Embed Size (px)
Citation preview
SISTEMA DE CONTROLE PARA MOTORES DC SEM ESCOVAS
INTEGRADO AO SISTEMA QUALISYS
Joyce Mergulhao de Araujo
Projeto de Graduacao apresentado ao Curso
de Engenharia Eletronica e de Computacao
da Escola Politecnica, Universidade Federal
do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessarios a obtencao do tıtulo de Enge-
nheiro.
Orientadores: Ramon Romankevicius Costa
Rodrigo Fonseca Carneiro
Rio de Janeiro
Marco de 2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politecnica
Departamento de Eletronica e de Computacao
Sistema de Controle para Motores DC sem Escovas
Integrado ao Sistema Qualisys
Autora:
Joyce Mergulhao de Araujo
Orientador:
Prof. Ramon Romankevicius Costa, Ph. D.
Coorientador:
Rodrigo Fonseca Carneiro
Examinador:
Prof. Fernando Cesar Lizarralde, D. Sc.
Examinador:
Prof. Alessandro Jacoud Peixoto, D. Sc.
DEL
Marco de 2015
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politecnica - Departamento de Eletronica e de Computacao
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitaria
Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900
Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-
otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que
sem finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).
iii
DEDICATORIA
A minha Bisavo.
iv
AGRADECIMENTO
Agradeco ao meu coorientador Rodrigo Carneiro pela amizade, paciencia e de-
dicacao; a minha amiga Luciana Reys que participou ativamente de todo o projeto.
Ao professor e orientador Ramon Romankevicius por confiar que eu conseguiria
realizar este trabalho.
Fernando Monteiro e Henrique Duarte, nao so por este Projeto de Graduacao,
mas por estarem constantemente me apoiando.
Ao Paulo Yamasaki e Rafael Faria, que leram repetidas vezes os rascunhos deste
trabalho.
Stephanie Deewa por ter me ajudado varias vezes a soldar miudezas quando a
minha paciencia ja havia se esgotado.
Aos meus bons e queridos professores que me encorajaram, ensinaram, aconse-
lharam e fizeram o caminho ate aqui mais prazeroso. Em especial, agradeco meus
excelentes e mais queridos professores: Jomar, Marcio, Case, Joarez, Brafman e
Mauros.
Os funcionarios do DEL, Dona Conceicao e Marcio, sempre prestativos comigo,
meus agradecimentos.
A toda a minha famılia, muito obrigada. Agradeco em especial aquela a quem
dedico esse trabalho: minha bisavo Dona Maroquinha.
v
RESUMO
O objetivo deste projeto de graduacao e desenvolver um sistema para controle e
acionamento de motores do tipo DC sem escovas.
Este sistema sera composto por: um sistema de aquisicao de posicao, cha-
mado Qualisys ; um software de interface com usuario e placas de circuito impresso
responsaveis pela eletronica embarcada. O controle do sistema e feito por um mi-
crocontrolador programado em linguagem C, que gera um sinal de controle PWM
para os motores que se deseja controlar.
Dentre as principais vantagens deste sistema, pode-se enumerar: modulari-
dade, ou seja, viabilidade de se adicionar mais placas de circuito impresso a eletronica
embarcada sem necessidade de reformular todo o sistema; compacto, requer pouco
espaco; e generico, ou seja, expansıvel para uso em diversos projetos que consistam
em controle de motores.
Este trabalho e fruto de uma parceria entre os Laboratorio de Ondas e Corren-
tes (LOC) do Programa de Engenharia Naval e Oceanica (PENO/COPPE) e Labo-
ratorio de Controle (LabCon) do Programa de Engenharia Eletrica(PEE/COPPE).
Palavras-Chave: Posicionamento Dinamico, Motor sem Escovas, Eletronica de
Acionamento, Qualisys
vi
ABSTRACT
The main purpose of this graduation project is to develop a driver board for DC
brushless motors.
This system will be composed by: a positioning acquirement system, called
Qualisys ; a software interface for users and printed circuit boards responsible for
embedded electronics. The control system is done by a microcontroller programmed
in C language, which generates a PWM control signal for the motors desired to be
controlled.
Between the main advantages of this system, some of them can be enumera-
ted: modularity, in other words, availability of adding more printed circuit boards
without the necessity to redesign all the system; compactability, it only requires a
small space; and genericity, i.e. upgradable for use in several other projects that
consists in motor control.
This project is a partnership work between Waves Laboratory of Ocean and
Navy Programme and Control Laboratory of Electrical Engineering Programme.
Key-words: Dynamic Positioning, Brushless Motor, Driver Electronics, Qualisys.
vii
SIGLAS
ANSI - American National Standards Institute
BLDC - Brushless Direct Current
CAN - Controller Area Network
CI - Circuito Integrado
COPPE - Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pos-Graduacao e Pesquisa de Enge-
nharia
EIA - Electronic Industries Alliance
IDC - Insulation-displacement contact
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers’
JTAGICE - Joint Test Action Group In-circuit Emulator
LOC - Laboratorio de Ondas e Correntes
LED - Light Emiting Diode
LEAD - Laboratorio de Aplicacao e Desenvolvimento
PEE - Programa de Engenharia Eletrica
PENO - Programa de Engenharia Naval e Oceanica
PC - Personal Computer
PCI - Placa de Circuito Impresso
viii
PID - Controlador Proporcional Integral Derivativo
PWM - Pulse Width Modulation
SMD - Suface Mount Device
TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
ix
Sumario
1 Introducao 1
1.1 Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Descricao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Descricao do Projeto 6
2.1 Visao Geral do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Antecedentes e Estudo Preliminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Comunicacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Objetivos Especıficos do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Materiais e Metodos 14
3.1 Qualisys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Motor Brushless DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Implementacao 17
4.1 Dispositivos Relacionados a Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.1 Optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.2 Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.3 Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Protocolos de Comunicacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1 Protocolo CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
x
4.2.2 Protocolo EIA-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4 Alimentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4.1 Fusıvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.2 Conversor DC-DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.5 Placa de Circuito Impresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.5.1 Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 Desenvolvimento Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6.1 Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5 Testes 40
5.1 Proposta de Teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6 Conclusao e Trabalhos Futuros 46
Bibliografia 48
A Esquematico da Placa de Circuito Impresso 49
xi
Lista de Figuras
1.1 Esquematico do Sistema Cyber-Semi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Esquematico do Sistema de Alocacao de Cargas . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Diagrama de Blocos do Sistema Completo . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Diagrama de blocos da Eletronica Embarcada . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Diagrama de Blocos do Monitoramento de Bateria . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Diagrama de blocos do sistema antigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Esquematico do Modulo de Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.6 Esquematico do Modulo de Comunicacao . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.7 Interface Grafica para Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 Utilizacao do Qualisys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1 Diagrama de Blocos dos Dispositivos Relacionados a Potencia . . . . . . . 18
4.2 Circuito integrado contendo 4 optoacopladores . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.3 Sugestao de uso pelo fabricante do optoacoplador . . . . . . . . . . . . . 19
4.4 Circuito para Optoacopladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.5 Amplifier DEC Module 24/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.6 Circuito para o Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.7 Conexoes entre encoder, decoder e microcontrolador . . . . . . . . . . . . 22
4.8 Diagrama de Blocos Relacionado a Logica . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.9 Circuito do Modulo CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.10 Circuito do Modulo RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.11 Conexoes do Microcontrolador AT90CAN64 . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.12 Gravador AVRISPmkII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.13 Diagrama de Blocos da Alimentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.14 Circuito do Conversor DC-DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
xii
4.15 Roteamento da placa de circuito impresso . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.16 Visualizacao 3D da placa de circuito impresso . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.17 Vista Superior da Placa de Circuito Impresso . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.18 Fluxograma do pooling Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.19 Fluxograma da Interrupcao Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.20 Interface de Operacao CyberSemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.21 Formulario Qualisys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.22 Formulario de Comunicacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1 Montagem da Placa de Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 Conversor ICP Con . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 Tanque de testes no LOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Montagem do Sistema para Testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.5 Montagem do Sistema no Tanque de Testes . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.6 Diagrama de Blocos do Sistema Heave Compensation . . . . . . . . . . . 45
A.1 Esquematico da placa de circuito impresso gerado no software Altium . . 49
xiii
Lista de Tabelas
4.1 Comandos do Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
xiv
Capıtulo 1
Introducao
1.1 Tema
O LEAD 1 realiza pesquisas na area de desenvolvimento de controle e au-
tomacao, localizado na COPPE/UFRJ 2, assim como o LOC 3. Esse ultimo desen-
volve analises em hidrodinamica fundamental (numerica, experimental e teorica),
voltados para engenharia naval e oceanica [1]. Esses laboratorios formaram uma
parceria de modo que o primeiro desenvolve metodos e prototipos para que o se-
gundo consiga realizar seus experimentos praticos que necessitem acionamento de
motores e algoritmos de controle.
Esses experimentos sao, em geral, muito similares: constituem-se basicamente
de um sistema realimentado para controle de mecanismos que utilizam motores
brushless DC.
Optou-se por empregar nesses prototipos motores do tipo brushless DC (BLDC4)
em funcao da sua precisao, eficiencia e confiabilidade [2]. Centelhamento e ruıdo
eletrico sao comuns quando a escova entra em contato com o comutador, o que leva
a maiores gastos com manutencao e menor tempo de vida util. Portanto, pode-se
dizer que a reducao de custos em manutencao e decisiva na escolha de um motor
1Laboratorio de Controle e Automacao, Engenharia de Aplicacao e Desenvolvimento
2Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pos-Graduacao e Pesquisa de Engenharia / Universidade
Federal do Rio de Janeiro
3Laboratorio de Ondas e Correntes
4Brushless Direct Current
1
sem escovas.
Alem dessas vantagens, podemos citar entre as caracterısticas de um motor
deste tipo: ser compacto, eficiente, confiavel, gera menos custos de manutencao,
interferencia eletromagnetica reduzida, ausencia de torque de borda e possuir carac-
terısticas lineares entre torque e velocidade.
Atualmente o LOC possui dois projetos que podem aplicar o modelo generico
de sistema que sera proposto nos proximos capıtulos.
Primeiro, existem, basicamente, dois tipos de plataformas utilizadas em ex-
ploracao de petroleo - as fixas e as flutuantes. Estas, vantajosas para exploracao
em oceanos profundos, por nao estarem fixas ao assoalho oceanico, estao sujeitas a
acoes de ventos, ondas e correntes marıtimas, de forma que precisam ser estabiliza-
das dentro de um raio de operacao que nao prejudique ou danifique equipamentos
de perfuracao ou extracao de petroleo.
O sistema de posicionamento dinamico e uma das formas de estabilizar este
tipo de plataforma. Este sistema e constituıdo por sensoriamento de localizacao,
para se determinar a deriva da unidade flutuante; processamento de sinais; controle
e acionamento dos propulsores responsaveis por restaurar a posicao da plataforma.
O LOC possui uma plataforma semissubmersıvel em escala - chamada Cyber-Semi
- a qual e desejavel que se implemente o posicionamento dinamico a fim de realizar
estudos relacionados a manobrabilidade e hidrodinamica.
A figura 1.1 esquematiza a solucao deste problema.
Falta de seguranca e eficiencia sao o segundo problema. Quando se trata
de assentar cargas em um navio, utilizando guindaste, em um porto de aguas mais
turbulentas, corre-se risco de ferimentos a funcionarios, alem de avarias a carga e
danos ao navio em virtude do deslocamento vertical (heave) que uma embarcacao
sofre com movimento das ondas. A solucao proposta para dispor um container, por
exemplo, e compensar ativamente o movimento vertical das ondas com o guindaste,
o que garante o aumento da vida util e minimizacao de prejuızos ao assoalho da
embarcacao [3].
Na figura 1.2 podemos ver o esquematico da solucao.
O tema deste trabalho e desenvolver um sistema que atenda ambos os pro-
blemas e possa ser expansıvel caso surjam outros de mesma natureza.
2
Figura 1.1: Esquematico do Sistema Cyber-Semi
1.2 Justificativa
Pode-se dizer que este modulo de acionamento generico para motores brush-
less DC podera ser empregado em diversas aplicacoes na area de controle de motores,
que e sabida ser vasta. Citam-se a seguir os benefıcios que poderao ser obtidos a
partir dos exemplos de aplicacao citados na secao anterior.
Pode-se dizer que a relevancia deste trabalho se da pelo fato de que com ele
sera viavel fazer um estudo de manobrabilidade de plataformas semisubmerssıveis.
Com este estudo futuro sera possıvel avaliar fatores como eficiencia dos propulso-
res; estabilidade da embarcacao, ou seja, capacidade de manter o rumo durante o
percurso navegado; ou ainda, capacidade de realizar uma curva de giro, por exemplo.
Tambem poderemos considerar os benefıcios economicos, ambientais e de
seguranca relacionados ao segundo problema: posicionamento dinamicos de cargas
em navios. Alem disso, como sera mostrado nos proximos capıtulos, o circuito
impresso - responsavel pelo acionamento dos motores - foi construıdo de modo que
pudesse ser aproveitado em outros projetos.
1.3 Metodologia
O processo foi sistematizado nas seguintes etapas:
3
Figura 1.2: Esquematico do Sistema de Alocacao de Cargas
Exploracao das Fontes Bibliograficas
O projeto de posicionamento dinamico da plataforma mencionada da secao 1.1
ja havia sido discutido e idealizado por Dinau em [2] e Dobbin em [4], portanto
essas sao as fontes mais importantes, como sera explicado no capıtulo seguinte.
Determinacao de Objetivos
Neste ponto determinou-se o escopo do trabalho: quais tarefas o sistema seria
capaz de desempenhar e como seria a implementacao do mesmo.
Execucao do Projeto
Atividades como concepcao de placas de circuito impresso, escolha e compra
dos materiais, desenvolvimento de firmware e aperfeicoamento de uma inter-
face para usuario foram realizadas.
Realizacao de Testes
Depois, e preciso montar e soldar a placa para que sejam realizados os testes,
primeiro de cada parte para que se possa detectar erros ou melhorias que
possas ser propostas, ate que finalmente o sistema como um todo possa ser
testado.
Analise dos Resultados
Finalmente, os resultados obtidos devem ser analisados a fim de verificar se os
4
objetivos foram atingidos e sugerir trabalhos futuros.
1.4 Descricao
No capıtulo 2 sera apresentada a descricao do projeto, uma visao geral com
as partes principais, e mais alguns detalhes de cada parte.
O capıtulo 3 apresenta os materiais e metodos utilizados no desenvolvimento
deste trabalho.
A implementacao e apresentada no capıtulo 4, abordando os componentes
escolhidos e a respectiva motivacao de cada um para, e , ainda o desenvolvimento
computacional realizado.
A metodologia dos testes realizados pra verificar o funcionamento do sistema
e exposta no capıtulo 5.
Por fim, a conclusao e exposta no capıtulo 6 acompanhada de sugestoes para
trabalhos futuros.
5
Capıtulo 2
Descricao do Projeto
Neste capıtulo sao descritas as especificacoes e as atividades que este sistema
e capaz de desenvolver.
2.1 Visao Geral do Sistema
Nesta secao sera vista a arquitetura sugeridas para uma solucao generica de
sistema de acionamento de motores. Buscou-se desenvolver um sistema de controle e
posicionamento o mais generico possıvel, de forma que possa ser utilizado em diversos
projetos que tenham por intencao controlar e monitorar um objeto posicionado por
motor do tipo brushless DC. A figura 2.1 ilustra o diagrama de blocos da proposta.
Figura 2.1: Diagrama de Blocos do Sistema Completo
6
O mecanismo generico em questao e monitorado pelo sistema Qualisys1 2,
responsavel por adquirir suas coordenadas de posicao. Essa informacao e passada
via Ethernet para um software de interface com o usuario. Esse, por sua vez,
manipula os dados recebidos, alem dos comandos do usuario, e os devolve para a
eletronica embarcada que controla os motores brushless DC.
A eletronica embarcada e composta por dois tipos de placas distintas: um res-
ponsavel apenas pela comunicacao e tranferencia de dados e outro pelo acionamento
de motores. O diagrama de blocos dessas placas pode ser visto na figura 2.2. A
caracterıstica principal da eletronica embarcada e sua modularidade, assim pode-se
adicionar mais modulos (por exemplo, placa de sensores analogicos, monitoramento
de bateria etc) ao sistema sem que alteracoes em hardware sejam necessarias. Essas
placas modulares genericas devem respeitar os protocolos de comunicacao especifi-
cados para o projeto descritos na secao 4.2.
Figura 2.2: Diagrama de blocos da Eletronica Embarcada
O projeto tambem preve uma placa para acompanhar a progressao do gasto
da bateria, cujo diagrama encontra-se na figura 2.3, se houver uma, posto que
1modo de identificacao de posicionamento exigido pelo Laboratorio de Ondas e Correntes
2descrito na secao 3.1
7
tambem e possıvel alimentar o sistema todo com fonte de bancada.
Figura 2.3: Diagrama de Blocos do Monitoramento de Bateria
2.2 Antecedentes e Estudo Preliminar
Conforme exposto na secao 1.3, foram tomados por base dois projetos de
graduacao desenvolvidos anteriormente que apresentaram a modelagem dos motores
BLDC, implementacao de uma interface de teste para controle e monitoracao do
sistema e um primeiro prototipo de eletronica embarcada.
O diagrama de blocos 2.4 exemplifica o sistema proposto e implementado
por Dinau: a central de comando envia a informacao para o dispositivo de controle
mestre, podendo-se escolher entre dois protocolos de comunicacao: IEEE3 802.11
(WiFi) ou por EIA4-485. E a partir disto e responsavel por distribuir os dados para
o seu propulsor e o dispositivo escravo, entao, este ultimo controla o seu propul-
sor. Para realizar o posicionamento dinamico seriam empregados dois propulsores
azimutais nas colunas da plataforma. Cada propulsor possui dois servomotores de
corrente contınua sem escovas (BLDC), um com controle de velocidade para acionar
o helice e outro com controle de posicao para o azimute.
Havia uma unica placa de circuito impresso responsavel por comunicacao e
3Institute of Electrical and Electronics Engineers’
4Electronic Industries Alliance
8
acionamento. Foram observados problemas tecnicos relativos ao funcionamento da
placa e dos propulsores.
Figura 2.4: Diagrama de blocos do sistema antigo
Concluiu-se que era possıvel adaptar e reciclar esse projeto, aproveitando os
estudos previos. Um novo design, caracterizado por ter a placa de circuito impresso
separada em dois modulos - um responsavel pelo acionamento de motores e tele-
metria e outro pela comunicacao serial entre a interface para usuario e o sistema
embarcado - traria os seguintes benefıcios:
Praticidade na manutencao;
Facilidade na distribuicao das atividades entre a equipe do projeto;
Possibilidade de reutilizacao das placas em outros projetos.
Tambem foi dada continuacao ao desenvolvimento das funcoes da interface
de comunicacao com o usuario proposto em [4]. Esta, implementada em Qt(C++),
agora sera aperfeicoada para torna-la apta a se integrar ao o sistema Qualisys via
protocolo TCP/IP, enviar dados de forma serial para a eletronica embarcada, proces-
sar algoritmos de controle e apresentar os dados de localizacao do objeto observado
para o usuario deste software.
9
2.3 Acionamento
Os motores brushless foram projetados visando alta performance e baixo
custo de manutencao pelas industrias aeroespacial e de perifericos de computadores
se tornando um tipo muito utilizado atualmente: possuem vida util mais longa que
um motor com escovas, reducao de interferencia eletromagnetica e maior confiabili-
dade.
A figura 2.5 ilustra o diagrama de blocos dessa placa de acionamento: seu
microcontrolador e capaz de receber informacoes de outros dispositivos pelas inter-
faces CAN5 e EIA-485. Alem disso, possui um decoder - dispositivo responsavel por
interpretar e indicar ao microcontrolador um valor correspondente a rotacao do mo-
tor que provem de um encoder. Este microcontrolador e capaz de tratar esses dados
e computar algoritmos de controle local e acionamento de no maximo dois motores
DC Brushless. Ademais, um sensor de efeito Hall funciona como um monitor de
bateria, uma vez que toda a corrente da placa de circuito impresso passara por ele.
Figura 2.5: Esquematico do Modulo de Acionamento
2.4 Comunicacao
Neste sistema e necessario que haja comunicacao entre:
5Controller Area Network
10
o sistema de aquisicao de posicao Qualisys e o software desenvolvido para o
usuario,
esse software e a eletronica embarcada.
No primeiro caso so ha uma alternativa: transferir os dados via Ethernet
(TCP/IP6). O Qualisys so dispoe desta forma de comunicacao, portanto fora imple-
mentado o padrao de transmissao de dados correspondente.
Figura 2.6: Esquematico do Modulo de Comunicacao
Ja no segundo caso o sistema projetado preve a utilizacao de uma placa
especıfica para a transferencia de dados, representada na figura 2.6. Sao seis tipos
de protocolos de comunicacao diferentes que podem ser interpretados por ela. Esta
parte do sistema, planejada por Reys em [5], sera abordada superficialmente nos
proximos capıtulos, pois ainda encontra-se em fase de desenvolvimento. Apesar
do projeto contemplar a utilizacao dessa placa especial, tambem e possıvel fazer a
comunicacao do PC7 diretamente com a placa responsavel pelo acionamento.
Essas PCIs8 sao do mesmo tamanho e possuem um encaixe, de modo que elas
possam ser empilhadas para ocupar menos espaco horizontal. Ainda assim, tambem
possuem conectores caso se deseje dispo-las lado a lado.
6Transmission Control Protocol/Internet Protocol
7Personal Computer
8Placas de Circuito Impresso
11
2.5 Software
Em [4], Dobbin deu inıcio a elaboracao de uma interface grafica, figura 2.7,
para que um usuario pudesse enviar alguns comandos de controle para os motores
e acompanhar informacoes transmitidas pelo sistema. Esse software era capaz de
enviar mensagem de forma serial, utilizando o apenas o protocolo EIA-232, porem
com facilidades em termos de codigo pra se adicionarem outros protocolos.
Figura 2.7: Interface Grafica para Usuario
Os motores do propulsor da plataforma semissubmersıvel podiam ser contro-
lados: atraves de botoes dessa interface ou por um joystick. De forma que nao havia
posicionamento dinamico, uma vez que nao existia aquisicao de dados da posicao da
plataforma para ”fechar a malha”. Essa aquisicao, que agora sera feita utilizando
o sistema Qualisys, permitira o posicionamento dinamico, e demanda mudancas no
software de [4], discutidas em 4.6.2.
2.6 Objetivos Especıficos do Trabalho
Resumidamente, neste trabalho concentrou-se em alcancar os seguintes obje-
tivos:
propor, projetar e construir um circuito eletronico capaz de acionar e controlar
um motor Brushless DC;
12
desenvolver um firmware para o microcontrolador desse circuito;
implementar as seguintes funcionalidades para o software de interface com
usuario: integrar e interpretar os dados enviados pelo sistema de aquisicao
Qualisys ;
integracao do sistema como um todo;
realizar testes com o sistema completo.
13
Capıtulo 3
Materiais e Metodos
Este capıtulo trata das exigencias do projeto. Os materiais descritos aqui
fazem parte do conjunto de equipamentos disponıveis para uso e testes dos projetos
desenvolvidos no LOC e LEAD. Os dispositivos, apresentados no capıtulo 4, foram
selecionados (ou projetados) de modo a satisfazerem as exigencias descritas aqui.
Segue abaixo uma breve descricao dos materiais mais relevantes, seu modo
de ultilizacao e, ainda, os criterios que devem ser atendidos caso queira-se substituir
algum deles:
3.1 Qualisys
O sistema de aquisicao de posicionamento Qualisys foi recomendado no uso
deste projeto por estar disponıvel para uso no Laboratorio de Ondas e Correntes
(LOC). Este sistema de captura de movimentos se utiliza de cameras de alta precisao,
sensıveis a infra-vermelho, para detectar os marcadores retrorreflexivos passivos ne-
cessarios para essa aquisicao. Um software apropriado, o Qualisys Track Manager
(QTM), coleta e salva esses dados, alem de mostrar em tempo real essa captacao. A
comunicacao entre as cameras e o QTM se da por um cabo Ethernet a velocidade
de 100Mbps. O Qualisys se mostra bastante popular em aplicacoes academicas pela
sua confiabilidade e precisao, sendo utilizado em estudos de biomecanica, animacao,
realidade virtual, aerodinamica, sistemas de controle, como e o caso deste trabalho
de graduacao, entre outros. Na figura 1 3.1, retirada do site da Universidade de
1http://dev.humlab.lu.se/se/facilities/motion-tracking
14
Lund, vemos o sistema de aquisicao em funcionamento: um objeto, neste caso um
ser humano, e registrado em imagens, e seus marcadores reconhecidos pelo software
QTM, gerando duas formas diferentes de visualizacao para o usuario.
Figura 3.1: Utilizacao do Qualisys
No caso deste trabalho de graduacao, o sistema de controle funciona da se-
guinte forma: o Qualisys filma e identifica os marcadores, transformando essa cap-
tura em valores inteiros referentes a uma posicao, esses dados, enviados via Ethernet
sao recebidos pelo software responsavel por ser a interface com o usuario (que sera
descrito secao 4.6.2). Esse software concatena aquele valor inteiro recebido em uma
mensagem compatıvel com o protocolo de comunicacao RS-485, que e enviado, por
sua vez, para o microcontrolador, a partir daı esse dado e interpretado pelo algo-
ritmo de controle e se transforma em um sinal de PWM2 para os motores Brushless
DC.
3.2 Motor Brushless DC
A finalidade deste trabalho e desenvolver um modulo que possa controlar
motores DC sem escovas logo, caracterizar os modelos que estao dentro do escopo
de utilizacao e essencial. A primeira limitacao destacada e a corrente maxima que
a placa de circuito impresso suporta. Suas trilhas foram limitadas a 7 A maximos
de corrente, o que se supoe, a partir de estudos de fichas tecnicas, ser suficiente
2Pulse Width Modulation
15
para alimentar dois motores de ate 48 W de potencia com velocidade dentro do
limite recomendado pelo fabricante. Outro ponto a ser atendido sao as limitacoes
de tensao. Como consequencia do uso de um conversor DC-DC3, nao e possıvel
operar com tensoes abaixo de 5 V, pois todos os dispositivos, a excecao do driver,
sao alimentados a partir do conversor e esse nao atua abaixo daquela tensao. Ja
a voltagem maxima e estabelecida pelo driver 4, cujo funcionamento se limita a
24 V. Alem disso, o modelo de driver e limitado ao uso com motores equipados
com sensor de efeito Hall. Qualquer motor dentro dessas especificacoes pode ser
controlado pelo modulo de acionamento descrito neste trabalho. A tıtulo de testes,
escolheu-se utilizar o modelo 3056024B da marca Faulhaber, bem como o encoder
acoplado a ele.
3.3 Encoder
Um encoder e um dispositivo eletromecanico utilizado para monitorar a
posicao de um eixo movel. Como o objetivo deste trabalho e tornar a placa de
acionamento o mais generica possıvel, varios tipos de encoder podem ser utilizados,
desde que sejam compatıveis com o decoder escolhido.
Foi escolhido o modelo de encoder HEDM-5500 J14 em virtude do motor
especificado possuir este dispositivo acoplado.
3especificado na secao 4.4.2
4especificado na secao 4.1.2
16
Capıtulo 4
Implementacao
Neste capıtulo sao descritos os materiais escolhidos para implementar a placa
de circuito impresso, bem como a motivacao das escolhas. Para estruturar o es-
quematico foi necessario estudar cada componente que deveria ser utilizado no pro-
jeto e, com base nesse estudo, decidir o melhor custo-benefıcio dentre as opcoes
disponıveis no mercado.
Alem disso, tambem e exposto processo de desenvolvimento computacional.
4.1 Dispositivos Relacionados a Potencia
Esta secao se dedica a detalhar os componentes principais utilizados na parte
relacionada a potencia da placa de circuito impresso desenvolvida. A figura 4.1
representa como esses dispositivos foram empregados.
4.1.1 Optoacoplador
Optoacopladores sao utilizados quando se deseja isolamento entre dois sinais.
Na figura 4.2 encontra-se representado o modelo utilizado, um circuito integrado
contendo quatro optoacopladores, SHF6916. Pode-se ver de um lado ha um LED,
que quando alimentado corretamente, emite luz, e do outro um fototransistor, cuja
base quando exposta a luz, conduz corrente, sendo assim realizado um isolamento
optico.
O manual do fabricante deste dispositivo sugere duas maneiras de utilizacao,
na figura 4.3.
17
Figura 4.1: Diagrama de Blocos dos Dispositivos Relacionados a Potencia
Utilizamos esse isolamento visando eliminar o ruıdo que poderia haver da
transmissao de sinais do microcontrolador para o driver, isolamos cada conexao do
primeiro para o segundo dispositivo supracitado. Foram necessarias duas unidades
de circuito integrado, cada uma com 4 optoacopladores, para isolar os 10 sinais de
saıda do microcontrolador para os dois driver.
Segundo os manuais dos fabricantes dos seguintes dispositivos, a tensao tıpica
no diodo do optoacoplador a 5mA e de 1.15V , a tensao na saıda do microcontrolador
e de no mınimo 0.5V , assim, podemos dimensionar o resistor para polarizar este
diodo:
5V = 1.15 × V +R× 5mA+ 0.5V (4.1)
O valor de R e 770Ω, sendo o valor comercial mais proximo, 750Ω. Qualquer
resistor entre 470 e 770Ω serviria para esta finalidade, uma vez que entre 1.1 e
1.3V a corrente pode estar entre 5 e 10mA, variando-se a temperatura em que se
encontra o diodo. Consultando o manual do optoacoplador novamente, podemos
inferir que a tensao de saturacao entre coletor e emissor e de 0.4V e corrente de
coletor aproximadamente 10mA, se a corrente que passa no diodo for 5mA. Para
alimentar os transistores, utilizamos a saıda ’Vcc Hall’ dos drivers que tambem
18
Figura 4.2: Circuito integrado contendo 4 optoacopladores
Figura 4.3: Sugestao de uso pelo fabricante do optoacoplador
servem para alimentar os sensores de efeito Hall dos motores. A corrente maxima
fornecida e de 35mA, segundo manual do driver. A corrente maxima para alimentar
os sensores de efeito Hall e de 18mA.
Na figura 4.4 estao representadas as conexoes feitas para esse projeto.
4.1.2 Driver
A escolha do driver foi tomada com base em um estudo das caracterıticas de
motores disponıveis pra uso nos laboratorios parceiros. O motor de maior potencia
possui 48W de potencia.
O modelo de driver empregado, na figura 4.5, possui varias caracterısticas
interessantes, como peso e dimensoes reduzidas, possibilidade de se utilizar PWM e
baixo custo; por isso foi o selecionado para este trabalho.
19
Figura 4.4: Circuito para Optoacopladores
A figura 4.6 representa o circuito deste dispositivo: ’W1’, ’W2’ e ’W3’ corres-
pondem as fases do motor e sao diretamente ligadas a elas; ’Vcc’ ’Gnd’ alimentam
este modulo; ’Vcc Hall’ alimenta optoacopladores e o sensor de efeito Hall do motor.
DigIN1 e DigIN2 definem o modo de operacao e a variacao da velocidade alcancada,
como essas opcoes sao definidas por uma combinacao de nıveis logicos ’0’ e ’1’, jum-
pers foram usados para aterrar ou alimentar essas entradas. A combinacao ’00’
permite que a velocidade seja controlada por um sinal de PWM ligada ao ’Set Value
Speed’, enquanto as outras tres possıveis combinacoes definem uma faixa velocidade
linear ajustada pela voltagem aplicada - entre 0,1 e 5,0V - ao ’Set Value Speed’
dependendo se o motor e de um, quatro ou oito pares de polos.
Na entrada ’Set Current Limit’, foi deixado um resistor sem valor definido.
Este resistor, segundo o manual do fabricante, parametriza a corrente na saıda do
driver entre 0,5 e 3,0A, e deve suportar no mınimo 62.5 mW de potencia. Essa
corrente deve estar abaixo do limite maximo suportado pelo motor para que nao
hajam danos ao mesmo.
Os pinos ligados ao microcontrolador atraves do dispositivo de isolamento
optoacoplador (4.1.1) sao:
Set Value Speed recebe do microcontrolador um sinal de PWM que corresponde
20
Figura 4.5: Amplifier DEC Module 24/2
a velocidade de rotacao que se deseja no motor;
Direction esta entrada determina o sentido de giro do motor: horario ou anti-
horario;
Enable habilita o funcionamento do dispositivo e
Ready e uma saıda que indica ao controlador se o dispositivo esta pronto para
funcionamento.
Figura 4.6: Circuito para o Driver
21
4.1.3 Decoder
Para interpretar as informacoes dadas em forma de ondas quadradas pelo
encoder e necessario um decoder. Escolheu-se o modelo HCTL2032 pelas seguintes
vantagens:
flexibilidade para operar com motores de variadas faixas de velocidades: entre
2 e 33MHz;
opera com um ou dois eixos;
possui um contador de 32-bit;
opera em uma larga faixa de temperaturas: de −40C a 100C
Estilo de montagem SMD;
Baixo custo.
A figura 4.7 retirada do manual do modelo de decoder utilizado representa
como devem ser feitas as conexoes entre um encoder, o decoder em questao e um
microcontrolador (AT90S8535). Outro modelo de microcontrolador foi utilizado,
como sera abordado nas proximas secoes, mas a forma de conexao e equivalente.
Figura 4.7: Conexoes entre encoder, decoder e microcontrolador
22
O encoder utilizado possui tres canais (CHA, CHB e CHI) no entanto, as
entradas para o terceiro canal (CHI) nao foram utilizadas, caso queira-se utilizar
no futuro, devera ser feito outro layout que contemple o uso desse canal. As saıdas
CNTDEC, U/D e CNTCAS nao foram utilizadas porque sao empregadas para co-
locar decoders em cascata quando ha a necessidade de contagem maior que 232.
4.2 Protocolos de Comunicacao
Na figura 4.8 esta o diagrama de blocos referente a parte de comunicacao do
projeto da placa de circuito impresso.
Figura 4.8: Diagrama de Blocos Relacionado a Logica
Para a placa de comunicacao enviar e receber dados sao necessarios modulos
que interpretem as mensagens e as envie para o microcontrolador.
Essa transferencia de dados pode ser feita de duas formas, como explicado
na secao 2.4: diretamente da interface com usuario para a placa de acionamento ou
23
dessa interface para a placa dedicada a comunicacao, que trabalha os dados antes
de enviar a placa de acionamento, Neste trabalho so serao abordados os protoco-
los existentes na placa de acionamento. A placa de circuito impresso dedicada a
comunicacao e tema de trabalhos futuros.
A placa de acionamento conta com dois modulos que interpretam protocolos
diferentes. A seguir, cada um e descrito em detalhes.
4.2.1 Protocolo CAN
Um dos protocolos escolhido para distribuicao dos dados foi o CAN, este
protocolo de comunicacao serial sıncrono foi desenvolvido para permitir troca de
mensagens entre microcontoladores e outros dispositivos em tempo real com alta
confiabilidade [6]. A principal caracterıstica dessa arquitetura e que cada mensagem
possui um identificador unico que define seu conteudo e prioridade na rede, o que
e um muito vantajoso quando tratamos de competicao por acesso ao barramento,
ou seja, multiplas estacoes se comunicando. Esta e uma caracterıstica importante
pelo fato que pode-se incluir novas estacoes (ate 110) a rede sem necessidade de
mudancas em software ou hardware, o que e especialmente interessante no caso de
estar se fazendo a comunicacao utilizando a placa dedicada a comunicacao: pode-se
adicionar varias placas de acionamento aquela placa sem fazer alteracoes no projeto.
Um quadro basico de mensagem em CAN possui 7 campos a serem preenchidos. Sao
eles: Start of Frame, Arbitration Field, Control Field, Data Field, CRC Field, ACK
Field e End of Frame.
Utilizamos o modelo de transceiver PCA82C250, que e a interface entre o
protocolo CAN e o barramento fısico. Este modelo possui tres modos de operacao
distintos que pode ser selecionados pela entrada Rs, foi colocado um jumper depois
do resistor ligado a essa entrada para que se possa variar o modo de operacao
de acordo com a necessidade do usuario. Demais valores de componentes foram
sugeridos pelo datasheet do fabricante. Foram usados dois conectores para que se
possa fazer o barramento, ou seja, o sinal recebido por um conector e entregue por
outro. A figura 4.9 mostra o diagrama das conexoes feitas.
24
Figura 4.9: Circuito do Modulo CAN
4.2.2 Protocolo EIA-485
O padrao EIA-485 (RS-485), que especifica as caracterısticas eletricas do
circuito, tomou como base o protocolo EIA-232 de modo a aprimora-lo e realiza a
transmissao de dados digitais balanceada (diferencial) atraves de um par de cabos
trancados, seus principais aspectos, de acordo com [7], sao:
taxa de transmissao de ate 50M bits/s;
comprimento da linha de transmissao de ate 1200m;
pouca emissao de ruıdo devido ao par diferencial;
capacidade de multiplos receptores.
Por essa serie de vantagens, esse protocolo foi escolhido, alem do CAN, para a
transferencia de dados. Optou-se pelo modelo MAX485 da Maxim por ser de baixo
consumo e chegar a taxa de transmissao maxima de 2,5Mbps. Este modelo, cujo dia-
grama esta representado na figura 4.10, suporta somente a configuracao de operacao
half-duplex, na qual somente pode haver um transmissor ativo no canal de dados.
Este tipo de configuracao pode ser implementada em diversos tipos de topologia,
por exemplo: em estrela, anel, barra ou Daisy-Chain. Essa escolha depende de como
se deseja utilizar a placa de acionamento, com quais outros dispositivos deseja-se
estabelecer comunicacao. Embora o projeto tenha sido desenvolvido pensando em
25
multiplas (e futuras) aplicacoes, nas sugestoes de uso citadas na Introducao deste
trabalho as topologias citadas nao foram empregadas: apenas foi necessario estabe-
lecer comunicacao entre um PC e a placa de acionamento.
Figura 4.10: Circuito do Modulo RS-485
4.3 Microcontrolador
O dispositivo abordado nessa secao e, basicamente, um computador: contem
nucleo de processamento, memorias e diversos perifericos. Microcontroladores sao
comumente utilizados como solucoes para projetos de eletronica embarcada, como
automoveis, celulares, eletrodomesticos, etc, por geralmente serem pequenos, con-
sumirem pouca energia e serem de baixo custo.
O microcontrolador e um dispositivo determinante para toda a concepcao do
projeto: e ele quem faz a leitura do encoder; recebe e envia dados transferidos pelos
protocolos de comunicacao; faz a leitura do consumo de energia, ou seja, monitora o
gasto de bateria; e emite os sinais de direcao e velocidade (em PWM) para o driver.
A escolha do modelo empregado foi feita de modo a satisfazer criterios impor-
tantes: atendimento das necessidades de computacao do projeto, ou seja, memoria
suficiente para programacao; custo; facilidades para desenvolvimento de firmware;
suporte as aplicacoes de conectividade; canais de PWM para controle dos motores;
e quantidade de pinos de entrada/saıda suficientes. Elegeu-se o AT90CAN64, um
microcontrolador da famılia AVR, fabricada pela Atmel, por ja possuir um modulo
CAN (protocolo de comunicacao abordado na secao 4.2) integrado, alem das outras
qualidades consideradas no escopo. Para que o microcontrolador opere de forma
26
estavel e necessario que a alimentacao possua desacoplamento, por isso as entradas
VCC e AVCC contam com filtros passa-baixas sugeridos pelo fabricante.
O modelo do AT90CAN64 para Altium foi feito tomando como base o AT-
mega64, que ja havia disponıvel na biblioteca desse CAD, as entradas que eram
diferentes foram alteradas para que ficasse identico ao modelo desejado. Ha um
push-button no layout para fazer o reset do microcontrolador, o SWMPB da figura
4.11.
Figura 4.11: Conexoes do Microcontrolador AT90CAN64
Figura 4.12: Gravador AVRISPmkII
27
O conjunto de instrucoes operacionais gravados nesse dispositivo e chamado
firmware e sera amplamente discutido em 4.6.1. A gravacao desse programa no dis-
positivo e realizada por uma ferramenta chamada gravador, mostrada na figura 4.12,
quando conectada ao P6 (ISP) da figura 4.11 e a um software proprio para desenvol-
vimento de AVR, no caso, optou-se pelo AtmelStudio, no entanto qualquer outro
ambiente capaz de gravar microcontroladores dessa famılia poderia ser empregado
na funcao. O conector nomeado na figura 4.11 como P14, JTAG ICE Connector
IDC1-10, e utilizado para conectar o µC ao PC atraves de uma ferramenta chamada
JTAGICE2 mkII. Aplica-se tal ferramenta quando ha necessidade de se depurar co-
nexoes, iniciando uma sessao de debugWIRE oferecida pelo programa AVR Studio
a partir da versao 4.09 do fabricante Atmel.
4.4 Alimentacao
O circuito pode ser alimentado por uma bateria ou mesmo por uma fonte de
bancada, desde que seja capaz de fornecer os 5 V mınimos para o funcionamento dos
circuitos integrados; e atencao para o limite de 7,5 A maximos de corrente que este
placa pode consumir devido a restricoes em relacao a espessura e largura das trilhas
de cobre. Uma chave liga-desliga foi incluıda, juntamente com LED para indicar se
o circuito esta energizado.
Figura 4.13: Diagrama de Blocos da Alimentacao
Na figura 4.13 vemos os dispositivos utilizados para alimentar o sistema e nas
proximas subsecoes explicacoes em detalhes de cada um.
1Insulation-displacement contact
2Joint Test Action Group In-circuit Emulator
28
4.4.1 Fusıvel
Foi adicionado um fusıvel para protecao do circuito entre a bateria e a chave
de liga/desliga, modelo HF469, que suporta ate 8A de corrente. Para o dimensiona-
mento deste foi considerada a utilizacao do modelo de motor definido da secao 3.2.
Para outros motores esse dispositivo necessita ser redimensionado.
4.4.2 Conversor DC-DC
O tipo de driver escolhido opera a uma tensao de alimentacao maxima de
24V, porem, os outros dispositivos sao alimentados com 5V, desta maneira, para
utilizar somente uma fonte de alimentacao e necessario um conversor DC-DC, onde
se aplica a tensao maior na entrada e na saıda, obtem-se a tensao de menor valor.
A figura 4.14 exibe as conexoes feitas entre o conversor e a placa de circuito
impresso. Nota-se que e um circuito bastante simples: na entrada tem-se os 24V
de tensao e na saıda 5V, alem disso, ha um desacoplamento entre os terras de
potencia (0V) e o de sinal (GND). Um jumper pode ser curto-circuitado no caso da
bateria usada fornecer 5V de tensao, pois nesse caso o conversor nao e necessario.
O modelo escolhido (VAWQ-Q24-S5H) opera com a tensao tıpica de 24V, porem
converte para 5V tensoes de entrada entre 9 e 36V, portanto, pode ser utilizado com
uma gama maior de baterias/fontes de alimentacao, lembrando, no entanto, que o
Driver Maxon utilizado suporta uma alimentacao maxima de 24 V.
Figura 4.14: Circuito do Conversor DC-DC
29
4.5 Placa de Circuito Impresso
Uma placa de circuito impresso possui trilhas e ”pads”onde se fixam os cone-
tores e dispositivos eletronicos por meio de soldagem. Estas trilhas, ou vias, feitas
de cobre, permitem a passagem de corrente eletrica necessaria para alimentar os
componentes e tambem de sinais. [8]
Existem dois tipos de soldagem de componentes:
Through-hole
Exatamente como o nome pressupoe, o componente tem seus terminais solda-
dos atraves de um furo na placa
SMD3
Nao requer furos, o componente e soldado simplesmente sobre a placa.
Utilizou-se preferencialmente a tecnologia SMD pois seus componentes sao
menores, o que leva a uma melhor performance em termos de compatibilidade ele-
tromagnetica e economia de espaco na placa; melhor performance mecanica em
condicoes de vibracao e, tambem, esse tipo de componente pode ser utilizado em
placas dupla face, como e o caso desta placa de acionamento. Porem, nem todos
os dispositivos utilizados sao encontrados nessa tecnologia e acabou por se utilizar
alguns trough-hole.
Para projetar essas placas foi utilizado o software de CAD Altium Desig-
ner Realease 10, uma ferramenta de uso profissional que permite criacao de es-
quematicos, de roteamento, mascaras de solda; e visualizacao das placas de circuito
impresso em 3D.
A figura A.1 mostra a primeira fase de desenvolvimento: montar um es-
quematico contendo todos os dispositivos que serao utilizados na placa. Depois,
importa-se o footprint de cada um desses dispositivos para um arquivo, onde escolhe-
se a disposicao de cada elemento e o seu roteamento, na figura 4.15. Ja na figura
4.16 e possıvel visualizar a placa desenhada em 3D, o que e bastante util para fazer
uma verificacao final da PCI.
O calculo da largura das trilhas depende de alguma variaveis: corrente eletrica,
espessura da pista de cobre, o gradiente de temperatura maximo permitido, com-
3Suface Mount Device
30
Figura 4.15: Roteamento da placa de circuito impresso
primento da trilha, e se a mesma se encontra em uma camada interna ou externa
da PCI.
Decidiu-se que para as trilhas de 24 V , 7 A seriam suficientes para alimentar
as tres fases de dois motor DC sem escovas. Utilizando graficos do manual IPC-
2221A [9] da Association Connecting Electronics Industries sobre padroes em placas
de circuito impresso, concluiu-se que a pista de cobre deve possuir largura de 1,27
mm; com 2 Oz./ft3 de Cobre, o que equivale a 52,5 µm de espessura de cobre;
e, com variacao de temperatura de 30 C . Ja para a trilha de 5 V, responsavel
por alimentar os CIs4, teremos 0,5 A, com variacao de 10 C, e, portanto, a trilha
possuira 0,254 mm de largura.
4.5.1 Conectores
Foram necessarios nove conectores para a placa:
Um para a fonte de alimentacao;
Um para cada motor que pode ser acionado por esta placa, dois no total;
Um para cada encoder, tambem totalizando dois;
4Circuitos Impressos
31
Figura 4.16: Visualizacao 3D da placa de circuito impresso
Dois para realizar a comunicacao via RS-485;
Por fim, mais dois para realizar a comunicacao via CAN.
Como informado na secao 2.2 era importante realizar esforcos para que este
modulo de acionamento fosse o menor possıvel, portanto, os conectores precisariam
ser de tamanho reduzido. Outro fator que foi considerado e a possibilidade de usar
a placa em ambiente de vibracao. Seguindo essas especificacoes, chegou-se a escolha
dos conectores da marca Molex, linha DuraClick.
A figura 4.17 mostra esses conectores afixados ao modulo de acionamento.
E importante ressaltar que esta linha de conectores possui algumas desvanta-
gens, bem como alto custo, pouco encontrada no mercado e a crimpagem necessita
de alicate proprio.
32
Figura 4.17: Vista Superior da Placa de Circuito Impresso
4.6 Desenvolvimento Computacional
A parte de programacao deste trabalho pode ser dividida em duas partes:
firmware e software para interface com usuario. Ambas se complementam, os dois
programas precisam se comunicar entre si.
4.6.1 Firmware
O firmware que tambem e chamado de ”software embarcado”e o conjunto de
instrucoes gravados na memoria do microcontrolador, sendo assim uma especie de
sistema operacional de equipamentos eletronicos. Esse pacote de instrucoes e res-
ponsavel por inicializar e executar o hardware e descrever as funcoes desempenhadas.
Neste trabalho, trabalhou-se com a linguagem de programacao C na padronizacao
ANSI5 e o compilador CodeVisionAVR V.2.04.4a.
5American National Standards Institute
33
Basicamente todo o procedimento sera comum as aplicacoes encontradas para
o sistema descrito neste trabalho, exceto pelo algoritmo de controle. Esta e a
parte que e caracterizada pela individualidade de um projeto: cada um tera sua
propria modelagem, ganhos, parametros etc. Isso significa que para cada aplicacao,
o firmware devera ser atualizado ou adaptado para que a sua finalidade seja al-
cancada.
Certos comandos genericos sao uteis em qualquer projeto de controle de mo-
tores, por exemplo: frear, girar em uma velocidade fixa, leitura de encoder e mudar
a direcao do giro. Por isso, foram criados comandos diversos para essas situacoes de
uso universal, alem daquelas necessarias para utilizacao em conjunto com o sistema
Qualisys. A tabela 4.1 mostra todos os comandos programados para este microcon-
trolador.
4.6.2 Software
Neste trabalho foi aproveitado o software desenvolvido em [4], que havia
projetado uma interface especıfica apenas para o projeto da plataforma em escala
CyberSemi, na figura 4.20. Este software e capaz de realizar a comunicacao atraves
do protocolo EIA-232, de modo que e possıvel fazer o envio de setpoints para o
sistema embarcado, ou seja, controle manual de variaveis como velocidade e angulo
de propulsores atraves dos botoes na interface ou de um joystick ; adquirir os valores
das variaveis dos motores e calibrar parametros do controlador embarcado.
Todo o software foi implementado com Qt, um framework de desenvolvi-
mento de aplicacao em C++ para criacao de interfaces graficas multiplataforma.
Esta tecnologia permite a criacao de janelas e formularios com facilidade, apenas
arrastando blocos pre-definidos com suas ferramentas graficas.
Houve necessidade de se fazer manutencao e adicionar funcionalidades ao
codigo para que o controle pudesse funcionar nao somente de forma manual, mas
tambem automaticamente, mantendo-se a arquitetura proposta em [4]. Para isso, o
primeiro passo foi integrar esta interface ao sistema Qualisys, na figura 4.21 pode-se
ver uma janela pop-up que aparece ao se escolher a opcao Qualisys no menu ”Tools”,
34
nela, escolhe-se o nome do servidor e a porta de TCP/IP por onde o sistema fara a
transferencia dos dados de posicao.
A comunicacao atraves do protocolo EIA-232 e habilitada quando o for-
mulario Communication Port Configuration, figura 4.22 e aberto e confirmado a
partir do botao Configure da janela principal. Optou-se por deixar implementada so-
mente a configuracao padrao para facilitar o desenvolvimento do codigo do firmware.
35
Figura 4.18: Fluxograma do pooling Principal
36
Figura 4.19: Fluxograma da Interrupcao Temporal
37
Comando Descricao
Prepara Gira o motor a 30 por cento de sua capacidade maxima
em sentido horario
Le Topo Le o valor do encoder e salva na variavel ”topo”
Qualisys Le o valor do Qualisys
Brake Freia o motor
Ref Vel Gira o motor em sentido horario em velocidade escolhida
Ref Vel Menos Gira o motor em sentido anti-horario em velocidade es-
colhida
Le Encoder Salva o valor do encoder na variavel ”encdata”
Le versao Informa a versao do firmware
Tabela 4.1: Comandos do Firmware
Figura 4.20: Interface de Operacao CyberSemi
38
Figura 4.21: Formulario Qualisys
Figura 4.22: Formulario de Comunicacao
39
Capıtulo 5
Testes
A montagem da placa foi feita para que pudessem ser realizados os testes e
se averiguar o funcionamento, na figura 5.5.
Em virtude de no firmware ter sido implementado o protocolo de comunicacao
EIA-485 e na interface de operacao o RS-232, necessitou-se um conversor entre esses
dois protocolos, na figura 5.2. O modelo ICP Con da serie 7000 possui utilizacao
bastante simplificada, basta:
conectar a sua entrada a porta D-sub de 9 pinos macho do PC, comumente
utilizada para saıda de vıdeo;
ligar um par trancado entre sua saıda e o barramento de EIA-485 da placa de
acionamento;
alimentar este dispositivo com uma fonte de tensao entre 10 e 30VDC.
Em virtude da complexidade do circuito, levou-se um tempo consideravel
para testar todos os componentes da placa de circuito impresso. Assim, pudemos
identificar as seguintes falhas tecnicas:
Confusao entre o ”terra”de sinal e de potencia
Durante o projeto da placa de circuito impresso, uma trilha do terra de sinal
foi colocada erroneamente no conector do motor, que deveria estar ligado ao
terra de potencia.
Solucao: Deixar o jumper entre ambos os terras permanentemente ligado, o
que compromete a reducao de interferencia eletromagnetica.
40
Figura 5.1: Montagem da Placa de Acionamento
Optoacoplador mal projetado
O isolamento deve ser entre sinais do microcontrolador para o driver. Os
sinais DEC X READY foram ligados no sentido oposto, o que causa o nao
funcionamento correto do dispositivo.
Solucao: retirar os resistores desses sinais para que o optoacoplador fique em
circuito aberto.
Apos solucoes tecnicas alternativas efetuadas, prosseguiu-se os testes com a
parte de firmware e interface. Apos os ensaios e alguns ajustes, constatou-se que
o codigo embarcado no microcontrolador esta operante. Ja a interface de operacao
41
Figura 5.2: Conversor ICP Con
apresentou deadlock 1 quando se deseja encerrar a aquisicao de dados do sistema
Qualisys.
5.1 Proposta de Teste
O equipamento desenvolvido foi levado ao LOC para realizar testes relativos
ao projeto de carregamento de navios. O Laboratorio dispoe de um tanque (figura
5.3), capaz de simular ondas marıtimas, um modelo em escala de navio, alem de ter
sido construıdo um modelo de guindaste para essa finalidade.
Na figura 5.6 pode-se observar o diagrama de blocos que representa o sistema
de compensacao do movimento vertical de ondas, chamado Heave Compensation,
onde o bloco controller e implementado pelo sistema descrito nesse trabalho. Fora
gravado no microcontrolador um algoritmo de controle, desenvolvido pelo LOC, para
esta finalidade. Este diagrama e toda a pesquisa envolvida sao de responsabilidade
do LOC.
Na figura 5.5 esta o diagrama de blocos da montagem feita para realizar esse
teste.
Primeiro, efetuou-se um teste sem ondas, de modo que o controle e extrema-
mente simples, basta o algoritmo de controle comparar a posicao que se encontra
a carga e o fundo do navio. Quando esses valores sao iguais o motor do guindaste
pode parar. Nesse primeiro teste, a eletronica embarcada desenvolvida pode ser
considerada aprovada: o funcionamento se deu como esperado.
1bloqueio de processo.
42
Depois, prosseguiu-se com ondas, neste caso e necessario utilizar o algoritmo
de controle PID2 proposto na pesquisa - que ainda se encontra em fase de aper-
feicoamento - idealizada pelo LOC. Observou-se alta instabilidade, o que indicou
que este algoritmo precisa de melhorias, que atualmente estao sendo estudadas.
Figura 5.3: Tanque de testes no LOC
Figura 5.4: Montagem do Sistema para Testes
O procedimento fora realizado com sucesso, a interface de usuario e firmware
operaram como esperado, apesar de serem observados pontos onde podem haver
melhorias, apontadas no proximo capıtulo. O teste referente a plataforma semis-
2Controlador Proporcional Integrativo Derivativo
43
Figura 5.5: Montagem do Sistema no Tanque de Testes
submersıvel depende do projeto mecanico de seus propulsores, portanto ainda nao
pode ser realizado.
44
Figura 5.6: Diagrama de Blocos do Sistema Heave Compensation
45
Capıtulo 6
Conclusao e Trabalhos Futuros
Este trabalho apresentou a proposta de um sistema de controle para motores
DC sem escovas composto por placas de circuito impresso, software de interface com
usuario, software embarcado e aquisicao de posicao pelo sistema Qualisys. Foram
mostrados os materiais empregados, bem como a metodologia de projeto e desen-
volvimento de cada componente e codigo implementado. Atraves de experimentos,
constatou-se que o sistema se apresenta razoavel e atende as condicoes desejadas.
O sistema revelou-se util para utilizacao em prototipagem de projetos de controle.
Assim, os objetivos citados na secao 2.6 foram concluıdos.
Com trabalhos futuros sugere-se:
eliminar erros que demandaram solucoes tecnicas alternativas, ou seja, elaborar
uma placa de circuito impresso corrigida;
resolver o problema de deadlock na interface de operacao. O que acarretaria
em uma nova proposta de arquitetura do software, possivelmente fazendo uso
de threads ;
finalizar a montagem da placa de circuito impresso dedicada a comunicacao;
desenvolver o firmware dessa placa;
montagem da placa de uso opcional de monitoramento de bateria, que ja fora
desenvolvida;
realizacao de mais testes afim de identificar pontos de melhoria.
46
Espera-se que este trabalho seja util para projetos futuros, e alem disso, se
torne um produto viavel de comercializacao.
47
Referencias Bibliograficas
[1] CORRENTES, L. D. O. E., “Sobre o LOC”, 2015, [Online; acessado em marco
de 2015].
[2] DINAU, P., Projeto e Implementacao de Controle de Posicao e Velocidade de
Servomotores DC Brushless e Proposta de Posicionamento Dinamico de um Mo-
delo em Escala de Plataforma Semi-Submersıvel. M.Sc. dissertation, Universi-
dade Federal do Rio de Janeiro, Abril 2009.
[3] EIKELAND, F. N., Compensation of Wave-Induced Motion for Marine Crane
Operations. M.Sc. dissertation, Norwegian University of Science and Technology,
Junho 2008.
[4] DOBBIN, T. M. C. V. D. C., Amprimoramento da Eletronica Embarcada e do
Interfaceamento para a Plataforma Semi-Submerssıvel Cyber-Semi. M.Sc. disser-
tation, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Setembro 2011.
[5] LUCIANA NETTO DOS SANTOS REYS, JOYCE MERGULHAO, R. F. C.,
COSTA, R. R., “Eletronica Embarcada e Interfaceamento da Plataforma Semis-
submersıvel Cyber-Semi”, VII Semana de Petroleo e Gas SPE/UFRJ, , 2012.
[6] BOSCH, R., “CAN Specification version 2.0”, BOSCH, 1991.
[7] INSTRUMENTS, T., “Interface Circuits for TIA/EIA-485 (RS-485) - Applica-
tion Report”, 2008.
[8] SPARKFUN, “PCB Basics”, 2015.
[9] INDUSTRIES, A. C. E., “Generic Standard on Printed Board Design”,
http://www.ipc.org, 2003.
Apendice A
48
Apendice A
Esquematico da Placa de Circuito
Impresso
Figura A.1: Esquematico da placa de circuito impresso gerado no software Altium
49
