Post on 11-Oct-2015
ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO
FABIANO ARMELLINI
Projeto e implementao do controle de posio de uma antena de radar
meteorolgico atravs de servomecanismos
So Paulo 2006
FABIANO ARMELLINI
Projeto e implementao do controle de posio de uma antena de radar
meteorolgico atravs de servomecanismos
Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.
rea de concentrao: Engenharia de Controle e Automao Mecnica Orientador: Prof. Dr. Agenor de Toledo Fleury
So Paulo 2006
FICHA CATALOGRFICA
Armellini, Fabiano
Projeto e implementao do controle de posio de uma antena de radar meteorolgico atravs de servomecanismos / F. Armellini So Paulo, 2006.
123 p.
Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos.
1. Sistemas de Controle 2. Servomecanismos 3. Antenas 4. Estruturas Flexveis (Controle) 5. Radares I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos II.t.
Ad Deum, qui ltficat juventtem meam (Ps XLII, 4)
AGRADECIMENTOS
H tantas pessoas dignas de meno, que temo ser injusto nesta hora, pelos nomes
que forosamente terei que omitir em funo do curto espao que tenho para tal.
Primeiramente eu gostaria de agradecer e prestar homenagem aos meus pais, Laerte
e Neusa, a quem Deus confiou minha educao e formao, que sempre procuraram
corresponder a esta responsabilidade com muito zelo, dedicao e sacrifcio.
Gostaria tambm de agradecer ao Prof. Dr. Orlando Fedeli, sua esposa, a Profa.
MSc. Maria Ivone Pereira de Miranda Fedeli e a todos da Associao Cultural
Montfort que, pelo conhecimento, convvio e bom exemplo, muito contribuem para a
minha formao cultural e religiosa.
No que tange a minha formao acadmica e profissional, agradeo primeiramente a
todos os professores do Departamento de Engenharia Mecnica da Escola Politcnica
da USP, nominal e especialmente ao meu orientador de mestrado, o Prof. Dr. Agenor
de Toledo Fleury (2003-2006), ao orientador de minha dissertao de graduao, o
Prof. Dr. Diolino Jos dos Santos Filho (2002) e ao meu orientador de Iniciao
Cientfica, o Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski (1998-2000).
Devo uma meno especial aos meus grandes amigos e scios da Allagi Engenharia,
Eng. MSc. Bruno Rondani, Eng. Rafael Rocha Levy, Eng. Henri Shinichi de Souza
Okajima e Eng. MSc. Gustavo Ribeiro Alves, pelo contnuo apoio e incentivo.
Agradeo tambm Omnisys Engenharia, nas pessoas de seus scios-diretores: Eng.
MSc. Luiz Manoel Dias Henriques, Eng. Edgard Lima de Meneses e Eng. Jorge
Hidemi Ohashi, no s pela bolsa de estudos oferecida para realizao do presente
trabalho, mas principalmente pela confiana e pela oportunidade.
Finalmente, agradeo Fapesp, na pessoa de seu Presidente, o Prof. Dr. Carlos Vogt,
pelo financiamento do projeto atravs do Programa de Inovao Tecnolgica em
Pequena Empresas (PIPE), fases II e III.
tu, quem quer que sejas, que te sentes longe da terra firme, arrastado pelas ondas deste mundo, no meio das borrascas e tempestades, se no queres soobrar, no tires os olhos da luz desta estrela. Se o vento das tentaes se levanta, se o escolho das tribulaes se interpe em teu caminho, olha a estrela, invoca Maria. Se s balouado pelas vagas do orgulho, da ambio, da maledicncia, da inveja, olha a estrela, invoca Maria. Se a clera, a avareza, os desejos impuros sacodem a frgil embarcao de tua alma, levanta os olhos para Maria. Se, perturbado pela lembrana da enormidade de teus crimes, confuso vista das torpezas de tua conscincia, aterrorizado pelo medo do Juzo, comeas a te deixar arrastar pelo turbilho da tristeza, a despenhar no abismo do desespero, pensa em Maria. Nos perigos, nas angstias, nas dvidas, pensa em Maria, invoca Maria. Que seu nome nunca se afaste de teus lbios, jamais abandone teu corao; e para alcanar o socorro da intercesso dela, no negligencies os exemplos de sua vida. Seguindo-a, no te transviars; rezando a ela, no desesperars; pensando nela, evitars todo erro. Se ela te sustenta, no cairs; se ela te protege, nada ters a temer; se ela te conduz, no te cansars; se ela te favorvel, alcanars o fim. E assim verificars, por tua prpria experincia, com quanta razo foi dito: E o nome da Virgem era Maria."
So Bernardo de Claraval
RESUMO
Uma antena-radar clssica composta basicamente de uma fonte primria justaposta
a um foco refletor parablico. A lei de iluminao estabelecida de maneira a
satisfazer, to precisamente quanto possvel, a forma do feixe desejado. a
movimentao do conjunto que garante a cobertura de explorao desejada.
O presente texto estuda o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz
de suportar e posicionar uma antena de radar, dentro de parmetros e restries
definidas. Os objetivos do trabalho so: levantar e estudar os fatores relevantes para
especificao de um projeto de controle de posio de uma antena-radar atravs de
servomecanismos; apresentar uma proposta de projeto de controle de posio atravs
de servomecanismo; propor um modelo estrutural terico consistente do conjunto
antena-radar para fins de simulao dinmica e anlise modal da estrutura, e
apresentar a implantao do sistema de controle proposto num projeto real de
Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorolgico.
A proposta de controle foi aplicada com xito no Modelo de Engenharia do Radar
Meteorolgico Doppler RMD700S-1M, desenvolvido pelo consrcio Omnisys/Atech,
que foi instalado e opera em Mogi das Cruzes/SP. O texto apresenta, de forma
estruturada, os fatores relevantes que devem ser levados em considerao para o
desenvolvimento de um projeto deste tipo.
Como concluses do texto, so apresentadas consideraes com relao ao projeto,
apontando pontos positivos e negativos do desenvolvimento.
Palavras-chave: Sistemas de Controle; Servomecanismos; Antenas; Controle de
Estruturas Flexveis; Radares
ABSTRACT
A classical radar antenna is basically composed of a primary source mounted at the
focal point of a parabolic reflector. The illumination rule is established so that the
desired beam-shape is attained, as precisely as possible. The physical motion of the
set guarantees the coverage of the desired volume of exploitation.
The actual text studies the design and development of a servomechanism capable of
supporting and positioning a radar antenna, within well-defined parameters and
restrictions. The aims of the dissertation are: determination and study of relevant
factors for the specification of a control system design for the positioning of a servo-
driven radar antenna; presentation of a servo-driven positioning control system
design proposal; proposal of a consistent theoretical structural model of the radar
antenna set for the purpose of dynamic simulation and modal analysis of the
structure and; presentation of the implementation of the proposed control system in
a real Engineering design project: a servo-driven weather radar antenna.
The control propose was successfully employed at the Engineering Model of the
Doppler weather radar RMD700S-1M, developed by the trust Omnisys/Atech,
installed and operant at Mogi das Cruzes/SP. The text presents, in a structured form,
all relevant factor that must be taken into account in the development of such design.
The conclusions drawn at the end of the dissertation are considerations regarding the
design, which point out faults and weak points of the development.
Keywords: Control Systems; Servomechanisms; Antennas; Flexible Structure Control;
Radars
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Sistema esfrico de coordenadas utilizado em radares............................................................18
Figura 2 Diagrama em blocos fundamental de um sistema radar .........................................................19
Figura 3 Volume meteorolgico produzido pelo radar RMD700S-1M ..................................................21
Figura 4 Radar mvel de aquisio de alta potncia (HIPAR) da Nike Air Defence .............................23
Figura 5 Tela de monitoramento de trfego areo .................................................................................23
Figura 6 Tipos de posicionador ..............................................................................................................25
Figura 7 Posicionadores do tipo Elevao sobre Azimute (EL/AZ) ......................................................26
Figura 8 Mecanismo do tipo Azimute sobre Elevao (AZ/EL) ............................................................26
Figura 9 Mecanismo "hexapod"..............................................................................................................27
Figura 10 Antena hexapod Banda X da Zodiac/In-Snec ..........................................................................28
Figura 11 Radar phased-array THAAD (Theater High Altitude Area Defense) ...........................................29
Figura 12 Radar GBR-P da Raytheon com tecnologia phased-array hbrida............................................30
Figura 13 Servomecanismo de acionamento manual .............................................................................35
Figura 14 Malha de controle bsica para servomecanismos ..................................................................35
Figura 15 Malha de rastreamento automtico........................................................................................36
Figura 16 Radome ..................................................................................................................................43
Figura 17 Redundncia da representao angular em radares de trajetografia .....................................46
Figura 18 Funcionamento bsico de um motor brushless........................................................................49
Figura 19 Construo de um motor brushless de 3 fases.........................................................................50
Figura 20 Modulao PWM das fases U, V e W de um motor brushless de 3 fases ................................51
Figura 21 Retificador de entrada do servoconversor .............................................................................51
Figura 22 Modulao na sada do servoconversor por IGBT's ...............................................................52
Figura 23 Princpio de funcionamento do encoder ptico absoluto ........................................................54
Figura 24 Protocolo de comunicao serial padro SSI ..........................................................................58
Figura 25 Camadas de proteo contra fim-de-curso.............................................................................62
Figura 26 Rampa de atenuao do batente eletrnico superior .............................................................63
Figura 27 Principais dimenses da antena com radome. .......................................................................64
Figura 28 Grfico do torque de vento de acordo com a posio da antena............................................68
Figura 29 Clculo do torque de vento por meio de anlise FEM ...........................................................68
Figura 30 Diagrama da malha de controle .............................................................................................70
Figura 31 Acoplamento dos eixos em trajetografia ................................................................................70
Figura 32 Modelo mecnico da planta ...................................................................................................71
Figura 33 Modelo eltrico do servomotor ..............................................................................................73
Figura 34 Diagrama em blocos de controle do sistema ..........................................................................74
Figura 35 Lugar das razes para a malha aberta de controle de posio ................................................76
Figura 36 Funo de transferncia..........................................................................................................79
Figura 37 Representao dos bastidores do Modelo de Engenharia ......................................................83
Figura 38 Modelo de Engenharia do Radar RMD700S-1M em Mogi das Cruzes/SP ............................86
Figura 39 Diagrama em blocos geral do sistema de controle .................................................................87
Figura 40 Contexto de software ...............................................................................................................89
Figura 41 Arquitetura de software...........................................................................................................89
Figura 42 Modos de operao do software de controle ...........................................................................91
Figura 43 Funo de filtragem proporcional do erro (com saturao) ...................................................92
Figura 44 Tela principal do software IHM...............................................................................................94
Figura 45 Sub-tela de operao em modo fixo .......................................................................................95
Figura 46 Sub-tela de operao em modo varredura .............................................................................95
Figura 47 Sub-tela de operao em modo manual .................................................................................95
Figura 48 Sub-tela de configurao do controlador ...............................................................................96
Figura 49 Modelo slido CAD do Conjunto Antena-Posicionador AN700S..........................................98
Figura 50 Dimenses gerais Conjunto Antena-Posicionador AN700S ...................................................99
Figura 51 Reduo do mecanismo de azimute .....................................................................................102
Figura 52 Reduo do mecanismo de elevao ....................................................................................103
Figura 53 Diagrama em blocos da interface entre encoders e controlador. ...........................................105
Figura 54 Efeito da variao de Kp nos plos de malha aberta de azimute .........................................107
Figura 55 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para azimute baixo Kp .............................108
Figura 56 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para azimute alto Kp................................109
Figura 57 Efeito da variao de Kp nos plos de malha aberta de elevao ........................................109
Figura 58 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para elevao baixo Kp ............................110
Figura 59 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para elevao alto Kp ...............................110
Figura 60 Modelo slido do mecanismo (Modelo de Engenharia) ......................................................112
Figura 61 Superfcie mdia (Modelo de Engenharia) ...........................................................................112
Figura 62 Modelo em elementos finitos e propriedade dos materiais (Modelo de Engenharia)..........113
Figura 63 Modelo do acoplamento do eixo de Elevao ......................................................................113
Figura 64 Resultados da Anlise Modal (Modelo de Engenharia) .......................................................115
Figura 65 Distribuio dos acelermetros para anlise modal experimental.......................................116
Figura 66 Modo de vibrao na direo vertical (elevao) obtido por anlise modal experimental ..117
Figura 67 Modo de vibrao de 1,2Hz na direo horizontal (azimute) obtido por anlise modal experimental .................................................................................................................................117
Figura 68 Modo de vibrao de 1,2Hz na direo norte (acoplamento azimute-elevao) obtido por anlise modal experimental ..........................................................................................................118
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Subsistemas do Radar ..............................................................................................................84
Tabela 2 Caractersticas da Antena ........................................................................................................97
Tabela 3 Principais caractersticas do Conjunto Antena-Posicionador ..................................................97
Tabela 4 Dimenses gerais Conjunto Antena-Posicionador AN700S ....................................................98
Tabela 5 Fatores de reduo no mecanismo de azimute ......................................................................103
Tabela 6 Fatores de reduo no mecanismo de elevao .....................................................................103
Tabela 7 Caractersticas dos encoders pticos........................................................................................105
Tabela 8 Parmetros do modelo simulado ...........................................................................................107
Tabela 9 Freqncias naturais e fatores de participao modal (Modelo de Engenharia) ...................114
LISTAS DE SIGLAS E DEFINIES
AC Alternating current (corrente alternada)
AZ Eixo de azimute
BITE Built-in test equipment (equipamento integrado de testes)
CAD Computer-aided Design (projeto auxiliado por computador)
CAE Computer-aided Engineering (engenharia auxiliada por computador)
CI Circuito integrado
DC Direct current (corrente contnua)
EDO Equao diferencial ordinria
EL Eixo de elevao
FEM Finite-element Method (mtodo dos elementos finitos)
FPGA Field-programmable gate array (vetor de portas programvel em campo)
IGBT Insulated gate bipolar transistor
IHM Interface homem-mquina
Modelo de Engenharia
Modelo completo e representativo do produto quanto a dimenses, materiais e interfaces, para validao da soluo adotada.
PID Controle proporcional-integral-derivativo
PRF Pulse repetition frequency (freqncia de repetio de pulsos)
PWM Pulse width modulation (modulao por largura de pulso)
RX Recepo
TTL Transistor-transistor logic (lgica transistor-transistor)
TX Transmisso
VHDL Very high speed integrated circuits hardware description language (linguagem de descrio de circuitos integrados em hardware de alta velocidade)
NDICE
1
Objetivos e Estruturao do Texto ............................................................................................16
2
Introduo ....................................................................................................................................18
2.1 Problema de Controle ...........................................................................................................20
2.2 Necessidade do Controle de Posio ....................................................................................20
2.3 Estratgias para Resoluo do Problema de Controle ..........................................................24
2.3.1 Controle de posio atravs de servomecanismos ......................................................................... 24
2.3.2 Antenas Hexapod........................................................................................................................... 27
2.3.3 Antenas Phased-array ................................................................................................................... 28
2.4 Definio do Problema de Controle com Servomecanismos................................................31
3 Precedentes...................................................................................................................................33
3.1
Histrico ...............................................................................................................................34
3.2
Consideraes para Especificao de Requisitos de Projeto ................................................37
3.2.1 Caractersticas em relao ao alvo................................................................................................. 37
3.2.2 Peso total do conjunto.................................................................................................................... 38 3.2.3 Tamanho e peso dos componentes................................................................................................. 38
3.2.4 Resoluo angular do sensor de posio........................................................................................ 38
3.2.5 Tolerncias mecnicas ................................................................................................................... 39
3.2.6 Acelerao e Velocidade mximas ................................................................................................ 39
3.2.7 Preciso de Apontamento .............................................................................................................. 40
3.2.8 Caractersticas dinmicas do mecanismo posicionador ................................................................. 41
3.2.9 Consumo........................................................................................................................................ 41
3.2.10 Ambiente de operao .............................................................................................................. 42
3.2.11 Distncia entre o pedestal e a eletrnica de controle ................................................................ 44
3.2.12 Curso angular requerido em azimute e elevao (volume de alcance) ..................................... 44
3.2.13 Condies de contorno de envelope.......................................................................................... 46
3.2.14 Requisitos de operao e interface............................................................................................ 46
3.2.15 Caractersticas RF do radar....................................................................................................... 47
3.2.16 Potncia de transmisso ............................................................................................................ 47
3.3 Consideraes tecnolgicas ..................................................................................................48
3.3.1 Escolha do servomotor .................................................................................................................. 48
3.3.2 Escolha do sensor de posio angular............................................................................................ 53
3.3.3 Definio do controlador ............................................................................................................... 59
3.4 Segurana..............................................................................................................................60
3.4.1 Repouso da antena ......................................................................................................................... 60
3.4.2 Proteo de fim-de-curso da antena............................................................................................... 61
3.4.3 Radome.......................................................................................................................................... 63
4 Projeto de Controle .....................................................................................................................69 4.1 Diagrama da malha de controle ............................................................................................69
4.2 Modelamento do Sistema de Controle..................................................................................71
4.3
Modelo estrutural..................................................................................................................77
4.3.1 Determinao da banda passante da malha de controle ................................................................. 77
5 Estudo de Caso: Desenvolvimento de Servomecanismo para Antena de Radar Meteorolgico Doppler Banda S .........................................................................................................82
5.1
O Projeto Taiti ......................................................................................................................82
5.2 Caractersticas do Radar .......................................................................................................82
5.3 Modelo de Engenharia ..........................................................................................................86
5.3.1 Dispositivo de controle: Controlador digital ................................................................................. 88
5.3.2 Objeto de controle: Antena e mecanismo posicionador................................................................. 96 5.3.3 Dispositivo de atuao: Servomotores e servoconversores ......................................................... 104
5.3.4 Dispositivo de sensoriamento: Encoders pticos e acessrios .................................................... 104
5.4 Simulao do Controle........................................................................................................106
5.5
Validao do modelo estrutural ..........................................................................................111
5.5.1 Anlise modal computacional por elementos finitos ................................................................... 111
5.5.2 Anlise modal experimental por excitao impulsiva ................................................................. 116
6 Concluses ..................................................................................................................................119
7 Referncias Bibliogrficas ........................................................................................................122
16
1 OBJETIVOS E ESTRUTURAO DO TEXTO
A presente dissertao resultado de um estudo direcionado que visa uma aplicao
prtica: o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz de suportar e
posicionar uma antena de radar, dentro de parmetros e restries definidas. Mais
especificamente, as restries do projeto so definidas pelas aplicaes particulares
de radar visadas neste estudo: trajetografia e meteorologia, principalmente esta
ltima.
A proposta da dissertao a de propor um modelo de projeto de engenharia para
um servomecanismo controlado por posio, para fins de posicionamento de uma
antena de radar. Dentro deste contexto, a presente dissertao tem como objetivos:
1. Levantar e estudar os fatores relevantes para especificao de um projeto de
controle de posio de uma antena-radar atravs de servomecanismos;
2. Apresentar uma proposta de projeto de controle de posio atravs de
servomecanismo;
3. Propor um modelo estrutural terico consistente do conjunto antena-radar
para fins de simulao dinmica e anlise modal da estrutura;
4. Apresentar a implantao do sistema de controle proposto num projeto real de
Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorolgico.
O texto estruturado de forma a partir do problema geral, e restringi-lo at a
aplicao especfica de um radar meteorolgico. O que se visa com esta estruturao
aumentar a abrangncia do presente estudo.
Na introduo da dissertao, no Captulo 2, desenvolve-se o conceito de radar, de
forma a apresentar o problema de controle de posio existente do sistema. Tambm
na introduo so apresentadas alternativas para se resolver o referido problema de
controle, dentre as quais introduzida a soluo de controle por servomecanismos
que, em detrimento s demais, aprofundada no restante do texto.
17
Uma vez definido o problema de controle e apresentada a proposta do mecanismo
posicionador, so apresentadas, no Captulo 3, consideraes pertinentes que devem
ser levadas em considerao para especificao e implementao de um projeto de
controle de posio de um Conjunto Antena-radar.
O projeto de controle propriamente dito apresentado no Captulo 4, onde
proposto um diagrama em blocos geral para o projeto, assim como um modelo
matemtico analtico para as malhas de controle. So ainda feitas, neste captulo,
consideraes sobre o Modelo Estrutural do mecanismo posicionador.
Para mostrar a aplicao da proposta, o Captulo 5 dedicado apresentao de um
estudo de caso concreto: a implantao do projeto ao servomecanismo que integra o
Modelo de Engenharia do Radar Meteorolgico Doppler Banda S RMD700S-1M
desenvolvido pelo consrcio Omnisys/Atech, instalado em Mogi das Cruzes/SP.
Por fim, no Captulo 6, so apresentadas algumas concluses com relao ao
desenvolvimento, apontando-se pontos positivos e pontos negativos do projeto
descrito no Captulo 5.
As referncias bibliogrficas utilizadas na dissertao so relacionadas no Captulo 7.
18
2 INTRODUO
Em mbito geral, radares so sensores eletrnicos que empregam ondas
eletromagnticas para detectar e localizar objetos materiais no espao [1] [2].
A localizao de objetos realizada pela determinao da distncia e direo do
objeto em relao ao equipamento radar e requer, em geral, a determinao de trs
coordenadas, que so, usualmente, a distncia em relao ao radar e os ngulos de
azimute (em torno do eixo vertical) e elevao (em torno do eixo horizontal) de
apontamento do equipamento [1]. Este conjunto de coordenadas elevao-azimute-
distncia constitui um sistema de coordenadas esfrico com origem no prprio radar
[3], conforme ilustra a Figura 1.
Figura 1 Sistema esfrico de coordenadas utilizado em radares
Existem quatro mdulos que so fundamentais em qualquer sistema radar [1], e que
so mostrados na Figura 2. O mdulo transmissor o responsvel pela gerao e
modulao do pulso eletromagntico que emitido para o espao. O receptor faz a
deteco, demodulao e amplificao do sinal de retorno (eco-radar). O
processador-radar interpreta o sinal proveniente do receptor, extraindo as
informaes necessrias para a finalidade ltima do radar. E finalmente, o conjunto
antena-radar o elemento que faz a interao do radar com o meio ambiente, que
tem como funo irradiar os pulsos eletromagnticos gerados no transmissor numa
19
determinada direo e detectar os ecos de reflexo da energia emitida, que so
enviados ao mdulo receptor do radar.
Figura 2 Diagrama em blocos fundamental de um sistema radar
A determinao da coordenada de distncia entre o radar e o alvo determinada
pelo princpio de eco-pulso [1], que um princpio utilizado no s em radares, mas
em outros equipamentos de medio de distncia, tais como sonares e telmetros a
laser. Como a velocidade de propagao de ondas eletromagnticas na atmosfera
uma grandeza cujo valor conhecido com preciso (c = 2,998x108 m/s) [1], a
distncia d de um alvo pode ser obtida por meio da medio do intervalo de tempo
t transcorrido entre a transmisso de um pulso e a recepo do retorno deste pulso
aps reflexo sobre alvo (eco-radar). Este intervalo de tempo igual ao tempo
requerido para uma onda eletromagntica viajar do transmissor do radar at o alvo
mais o tempo necessrio para o eco percorrer o trajeto entre o alvo e a antena de
recepo [1]. As demais coordenadas (de azimute e elevao) so determinadas pelo
alinhamento do conjunto antena-radar.
Um sistema radar clssico consiste num equipamento que opera em freqncias na
faixa de microondas, utiliza um sistema pulsado de potncia para transmisso e uma
nica antena, que compartilhada tanto para transmisso quanto para recepo [4].
O duplexador o dispositivo que faz a separao dos sinais de transmisso e
recepo no guia de onda da antena, e que permite ento este compartilhamento.
Isto torna mais simples a determinao da distncia dos alvos em relao ao radar,
por no requerer de clculos de triangulao, pois se o elemento transmissor e o
receptor tm a mesma localizao no espao, a distncia percorrida pela onda
20
eletromagntica simplesmente igual a duas vezes a prpria distncia entre o alvo e
o radar. Logo,
t2cd = (1)
O alcance mximo do radar em distncia determinado por uma srie de fatores, tais
como a potncia do pulso emitido, o fator de ganho da antena, a sensibilidade do
receptor, e a PRF (pulse repetition frequency) do radar. [1]
2.1 Problema de Controle
O apontamento do conjunto-antena fornece as coordenadas angulares (azimute e
elevao) que, junto com a coordenada distncia obtida pelo princpio eco-pulso, so
necessrias para localizao do alvo no espao.
As aplicaes da tecnologia de radares requerem, em geral, no s que este
apontamento deva ser mvel, mas que a sua movimentao e posicionamento sejam
controlveis.
Portanto, o problema em foco o de controle de apontamento do feixe de iluminao
do radar para atender s necessidades de uma determinada aplicao de radar. Mais
especificamente, a aplicao visada neste texto a meteorolgica.
Mas a fim de fundamentar a motivao do trabalho, so apresentadas a seguir
algumas das principais aplicaes de radares, mostrando a necessidade do controle
de posicionamento em foco.
2.2 Necessidade do Controle de Posio
Existem algumas aplicaes mais restritas de radares que no necessitam de um
sistema de controle de posio para o apontamento do radar, e que, portanto, no so
objeto desta dissertao. o caso, por exemplo, de radares de trnsito, que
monitoram um ponto fixo do espao e calculam a velocidade dos automveis que
passam por este ponto por efeito Doppler. No obstante, ainda que haja excees, o
controle de posio da antena exigncia nas principais aplicaes de radares.
21
Um exemplo disto se d em radares meteorolgicos, que devem ser capazes de
varrer, com um feixe estreito de iluminao, todo o espao areo ao redor do radar
segundo certas trajetrias pr-estabelecidas, para deteco de nuvens e outros
fenmenos meteorolgicos de forma a permitir ao processador do radar conseguir
levantar o chamado volume meteorolgico (Figura 3), que corresponde a uma
fotografia 3D das condies meteorolgicas do cu em todo o volume de cobertura
ao redor do radar. Este volume de cobertura compreende uma semi-esfera que tem o
radar como centro.
Figura 3 Volume meteorolgico produzido pelo radar RMD700S-1M
O levantamento convencional de volume meteorolgico feito atravs da aquisio
de camadas (fatias) em posies de elevao fixas pr-estabelecidas. Aps a aquisio
para todo o permetro do radar em azimute, passa-se para o prximo valor fixo de
elevao, at se chegar ao final da varredura. Ao final, o radar volta para a posio
inicial de elevao, onde pode comear uma nova varredura imediatamente ou ficar
algum tempo em modo de espera, at que o processador do radar comande uma
varredura para um novo volume.
Outro tipo de varredura comum em radares meteorolgico o chamado corte em
elevao, queconsiste na contnua varredura em elevao para um ngulo fixo em
azimute.
22
As coordenadas angulares (azimute e elevao), necessrias para a determinao da
localizao espacial dos alvos (no caso, nuvens), so determinadas pelo apontamento
do conjunto antena-radar no instante da iluminao. Estes dados so fundamentais
para que a interpolao realizada pelo processador do radar seja feita corretamente.
Logo, o conjunto-radar deve ser capaz de informar com preciso a direo de
apontamento do feixe em qualquer instante, o que implica, por definio, num
sistema completamente observvel [5].
Outro tipo de radar onde exigido o controle de posio so os chamados radares de
trajetografia [6] [7], que so radares que devem ser capazes de perseguir e rastrear
um alvo em movimento com preciso ao longo de sua trajetria no espao, e fornecer
suas coordenadas em tempo real, de forma que seja possvel ser levantada a trajetria
deste mvel no espao. Como a trajetria dos seus alvos , a princpio, aleatria,
dentro de limitaes de velocidade e acelerao estipulados em projeto, este tipo de
radar deve ter grande flexibilidade de movimentao, e deve tambm ser capaz de
cobrir todo o espao areo ao seu redor, o que implica num volume semi-esfrico
com o radar como centro, como para radares meteorolgicos.
A principal diferena entre o controle de posicionamento de uma antena de radar
meteorolgico e outra de radar de trajetografia que, para esta ltima, o mecanismo
posicionador deve acompanhar um alvo especfico no espao, o que requer, em geral,
uma resposta dinmica do sistema de controle mais rpida e mais precisa. No
entanto, por estes dois tipos de controles serem bastante semelhantes, tanto na forma
construtiva quanto na topologia de controle, so feitas consideraes tambm sobre
esta aplicao ao longo do presente texto.
Um outro caso mais simples de aplicao de controle de posicionamento em radares
se observa nos chamados radares de vigilncia, de aquisio e de controle de
trfego (areo, terrestre ou martimo). Estes so radares que continuamente
monitoram o cu, terra ou mar ao seu redor a fim de mapear e monitorar os alvos
mveis e fixos ao seu redor. Para este tipo de radar, em geral, a informao de
altitude do alvo no levada em considerao. Desta forma, o feixe de iluminao
deste tipo de radar possui grande abertura no sentido vertical. Como o formato do
23
feixe que determina o formato do refletor da antena [4], este tipo radar apresenta um
formato de refletor diferente em relao aos dois tipos de radar mencionados
anteriormente (Figura 4).
Figura 4 Radar mvel de aquisio de alta potncia (HIPAR) da Nike Air Defence
Para efeitos de controle de posicionamento, se o feixe aberto verticalmente, o nico
tipo de movimentao requerida para o feixe o movimento rotativo no sentido
horizontal, em torno de um nico eixo, no caso, o eixo de azimute. O volume obtido
uma fotografia 2D (Figura 5) do espao areo, terreno ou martimo ao redor do
radar.
Figura 5 Tela de monitoramento de trfego areo
24
Haveria ainda a citar outros tipos mais particulares de radar que demandam o
controle de posicionamento, mas estes exemplos mais clssicos de aplicao bastam
para mostrar a necessidade e a importncia do controle de posio na tecnologia de
radares para apontamento do feixe de iluminao.
2.3 Estratgias para Resoluo do Problema de Controle
A questo que deve ser posta ento a de como efetivamente realizar este controle. A
literatura sobre o assunto [1] [2] [4] [6] [7] [9] apresenta, basicamente, trs formas de
se resolver o problema de controle de posio do feixe de iluminao em radares.
Duas delas envolvem a movimentao fsica do conjunto antena-radar: a mais
tradicional, por servomecanismos rotativos, e a outra, mais recente e mais sofisticada,
envolve o uso de suportes comandados por um controlador central. A terceira
alternativa constitui uma soluo totalmente eletrnica de apontamento do feixe,
com as chamadas antenas phased-array.
Os subitens a seguir apresentam cada uma dessas estratgias.
2.3.1 Controle de posio atravs de servomecanismos
Servomecanismo um dispositivo automtico utilizado para controlar grandes
quantidades de fora mediante uma quantidade de fora muito pequena e corrigir a
atividade de um mecanismo de acordo com um padro desejado. [1]
A utilizao de servomecanismos a soluo mais tradicional, e, na maior parte dos
casos, de menor custo para controle de posicionamento de antena em radares. Nesta
soluo, o conjunto antena-radar move-se fisicamente e, junto com ele, o feixe de
iluminao.
A montagem mecnica do servomecanismo deve ser tal que os graus de liberdade do
mecanismo posicionador resultante permitam o posicionamento da antena em
qualquer direo dentro do volume de trabalho especificado para a sua aplicao
especfica.
25
Existem diversos tipos de posicionador que fornecem rotaes nos eixos de azimute e
elevao. Os trs tipos mais comuns de montagem, indicadas na Figura 6 so os
seguintes [10]:
Elevao sobre Azimute (EL/AZ)
Azimute sobre Elevao (AZ/EL)
Azimute sobre Elevao sobre Azimute (AZ/EL/AZ)
Figura 6 Tipos de posicionador
No mecanismo do tipo elevao sobre azimute (EL/AZ), o mecanismo de elevao
gira solidrio ao eixo de sada do mecanismo de azimute, e suporta a antena e o seu
alimentador em seu eixo de sada. pela composio da movimentao dos eixos de
sada de ambos os servomecanismos que se d o movimento resultante da antena. A
Figura 7 mostra duas montagens mecnicas distintas para configurao.
Este tipo de configurao se caracteriza por permitir movimentao em azimute em
360o sem restries, porm com limitao de movimentao em elevao.
recomendado para aplicaes de radares que requerem varreduras contnuas de
volumes, como o caso de radares meteorolgicos. Por este motivo, esta a
configurao adotada no presente trabalho.
26
Figura 7 Posicionadores do tipo Elevao sobre Azimute (EL/AZ)
A configurao AZ/EL/AZ similar montagem EL/AZ, mas com um grau de
liberdade a mais que permite o giro do refletor em torno de seu prprio eixo. Este
recurso utilizado em pedestais de calibrao e medio de antenas de radar, para
permitir o alinhamento da antena do radar com a antena colimadora de testes. [10]
Por sua vez, a configurao AZ/EL construda de forma inversa: o eixo de
azimute que gira solidrio sada do eixo de elevao. Esta construo mais rara
em antenas de radar. A Figura 8 mostra a referida montagem para o mecanismo de
apontamento de uma cmera de vdeo.
Figura 8 Mecanismo do tipo Azimute sobre Elevao (AZ/EL)
A configurao AZ/EL possui limitaes tanto em azimute quanto elevao, mas
dependendo da abertura dos eixos, pode permitir o mesmo volume de cobertura de
um posicionador EL/AZ, porm, no permite varreduras contnuas. A vantagem
27
deste tipo de configurao na varredura de alvos que passem sobre o znite do
radar, que um ponto cego na construo EL/AZ. Este ponto discutido com
mais detalhes no item 4.1.
2.3.2 Antenas Hexapod
A arquitetura hexapod (hexpode), ou plataforma de Stewart, um mecanismo com
grande aplicao em robtica, e em plataformas de simulao de vo, e que tem
encontrado recentemente aplicaes tambm no campo de pedestais para antena de
radares.
O mecanismo hexapod consiste em seis pistes localizados sobre uma base fixa e
dispostos conforme mostrado na Figura 9, que sustentam uma base mvel sobre a
qual colocada a antena-radar, que tem sua inclinao e direo determinadas pela
abertura de cada um dos atuadores lineares. Os seis atuadores tm seu comprimento
regulvel, de forma a conferir para a base mvel todos os seis graus de liberdade
para movimentao [9].
Figura 9 Mecanismo "hexapod"
Os atuadores so comandados por um controlador central que traduz o apontamento
desejado ao feixe em comandos individuais para cada um dos seis atuadores. Com
esta configurao, possvel apontar a antena para qualquer posio dentro do
volume de trabalho usual de radares, isto , uma semi-esfera que tem a prpria
antena como centro. A Figura 10 mostra uma antena hexapod.
28
Figura 10 Antena hexapod Banda X da Zodiac/In-Snec
Este sistema apresenta a vantagem de no requerer a utilizao de slip-rings para se
levar sinais eltricos para a parte superior da estrutura da antena. Esta soluo
tambm confere menor peso do conjunto, mas no aplicvel a radares que
requerem guias de onda para transmisso do sinal da antena.
Alm disso, este tipo de mecanismo requer um controle mais sofisticado em relao
soluo com servomecanismos motorizados.
2.3.3 Antenas Phased-array
Uma alternativa relativamente moderna que vem sendo cada vez mais aplicada em
radares de alta potncia que exigem grande preciso, especialmente no setor militar,
o emprego das chamadas antenas phased-array. Basicamente, estas antenas so
compostas de um grupo de elementos constitudos por um irradiante (TX) mais uma
antena onidirecional (RX), chamados simplesmente de elementos. Estes elementos
so distribudos e orientados numa configurao espacial linear ou bidimensional [4].
A Figura 11 mostra a antena de um radar phased-array militar americano de defesa
area.
Nesta tecnologia, a amplitude e a fase de cada elemento podem ser individualmente
controladas, o que permite a formao de feixes de iluminao em qualquer formato
29
desejado, e em qualquer posio coberta pela disposio destes elementos [4], o que
confere uma grande flexibilidade ao radar.
Figura 11 Radar phased-array THAAD (Theater High Altitude Area Defense)
Esta soluo s possvel graas ao desenvolvimento de componentes de RF (radio-
frequency) de alta potncia em estado-slido, que aumentaram consideravelmente o
ganho em potncia [4], dispensando a necessidade de refletores para aumento de
ganho nos elementos para este tipo de concepo. No fosse por este avano
tecnolgico na rea de RF, seria fisicamente impossvel agrupar uma grande
quantidade de elementos em uma nica antena, por causa dos refletores, ou ento o
alcance deste tipo de radar seria deveras limitado.
Ademais, o fato de se poder tambm eletronicamente controlar o formato e a
polarizao do feixe de iluminao permite agrupar diversas funes em um nico
equipamento, que classicamente seriam realizadas em radares distintos, como por
exemplo, funes de vigilncia e de rastreamento. Por este motivo, estes radares
tambm so chamados radares multifuncionais (multifuncion-array radars) [4]. A
limitao desta multifuncionalidade est no compromisso na escolha da freqncia
de operao do radar, que deve ser feita levando em considerao a freqncia tima
de operao para as funes para as quais o radar projetado [4].
Radares phased-array possuem a tambm a vantagem de apresentar altssima preciso
e qualidade ao feixe, com lbulos secundrios extremamente reduzidos, alm de uma
tima resposta dinmica no controle de posio do feixe, uma vez que este sistema,
por ser totalmente eletrnico, no possui nenhum tipo de inrcia.
30
Outro ganho funcional deste tipo de radar a possibilidade de poder rastrear
diversos alvos simultaneamente.
No entanto, a multiplicao de elementos radiantes e antenas em um nico radar,
combinado com o emprego da mais alta tecnologia de RF disponvel, alm de por si
s aumentar o custo do equipamento, gera uma srie de problemas de sincronismo e
interferncia, alm de um alto custo computacional, que tornam o desenvolvimento
deste tipo de radar extremamente complexo e custoso, de forma que para radares
civis e de curto alcance essa soluo mantm-se economicamente invivel, apesar dos
ganhos funcionais.
So estes fatores, em especial o custo praticamente proibitivo da aplicao civil desta
concepo phased-array de antena-radar, que motivam e justificam o investimento em
novas pesquisas na linha tradicional de controle de posio por servomecanismo.
Existem, porm, alternativas intermedirias, que, medida que as pesquisas
avanam, esto se tornando alternativas cada vez mais prximas de se tornarem
economicamente viveis, embora hoje ainda estejam limitadas a aplicaes militares.
So as chamadas antenas phased-array hbridas. Um exemplo deste tipo de concepo
mostrado na Figura 12, onde se v uma antena composta por um plano de
elementos que se movimenta por meio de servomecanismos.
Figura 12 Radar GBR-P da Raytheon com tecnologia phased-array hbrida
31
Este tipo de soluo agrega alguns dos benefcios de se usar uma antena phased-array,
como flexibilidade e preciso do formato do feixe, mas no elimina a necessidade de
elementos mecnicos para sua movimentao.
2.4 Definio do Problema de Controle com Servomecanismos
Fugiria do objetivo inicial do trabalho tratar das trs estratgias, que ademais
envolvem campos diferentes de conhecimento. O presente trabalho trata do controle
de posicionamento de antenas-radar atravs da utilizao de servomecanismo do
tipo dois eixos com elevao sobre azimute independentes, comandados por
servomotores, controlados digitalmente por uma plataforma processadora. Trata-se,
portanto, da aplicao da soluo clssica de controle de posio de antenas, com o
emprego de tecnologias atuais.
O conjunto antena-pedestal tratado neste texto como uma estrutura flexvel, e o
trabalho versa sobre uma metodologia para um projeto de controle de estruturas
flexveis, aplicada ao desenvolvimento de um conjunto antena para um radar
meteorolgico.
Gawronski [11] define uma estrutura flexvel como um sistema linear, de dimenses
finitas, controlvel, observvel, cujos plos em malha aberta so complexos com
parte real pequena e no-agrupados. Esta definio estreita a gama de sistemas
lineares em considerao e, baseado nesta definio, obtm-se muitas das
propriedades das estruturas e de seus controladores.
A dificuldade envolvida a de garantir um apontamento dinmico de uma estrutura
de grande porte, e portanto, de inrcia e flexibilidade considervel, com preciso e
resposta dinmica rpida.
Com relao preciso, h de se discernir dois fatores distintos que influenciam a
preciso de apontamento de um conjunto antena-radar.
O primeiro est relacionado com a resoluo do sensor de posio do eixo (de
azimute ou elevao), que responsvel pela realimentao da malha de controle.
Este fator est intrinsecamente relacionado observabilidade do sistema.
32
O segundo fator est relacionado com a controlabilidade do sistema, e est associado
a parmetros clssicos de controle como sobressinal, tempo de subida, tempo de
acomodao e erro em estado permanente. [12] E neste segundo fator esto
embutidas todas as demais imprecises do equipamento, sejam estas por fatores
mecnicos (folgas e no-linearidades), ou por atraso de processamento, ou por rudo
eltrico.
Quanto velocidade de resposta dinmica, esta associada banda passante de
freqncia de comando, que vai determinar o quo rapidamente a antena capaz de
responder a mudanas bruscas de trajetria. Este um parmetro de fundamental
importncia em radares de trajetografia, que devem ser capazes de se manterem
sobre um alvo. No entanto, um parmetro de menor importncia em radares
meteorolgicos, que realizam movimentos segundo trajetrias uniformes e
conhecidas.
Em termos estruturais, a mecnica do conjunto antena-radar no deve possuir
nenhum modo de vibrao relevante dentro desta faixa de operao do controle de
posicionamento. Caso contrrio o desempenho do controle seria seriamente afetado,
podendo at mesmo ocorrer falha estrutural no conjunto antena-radar, dependendo
da amplitude do comando na freqncia de ressonncia, por conta deste harmnico
indesejado. Da decorre a importncia de ser feita uma anlise modal da estrutura.
33
3 PRECEDENTES
Uma antena-radar clssica composta basicamente de uma fonte primria justaposta
a um foco refletor parablico. A lei de iluminao estabelecida de maneira a
satisfazer, to precisamente quanto possvel, a forma do feixe desejado. a
movimentao do conjunto que garante a cobertura de explorao desejada.
Os parmetros fundamentais de uma antena-radar so caracterizados pelo ganho,
polarizao, preciso de apontamento e velocidade de movimentao. A qualidade
da informao recebida pela antena depende da sua velocidade de rotao, da
preciso no seu posicionamento, dos parmetros do pulso-radar, e das caractersticas
de ganho, abertura angular, lbulos secundrios e formato do feixe.
As caractersticas de ganho, abertura angular, lbulos secundrios e formato do feixe,
assim como a polarizao da antena, vo definir caractersticas estruturais da antena:
forma do refletor (parablico, semi-parablico, etc), sua geometria (curvatura e
dimetro), e a disposio do alimentador da fonte primria sobre o refletor (distncia
focal e orientao de polarizao: vertical, horizontal, circular).
A dificuldade no projeto de conjuntos antena-radar garantir a preciso da
informao recebida com o aumento do ganho da antena. Esse aumento significa
utilizao de refletores cada vez maiores, o que implica em estruturas mecnicas de
dinmica cada vez mais complexa e com maiores problemas associados
flexibilidade e modos de vibrao no-desprezveis.
Por outro lado, o advento da tecnologia digital e os inmeros recursos
computacionais de simulao e anlise atualmente disponveis justificam que se
continue investindo no desenvolvimento de novas solues eletromecnicas
microprocessadas, que garantam uma alta preciso no movimento da antena, a custo
inferior mudana de conceito de movimentao, como por exemplo, adotando a
soluo dos chamados radares phased-array, j apresentados no texto.
34
3.1 Histrico
Historicamente, o uso de servomecanismos sempre acompanhou o desenvolvimento
de radares, desde seus primrdios, na dcada de 1930 [2].
A tecnologia de servomecanismos j existia na poca, e foi incorporada aos sistemas
radares, para resolver o problema de deslocamento do feixe eletromagntico do
radar, apresentado no Captulo 2.
Inicialmente, os servomecanismos empregados eram mecanismos manuais, operados
por manivelas. O sistema de controle realimentado empregado nestes
servomecanismos tinha por objetivo reproduzir o movimento no eixo de entrada (o
eixo da manivela), no eixo de sada (o eixo da antena, que requer alto torque para
movimentao), mantendo o erro angular (isto , o desvio angular do eixo de sada
em relao ao de entrada) to prximo de zero quanto possvel [1].
Nesta concepo, o sensoriamento realizado por meio de sincro-geradores que
geram uma tenso de referncia proporcional posio angular do sensor, que
comparada a uma tenso de realimentao do sistema, gerada por um sincro-gerador
acoplado ao eixo da antena. Da comparao entre os sinais provenientes desses dois
sensores obtm-se uma tenso de erro, que passa por um filtro controlador (na poca,
analgico), o qual fornece uma tenso de comando para o servomotor
(primordialmente servomotores DC), tenso esta que passa por um amplificador de
potncia antes de ser fornecida ao motor, o qual movimenta o eixo da antena por
meio de um sistema de motorreduo.
O diagrama em blocos da Figura 13 mostra a concepo destes servomecanismos de
acionamento manual.
Este tipo de soluo era relativamente pobre, em termos de preciso de apontamento
angular, em relao preciso que estava sendo obtida para determinao da
coordenada distncia. [4]
35
Figura 13 Servomecanismo de acionamento manual
Desta topologia nasceu o controle de servomecanismos tal como concebida
atualmente. Esta consiste na substituio do comando manual por um comando
eltrico. A Figura 14 mostra, a ttulo de exemplo uma malha de servomecanismo que
utiliza um encoder ptico como sensor de realimentao e um servoconversor que
aciona um motor brushless. Observa-se no diagrama em blocos uma clara diviso
entre as partes eltricas e mecnicas do sistema.
Figura 14 Malha de controle bsica para servomecanismos
Posteriormente, com o desenvolvimentos dos primeiros receptores de ecartometria,
capazes de determinar o desapontamento da antena com relao ao objeto rastreado
atravs da defasagem entre os sinais detectados nos dipolos na antena, surgiu o
modo de rastreamento automtico em radares [6] [7], um modo cuja realimentao
do servomecanismo no informa o estado atual do mecanismo, mas a prpria
36
informao de erro de apontamento angular, sem a necessidade de uma referncia
externa de entrada para a malha de controle, conforme ilustra a Figura 15.
Figura 15 Malha de rastreamento automtico
Este tipo de soluo permitiu a aplicao da tecnologia de radares para o
rastreamento automtico de alvos mveis, surgindo assim os chamados radares de
trajetografia. Nestes radares, o servomecanismo manual foi mantido como recurso
adicional de operao do radar, acoplado a dispositivos de rastreio ptico, pelo qual
um operador poderia visualmente identificar um alvo e realizar manualmente o
apontamento inicial da antena para o alvo, para posterior passagem para rastreio
automtico.
Em outros tipos de radar, diferentes solues foram adotadas. Em radares de
vigilncia, por exemplo, cujo movimento da antena se caracteriza por ter velocidade
constante e num nico eixo, empregou-se por muitos anos motores AC sncronos,
tendo como nico sensor de realimentao uma chave top-norte, que instalada no
eixo da antena e calibrada para indicar quando a antena passa pelo norte geogrfico,
para fins de sincronismo nos indicadores e mostradores do radar.
Em radares meteorolgicos, o acionamento manual permaneceu como uma soluo
satisfatria at o advento de plataformas controladoras microprocessadas, por volta
das dcadas de 1960 e 1970, pois at ento no havia outra soluo economicamente
vivel para realizar de forma automtica os chamados volumes meteorolgicos.
37
Algumas outras solues foram adotadas, como por exemplo a de se utilizar um
motor sncrono AC em azimute, e um quadro de rels para realizao de um controle
em malha aberta temporizado para atualizao da posio em elevao. A
sincronizao destes circuitos feita por meio de chave top-norte acoplada ao eixo de
azimute (como em radares de aquisio). A movimentao em elevao, neste tipo de
soluo, realizada por motores DC que so comandados por rels temporizadores,
e cuja seqncia de disparo, por sua vez, sincronizada por meio dos sinais de top-
norte [8]. O problema deste tipo de soluo a falta de flexibilidade do equipamento,
que s permite o levantamento dos volumes meteorolgicos que forem previstos no
projeto do quadro de rels.
O emprego de plataformas microprocessadas revolucionou os sistemas de controle
de servomecanismo em radares, aumentando consideravelmente a flexibilidade e o
desempenho desses sistemas. Em meteorologia, por exemplo, a aplicao de controle
por computador permitiu maior velocidade na obteno de volumes meteorolgicos,
aumentando a eficincia dos radares, com o conseqente aumento da taxa de
atualizaes de volume na sada do sistema.
O processamento digital tambm permitiu o advento dos motores brushless DC.
3.2 Consideraes para Especificao de Requisitos de Projeto
Os itens a seguir relacionam uma srie de parmetros que devem ser levados em
considerao para se chegar especificao dos requisitos do projeto do
servomecanismo.
3.2.1 Caractersticas em relao ao alvo
Inicialmente, para especificao de um sistema radar como um todo, necessrio se
conhecer as caractersticas gerais do objeto de monitoramento do radar. Estas
caractersticas vo determinar parmetros de ganho do refletor, potncia de
transmisso, sensibilidade de recepo, banda de operao, alcance angular e radial,
resoluo angular, entre outros.
38
No caso do projeto de um radar de vigilncia ou trajetografia, as caractersticas esto
relacionadas ao alvo mvel que deve ser rastreado ou monitorado. Deve-se levar em
considerao:
Tamanho do alvo
Potncia do transponder embarcado no alvo (caso existam)
Alcance do radar
Plano de vo relativo ao stio de rastreamento
Para radares meteorolgicos, o fator-chave o alcance desejado para o radar. O
plano de vo substitudo pelo formato desejado aos volumes meteorolgicos, que
so determinados pelo processador do radar, e da aplicao dos produtos do radar.
3.2.2 Peso total do conjunto
Como regra geral, o projeto deve ser feito de forma a minimizar o peso total do
conjunto, por questes de economia, transportabilidade, performance dinmica e
para facilitar o projeto da torre ou suporte onde o conjunto antena-radar ser
instalado. A robustez do mecanismo deve ser suficiente para garantir que o mesmo
suporte as especificaes dinmicas do conjunto (velocidade e acelerao mximas) e
para suportar a cargas (tal como arraste de vento) s quais o mecanismo ser
submetido.
3.2.3 Tamanho e peso dos componentes
O envelope do pedestal, assim como a necessidade de reforos estruturais est
intimamente ligado s caractersticas mecnicas dos componentes que o compe:
motores, redutores, engrenagens, refletor, contra-peso, etc. Da decorre a importncia
da seleo e especificao criteriosa desses componentes.
3.2.4 Resoluo angular do sensor de posio
A resoluo angular est relacionada preciso desejada para o controle.
Normalmente esta preciso especificada pelo processador do radar, que quem
39
efetivamente gera os produtos do radar. Recomenda-se uma resoluo pelo menos
duas vezes maior que o passo mnimo especificado ao servomecanismo.
3.2.5 Tolerncias mecnicas
Todas as tolerncias de erro de movimentao no mecanismo (planicidade,
paralelismo, perpendicularidade, etc.) devem ser tais que o batimento dos eixos de
azimute e elevao sejam inferiores resoluo angular do sensor de posio.
Levando em considerao que, numa construo EL/AZ (elevao sobre azimute), o
batimento do eixo de azimute vai influenciar no batimento de elevao, uma forma
de garantir o batimento em elevao dentro da especificao fazer que o batimento
permitido isoladamente para cada eixo seja menor que a metade da resoluo
angular do sensor de posio.
Tambm as folgas permitidas para os elementos de transmisso devem ser tais que a
folga mxima no eixo rvore (elevao e azimute) seja menor que a resoluo angular
do sensor de posio, o que vai garantir que no haja problemas de histerese no
controle.
3.2.6 Acelerao e Velocidade mximas
As especificaes de acelerao e velocidade mximas para os eixos de
movimentao do conjunto antena-radar esto subordinadas ao objeto de rastreio do
radar.
Para um radar meteorolgico, as velocidades e aceleraes so determinadas pelo
processador meteorolgico do radar, que determina como so levantados os volumes
meteorolgicos. Para um radar de trfego areo, a velocidade de giro da antena est
ligada taxa de atualizao das telas de vigilncia. J para um radar de trajetografia,
estas especificaes esto relacionadas s velocidades e aceleraes dos objetos de
rastreio (foguetes, satlites, avies, etc), e a visada de vo destes em relao ao radar
(que leva em considerao a distncia do radar ao alvo).
40
Dessas especificaes dependem as especificaes de diversos parmetros de
controle, tais como a banda passante do sistema, os tempos mximos de resposta e os
erros mximos de controle.
3.2.7 Preciso de Apontamento
3.2.7.1 Esttica
A preciso de apontamento esttica consiste no erro em regime permanente do
sistema quando do apontamento para uma posio fixa. Em geral, o que se deseja
garantir que o conjunto antena-radar, quando apontado para uma determinada
direo, estabilize-se exatamente na posio designada, dentro da resoluo angular
do sistema. Isso corresponde, em termos de controle, a um erro nulo em regime
permanente.
Esta especificao uma restrio de controle que no difcil de ser atendida, uma
vez que o sistema em malha aberta do sistema possui uma integrao fsica, dada
pelo fato de se comandar o motor em velocidade e se considerar como sada a
posio angular do eixo. Esta integrao garante a existncia, no diagrama do lugar
das razes, de um plo na origem do sistema (1/s) que vai garantir erro nulo em
regime. [12] [13] [14]
3.2.7.2 Dinmica
A preciso de apontamento dinmica o desvio mximo do conjunto antena-radar
durante uma operao de rastreio. Esta preciso composta pelo erro em regime
permanente e pelo sobressinal da malha. Em radares de ecartometria e rastreio
automtico, este parmetro fundamental para determinao da resposta dinmica
do sistema, de forma a garantir que o alvo no seja perdido durante o rastreio.
A determinao do erro mximo de apontamento est intimamente ligada a
caractersticas da recepo, a saber: a abertura angular do feixe de recepo, e a
abertura da rampa de ecartometria. [6] [7]
41
Dadas as especificaes de velocidade e acelerao mximas do sistema, pode-se
determinar, atravs da anlise da resposta do sistema a degrau (onde a acelerao
ser mxima) e a rampa (onde a velocidade mxima), qual a banda passante
mnima exigida para o sistema que garante que o erro mximo de controle seja
sempre menor que o erro de apontamento mximo permitido. [24]
3.2.8 Caractersticas dinmicas do mecanismo posicionador
Da especificao da banda passante do sistema nasce um requisito importante para o
projeto do mecanismo posicionador do conjunto Antena-radar: o conjunto no pode
possuir harmnicos dentro da banda de atuao do sistema, pois isso implica em
perda de preciso de apontamento e pode levar a malha de controle a instabilidade
ou at, em casos extremos, falha mecnica da estrutura do mecanismo.
Por este motivo, imperativo que o projeto mecnico do pedestal seja submetido a
anlises de vibrao antes de ser aprovado. O projeto mecnico pode ser validado
mediante a anlise de um modelo computacional em elementos finitos do
mecanismo.
O comportamento dinmico normalmente observado em posicionadores do tipo
elevao sobre azimute (EL/AZ) apresenta os dois primeiros harmnicos do
mecanismo como modos de toro em torno dos eixos de elevao e azimute,
respectivamente. Estes modos surgem exatamente nos dois graus de liberdade do
mecanismo. O de elevao tem em geral menor freqncia que o de azimute em
contrapartida utilizao de contrapesos para balancear o eixo. O mecanismo de
azimute, por ser simtrico e mais robusto, apresenta em geral uma resposta dinmica
superior do mecanismo de elevao. A anlise por elementos finitos tem por fim
verificar se ambos os modos de vibrao se encontram fora da banda passante do
sistema.
3.2.9 Consumo
Outra considerao que deve ser levada em considerao na especificao do
conjunto antena-radar o consumo do mesmo. Em caso de restrio de consumo,
42
isso pode limitar a gama de solues tecnolgicas para componentes do sistema,
especialmente os atuadores, que so os componentes de maior consumo no conjunto.
Em geral, para estaes radares fixas este parmetro no limitante, embora no
deixe de ser importante para dimensionamento da autonomia do No-break do
sistema. J em estaes radares mveis, o consumo pode ser um fator limitante, uma
vez que a energia deve ser fornecida por algum sistema gerador dentro da estao
mvel.
3.2.10 Ambiente de operao
3.2.10.1 Limites de Temperatura
Os limites de temperatura do conjunto antena-radar, especialmente no pedestal da
antena, constituem parmetro importante para a escolha dos componentes
eletrnicos que ficam no pedestal: sensores (encoders, chaves de fim-de-curso, etc),
atuadores e slip-ring.
fundamental incluir nos clculos de especificao do projeto um memorial de
clculos de balano trmico, para avaliar a necessidade de se incluir componentes de
refrigerao no pedestal.
3.2.10.2 Velocidade de vento
O parmetro velocidade de vento fundamental para determinao dos esforos
reativos mximos da estrutura, assim como o torque necessrio ao atuador, para que
este garanta que o mecanismo seja capaz de girar velocidade mxima especificada,
dentro da velocidade mxima de vento para a qual o sistema ser projetado. Para fins
de controle, o vento uma perturbao que o sistema deve ser capaz de rejeitar, at o
limite de velocidade estabelecida em projeto.
3.2.10.3 Condies ambientais adversas
Outras condies ambientais adversas, tais como chuva, neve, umidade, salinidade e
resduos em suspenso, podem prejudicar a performance do conjunto antena-radar,
ou danificar componentes do pedestal.
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Para casos onde as condies climticas restringem sobremaneira a seleo de
componentes, ou prejudicam a performance do sistema, a soluo proteger o
conjunto com um invlucro que o isola das condies ambientais adversas. Este
invlucro deve servir a este propsito, sem no entanto prejudicar a performance da
antena, isto , deve ser o mais transparente possvel em termos eletromagnticos. [4]
Esta tecnologia de invlucro do conjunto antena-radar conhecida por Radome. A
Figura 16 mostra um exemplo de radome para radar meteorolgico.
Figura 16 Radome
Os motivos que podem levar deciso da aplicao de um radome em um projeto
so as mais diversas. Por exemplo, um radome pode ser necessrio caso um radar
precise ser instalado numa regio onde os ventos so muito fortes. Radomes tambm
so em geral aplicados em radares instalados em regies de baixa temperatura, pois a
formao de cristais de gelo sobre a superfcie do refletor podem causar interferncia
eletromagntica na antena. Radomes podem tambm ser necessrios em regies de
condies deveras insalubres, com alta influncia de maresia (alta salinidade do ar),
alta umidade, grandes variaes trmicas, ou tempestades de areia, que podem vir a
prejudicar a performance ou reduzir a vida til do mecanismo.
Este assunto tratado de forma mais detalhada no item 3.4.3.
44
3.2.11 Distncia entre o pedestal e a eletrnica de controle
A distncia entre o conjunto antena-radar e a eletrnica de controle deve ser levada
em considerao na fase de especificao do projeto pois dela vai depender em muito
a escolha dos protocolos de comunicao entre os componentes do projeto de
controle.
3.2.12 Curso angular requerido em azimute e elevao (volume de alcance)
Algumas caractersticas eletromecnicas do conjunto antena-radar dependem do
curso angular requerido pelo radar. Em construes do tipo EL/AZ, o eixo de
elevao possui limitaes de movimentao, enquanto em azimute o movimento
pode ter limites ou no.
Um problema que deve ser abordado como transmitir e receber sinais eltricos de
equipamentos localizados no mecanismo de elevao, que gira solidrio ao eixo de
elevao, ou do alimentador da antena, que gira tanto segundo o eixo de azimute
como segundo o eixo de elevao.
Dependendo das caractersticas de potncia e RF do radar, os pulsos de alta
freqncia transmitidos e recebidos pela antena so transportados por meio de cabos
coaxiais ou por guias de onda, que so condutores em formato tubular revestidos
internamente com material dieltrico, capazes de guiar ondas eletromagnticas de
alta freqncia. Estes guias de onda, no entanto, so rgidos ou semi-rgidos, de
forma que, para que se possa introduzir um guia de onda em uma plataforma onde
h movimento relativo rotacional em relao origem do guia de onda, preciso
utilizar uma junta rotativa para acoplar os guias de onda entre a plataforma fixa e a
plataforma mvel.
Quanto aos sinais oriundos dos demais equipamentos presentes no mecanismo de
elevao, tais como o servomotor de elevao, as chaves de fim-de-curso, e o encoder
do eixo de elevao, caso o movimento em azimute seja sem limitao, estes so
transmitidos para o mecanismo de azimute, que fixo, por meio de slip-rings, que
so contatos rotativos: escovas que se movem sobre anis, garantindo contato
contnuo entre o anel fixo e a escova mvel.
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Caso o movimento em azimute seja limitado, com um determinado nmero de voltas
permitidas, pode-se dispensar o uso de slip-rings, desde que seja feito um projeto
mecnico de assentamento dos cabos que sobem at elevao, que impea que os
cabos sofram toro axial, o que levaria fadiga dos cabos em curto intervalo de
tempo.
Outra preocupao que deve ser tomada em caso de movimento limitado em
azimute a de se introduzir batentes tambm neste eixo. Isto inclui o projeto de
mecanismos que faam a contagem de voltas do eixo. Esta preocupao no existe
caso o curso seja menor que 360o. Neste ltimo caso, o projeto dos batentes similar
aos batentes de elevao.
Uma ltima preocupao em funo do curso angular adotado a questo de
redundncia da representao angular. Isso ocorre quando os limites so tais que seja
possvel se apontar para uma mesma direo de duas ou mais maneiras. Este tipo de
problema tpico em radares de trajetografia que, para evitar problemas de
compensao de ganho no caso do rastreamento de um alvo que passe sobre o znite
do radar, estes em geral possuem limites em elevao em torno de 0o e 180o. Esta
configurao, associada ao movimento em azimute de 360o sem limitao, implica
numa redundncia, j que qualquer posio angular do feixe pode ser representada
de duas maneiras distintas, como se pode ver na Figura 17, uma vez que as
coordenadas [az,el] e [(az180o),(180oel)] apontam para a mesma direo.
Esta redundncia no necessariamente um problema, apenas uma realidade que o
software de controle deve levar em considerao nos diversos modos de
funcionamento que este pode ter.
Tambm h redundncia em sistemas onde o curso em azimute limitado em
algumas poucas voltas, onde fundamental que o sistema tenha a informao da
volta que o mecanismo se encontra, para evitar que se chegue inesperadamente a um
batente mecnico.
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Figura 17 Redundncia da representao angular em radares de trajetografia
3.2.13 Condies de contorno de envelope
Nascem da natureza do radar algumas condies de contorno de geometria, peso e
excitao externa. Por exemplo, o projeto de um pedestal para um radar mvel,
embarcado em um navio, tanque ou caminho, certamente ter limitantes de peso e
geometria. Tambm o mecanismo dever ser resistente a excitaes externas,
decorrente da movimentao da base-radar.
Tambm h limitaes geomtricas no caso de um projeto previsto para uso com
radome. Por ser um item de alto custo, em geral os radomes so dimensionados para
o envelope mnimo possvel do curso do conjunto antena-radar. Outra condio de
contorno de projeto que o centro de giro do conjunto antena-radar deve coincidir
com o centro geomtrico da esfera que define o radome. As restries de projeto com
radome so apresentadas no item 3.4.3.
3.2.14 Requisitos de operao e interface
O radar pode ser projetado para diferentes nveis de flexibilidade de operao e
interface homem-mquina. Dos requisitos de interface homem-mquina surgem os
modos de operao que o sistema de controle deve contemplar: modos de operao
manuais, automticos e semi-automticos dos mais diversos tipos podem ser
especificados, dependendo da aplicao e da flexibilidade desejada para o sistema
radar.
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Pode-se at mesmo chegar a ponto de nem mesmo ser necessria uma malha fechada
de controle para se fazer o controle de posio de um radar meteorolgico. Exemplo
disso o radar descrito na referncia [8], onde um motor sncrono AC utilizado
para fazer o movimento em azimute, a velocidade constante, enquanto que um
quadro de rels realiza um controle em malha aberta temporizado para atualizao
da posio em elevao. A sincronizao dos movimentos de azimute e elevao
feita por meio de chave top-norte acoplada ao eixo de azimute, que detecta a
passagem da antena pelo norte geogrfico, como em radares de aquisio. A
movimentao em elevao, neste tipo de soluo, realizada por motores DC que
so comandados por rels temporizadores, e cuja seqncia de disparo, por sua vez,
sincronizada por meio dos sinais de top-norte.
Esta aplicao, embora de mais baixo custo, no atende a uma srie de outras
aplicaes de meteorologia, pois s capaz de levantar um tipo de volume
meteorolgico.
3.2.15 Caractersticas RF do radar
No que concerne o projeto do conjunto antena-radar, as caractersticas RF do radar,
tais como banda, formato do pulso, sensibilidade e ganhos de recepo vo
basicamente determinar o formato e as dimenses do refletor da antena, e o tipo de
transmisso do sinal emitido e recebido: guias de onda ou cabos coaxiais de RF.
3.2.16 Potncia de transmisso
Em radares de grande porte e alcance, em geral, a potncia do sinal eletromagntico
transmitido em radares elevada (da ordem de megawatts, variando de acordo com
a aplicao, a banda de operao e o alcance). Desta caracterstica decorre a
necessidade de que a central de operao do radar esteja a uma distncia segura do
conjunto antena-radar, para evitar os impactos nocivos que estes pulsos de alta
potncia possam causar aos operadores.
Outra necessidade que nasce desta caracterstica a instalao de circuitos de
intertravamento de segurana na torre, que garantam o desligamento do radar em
caso de presena humana no local.
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3.3 Consideraes tecnolgicas
No item anterior discorreu-se sobre os parmetros que influenciam na especificao
do conjunto antena-radar e, em ltima instncia, sobre a especificao do prprio
sistema radar como um todo. Uma vez definidas as especificaes gerais, passa-se a
discutir quais tecnologias devem ser adotadas para atender s especificaes de
funcionamento.
Ocorre que a escolha de uma determinada tecnologia em detrimento de outras
apresenta vantagens e desvantagens, cujos impactos no projeto global devem ser
levados em considerao antes da definio das tecnologias a serem efetivamente
adotadas.
Neste item so abordadas trs escolhas especficas, que so as mais relevantes no
projeto do conjunto antena-radar. So elas: a escolha do servomotor, do sensor de
posio angular e do controlador.
3.3.1 Escolha do servomotor
Existem basicamente quatro opes de tecnologias de motores eltricos para serem
escolhidas [15]:
Motor de induo AC
Motor assncrono DC (com escovas)
Motor DC brushless (sem escovas)
Motor de passo
Para aplicao em servomecanismos de controle de posio como o do conjunto
antena-radar, o motor AC no conveniente, por ter sua velocidade sincronizada
com a freqncia da alimentao, e portanto de difcil controle. [16]
Tambm motores de passo no se mostram adequados, pelo baixo torque desta
configurao de motor quando em movimento, inapropriado para controlar cargas
de alta inrcia como as da aplicao em questo. [17]
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Restam ento como opes viveis os motores DC com ou sem escovas.
Os motores DC com escovas so uma tecnologia mais antiga, por muito tempo
utilizada em radares [1]. Esta a tecnologia adotada por praticamente todos os
radares comerciais que exigem controle de posio at a dcada de 90. Desde ento o
que se nota entre os fabricantes de radar uma progressiva substituio deste tipo de
motor pelos chamados motores brushless.
Figura 18 Funcionamento bsico de um motor brushless
Em um motor brushless, os enrolamentos ficam no estator, enquanto que no rotor so
posicionados ims permanentes [18]. Para reverter a corrente nos enrolamentos,
utiliza-se um amplificador eltrico que recebe a posio do eixo do rotor por meio de
um sensor de posio. A configurao bsica para um motor brushless pode ser
compreendida na Figura 18.
Como nesta configurao o rotor no possui enrolamentos, como o caso em
motores DC, mas apenas ims permanentes, o seu tamanho muito menor
comparado ao rotor do motor DC convencional com escovas, o que implica em
reduo da inrcia do rotor. O fato de no haver escovas aumenta o rendimento
eltrico do motor, reduz o aquecimento e melhora a manutenibilidade do motor, que
no precisa ter suas escovas periodicamente trocadas. [18]
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As figuras acima mostram o funcionamento dos motores com um nico par de plos.
Esta configurao, porm, insatisfatria, pois o torque no rotor variaria muito ao
longo dos 360o do eixo (i.e., alto ripple de torque). De fato, esta variao seria
senoidal, com torque mximo em mdulo para ngulos de 90o, e zero para ngulos
de 0o e 180o. Para manter o torque mais constante, utiliza-se mais pares de plos
igualmente distribudos ao redor do rotor, com comutaes igualmente defasadas.
A ttulo de exemplo, a Figura 19 abaixo mostra a construo de um motor brushless
de 3 fases.
Figura 19 Construo de um motor brushless de 3 fases
O tipo mais comum de motor brushless o chamado sine wave motor, tambm
chamado servomotor AC brushless. Este motor acionado como um motor AC
sncrono, atravs da aplicao de correntes senoidais aos enrolamentos do motor,
com defasagens apropriadas entre elas (120o para o caso de um motor trifsico).
Desta forma, possvel manter o ngulo de torque em 90o com grande preciso, o
que implica em rotao muito suave, mesmo a baixas rotaes, e com ripple de torque
desprezvel.
Uma forma de implementar digitalmente esse controle por PWM (pulse-width
modulation) [18]. Fazendo a largura dos pulsos nas fases variarem segundo senos
defasados, a corrente mdia variaria da mesma forma, e o efeito final seria o mesmo
do que seria se fossem aplicados senos diretamente. A diferena que o controle
digital por PWM mais simples. A Figura 20 abaixo mostra um exemplo de
modulao para um motor trifsico.
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Figura 20 Modulao PWM das fases U, V e W de um motor brushless de 3 fases
Um processador digital dedicado responsvel pelo controle desta modulao nas
trs fases, o qual aciona um circuito de potncia responsvel por fazer o acionamento
do motor. Estas funes so realizadas no servoconversor do motor.
O servoconversor um dispositivo eletrnico que tem por funes principais:
Converter a alimentao de entrada da rede em nvel DC (DCBUS) por meio
de um retificador a diodo e estabilizada por capacitores, conforme mostrado
na Figura 21. A limitao da corrente de carregamento dos capacitores feita
por resistores, controlada por um circuito de soft-start inteligente, que se
adapta aos diferentes nveis de alimentao suportados pelo servoconversor.
Figura 21 Retificador de entrada do servoconversor
Fazer o acionamento do motor, por meio um circuito PWM, com freqncia
de modulao tpica em torno de 10kHz, implementado atravs de IGBT
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(insulated gate bipolar transistors), que so transistores bipolares isolados de alta
potncia, que nesta aplicao so usadas como chaves inversoras de potncia.
O comando dos IGBTs controlado pelo processador que, com base na
posio do motor obtida pela leitura do resolver, na tenso de entrada do
servoconversor, e no limite mximo de torque, configurvel no painel de
comando do servoconversor, determina em que taxa as fases de sada (U2, V2
e W2), que alimentam os enrolamentos do estator do motor, so alimentadas
positivamente (+AT) e negativamente (-AT), alm de sincronizar a defasagem
entre elas.
A Figura 22 mostra um esquema geral do chaveamento por IGBTs.
Figura 22 Modulao na sada do servoconversor por IGBT's
Interface com o resolver do motor, utilizado pelo servoconversor para saber a
que fase devem ser modulados os plos do motor, a fim de manter um ngulo
de 90o entre o campo magntico do im permanente do rotor e o campo
induzido pelos enrolamentos no estator.
Alm disso, o resolver pode ser utilizado como sensor de realimentao para a
malha de controle da velocidade angular do motor. O servoconversor converte
o sinal de posio fornecido pelo resolver em um sinal de velocidade atravs de
um processamento de derivao numrica realizada dentro do processador.
Implementar malha de controle de velocidade: com a realimentao
disponvel internamente no servoconversor, o controle de velocidade do
motor pode ser realizado internamente.
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3.3.2 Escolha do sensor de posio angular
A gama de opes tecnolgicas para sensores angulares ainda maior do que para
servomotores. Antes do advento da tecnologia de encoders pticos digitais, o
sensoriamento era realizado por resolvers analgicos, potencimetros ou sincro-
geradores. [1][6][7][8]
Um encoder ptico pode ter diversas configuraes diferentes. Os principais
parmetros de deciso quando da escolha de um encoder so os seguintes [15]:
3.3.2.1 Tipos de encoder
Um encoder ptico pode ser de trs tipos:
Encoder incremental
Este tipo de encoder consiste num disco perfurado que codifica uma seqncia
em dois bits, pela qual possvel detectar e