. Como a tensão do circuito aberto do transistor é, como já citado

anteriormente, o dobro da tensão da fonte, pode-se afirmar que esse tipo de

configuração é ideal para aplicações de baixa tensão. FIGURA 2.21 – CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO PUSH-PULL

FONTE: HASHID, H.M. Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo, 1999.

b) Full-Bridge

Este tipo de conversor é utilizado para aplicações onde se tem potências

maiores que 750W (POMILIO, 2001)

Sua configuração é ilustrada na figura 2.22, e seu funcionamento se dá da

35

seguinte maneira (RASHID, 1999):

Quando o transistor Q1 e Q2 passam a conduzir, uma tensão denominada

tensão da fonte (Vs) surge no primário do transformador, já quando Q3 e Q4 passam

a conduzir, a tensão no primário Vs é invertida para -Vs (RASHID 1999).

Já neste caso, diferente ao que ocorre com os conversores tipo Push-Pull,

a tensão de circuito aberto do transistor é considerada igual a tensão da fonte, e a

corrente média de um dos transistores é a metade da corrente que circula pela fonte

(RASHID 1999).

Neste tipo de configuração o circuito opera em um limite mínimo de tensão

e corrente dos transistores.

FIGURA 2.22 – CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO FULL-BRIDGE

FONTE: HASHID, H.M. Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo, 1999.

c) Half-Bridge

Estes tipos de conversores são indicados pra aplicações onde se tenham

potências inferiores a 500W.

Sua configuração é demonstrada através da figura 2.23, e seu

funcionamento se dá da seguinte maneira (RASHID 1999):

Quando o transistor Q1 passa a conduzir, uma tensão surge sobre o

enrolamento primário do transformador e esta tensão é a metade da tensão Vs, isto é

2sV já quando Q2 passa a conduzir, uma tensão inversa a

2sV surge no primário do

transformador (RASHID 1999).

A tensão que surge no enrolamento primário pode variar de –2

sV a 2

sV .

Q3

36

A tensão de circuito aberto é considerada igual à tensão da fonte, e a

corrente máxima do transistor é igual a duas vezes a corrente que circula pela fonte

(RASHID 1999). FIGURA 2.23 – CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO HALF-BRIDGE

FONTE: RASHID, H.M. PROJETOS DE FONTES CHAVEADAS. SÃO PAULO, 1999.

2.5 ADAPTAÇÃO MECÂNICA

2.5.1 Máquinas Simples

A palavra máquina desperta a imediata lembrança de um mecanismo

complicado pois se leva a pensar em algo como: a locomotiva de uma estrada de

ferro, um motor de automóvel, a máquina de costura, de escrever, de lavar roupa

etc. Toda máquina, porém, por mais complexa que pareça, não passa de

combinações inteligentes de algumas peças isoladas, as quais são denominadas por

máquinas simples. Fisicamente, não passam de duas, a alavanca e o plano

inclinado. Porém, historicamente, se poderia citar a existência de quatro: alavanca,

polia, plano inclinado e roda/eixo. Sob o ponto de vista do equacionamento, as

polias e as rodas acopladas em seus eixos, podem ser estudadas como

convenientes associações de alavancas (NETTO 2004).

Toda máquina simples é um dispositivo, tecnicamente, uma única peça,

capaz de alterar uma força que pode ser em intensidade, direção ou sentido, com o

intuito de ajudar o homem a cumprir uma determinada tarefa com um mínimo de

esforço muscular. De modo geral, o objetivo da máquina é multiplicar a intensidade

de uma força (NETTO 2004).

37

Na figura 2.24 é demonstrada um exemplo de máquina simples.

FIGURA 2.24 – CONFIGURAÇÃO DE UMA MÁQUINA SIMPLES

FONTE:FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp

Acesso em 14 de Fevereiro de 2004

2.5.2 Rodas e Eixos

A associação de rodas e eixos constitui uma máquina simples, com a

finalidade de multiplicar forças. Duas rodas acopladas a um mesmo eixo ou duas

rodas acopladas por correia são exemplos de dispositivos simples capazes de

multiplicar forças (NETTO, 2004).

Em uma das rodas que pode ser denominada de roda motriz, o operador

aplica sua força, em geral empunhando uma manopla (punho) e a outra roda que

por sua vez é denominada roda de carga, transmite a força multiplicada pela

máquina (NETTO, 2004).

Como nas demais máquinas, esses acoplamentos entre rodas e eixos

obedecem ao princípio da conservação do trabalho, de modo que, se os raios das

rodas são diferentes, pode-se ganhar em força (força transmitida maior que a força

aplicada) mas também, perder em distância (o deslocamento tangencial da força

aplicada é maior que o deslocamento tangencial da força transmitida) (NETTO,

2004).

Na figura 2.25 é demonstrado um exemplo de uma associação entre rodas

e eixos.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp

38

FIGURA 2.25 – CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE RODAS E EIXOS

FONTE: FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp Acesso em 21 de Fevereiro de 2004.

2.5.3 Engrenagens

Quando se acoplam rodas através de uma correia, os esforços que se

opõem à força transmitida podem ser tais que fazem a correia deslizar. Nessas

situações é conveniente dentear os bordos das rodas e substituir a correia por uma

corrente que engata perfeitamente nos dentes da engrenagem (NETTO 2004).

A figura 2.26 demonstra uma configuração de engrenagens. FIGURA 2.26 – CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE ENGRENAGENS

FONTE: FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp Acesso em 21 de Fevereiro de 2004



39

A bicicleta, pelo seu sistema de transmissão mediante rodas dentadas e

corrente, é exemplo real e pode ser observada através da figura 2.27. FIGURA 2.27 – CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ENGRENAGENS DE UMA BICICLETA

FONTE: FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp Acesso em 21 de Fevereiro de 2004

2.6 CONCLUSÃO

Os conceitos apresentados neste capítulo são considerados como base

para o desenvolvimento do projeto proposto. Nele foram descritos algumas

topologias e funcionalidades sobre: motores elétricos, baterias, microcontroladores,

conversores, semicondutores de potência , rodas, eixos e engrenagens.

No capítulo que se segue será relatada a metodologia utilizada para o

desenvolvimento do projeto e a construção do protótipo, utilizando na prática os

conceitos abordados neste capítulo.


40

3 METODOLOGIA E RESULTADOS EXPERIMENTAIS

3.1 INTRODUÇÃO

Neste capítulo são apresentadas as partes que envolvem a construção

deste kit para motorização de uma cadeira de rodas, tais como os circuitos

eletrônicos e a adaptação mecânica. Também será apresentado um estudo

econômico preliminar do protótipo.

3.2 VISÃO GERAL DO FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO DE CONTROLE

Os motores são acionados e controlados pelo circuito de controle, através

do microcontrolador AT90S8515 da marca ATMEL, programado na linguagem

ASSEMBLY (extensão asm). Dentre as principais programações estão as saídas

PWM do controlador, utilizadas para controlar os drivers que por sua vez irão acionar

os motores CC adaptados às rodas da cadeira. O princípio básico da programação

do microcontrolador, é controlar a largura de pulso do PWM, variando assim a

tensão média aplicada nos motores CC, conseqüentemente, variando as suas

velocidades. O controle da direção da cadeira é realizado através de um joystick.

3.3 ESCOLHA DO MICROCONTROLADOR

Inicialmente, optou-se pelo microcontrolador 8051 da INTEL pelos

seguintes motivos:

• Tecnologia bastante utilizada;

• Disponibilidade no mercado;

• Custo relativamente baixo comparando-se com outros controladores;

• Programação bastante conhecida;

• As ferramentas para programação estavam disponíveis nos laboratórios do

CEFET.

Também foram realizados estudos com outras marcas de

microcontroladores e suas respectivas vantagens e desvantagens. As marcas

estudadas foram: PIC, ATMEL, INTEL e MOTOROLA.

41

Em pesquisas baseadas nos datasheets, páginas na Internet, conversas

com engenheiros e técnicos que utilizam os diferentes fabricantes, optou-se pela

marca ATMEL, pelos seguintes motivos:

• Ferramentas para programação e gravação do microcontrolador disponíveis

no laboratório de Engenharia de Desenvolvimento da empresa ADEMCO

SIPROEL S.A., facilitando o acesso às ferramentas e ao estudo sobre o

microcontrolador;

• Apesar da forma de programação do microcontrolador ATMEL não ser muito

conhecida, o mesmo trabalha com 8 bits, baseados na arquitetura RISC,

facilitando a programação;

• Possui 512 Bytes de memória SRAM interna;

• Possui 512 Bytes de EEPROM (memória de dados) que pode ser programada

no próprio circuito. Possui vida útil de 100000 ciclos de escrita/apagamento;

• 32 entradas/ saídas (I/O) programáveis;

• Possui 02 saídas PWM, facilitando bastante o objetivo principal deste projeto,

o controle de dois motores CC por PWM;

• Possui 4K words de memória flash para programa;

• A programação pode ser feita com o microcontrolador conectado à placa (on

board);

• Possui 118 instruções sendo que a maioria é executada em um ciclo de clock;

• Consumo a 3 V, 25 ºC:

o Ativo: 3 mA;

o Modo Idle: 1.0 mA;

o Modo power down: < 1 µA.

• Tensões de operação de 2,7 a 6,0 V;

• A marca ATMEL está em ascensão no mercado.

42

3.3.1 Pinagem e descrição funcional do microcontrolador ATMEL AT90S8515

FIGURA 3.01 – PINAGEM DO MICROCONTROLADOR AT90S8515

FONTE: Iguana Labs. Disponível em: http://www.iguanalabs.com/avr8515.htm.

Acesso em: 21 de Fevereiro de 2004.

A seguir, são descritas as funções dos pinos do microcontrolador AT90S8515,

ilustrado na figura 3.01:

• VCC - Alimentação;

• GND - Terra;

• Port A (PA7..PA0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui

resistores de pull-up internos (programável para cada bit). Podem fornecer até

20mA de corrente. Na condição de reset, o Port A ficará em tri-state (alta

impedância). Uma segunda função do Port A é como entrada/saída do

barramento multiplexado de endereços/dados usado no acesso à SRAM

externa;

• Port B (PB7..PB0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui


20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port B ficará em tri-state (alta

impedância). Essa porta possui várias funções especiais;

http://www.iguanalabs.com/avr8515.htm

43

• Port C (PC7..PC0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui


20mA de corrente. Na condição de reset, o Port C ficará em tri-state (alta

impedância). Uma segunda função do Port C é como saída do barramento de

endereços usado no acesso à SRAM externa;

• Port D (PD7..PD0) - Porta de entrada / saída (bidirecional) de 8 bits. Possui


20mA de corrente. Na condição de reset, o Port D ficará em tri-state (alta

impedância). Esse port possui várias funções especiais;

• RESET - Entrada de reset. Um nível baixo nesse pino reiniciará o

microcontrolador;

• XTAL1 - Entrada para o amplificador inversor do oscilador e entrada de clock

para o circuito;

• XTAL2 - Saída do amplificador inversor do oscilador;

• ICP - Entrada para a função Timer/Counter1 Input Capture;

• OC1B - Saída para a função de Timer/Counter1 Output Compare B;

• ALE - Adress Latch Enable - Saída usada quando uma memória externa está

conectada. Ao acessar externamente a memória, se ALE for alto, no

barramento AD0-7 teremos a parte baixa do endereço e isso habilita o latch

para o barramento de endereços. Quando ALE for baixo isso desabilitará o

latch e o barramento AD0-7 será usado como barramento de dados.

3.4 ESCOLHA DA FERRAMENTA DE PROGRAMAÇÃO

Ao pesquisar os tipos de ferramentas de programação mais comuns,

optou-se pelo programa FAST AVR®, principalmente pelo fato que este programa foi

desenvolvido especialmente para o microcontrolador da ATMEL, onde otimiza ao

máximo o tamanho do arquivo compilado no formato ASSEMBLY, apresentando

como resultado final uma melhor utilização do espaço do microcontrolador. Outro

fator importante que levou a escolha deste programa, é o fato de ser uma ferramenta

de alto nível mais amigável, ou seja, mais fácil de se compreender, e principalmente

por atender as expectativas do projeto.

44

3.5 ESTUDO DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS UTILIZADOS NO PROJETO

Dois circuitos importantes, definidos em reuniões durante a execução do

projeto, são: circuitos de proteção contra surto de corrente e circuito de indicação de

bateria baixa. Estas são proteções básicas para proporcionar segurança ao usuário.

Sabe-se que as proteções referentes à segurança de um usuário de cadeira de

rodas devem ser prioridades, e que necessitam de um estudo detalhado, pois se

trata de um assunto bastante delicado, no entanto, vale salientar que para este

estudo inicial (protótipo), algumas proteções não foram levadas em consideração.

Estes e os demais circuitos, serão abordados com detalhes no decorrer deste

capítulo.

3.5.1 Circuito de proteção contra surto de corrente

Este circuito é baseado no princípio da impedância shunt, em que se

coloca uma resistência de valor muito baixo em série com o circuito de ponte

completa, onde irá circular a corrente do motor, conforme ilustrado na figura 3.02. O

princípio de funcionamento consiste em medir a diferença de tensão entre os pontos

A e B indicados na figura 3.02, onde esta d.d.p. é enviada a um circuito comparador

ilustrado na figura 3.04, previamente ajustado, que trata os dados da seguinte

maneira: se a tensão medida for maior que o valor preestabelecido como referência

pelo comparador, o microcontrolador recebe um sinal do circuito comparador,

efetuando o desligamento dos drivers, inibindo assim, qualquer sinal na saída do

driver, independentemente, dos sinais na entrada do driver.

A impedância shunt é composta por um fio resistivo de níquel-cromo, cujo

valor da resistência varia com o comprimento. Na tabela 1 estão os valores das

potências dissipadas em função do valor da resistência Rshunt e da corrente que

circula no motor. Considera-se nos cálculos uma corrente de 7,5 A, que é a corrente

nominal do motor, especificada no manual da BOSCH (BOSCH, 2002).

45

TABELA 1 – POTÊNCIAS DISSIPADAS NA IMPEDÂNCIA SHUNT 2EM FUNÇÃO DA RESISTÊNCIA

RESISTÊNCIA SHUNT -

POTÊNCIA DISSIPADA (W)

0,01

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

FIGURA 3.02 – ESQUEMA DO CIRCUITO D

FONTE: Adaptado do esquema elétrico do pr

2 Para este circuito utilizou-se com

desprezível.

0,5625

5,625

11,25

16,875

22,5

28,125

33,75

39,375

45

50,625

56,25

E PONTE COMPLETA COM A IMPEDÂNCIA SHUNT

ojeto.

o IMPEDÂNCiA SHUNT um fio com resistência

46

Pode-se verificar na figura 3.02 que a corrente que circula pelo motor passa

pela impedância Rshunt portanto, esta corrente é medida indiretamente pela d.d.p

gerada entre os pontos A e B.

Como na partida do motor ocorre uma elevação instantânea na corrente, fez-

se necessário um tratamento via software, que desconsidera este pico de corrente

momentâneo, conforme ilustrado na figura 3.03a. Pode-se verificar na figura 3.03b

que a elevação momentânea, dura um período de aproximadamente 300 ms. Para

que a proteção contra surto de corrente não atue desnecessariamente, devido à

partida do motor, na programação, está previsto um tempo de espera de 500 ms,

antes de efetuar a atuação da proteção, caso a tensão medida no Rshunt for

superior à tensão ajustada para a atuação da proteção contra surto de corrente.

FIGURA 3.03 – (A) E (B): PICO DE CORRENTE NA PARTIDA DO MOTOR

FONTE: Aquisição da tela do osciloscópio após medição realizada no circuito

(A)

(B)

47

As medições adquiridas pelo osciloscópio, ilustradas nas figuras 3.03a e

3.03b, foram realizadas entre os pontos A e B da figura 3.02. A medição da corrente

de partida do motor, foi adquirida de forma indireta, medindo-se a variação da

tensão sobre a resistência shunt, obtendo assim a variação da corrente que circula

na partida do motor. Com este valor medido, pode-se ajustar o circuito de proteção

de sobre corrente para não atuar na partida do motor.

FIGURA 3.04 - ESQUEMA ELETRICO DO COMPARADOR PARA SURTO DE

CORRENTE.

FONTE: Adaptado do esquema elétrico do projeto

3.5.2 Circuito de Indicação de Bateria Baixa

Foram preestabelecidos dois níveis para bateria baixa. O primeiro nível,

chamado de nível indicador, somente irá indicar para o usuário através do mostrador

LCD localizado no joystick que a bateria está baixa, e que deve ser recarregada em

breve, mas o equipamento continua funcionando normalmente. A figura 3.05 ilustra

o circuito comparador que envia um sinal para o microcontrolador, que por sua vez

trata os dados e indica no mostrador LCD quando a carga está baixa. A tensão

estimada para bateria baixa é regulada através do trimpot TP, ilustrado na figura

3.05.

48

FIGURA 3.05 – ESQUEMA CIRCUITO COMPARADOR PARA INDICAÇÃO DE BATERIA BAIXA


Para o caso da cadeira de rodas, foi definido como bateria baixa, quando a

tensão das baterias estiver no valor de 21 V. O segundo nível, chama-se nível

bloqueador. Isto significa que se a bateria chegar a níveis de tensão muito baixos

que podem não ser recomendados pelo fabricante, o microcontrolador irá bloquear o

acionamento dos motores desligando a cadeira de rodas. O usuário somente poderá

retornar a utilizar a cadeira de rodas se recarregar as baterias a níveis aceitáveis

para funcionamento. A figura 3.06 ilustra o circuito comparador que envia um sinal

para o microcontrolador, que por sua vez trata os dados e imediatamente bloqueia o

sistema, indicando no mostrador LCD que a bateria está baixa e o sistema está

bloqueado. Nesta situação o usuário não poderá acionar o motor pelo joystick. A

tensão estimada para o bloqueio do sistema é regulada através do trimpot TP,

ilustrado na figura 3.06. Para o caso do projeto, o sistema é ajustado para ser

bloqueado quando a tensão do banco de baterias chegar a 19 V.

O bloqueio do sistema consiste em desativar o PWM enviado pelo

microcontrolador e enviar um sinal para o circuito de driver, desabilitando o circuito

que envia o sinal para os gatilhos dos MOSFET’s.

49

FIGURA 3.06- ESQUEMA CIRCUITO COMPARADOR BATERIA BAIXA E BLOQUEADOR


3.5.3 Circuito Inversor

Para que seja possível fazer um procedimento de frenagem nos motores3 da

cadeira de rodas, os MOSFET’s de potência que formam a ponte completa, devem

ser acionados de forma alternada, fazendo com que a corrente de armadura circule

nos dois sentidos, alternadamente, até a frenagem total do motor. Isto é necessário

devido ao problema dos MOSFET’s não poderem ser acionados ao mesmo tempo,

pois isso pode ocasionar a queima dos mesmos. Para evitar que essa situação

ocorra, foi elaborado um circuito com portas lógicas inversoras, com histerese que

tem como função inverter o sinal de PWM que será aplicado no sentido oposto. Este

circuito, além de inverter o sinal do PWM, proporciona um defasamento de tempo no

trem de pulsos do PWM. Este defasamento deve ser previsto, pois os MOSFET’s

possuem um tempo de chaveamento que deve ser respeitado, conhecido como

tempo morto. A figura 3.07 ilustra o circuito inversor.

3 Circuito válido para motores onde o eixo está mecanicamente livre, quando não está sendo

alimentado.

50

FIGURA 3.07 – ESQUEMA CIRCUITO INVERSOR

FONTE: Adaptado do esquema elétrico do projeto À figura 3.08 ilustra as formas de ondas medidas no osciloscópio

referentes às saídas do circuito inversor, onde o canal 1 foi conectado no ponto

sinal_1 e o canal 2 foi conectado no ponto sinal_2, referenciados na figura 3.07.

Pode-se comprovar com a medição obtida no osciloscópio ilustrada na

figura 3.08, que além de inverter o sinal PWM, existe uma defasagem de 800 ns

entre os dois sinais, valor este maior que o tempo de chaveamento dos MOSFET’s,

que está em torno de 56 ns, conforme especificado no datasheet do componente. FIGURA 3.08 –SINAL PWM E SINAL PWM INVERTIDO

FONTE: Aquisição da tela do osciloscópio após medição realizada no circuito.

51

3.5.4 Circuito com portas lógicas que habilita/desabilita os sinais de PWM

Ligado às saídas do circuito inversor, foi implementado um circuito com

portas lógicas E, para que o sinal de PWM, seja liberado/bloqueado conforme o

acionamento realizado pelo joystick e a lógica programada no microcontrolador.

Este circuito define qual motor será acionado ou não, e no caso de ser acionado,

define qual o sentido irá girar. O circuito com as portas lógicas está representado na

figura 3.09.

FIGURA 3.09 – ESQUEMA CIRCUITO PORTAS E: HABILITA PWM


3.5.5 Circuito de acionamento para motor CC

Este circuito está localizado entre a saída do circuito de portas lógicas E,

que habilita/desabilita o sinal PWM e os gatilhos dos MOSFET’s. Tem como função

obter um ganho de sinal que sai do microcontrolador, para o acionamento dos

MOSFET’s. Além disso, tem a função de servir como interface entre o circuito de

controle do circuito de potência, minimizando as interferências que podem danificar

e/ou modificar as características dos circuitos. O circuito integrado utilizado é o

modelo IR2112 onde possui uma porta (SD) que, ao ser acionada, desabilita a saída

do sinal de PWM enviado para os gatilhos dos MOSFET’s. A tensão de alimentação

dos drivers (VEE) é de 12V. A figura 3.10 ilustra o circuito de driver para motor CC.

52

FIGURA 3.10 – ESQUEMA CIRCUITO DRIVER PARA PONTE COMPLETA


Os sinais das entradas do circuito driver (HIN e LIN) são amplificados e

enviados para as saídas HO e LO do circuito integrado, obtendo assim, tensão e

corrente suficientes para acionar os gatilhos dos MOSFET’s conforme a

necessidade.

3.5.6 Circuito Ponte Completa

Optou-se pelo circuito de ponte completa para os circuitos de potência da

cadeira de rodas. Este circuito também é conhecido como ponte H devido ao seu

formato. Na construção da ponte H para controle de motores CC, utilizaram-se

MOSFET’s tipo N, acionados por tensão. Os MOSFET’s foram dimensionados com

base na máxima corrente do motor (corrente de partida), em torno de 10 A. A

escolha da ponte H deve-se pelos seguintes motivos: não há necessidade de isolar

o circuito, não existe fonte simétrica de 24 + 24V disponível, baixa tensão reversa

nas chaves, confiabilidade do circuito e principalmente a relação custo/benefício do

circuito.

53

As principais vantagens que levaram a utilizar os MOSFET’s para a ponte

completa são:

• Acionamento em tensão do sinal de gatilho;

• Baixa resistência Dreno-Fonte (Rds), proporcionando menos perdas por

condução e, conseqüentemente; um menor aquecimento no chaveamento;

• Opera com alta velocidade de chaveamento: aproximadamente 56 ns;

• Menor perda ocasionada pelo acionamento;

• Opera para os valores de tensão e corrente menores, comparando-se com os

IGBT’s cuja a menor tensão é de 600V.

• A tensão de operação necessária para o projeto é de 24V.

Este circuito tem como função controlar a alimentação do motor, conforme

a necessidade do sentido de rotação do mesmo. Por exemplo, se os MOSFET’s Q1

e Q4 forem acionados, a corrente de armadura circula em um sentido, e

conseqüentemente o motor gira em uma direção, conforme é mostrado na figura

3.11a e no caso dos MOSFET’s Q2 e Q3 forem acionados, a corrente de armadura

circula no outro sentido, portanto o motor gira na direção oposta, conforme ilustração

da figura 3.11b. A tensão aplicada a este circuito é de 24 Volts 4. FIGURA 3.11 – CIRCUITO PONTE COMPLETA: (A) MOSFET’S Q1 E Q4 ACIONADOS

(B) MOSFET’S Q2 E Q3 ACIONADOS


4 Os motores utilizados no projeto são alimentados com 24V.

(A) (B)

54

3.6 DESENVOLVIMENTO DO JOYSTICK

Para efetuar os testes de bancada nos circuitos de controle foi necessário

realizar uma pesquisa dos joysticks disponíveis no mercado, com isso foram obtidas

algumas informações importantes:

• Os joysticks que são facilmente encontrados no mercado são os modelos

utilizados em jogos de computador. Estes podem ser adaptados no circuito de

controle da cadeira de rodas, mas não permitem ao usuário uma interface

com a máquina, como por exemplo, saber se a bateria está baixa, e em qual

momento deve ser recarregada;

• Os joysticks que são utilizados em cadeiras de rodas motorizadas não são

vendidos separadamente, o que impossibilita a utilização deste no projeto.

Estes joysticks possuem uma série de acessórios que possibilitam uma

interface com o usuário, tais como: LED’s, que indicam se o circuito está

alimentado, se a bateria está carregada, entre outros.

Com base nas informações mencionadas anteriormente, optou-se pelo

desenvolvimento de uma placa de joystick exclusivo para a utilização no kit de

motorização. Este joystick envia, através de um circuito microcontrolado, dados por

comunicação serial para o circuito de controle e envia os dados locais para o

mostrador LCD localizado no mesmo módulo do joystick, que trabalha em conjunto

com o microcontrolador principal (placa de controle – CPU). Além disso, não foi

descartada a possibilidade de se utilizar os modelos de joystick utilizados em

computador, caso não se queira utilizar o joystick microcontrolado. Para isto, foi

previsto no hardware (placa de controle – CPU), no momento do projeto, esta

possibilidade. Um fator decisivo, que levou a se projetar o mostrador LCD na placa

de joystick e devido a isto fazer um módulo microcontrolado para tal função, foi a

distância que o cabo do mostrador LCD iria percorrer caso este fosse projetado na

placa de controle – CPU, lembrando que a placa de controle – CPU está localizada

embaixo do assento da cadeira de rodas e o mostrador LCD deve estar localizado

em um dos braços da cadeira. Os mostradores LCD não podem ser ligados com

cabos muito longos, pois ficam mais suscetíveis às interferências. Na prática, estas

55

interferências causam ruídos aos dados que estão sendo enviados para o mostrador

e, conseqüentemente, “embaralham” as informações que estão sendo mostradas

para o usuário.

Outro fator decisivo foi a preocupação em fazer com que a interface

homem-máquina fosse a mais simplificada, não causando dúvidas ao usuário sobre

o status da cadeira de rodas.

3.6.1 Características principais do joystick

As principais características do joystick microprocessado são:

• Possui mostrador LCD 2 linhas X 16 colunas, padrão HITACHI paralelo;

• Indica o status do sistema ao usuário;

• Comunicação serial com o circuito de controle (CPU);

• Possui tratamento de exclusão em caso de acionamento de chaves não

válidas do joystick;

• O joystick é digital, com quatro chaves de acionamento.

3.6.2 Escolha do microcontrolador para o joystick

O microcontrolador utilizado no joystick é o AT90S2313 da marca ATMEL.

A escolha do microcontrolador para o joystic, segue os mesmos critérios utilizados

para a escolha do microcontrolador do circuito de controle da cadeira de rodas

(CPU). Mas o fator decisivo para a escolha deste foi a experiência previamente

adquirida com microcontroladores da marca ATMEL e, principalmente por possibilitar

a utilização das mesmas ferramentas de programação do microcontrolador

AT90S8515.

56

3.6.2.1 Características do microcontrolador ATMEL AT90S2313

• Possui 128 Bytes de memória SRAM interna;

• Possui 128 Bytes de EEPROM (memória de dados) que pode ser programada

no próprio circuito. Possui vida útil de 100000 ciclos de escrita/apagamento;

• 15 entradas / saídas (I/O) programáveis;

• Possui 2K words de memória flash para programa;

• A programação pode ser feita com o microcontrolador conectado à placa (on

board).

• Tensões de operação de 2,7 a 6,0 V;

• Consumo a 3 V, 25 ºC;

o Ativo: 3 mA;

o Modo Idle: 1.0 mA;

o Modo power down: < 1 µA.

3.6.2.2 Pinagem e descrição funcional do microcontrolador ATMEL AT90S2313

FIGURA 3.12 – PINAGEM DO MICROCONTROLADOR AT90S2313

FONTE: Iguana Labs. Disponível em: http://www.iguanalabs.com/avr2313.htm Acesso em: 21 de Fevereiro de 2004.

http://www.iguanalabs.com/avr8515.htm

57

A seguir, são descritas as funções dos pinos do microcontrolador

AT90S2313, ilustrado na figura 3.12:

• VCC – Alimentação ( 2,7V a 6,0V);

• GND - Terra;

• Port B (PB7..PB0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui


20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port B ficará em tri-state (alta


• Port D (PD6..PD0) - Porta de entrada / saída (bidirecional) de 8 bits. Possui


20mA de corrente. Na condição de reset, o Port D ficará em tri-state (alta


• RESET - Entrada de reset. Um nível baixo nesse pino reiniciará o

microcontrolador;

• XTAL1 - Entrada para o amplificador inversor do oscilador e entrada de clock

para o circuito;

• XTAL2 - Saída do amplificador inversor do oscilador;

3.7 DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS UTILIZADO

PARA COMUNICAÇÃO ENTRE A CPU E O JOYSTICK

Este circuito tem como função estabelecer uma comunicação serial entre o

circuito de controle (CPU) e o circuito do joystick. É constituído por um circuito

transistorizado elevador de tensão, com uma taxa de transmissão de 9600 BAUDS,

configurado para 8 bits sem paridade (9600, N, 1, 8).

O seu funcionamento básico consiste em converter o nível TTL do

microcontrolador, para um nível de 12V para transmissão e converter o nível de 12V

em nível TTL na recepção, para o microcontrolador interpretar o sinal.

A comunicação é assíncrona, ou seja, possibilita a transmissão (TX) e

recepção (RX) de dados nos dois sentidos e em qualquer instante.

A figura 3. 13 ilustra o circuito driver serial de transmissão e recepção de

dados, que fazem parte do circuito da CPU e do joystick.

58

FIGURA 3.13 - DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO (A) E RECEPÇÃO (B) DE DADOS UTILIZADO PARA COMUNICAÇÃO ENTRE A CPU E O JOYSTICK


3.8 ESTUDO E ELABORAÇÃO DO PROGRAMA

Para a elaboração da programação do microcontrolador utilizou-se a

linguagem de programação BASIC, em que os dados são compilados para a

linguagem ASSEMBLY, para posteriormente serem gravados no microcontrolador.

As ferramentas de programação e gravação do microcontrolador foram

utilizadas na empresa ADEMCO SIPROEL S.A., facilitando o manuseio e o acesso

das ferramentas.

Inicialmente, o programa destinava-se a testar os circuitos de controle dos

motores da cadeira de rodas de forma independente. Com isso, à medida que os

circuitos eletrônicos eram elaborados o programa era atualizado para os testes

serem realizados, até chegar na versão atual.

(A)

(B)

59

3.8.1 Cálculos iniciais para programação

O primeiro passo para se programar um microcontrolador, é definir qual a

freqüência de clock que este irá obedecer. Para isso, a escolha do cristal oscilador é

essencial para o bom funcionamento do projeto.

O critério utilizado para a escolha da freqüência de operação do

microcontrolador, foi a necessidade de que a freqüência do PWM estivesse em torno

de 20 kHz, devido ao controle do motor. Com base nos cálculos apresentados a

seguir, chega-se à conclusão que deve-se utilizar um cristal de 8 MHz, pois com

este, obtemos uma freqüência de aproximadamente 15,7 kHz, valor bem próximo ao

ideal para controle do motor, que é resultado de um cálculo interno no

microcontrolador, cujos valores são apresentados na tabela 2, com clock externo de

8 MHz.

TABELA 2 – CÁLCULOS DE FREQÜÊNCIAS GERADAS PELO MICROCONTROLADOR COM UM

CLOCK DE 8 MHZ

VALOR QUE DIVIDE O CLOCK OPÇÃO DE BITS DO MICROCONTROLADOR

FREQÜÊNCIA GERADA (Hz)

8 bits 15,32

9 bits 7,64

1024

10 bits 3,82

8 bits 61,27

9 bits 30,56

256

10 bits 15,27

8 bits 245

9 bits 122,31

64

10 bits 61,09

8 bits 1960,8

9 bits 978,5

8

10 bits 488,8

8 bits 15686,3

9 bits 7827,8

1

10 bits 3910,06

60

Para a verificação do cálculo realizado, mediu-se no osciloscópio a

freqüência do pulso de PWM gerada pelo microcontrolador. Com isso, comprovou-se

a validade dos cálculos, salientando a precisão do microcontrolador ao comparar os

cálculos teóricos com o valor da freqüência do PWM medido no osciloscópio,

conforme ilustrado na figura 3.14. FIGURA 3.14 – SINAL PWM COM FREQÜÊNCIA DE 15,68 KHZ

FONTE: Aquisição da tela do osciloscópio após medição realizada na saída PWM do microcontrolador.

3.8.2 Visão geral da programação

São dois microcontroladores programados: AT90S8515 e AT90S2313.

As estruturas da lógica de programação do controle (CPU) da motorização

da cadeira de rodas e do joystick, estão representadas, respectivamente, nos

fluxogramas das figuras 3.15 e 3.16.

Segue a descrição detalhada da lógica de programação do controle (CPU),

para a motorização da cadeira de rodas, conforme ilustrado no fluxograma da figura

3.15:

61

• Ao ser alimentado, o microcontrolador aciona o reset inicial;

• É realizado o teste de bateria baixa, nível 2. Neste caso, se a bateria estiver com

uma tensão igual ou inferior a 19 V o sistema é bloqueado, ou seja, mesmo que o

usuário acione o joystick, os sinais PWM não serão enviados para os motores.

Também é enviado um comando por comunicação serial para o circuito do

joystick, com o código referente à bateria baixa nível 2. Se a bateria estiver com

tensão superior a 19 V, segue-se a seqüência da programação;

• Em seguida, é realizado o teste de surto de corrente, e caso houver uma

sobrecorrente no circuito, o sistema é bloqueado. Se não houver surto de

corrente no circuito, segue-se a seqüência da programação;

• Na seqüência, é realizado o teste de bateria baixa, nível 1. Neste caso, se a

bateria estiver com uma tensão igual ou inferior a 21V, é enviado um comando

por comunicação serial para o circuito do joystick, com o código referente à

bateria baixa nível 1, mas não bloqueia o sistema;

• Se o sistema estiver OK, é enviado um comando por comunicação serial para o

circuito do joystick, com o código referente a bateria OK e segue-se a seqüência;

• O sistema recebe comandos por comunicação serial da leitura do joystick, ao

serem interpretados pelo microcontrolador, este envia os comandos para

acionamento dos motores, em função da posição acionada no joystick pelo

usuário;

• O programa é cíclico, portanto, a lógica é repetida continuamente.

62

FIGURA 3.15 – FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DE CONTROLE (CPU )

N

N

N

Envia comando Hexadecimal para

o Joystick

Início Reset Inicial

Bloqueia o Sistema

Leitura do Joystick

S

S

S

S Envia o comando para os motores

Bat. Baixa Nível 2?

Há surto de corrente?


Sistema OK? Envia comando

Hexadecimal para o Joystick

S

RX comando do Joystick?

63

Segue a descrição detalhada da lógica de programação do joystick,

conforme ilustrado no fluxograma da figura 3.16:

• Ao ser alimentado, o microcontrolador aciona o reset inicial;

• Recebe os comandos que identificam o status do circuito de controle (CPU),

indicando no mostrador LCD, informando ao usuário o estado da bateria;

• Se a CPU enviar o comando de bateria baixa nível 2, a mensagem “ Sist.

Bloqueado”, é enviada para o mostrador LCD, permanecendo esta mensagem

até a mudança do seu status. Caso o sistema não estiver acusando bateria baixa

nível 2, segue-se a seqüência do programa;

• Se a CPU enviar o comando de bateria baixa nível 1, a mensagem: “ Bat. Baixa”.

é enviada para o mostrador LCD e segue-se a seqüência do programa;

• Se o sistema estiver OK, é enviada para o mostrador LCD, a mensagem: “Bateria

OK” e segue-se a seqüência do programa;

• Se alguma tecla do joystick for pressionada, indica no LCD a direção da cadeira

de rodas e envia para a CPU, por comunicação serial, o comando para que

possa ser tratado posteriormente pelo microcontrolador da CPU e comandar os

motores. Caso nenhuma tecla do joystick for pressionada, segue-se a seqüência

do programa;

• O programa é cíclico, portanto, a lógica é repetida continuamente.

64

FIGURA 3.16 – FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DO JOYSTICK

Leitura das teclas do

Joystick

Sistema OK?

Indica no

LCD a direção

Envia para a CPU o comando

Hexadecimal

Envia para o LCD:

“Sistema Bloqueado.”

N

Reset Inicial Início

S

N

N

N

N

N

Tecla Frente

Tecla Ré pressionada

S

Tecla Esq. pressionada

S

Tecla Direita

Tecla F&D pressionada

Tecla F&E pressionada

Tecla R&D pressionada

N

Tecla R&E pressionada

S

S

S

S

S

N


Recebe status da CPU


Envia para o LCD:

“Bat. Baixa.”

Envia para o LCD:

“Bateria OK”

S

S

S

N

N

N

F&D – Frente & Direita F&E – Frente & Esquerda

R&D – Ré & Direita R&E – Ré & Esquerda

65

No apêndice 1, encontra-se o código fonte da programação do circuito de

controle (CPU), realizado no microcontrolador AT90S8515.

No apêndice 2, encontra-se o código fonte da programação do circuito do

joystick, realizado no microcontrolador AT90S2313.

3.9 CONFECÇÃO DOS ESQUEMAS ELÉTRICOS E DAS PLACAS DE CIRCUITO

IMPRESSO (PCI) DO PROJETO

Antes de iniciar a confecção das placas de circuito impresso, foi realizado

um estudo para se dimensionar o tamanho físico das placas, levando em

consideração o tamanho da caixa onde serão colocadas as placas.

Concluiu-se que os circuitos de potência (ponte H) e o circuito de controle

devem ser confeccionados em placas separadas devido à maior circulação de

corrente no circuito de potência, o que não ocorre no circuito de controle.

Definiu-se também que os módulos de controle e potência devem ser

colocados em uma mesma caixa, facilitando assim a conexão dos cabos entre os

módulos.

Com as dimensões da caixa definidas, partiu-se para a elaboração dos

esquemas elétricos e em seguida do leiaute das placas.

A elaboração dos esquemas elétricos e do leiaute da placa de circuito

impresso foram realizados por meio do programa P-CAD® 2001.

3.9.1 Confecção dos esquemas elétricos

Para a elaboração dos esquemas elétricos foi utilizado o programa P-CAD®

2001 Schematic. Esta é uma parte importante do projeto, pois a partir do diagrama

esquemático elaborado, que se gera os arquivos do PCB, que é utilizado para a

confecção do leiaute da placa de circuito impresso. Desenvolveram-se três

esquemas : o esquema elétrico do circuito de controle da cadeira de rodas (CPU), o

esquema elétrico do circuito de ponte completa (ponte H) e o esquema elétrico do

circuito do joystick. As cópias destes encontram-se respectivamente nos apêndices

3, 4 e 5.

66

3.9.2 Confecção do leiaute das placas de circuito impresso (PCI)

Para o desenvolvimento do leiaute das placas de circuito impresso foi

utilizado o programa P-CAD® 2001 PCB. A partir do diagrama esquemático completo

gera-se o PCB, arquivo com o leiaute dos componentes eletrônicos no seu tamanho

real, que possibilita a confecção das placas de circuito impresso. Desenvolveram-se

três placas de circuito impresso: a placa de circuito impresso do circuito de controle

da cadeira de rodas (CPU), a placa de circuito impresso do circuito de ponte

completa (ponte H) e a placa de circuito impresso do joystick. As cópias dos leiautes

das placas geradas pelo programa P-CAD® 2001 PCB, encontram-se

respectivamente nos apêndices 6, 7 e 8.

Para a confecção das placas de circuito impresso, é necessário seguir

algumas regras de posicionamento de trilhas, posicionamento dos componentes,

tamanho da área para soldagem, entre outros. Estas regras variam em função do

tipo de circuito, quantidades de camadas da placa, etc.

3.10 ESTUDO DO MOTOR

3.10.1 Dimensionamento do motor:

Para este dimensionamento, foram estipulados alguns valores iniciais para

obtenção dos resultados esperados. Para tanto destacam-se:

• Velocidade a ser alcançada pela cadeira com o kit já instalado: 2 km/h ou 0,56

m/s;

• Para o cálculo da força para movimentar o kit, supõe-se uma massa máxima

de 140 kg para todo o conjunto (70 kg para o usuário da cadeira de rodas e

70 kg para o kit com todos os componentes e cadeira);

• Angulação máxima de uma suposta rampa de acesso equivalente a 15˚

(supondo que a cadeira de rodas motorizada mantenha uma velocidade de 2

km/h);

• Por norma os raios e pneus das cadeiras de rodas convencionais são

padronizados, sendo: 12” (30,48 cm) para o raio da roda e 2” (5,08 cm) de

pneu, totalizando 14” (35,56 cm) entre o eixo e o chão.

67

Cálculo para obtenção do número de rotações por minuto que cada roda

dará com a velocidade de 2 km/h e dimensões padrões:

md 7112,0"28 == (8)

smhkmv /556,0/2 == (9)

60Ndv ⋅⋅

=π , logo: (10)

rpmdvN 9308,14

7112,060556,060

=⋅

⋅=

⋅⋅

=ππ

(11)

O tempo estimado para aceleração do motor até a velocidade estabilizar

em 2 km/h é de 4 segundos.

FIGURA 3.17 – GRÁFICO DE VELOCIDADE X TEMPO

Com isso, pode-se calcular a aceleração necessária para que ao partir do

repouso a cadeira possa alcançar a velocidade esperada:

2/1389,04556,0 sm

tva === (12)

Tendo a aceleração e desprezando o atrito do solo, pode-se partir para o

cálculo da força necessária para locomover a cadeira na velocidade de 2 km/h.

Sendo assim, a força resultante do conjunto utilizando a aceleração acima citada em

um piso liso e nivelado horizontalmente será:

T[s]

V [km/h] Vm = 2 km/h

68

NamFr 446,191389,0140 =⋅=⋅= (13)

O torque necessário será:

mNdFT r .915,63556,0446,19 =⋅=⋅= (14)

Conforme a equação (14), verificou-se que o valor do torque necessário

para deslocar o conjunto na velocidade esperada em um piso liso e nivelado é baixo.

No entanto, optou-se por pesquisar se as cadeiras de rodas motorizadas existentes

possuem limitações. Após análise, observou que estas geralmente são limitadas e

devem ser operadas em pisos lisos e horizontais para atingir a velocidade nominal,

sendo muito pouco recomendadas para as utilizações em inclinações de rampas de

acesso muito elevadas, salvo em alguns modelos mais sofisticados ou importados.

Para tanto, por uma questão de não deixar limitado o resultado final do kit, arbitrou-

se por utilizar nos cálculos de dimensionamento do motor uma inclinação que

estivesse dentro da faixa permitida para rampas de acessos públicos, que varia

entre 10º a 20º, optando assim por utilizar nos cálculos o valor médio, ou seja, uma

inclinação máxima de 15º.

Na figura 3.18, mostra um diagrama para dimensionamento da força

necessária para movimentar a cadeira (retirar da inércia se esta estiver parada) até

que esta atinja a velocidade esperada de 2 km/h numa rampa de acesso inclinada

que forma um ângulo com a horizontal de 15º: o 15 =α (15)

FIGURA 3.18 – ILUSTRAÇÃO DA RAMPA DE ACESSO ANGULADA A 15˚ E DAS FORÇAS ATUANTES SOBRE A CADEIRA

Plano Horizontal

α

α

Fin

Fp.sen α

Fp

G

Plano de trajeto

69

No diagrama 3.18, pode-se observar que sobre o centro de gravidade (G)

da cadeira estarão atuando 2 forças quando houver movimento ou este for

solicitado, sendo que a força peso (Fp) sempre estará atuando de forma vertical, mas

que pode ser decomposta em duas componentes. Para o projeto, apenas foi

utilizada a componente que segue adjacente ao plano de trajeto. Esta componente

pode ser obtida através da multiplicação da constante de aceleração da gravidade

que é conhecida pela letra g, que na cidade de Curitiba atua com o valor de 9,81

N/kg, a suposta massa do conjunto que é de 140 kg e o seno do ângulo de

inclinação da rampa de acesso. Portanto a influência da força peso é:

( ) NsenamFp 46,3552588,081,9140 =⋅⋅=⋅⋅= α (16)

Com as componentes da força peso (Fp.sen(α)) e a força resultante (Fr)

calculada anteriormente para a velocidade desejada, pode-se descobrir qual será a

força de inércia (Fin) necessária para deslocar o conjunto no plano de trajeto da

rampa de acesso. Isto pode ser melhor visto na figura 3.19:

FIGURA 3.19 – DIAGRAMA PARA FORÇA RESULTANTE

pinr FFF += (17)

Força de inércia total:

NFFF prin 91,374)46,355(446,19 =−−=−= (18)

Sabendo-se que para poder locomover o conjunto é necessário um motor

tracionando em cada roda, a força de inércia total deverá ser dividida por dois, para

que se tenha a força necessária em cada motor e posteriormente o torque.

Fin

Fp.sen α

Fr

70

A tração em cada roda será:

NFF ininrd 45,187

291,374

2=== (19)

3.10.2 Cálculo do torque do motor

Como o raio da roda é de 12” e o pneu tem 2”, teremos uma distância total

de 14”, ou seja, 0,3556 m. Para isso temos:

mNdFT inrd .659,663556,045,187 =⋅=⋅= (20)

Tendo o torque máximo de cada motor necessário para retirar de inércia o

conjunto na rampa de acesso, pode-se calcular a potência mínima destes:

rodaWvFP inrd /224,104556,045,187 =⋅=⋅= (21)

Concluiu-se que a potência mínima necessária na pior situação em cada

roda para que a cadeira de rodas, já com o kit instalado, se locomova a 2 km/h é de

104,224 W, torque de 66,659 Nm e uma rotação mínima de 14,9308 rpm.

3.10.3 Escolha do motor

Partindo de características estabelecidas pela equipe (tais como: tensão de

alimentação dos motores de 24 V em corrente contínua para que a corrente que

circule pelos circuitos de potência, comando e das baterias não seja tão alta se

comparada com a tensão de 12 V; motor com redução já acoplada; conjunto com o

mínimo em dimensões e peso) e em adição com os dados de dimensionamento do

motor, procurou-se fazer um filtro destacando quais seriam os principais fabricantes

de micromotores e motorredutores que atendessem estas características, sendo

escolhidas apenas 3 empresas que produzem motorredutores/microredutores;

porém, nas características necessárias para o projeto, restaram apenas os motores

fabricados pela BOSCH do Brasil. Observou-se que existe um modelo dedicado para

71

utilização em cadeira de rodas motorizadas, mas como para o projeto a potência é

bem menor do que a potência destes motores, optou-se pelo baixo custo mantendo

a mesma qualidade, porém com um torque menor que o calculado anteriormente;

esta decisão foi tomada porque o torque calculado é para a rampa de acesso com

angulação de 15o a uma velocidade mínima de 2 km/h, e como foi ressaltado

anteriormente, o baixo custo é o ponto decisivo na hora da compra, desde que não

prejudique o rendimento do kit. Com isso, o motor escolhido foi o de modelo CEP,

conforme figura 3.20: FIGURA 3.20 – MOTORREDUTOR BOSCH CEP

FONTE: BOSCH do Brasil Limitada, Divisão de autopeças, Motorredutores, Disponível em: http://www.bosch.com.br/br. Acesso em: 16 de maio de 2003.

O motor modelo CEP F 006 WMO 310 da Bosch, conforme catálogo de

dados do fabricante e dados obtidos em sua página na internet possui as seguintes

características:

• A potência máxima desenvolvida conforme fabricante é de 120 W, tendo

assim um torque máximo de 48 N.m, numa rotação equivalente a 100 rpm;

• O motor tem rotação bidirecional e possui baixa indutância. Com baixa

indutância o motor corresponde melhor no controle de alimentação por largura

de pulso;

• Este motor possui uma velocidade e possui uma corrente nominal de 7,5 A,

conforme torque aplicado. Pode-se verificar isso com a curva de performance,

na figura 3.21.

FIGURA 3.21 – CURVA DE PERFORMANCE DO MOTORREDUTOR BOSCH CEP (REF. MODELO: 9.390.453.042)

72

FONTE: BOSCH do Brasil Limitada, Divisão de autopeças, Motorredutores, Disponível em: http://www.bosch.com.br/br. Acesso em: 16 de maio de 2003.

Este motor também é aplicado em camas hospitalares, cadeiras e mesas

oftalmológicas, painéis de propaganda rotativos, máquinas para fabricação de velas,

esteiras rolantes, máquinas gráficas e de embalagens.

3.11 ESTUDO DAS BATERIAS

3.11.1 Dimensionamento das baterias:

Por ser um componente de extrema importância para o desenvolvimento

do kit, as baterias foram dimensionadas conforme a disposição espacial, peso e

capacidade de carga a ser fornecida, tendo como base os dois motores de 120 W e

os circuitos eletrônicos.

73

No mercado, estão à disposição três tipos de baterias de vários

fabricantes:

• As automotivas, que como a própria classificação já destaca, são

para utilização em automóveis, possuindo boas características como

o baixo preço em relação às demais e por suportarem altos picos de

corrente quando solicitado pela carga;

• As baterias tracionárias que são utilizadas em empilhadeiras e que

possuem ótimas características necessárias para o kit, como a

funcionalidade em ciclos rápidos de carga e descarga, porém são

fabricadas apenas em grandes tamanhos e possuem um preço de

comercialização extremamente alto para ser utilizada no

desenvolvimento do projeto;

• O terceiro tipo são as baterias estacionárias, que geralmente são

utilizadas em banco de baterias ou em no-break�s, tendo boas

características como as de serem próprias para ciclos de carga e

descarga completa e de possuírem pesos inferiores se comparadas

com as demais, porém são baterias com altos preços de

comercialização e reduzem sua características internas quando são

solicitadas altas correntes instantâneas.

Com isso, conclui-se que as baterias estacionárias não poderão ser

utilizadas no kit devido ao alto custo e também por não terem a propriedade, comum

nas baterias de uso automotivo, de fornecer uma alta corrente instantânea quando

solicitado sem comprometer suas características. Estas altas correntes instantâneas

ocorrem geralmente na partida de um motor ou quando este motor é exigido

(necessário um acréscimo no torque) para retirar de inércia uma determinada

massa, exigindo assim uma corrente inicial alta até que este atinja a velocidade

esperada.

As baterias tracionárias também são descartadas devido alto preço de

comercialização e por terem dimensões bem maiores às dimensionadas, isto porque

as dimensões estão diretamente ligadas aos valores de capacidade de carga que

são altos e necessários para utilização projetada, ou seja, altas demais para as

necessidades do kit.

Após verificar estas características nestes três tipos de baterias, conclui-se

74

que as baterias automotivas têm a melhor relação custo/benefício para a utilização,

apesar de perder em algumas características como a vida útil, que é reduzida de 4 a

5 vezes a normal, e por haver algumas particularidades na descarga e recarga.

Como, no mercado, está disponível uma diversidade de baterias

automotivas que são fabricadas por muitas empresas, sendo cada uma com

particularidades na confecção e construção, verificou-se que podem ser

classificadas pela tensão de fornecimento como: 24 V (grande porte: caminhões) e

12 V (automóveis simples e utilitários). As dimensões são padronizadas devido o

fornecimento de acordo com os veículos comercializados no mercado, e sua

disposição interna, podendo ser com pólo positivo (terminal de conexão) locado na

posição direita ou esquerda.

Para uma primeira seleção, optou-se por utilizar baterias seladas, que

pudessem fornecer uma autonomia de carga durante 6 h, supondo que todo o

circuito de controle de cada bateria solicite 0,5 A de carga e os motores exijam a

corrente nominal de 7,5 A.

tI ⋅= Carga de Capacidade (22)

( ) Ah4865,05,7 Carga de Capacidade =⋅+= (23)

Para isso é necessário uma bateria automotiva de 12 V de tensão de

fornecimento que possua uma capacidade de carga (Cap.) variando entre 45 Ah e 50

Ah.

3.11.2 Escolha da bateria:

Conforme verificado no cálculo acima uma bateria que fornecesse 48Ah

seria suficiente, porém para obter melhor segurança nos resultados, optou-se por

utilizar a faixa comercial superior e a da marca DELPHI (figura 3.22), pois a empresa

decidiu fornecer duas baterias de 50 Ah com terminal positivo de conexão na

esquerda (opção da empresa fornecedora) para serem utilizadas no projeto,

prestando assessoria nas questões de funcionamento e utilização para esta

75

finalidade. Esta sociedade teve pontos positivos, pois se verificou que as baterias

deste fabricante e com estas características são utilizadas com freqüência em

cadeiras de rodas motorizadas quando as baterias originais já perderam a

capacidade de armazenamento de carga, possuindo uma boa vida útil em relação as

outras marcas quando utilizada nesta finalidade. FIGURA 3.22 – BATERIA DELPHI FREEDOM

FONTE: DELPHI Automotive Systems, Baterias – Folheto Técnico, São Caetano do Sul--SP – Brasil, 2002, p. 01

Para este projeto, foi escolhido o modelo de baterias automotivas Delphi

Freedom DF50E. Este modelo apresenta como principais características:

• Capacidade de carga de 50 Ah;

• Dimensões externas: 210 mm de comprimento, 175 mm de largura e 175 mm

de altura;

• Peso: 12 kg;

• Tem pólo positivo de conexão do lado esquerdo;

• Possui grade feita de liga chumbo-cálcio laminado-expandida, sendo forte e

resistente à corrosão e tem alta condutividade elétrica;

• Apresenta um indicador de teste que mostra o estado de carga da bateria.

76

As baterias automotivas Delphi Freedom possuem capacidade nominal de

carga em ampères-hora como a maioria das baterias automotivas, conhecida

também pela sigla “C20”. Esta capacidade nominal de carga é definida como a

capacidade que uma bateria totalmente carregada se manterá fornecendo energia,

operando a uma temperatura de 27˚ C durante o período de 20 horas, sem que a

tensão entre os pólos seja menor que 10,5 V.

Estas baterias também possuem a característica de suportar a corrente de

partida a frio, também conhecida como Cold Cranking Ampères - C.C.A., que é a

função da bateria fornecer energia elétrica ao motor de arranque para o motor do

veículo ser acionado, ou seja, na exigência de altas correntes a bateria se comporta

fornecendo energia normalmente. Para simular esta descarga de corrente, existe um

teste conhecido como “teste de descarga a frio”, o qual mede a descarga em

ampères (valor não obtido em manuais ou fornecedor, e que depende da carga

conectada à bateria) que uma bateria totalmente carregada manterá durante o

período de 30 segundos na temperatura de –18˚ C, sem que a tensão entre os pólos

da bateria decresça de 7,2 V. Esta propriedade é útil, pois em locais em que o motor

exija um certo torque para tirar de inércia a cadeira, será necessário um valor de

corrente instantâneo maior que o normal utilizado pelos motores; sendo assim, a

bateria poderá fornecer a corrente exigida sem afetar o circuito de controle e a

funcionalidade dos motores.

77

3.12 ADAPTAÇÃO MECÂNICA

3.12.1 Base de kit

As bases e os suportes dos motores foram manufaturadas de acordo com

as dimensões da cadeira de rodas que foi fornecida para estudo. O material utilizado

para produção da base é de chapa de ferro comum cuja espessura é de 3 mm.

A adaptação mecânica do kit à cadeira de rodas foi feita com quatro bases

que contêm os quatro principais componentes do kit:

Na base mostrada na figura 3.23 tem-se a parte de alimentação de todo o

kit, ou seja, as duas baterias de 50 Ah.

Na figura 3.24, mostra-se a base sobre a qual foi instalada a caixa de

controle (que contem a CPU e as duas pontes H), tendo suas propriedades descritas

num item exclusivo anteriormente.

A figura 3.25 mostra as duas bases dispostas uma de cada lado e

dedicadas uma para cada motor. Elas possuem perfurações que permitem deslocar

horizontalmente a fixação do motor de forma a tensionar as correntes dos motores

que tracionarão as rodas, dispostos um de cada lado, através de um suporte

elevador que pode ser ajustado horizontalmente de forma a dar condições de ajustar

a tensão das correntes, correntes estas que são similares às utilizadas em bicicletas

e auxiliarão uma de cada lado a tracionar as rodas da cadeira.

FIGURA 3.23 – BASE DAS BATERIAS

78

FIGURA 3.24 – BASE DA CAIXA DE CONTROLE

FIGURA 3.25 – SUPORTES DOS MOTORES

79

3.12.2 Adaptação nas rodas

Nas rodas foram instalados pinhões com 18 dentes, iguais aos utilizados

em bicicletas. Estas coroas estão soldadas no lado mais interno do cubo da roda,

que também é similar ao utilizado em bicicletas, porém os eixos destes cubos foram

substituídos por parafusos de 12 x 110 mm de cabeça sextava para dar maior

resistência no eixo de cada roda, acompanhado por duas arruelas, uma de cada

lado do cubo, que tem a função de segurar as esferas que compõem os rolamentos

do cubo.

3.12.3 Adaptação nos motores

Nos motores foram acoplados pinhões, cujo número de dentes é menor (14

dentes) que o pinhão acoplado à roda. Estas coroas acopladas ao motor tracionarão

as rodas através de uma corrente também similar a de uma bicicleta e são

tensionadas por meio dos suportes dos motores.

3.13 ESTIMATIVA DE CUSTO

Para que se possa avaliar a viabilidade econômica do protótipo

desenvolvido, foram comparados os custos deste projeto com uma cadeira de rodas

motorizada já existente no mercado.

Se comparada algumas características entre os modelos de cadeiras

motorizadas e o protótipo, pode ser ressaltado que, apesar do mesmo possuir um

desempenho inferior, ainda assim a sua relação custo / benefício ainda é vantajosa,

pois a maior parte dos deficientes que hoje adquirem cadeiras motorizadas no Brasil

estão enquadrados entre os consumidores da classe média e alta, e o foco do

trabalho é atingir a parcela da população de baixa renda.

O protótipo possui algumas similaridades se comparado com as cadeiras já

existentes, dentre os quais podem ser citados:

• Projetadas para serem utilizadas em pisos planos;

• Autodiagnóstico;

• Utilização de duas baterias.

80

As cadeiras motorizadas, tomando como exemplo as da marca Freedom,

modelo S, possuem algumas características peculiares que não são

desempenhadas pelo protótipo que podem ser:

• Sistema de Autodiagnóstico que é capaz de identificar 32 tipos de

problemas;

• Controle ativo de velocidade;

• Possibilidade de ajuste de performance, velocidade de avanço, de

recuo, de curva e curso de joystick.

Mesmo assim o protótipo ainda possui alguns diferenciais quando

comparado às cadeiras Freedom, sendo estes:

• Maior facilidade para reposição de peças, já que todos os

componentes utilizados foram escolhidos por serem facilmente

encontrados no mercado;

• Joystick com mostrador LCD , facilitando a interação homem –

máquina, na qual o usuário pode verificar o status do sistema como um

todo;

• Facilidade de manutenção;

• Custo.

3.13.1 Comparativo de custo entre uma cadeira de rodas motorizada e uma cadeira

de rodas adaptada com o kit.

Custo de uma cadeira da marca FREEDOM modelo S – R$ 4.448,00

(ORTOLIFE 20 de Outubro de 2003).

Custos estimados do protótipo:

• Somente do kit – R$ 925,00;

• Kit já adaptado em uma cadeira de rodas – R$ 1.025,00;

• Optando por adquirir o kit juntamente com uma cadeira de rodas

convencional ( no valor de R$ 400,00) – R$ 1.425,00.

Um estudo detalhado do preço de custo é demonstrado logo a seguir.

Devendo-se ressaltar ainda que se colocado em uma linha de produção, o

preço do kit poderá ser reduzido em torno de 15 a 20%.

81

Estima-se o preço de venda do kit com uma margem de lucro em torno de

20 a 25% do valor de custo, considerando o mesmo em uma linha de produção. Ao

comparar-se o preço estimado de venda do kit, com a cadeira motorizada Freedom

verifica-se a viabilidade econômica do projeto, pois o mesmo ainda fica com um

custo de 43 a 58% menor.

Custo Detalhado do protótipo: Material Custo em R$ Circuitos de comando, potência e joystick 244,00

Motores 229,00

Baterias 270,00

Cabos 8,00

Parafusos, porcas e arruelas 3,00

Caixa 6,00

Conectores 15,00

TOTAL 775,00

Mão de Obra Custo em R$ Montagem das placas eletrônicas 150,00

Adaptação mecânica 100,00

TOTAL 250,00

Com os dados finais obtidos, a equipe ressalta a viabilidade e propõem

como tema para trabalhos futuros, um estudo mais detalhado para a implantação

deste kit em uma linha de produção com o intuito de se reduzir ainda mais o custo

final do kit.

3.14 CONCLUSÃO

Neste capítulo foram apresentados em detalhes os passos seguidos para o

desenvolvimento deste projeto, bem como os resultados obtidos. Foram abordados

isoladamente, com suas principais características de desenvolvimento, as baterias

para alimentação dos circuitos, os motores que fornecem o torque necessário para a

movimentação do conjunto, os circuitos eletrônicos de controle em conjunto com o

“software”, gerenciam a integração destes componentes e a adaptação mecânica

que dispõe, interliga e fixa o kit na cadeira de rodas convencional, tornando-a

motorizada.

82

4 CONCLUSÃO GERAL

Os capítulos apresentados neste trabalho sintetizam as fases envolvidas

no projeto, bem como os detalhes construtivos do desenvolvimento, análise dos

resultados obtidos, considerações importantes que foram agregadas durante o

período de construção do protótipo, sugestões e melhorias que podem ser aplicadas

ao kit de motorização para uma cadeira de rodas.

Neste capítulo será feita uma análise geral do desenvolvimento do projeto,

expondo as conclusões finais das pesquisas realizadas na elaboração deste

trabalho.

Concluímos que os principais objetivos deste projeto foram atingidos , entre

eles, podemos destacar:

• Pesquisa dos modelos de motores CC e das baterias, enfatizando a escolha dos

modelos mais adequados para serem utilizados no kit;

• Programação em microcontrolador para o controle dos motores;

• Elaboração dos circuitos eletrônicos de controle, de potência e do joystick para

acionamento da cadeira de rodas motorizada e integração dos mesmos;

• Confecção da placas de circuito impresso, dos circuitos de controle, de potência

e do joystick, e montagem dos componentes;

• Testes em laboratório realizados nos circuitos eletrônicos, comprovando o

funcionamento dos mesmos;

• Montagem e integração do comando a cadeira de rodas.

• Estudo de viabilidade econômica preliminar do protótipo;

Após lançada a proposta do projeto, a equipe se deparou com um grande

desafio que seria a motorização de uma cadeira de rodas. Descobriu-se que, além

de um nome bonito, o projeto nos exigiria muito empenho para que se pudesse pôr

em prática o que se havia proposto.

A parte financeira foi um fator decisivo na escolha e na aquisição dos

componentes. Isto nos motivou a procurar patrocinadores para o projeto,

principalmente para os componentes com custos mais elevados, como por exemplo

os motores, o conjunto de baterias e a cadeira de rodas convencional.

83

Foi acordada uma sociedade entre a equipe e a empresa ORTOMETAL

referente ao auxílio no desenvolvimento do kit, proporcionando um grande avanço

ao projeto, pois se esclareceram dúvidas importantes de aspecto construtivo de uma

cadeira de rodas. Devido a isto, por sugestões da empresa ORTOMETAL, optou-se

por uma cadeira de rodas com a estrutura para obesos, que suporta um peso de até

130 kg, e com as dimensões muito próximas das cadeiras de rodas convencionais

de outros fabricantes.

Os motores utilizados para testes do protótipo, fabricados pela BOSCH,

possuem muitas características positivas, as quais foram descritas no capítulo 3. No

entanto, verificou-se que este possui o eixo semi-travado, ou seja, o motor rotaciona

para grandes valores de torque aplicados no eixo do motor, isto ocorre porque o

motor é composto por uma redução já acoplada, surgindo uma resistência mecânica

em função de suas características construtivas, o que impossibilita o fácil movimento

da cadeira de rodas sem que haja o acionamento elétrico. Porém, no ponto de vista

de segurança, esta característica é positiva, principalmente quando não houver mais

carga em ambas as baterias que alimentam os motores e conseqüentemente deixam

a cadeira parada. Verificou-se também, que em algumas cadeiras de rodas

motorizadas, como a da marca FREEDOM, também utilizam motores com o eixo

travado, com a justificativa da segurança e a liberação ou desacoplamento do eixo

dos motores as rodas da cadeira, possibilitando a locomoção quando não houver

mais carga nas baterias.

Após verificar esta característica do motor utilizado, optou-se por analisar

no mercado a disposição de alguns motores que possuem o eixo livre quando o

motor não está sendo alimentado. Com esta opção de eixo livre, a cadeira de rodas

poderá ser empurrada sem dificuldades mesmo que os motores não sejam

alimentados, porém, para isso surge a necessidade do aprimoramento do sistema de

controle nas reduções de velocidade e frenagem, e ainda da instalação de um freio

mecânico para utilização quando não houver mais alimentação nas baterias. Um

exemplo dos motores encontrados com a análise de mercado é o motor modelo

GPC, também fabricado pela BOSCH, que possui um custo 20% superior que o

motor utilizado neste projeto.

84

Na adaptação mecânica, a maior dificuldade encontrada foi a não-

padronização construtiva das cadeiras de rodas convencionais disponíveis no

mercado, dificultando assim a utilização do kit desenvolvido em todos os modelos de

cadeiras de rodas, tornando evidente que a complexidade da adaptação mecânica

do kit à cadeira de rodas varia conforme o modelo da mesma.

Devido à não-padronização das cadeiras de rodas, dedicou-se um tempo

maior neste processo que o estimado inicialmente, levantando as possibilidades de

acoplamento mecânico dos motores às rodas, e estudando a melhor maneira de

posicionar os componentes do kit e suas bases de adaptação, de tal forma que o

mesmo possa ser instalado na maioria dos modelos de cadeira de rodas

convencionais. Com isso, chegou-se a uma solução simplificada, onde são

instalados pinhões (peça utilizada em bicicletas) que conecta através de correntes

acopladas, o eixo dos motores às rodas da cadeira. Também não foi descartada a

possibilidade de uma adaptação direta do eixo do motor ao eixo da roda, porém,

são necessárias modificações que implicam uma maior quantidade de alterações na

estrutura original da cadeira de rodas convencional, o que provavelmente

inviabilizaria o projeto.

Um dos maiores desafios lançados pelo projeto para a equipe, foi o

aprendizado referente à programação de microcontroladores. Até então, esta era

uma área totalmente desconhecida da equipe, e devido a isto foram necessárias

algumas semanas para o estudo de microcontroladores e as ferramentas utilizadas

para a sua programação. Basicamente, os seis primeiros meses de estudo do

projeto foram dedicados às pesquisas bibliográficas e ao aprendizado de

programação de microcontroladores.

Este trabalho possibilitou conhecer um pouco mais sobre a realidade dos

deficientes físicos no Brasil, e principalmente foi uma oportunidade ímpar de poder

utilizar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia Industrial

Elétrica em um projeto que pode proporcionar uma melhoria na qualidade de vida

das pessoas deficientes no país. O número de deficientes físicos no Brasil chega a

24,5 milhões de pessoas, segundo censo realizado no ano de 2000 pelo IBGE.

Estes dados servem como incentivo para iniciativas de trabalhos de graduação na

área de Engenharia para que possam, futuramente, proporcionar uma contribuição

social, como projetos desenvolvidos em universidades brasileiras.

85

Sabendo da importância deste tipo de iniciativa e conscientes da

contribuição social que este projeto pode proporcionar à pessoas de baixa renda,

dando a oportunidade da aquisição de um equipamento que possa proporcionar

características equivalentes às cadeiras de rodas motorizadas atualmente

comercializadas, espera-se de alguma forma promover o estímulo de novos estudos

que possam ser desenvolvidos relacionados a este tema.

A seguir, estão relacionados outros temas de projetos que podem ser

desenvolvidos futuramente:

• Desenvolver um carregador de baterias automotivas com pequenas

dimensões para que possa ser acoplado ao kit e de preferência, interaja

com o sistema de controle;

• Desenvolvimento de proteções elétricas e mecânicas que possam ser

aplicadas ao kit, fornecendo assim melhor segurança ao usuário;

• Estudo detalhado de motores e baterias, visando uma melhor relação

custo/benefício, proporcionando melhor rendimento ao kit;

• Aprimoramento do circuito de controle de velocidade dos motores,

permitindo um ajuste de performance através de uma realimentação,

que será interpretada pelo controlador a partir dos dados reais de

velocidade fornecidos por um dispositivo acoplado ao eixo de cada

motor.

Ressalta-se que este é um projeto complexo e que muitas melhorias ainda

podem ser implementadas para que haja realmente uma comparação e possa

demonstrar competitividade no mercado com as cadeiras de rodas que são

designadas a esta finalidade. Com esta idéia em mente, pode-se propor uma das

melhorias a ser realizadas, como um estudo detalhado, frisando as vantagens e

desvantagens da utilização de motores que possuem o eixo mecanicamente livre,

pois no protótipo é utilizado um motorredutor com o eixo travado, impossibilitando o

movimento das rodas quando estes não possuem alimentação. Pensando nesta

idéia, pode-se sugerir também o desenvolvimento de um dispositivo que permita um

desacoplamento mecânico do eixo do motor com a cadeira de rodas, possibilitando

que esta seja movimentada pelo usuário manualmente ou que o acompanhante

possa empurrá-la quando a bateria não mais fornecer energia ao circuito de controle

e conseqüentemente aos motores.

86

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Janeiro 1998.

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89

APÊNDICE 1

CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO EM ASSEMBLY DA CPU MICROCONTROLADOR AT90S8515

Documents

DESENVOLVIMENTO DE UM “KIT” DE BAIXO CUSTO PARA ... · por ter acreditado no nosso projeto, ... FIGURA 2.22 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO FULL-BRIDGE ... a d dl Variação