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Campus Experimental de Sorocaba Curso de Engenharia de Controle e Automação TIAGO PRETTI MELNIC Estudo da viabilidade de um controle alternativo para tornos mecânicos Sorocaba, dezembro de 2011
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Campus Experimental de Sorocaba
Curso de Engenharia de Controle e Automação
TIAGO PRETTI MELNIC
Estudo da viabilidade de umcontrole alternativo para tornos
mecânicos
Sorocaba, dezembro de 2011
2
Resumo
Uma simulação dos acionamentos dos motores do torno EMCO 5 foi
desenvolvida, para isso, foi montada uma bancada de teste com o objetivo de comparar
os valores obtidos experimentalmente em relação aos fornecidos pelo fabricante para
condições reais de operação do torno.
A finalidade do projeto foi buscar uma forma alternativa de controle e
acionamento dos motores do torno, verificando o quanto essa maneira de operação era
eficaz no que diz respeito à comparação com o controle e acionamento por meio do
controle lógico programável (CLP).
O projeto envolveu a interface entre motores, equipamentos de eletrônica de
potência placa de aquisição de dados (MCC COMPUTING) e ferramenta
computacional, um software denominado LABVIEW.
Palavras-chave: acionamento, controle, LABVIEW, simulação, comunicação serial.
3
Abstract
A simulation of the drive motors of lathe EMCO 5 was developed and therefore
it was assembled a bench test with the objective of comparing values obtained
experimentally in relation to those provided by the manufacturer for the real conditions
of the lathe operation.
The purpose of the project was to find an alternative way of controlling and
driving motors, checking how this way of operation was effective in regards to
comparison with control and drive motors through programmable logic control.
The project involved interfaces among motors, power electronic equipment, data
acquisition board (MCC COMPUTING) and computational tool, a software whose
name is LABVIEW.
Keywords: drive, control, labviw, simulation, serial communication
4
SUMÁRIO
1 Introdução ......................................................................................................................... 10
Organização do trabalho.......................................................................................................... 11
2 Torno Mecânico ................................................................................................................ 12
2.1 Torno Emco 5 ............................................................................................................... 13
2.2 Motor de passo ............................................................................................................ 15
2.2.1 Princípio de operação ............................................................................................. 16
2.2.2 Motor unipolar........................................................................................................ 18
2.2.3 Motor bipolar ......................................................................................................... 19
2.2.4 Modos de operação do motor de passo .................................................................... 20
2.2.5 Subclassificação do motor de passo ........................................................................ 23
2.2.6 Vantagens e desvantagens do motor de passo .......................................................... 26
2.3 Driver .......................................................................................................................... 27
2.4 Motores CA ............................................................................................................... 28
2.4.1 Motores monofásicos ............................................................................................. 29
2.4.2 Motores trifásicos .................................................................................................. 34
2.4.2.1 Escorregamento do motor de indução .............................................................. 35
2.4.2.2 Circuito equivalente ........................................................................................ 37
2.4.2.3 Motor trifásico do projeto................................................................................ 41
2.4.3 Controle de rotação ................................................................................................. 43
2.4.3.1 Controle escalar ............................................................................................... 43
2.4.3.2 Controle vetorial .............................................................................................. 45
2.5 Inversor de frequência .................................................................................................. 46
3 Comunicação e Interface Gráfica ......................................................................................... 48
3.1 Modos de comunicação ................................................................................................. 49
3.3.2 Padrões de comunicação ........................................................................................ 50
3.3.3 Comunicação serial com o PC................................................................................. 53
3.4 LABVIEW ................................................................................................................... 55
5
3.4.1 Instrumentos virtuais .............................................................................................. 56
3.4.2 Barra de ferramentas .............................................................................................. 58
3.4.3 Placa de aquisição de dados ................................................................................... 59
4 Projeto desenvolvido ......................................................................................................... 60
4.1 Resultados experimentais ........................................................................................... 68
5 Conclusões e sugestões para trabalhos futuros ................................................................... 71
Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 71
6
Lista de siglas
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contínua
CLP - Controlador Lógico Programável
CNC - Controle Numérico Computadorizado
7
Lista de FigurasFigura 1: Torno Mecânico ....................................................................................................... 13
Figura 2: Torno Emco 5 .......................................................................................................... 14
Figura 3: Motor de passo ......................................................................................................... 16
Figura 4: a) Rotor e b) Estator ................................................................................................. 17
Figura 5: Árvore esquemática.................................................................................................. 18
Figura 6: Motor Unipolar ........................................................................................................ 19
Figura 7: Ponte H .................................................................................................................... 20
Figura 8: Excitação única de fase ............................................................................................ 21
Figura 9: Excitação dual .......................................................................................................... 21
Figura 10: Meio passo ............................................................................................................. 22
Figura 11: Motor de passo de relutância variável para de passo 30º ......................................... 23
Figura 12: Topologia do acionamento de um motor de relutância variável ............................... 24
Figura 13: Motor de passo híbrido ........................................................................................... 26
Figura 14: motor de passo do projeto ....................................................................................... 26
Figura 15: Corrente nos enrolamentos para um driver ideal ..................................................... 27
Figura 16: Comportamento da corrente para: a) pequenos passos e b) grandes passos .............. 28
Figura 17: Motor monofásico de fase dividida ......................................................................... 30
Figura 18: Relação torque-rotação ........................................................................................... 31
Figura 19: Motor monofásico com capacitor de partida ........................................................... 31
Figura 20: Relação torque-rotação ........................................................................................... 32
Figura 21: Motor monofásico com capacitor permanente ......................................................... 32
Figura 22: Relação torque-rotação ........................................................................................... 33
Figura 23: Motor monofásico com dois capacitores ................................................................. 33
Figura 24: Relação torque-rotação síncrona ............................................................................. 34
Figura 25: Circuito Equivalente completo do motor trifásico ................................................... 38
Figura 26: Circuito reproduzido com e abertos ............................................................. 39
Figura 27: Circuito equivalente reduzido para o motor trifásico ............................................... 41
Figura 28: Motor trifásico gaiola de esquilo ............................................................................ 42
8
Figura 29: Tensão x Frequência .............................................................................................. 44
Figura 30: Enfraquecimento de campo .................................................................................... 45
Figura 31: Esquema básico de um inversor de freqüência ........................................................ 47
Figura 32: Inversor de freqüência do projeto ........................................................................... 48
Figura 33: Circuito lógico de conversão TTL/RS232-C ........................................................... 51
Figura 34: Circuito lógico de conversão TTL/RS 423 .............................................................. 52
Figura 35: Circuito lógico de conversão TTL/RS 422 .............................................................. 53
Figura 36: Interface serial ....................................................................................................... 55
Figura 37: Programação através de ícones ............................................................................... 56
Figura 38: Painel frontal .......................................................................................................... 57
Figura 39: Diagrama de blocos ................................................................................................ 58
Figura 40: Barra de ferramentas .............................................................................................. 58
Figura 41: Placa de aquisição de dados .................................................................................... 60
Figura 42: Diagrama de blocos estrutural do projeto ................................................................ 61
Figura 43: Inserção de comandos ............................................................................................ 61
Figura 44: Diagrama de blocos para escrita ............................................................................. 62
Figura 45: Diagramas de blocos para leitura ............................................................................ 62
Figura 46: Propriedades do sistema ......................................................................................... 63
Figura 47: Porta de comunicação............................................................................................. 63
Figura 48: Configurações de porta serial ................................................................................. 64
Figura 49: Acionamento do motor de passo ............................................................................. 64
Figura 50: Variação de tensão analógica para a placa .............................................................. 65
Figura 51: Diagrama de blocos ................................................................................................ 65
Figura 52: Amplificador operacional não inversor ................................................................... 66
Figura 53: Circuito para ganho de tensão ................................................................................. 67
Figura 54: Acionamento do motor CA ..................................................................................... 68
Figura 55: Análise de comportamento da rotação .................................................................... 70
9
Lista de tabelasTabela 1: Dados nominais do torno emco 5 ............................................................................. 14
Tabela 2: Deslocamento do carro em função do passo ............................................................. 15
Tabela 3: Valores nominais do motor ...................................................................................... 42
Tabela 4: Conversão entre TTL e RS 232-C ............................................................................ 51
Tabela 5: Interpretação dos sinais de “marca” e “espaço” ........................................................ 54
Tabela 6: Função dos pinos na comunicação serial do pc ......................................................... 55
Tabela 7: Distância linear do motor de passo do projeto .......................................................... 69
Tabela 8: Rotação em função da tensão ................................................................................... 70
10
1 Introdução
As 1ª e 2ª Grandes Guerras trouxeram um grande avanço tecnológico industrial.
A produtividade cresceu repentinamente em qualidade e rapidez, principalmente em
relação ao curto espaço de tempo envolvido. Nesse contexto, a automação industrial
aparece como um dos fatores responsáveis por esse súbito desenvolvimento.
A automação industrial é a capacidade de se executar comandos, obter medidas,
regular parâmetros e controlar funções automaticamente sem a intervenção humana. (...)
é sinônimo de integração, ou seja, da função mais simples a mais complexa, existem um
ou mais sistemas que permitem o qual um dispositivo seja controlado de modo
inteligente, tanto individualmente quanto em conjunto, visando alcançar um maior
conforto, informação e segurança, segundo [14].
De acordo com [15], o desempenho dos sistemas de automação está ligado ao
desempenho do sistema de controle, assim, os sistemas industriais, o grau de
automação, de reatividade e de flexibilidade é crescente, por conseguinte, o controle do
sistema torna-se o mais importante no projeto de sistemas de automação.
O surgimento de novos dispositivos possibilitou a criação de desenvolvimento de
modernas técnicas de controle, de suma importância para a indústria atual, como
exemplo o inversor de frequência. Esse aparelho permite o acionamento controlado do
motor CA que, devido à sua complexidade de controle e não-linearidade dos seus
parâmetros internos, era pouco utilizado na indústria, em comparação ao motor CC.
O inversor de frequência alterou esse panorama e, atualmente, o motor CA é
amplamente utilizado na área industrial, observando-se que, além de ser mais robusto,
possui a vantagem de ter baixo custo de manutenção, com relação ao motor CC.
De acordo com [16], o processo de modernização chinesa das máquinas
mecânicas, principalmente em relação ao torno, enfrentam o dilema de adequar
máquinas antigas e sistemas novos. Afirma que o fator custo é preponderante, apesar de
reconhecer que ao preferir as máquinas obsoletas, a China tende a ficar atrasada no
ramo tecnológico. O autor cita a Alemanha como um exemplo de sociedade que aceitou
a missão de promover a substituição das antigas máquinas mecânicas em prol da
automação industrial e que é reconhecida por ter uma das tecnologias das mais
avançadas do globo.
11
Essa crescente demanda industrial por produtos de qualidade e refinamento
favoreceu o desenvolvimento de sistemas computadorizados capazes de produzir peças
mecânicas com alto nível de rapidez e precisão, além de melhorar a produtividade e
aumentar o lucro para as empresas.
No atual contexto é inserido o CLP, um controlador que permitiu, entre outros, a
produção de peças complexas, em qualquer uma das três dimensões do sistema
cartesiano, nos tornos e centros de usinagem; a redução radical das intervenções
humanas no processo industrial, o que implica em uma drástica diminuição de erros;
atenuação dos desperdícios no que se refere às sobras de materiais utilizados no
processo; além do melhor aproveitamento do tempo na linha de montagem, já que é
possível executar outros processos paralelamente, rendendo um menor tempo de
fabricação do produto final.
O projeto demonstra que a automação industrial das funções básicas dos motores
de um torno escravo é possível, através da utilização do software LABVIEW e de
equipamentos de eletrônica de potência, despontando como uma forma de controle
alternativa em relação ao CLP. Para realização do trabalho, foi utilizado o motor CA,
adequado para os objetivos pretendidos e as possibilidades de operação, além de estar
disponível para utilização dos alunos na Faculdade.
É importante destacar que apesar do escopo didático inicial, a utilização da
ferramenta é válida como alternativa de automação para um torno, uma vez que a
implementação do CLP tem a desvantagem do necessário e considerável investimento
financeiro inicial. Assim, a escolha pela opção estudada e ora apresentada, traria na
prática, redução de custos para a empresa.
12
Organização do trabalho
O torno e seu funcionamento serão apresentados no Capítulo 2 – Torno mecânico,
inicialmente de forma generalizada e, em seguida, mais especificamente sobre o qual o
projeto foi baseado. Ainda no mesmo capítulo, serão detalhados os componentes e
equipamentos físicos envolvidos no trabalho.
A comunicação e a interface gráfica estão referidas no Capítulo 3, onde será
discutida também a interação homem-máquina e os meios de integrar os dispositivos e
componentes ao software do projeto.
O projeto desenvolvido é exposto no Capítulo 4: as etapas da montagem da
bancada de testes, os resultados experimentais, além da comparação entre os valores
desejados inicialmente e os obtidos.
A importância do projeto para os conhecimentos acadêmicos e também na
possível utilização na indústria, além disso, o Capítulo 5 apresenta sugestões para
continuidade desse trabalho, realçando a amplitude da área da automação industrial e
suas aplicações.
2 Torno mecânico
É uma máquina-operatriz extremamente utilizada na indústria com o propósito
de transformar, por meio da usinagem, peças brutas em formas específicas e
dimensionadas para cada aplicação solicitada. Através do torno é possível confeccionar
eixos, polias, roscas, cones, peças cilíndricas, etc. Por isso, devido a essa grande eficácia
do torno na área industrial, ele se tornou fundamental para inúmeras aplicações, tais
como confecção de peças automobilísticas, de aparelhos medicinais, além disso, tal
máquina é o sustentáculo das indústrias siderúrgicas e metalúrgicas.
A figura 1 mostra um torno mecânico automático.
13
Figura 1: Torno Mecânico
O torno apresentado na figura 1 é dito automático, pois possui aparato eletrônico
para controlar a rotação da castanha ou a posição do carro, geralmente esse controle é
feito pelo CLP, no nosso caso particular, o controle foi realizado por meio do software
LABVIEW.
2.1 Torno Emco 5
No projeto, para fazer a simulação foram utilizados como referência de valores e
condições de operação os motores que compõem o torno Emco 5. Esse torno é
composto de um motor CC, que é responsável pela rotação da castanha e de um motor
de passo que possui a função de movimentar o carro. A figura 2 mostra o torno utilizado
no projeto para parâmetros de referência.
É importante ressaltar que não obtivemos acesso aos motores do torno, visto que
o mesmo se encontrava blindado, com o intuito de proteção à tecnologia do fabricante,
portanto no momento que construímos a bancada com os motores similares aos do torno
14
para a demonstração baseou-se no manual do fabricante e nos dados da placa externo ao
motor CC, conforme a tabela 1.
Figura 2: Torno Emco 5
Tabela 1: Dados nominais do torno emco 5
Potência Tensão Corrente Rotação
0,44 kW 180 V 3,0 A 4000
A escolha desse tipo de torno para o projeto residiu no fato de que seu motor CA
é de baixa potência - 0,44 kW -, o que tornou possível utilizar o motor CA e o inversor
de frequência disponíveis na faculdade para que pudéssemos simular as condições de
operação motor CC do torno. Caso contrário, se o motor CC do torno fosse de altíssima
potência seria necessário comprar tanto o motor CA quanto o inversor de frequência -
ambos serão detalhados mais a frente - o que implicaria em um projeto inviável
economicamente.
De acordo com o manual do fabricante, o regime de rotação do motor CC é de até
4000 , no que diz respeito ao motor de passo, o fabricante informa que o menor
passo possível é de 5º e o máximo é de 45º para que se possa efetuar deslocamento do
carro. O curso de deslocamento do carro é de 300 na longitudinal, de acordo com a
figura 2.
15
A tabela 2 mostra a variação dos passos e o que isso representa para o percurso de
deslocamento do carro em .
Tabela 2: Deslocamento do carro em função do passo
Passos (ângulos dos motores de passo) Percurso de deslocamento (mm)
1º passo (5º) 0,0138
2º passo (10º) 0,0277
3º passo (15º) 0,0416
4º passo (20º) 0,0555
5º passo (25º) 0,0694
6º passo (30º) 0,0833
7º passo (35º) 0,0972
8º passo (40º) 0,111
9º passo (45º) 0,125
Esses são os parâmetros principais que procuramos atender no projeto através
dos motores de demonstração.
Após descrevermos a respeito da máquina-ferramenta e nas condições de
operações em que foi baseado o projeto, detalharemos em seguida sobre cada
equipamento, dispositivo ou componente que integrou o trabalho para que a simulação
fosse possível.
2.2 Motor de passo
Os motores de passo são dispositivos que possuem a característica de converter
pulsos elétricos em rotações mecânicas, onde o eixo gira em séries de intervalos
angulares discretos. Cada movimento angular realizado é denominado passo, este por
sua vez é comandado através do pulso recebido durante um intervalo de tempo. Quando
um determinado número de pulso é fornecido, o eixo terá girado uma quantidade
angular conhecida, tal fato implica em um motor adequando para o controle de posição
em malha aberta, pois este tipo de controle não possui a retroalimentação, assim essa
concepção de motor torna-se extremamente precisa, levando-se em conta a falta de
16
feedback para eventuais erros na posição do motor. A figura 3 abaixo mostra o motor de
passo.
Uma peculiaridade positiva do motor de passo reside no fato de que o mesmo
pode ser controlado diretamente por computadores ou microcontroladores, dessa forma,
através da comunicação serial RS 232 - a qual será detalhada mais a frente - é
perfeitamente possível fazer o acionamento do driver do motor de passo, portanto o
hardware de interface entre o PC ou microcontrolador e o motor de passo torna-se
menos complexo.
A maioria do motor de passo opera em condições práticas com bastante
similaridade em relação aos motores convencionais, portanto podemos concluir que o
torque e a potência são parecidos, desde que os motores tenham a mesma dimensão e
faixa de rotação. Os passos angulares estão principalmente na faixa de 1,8º- 90º, com
torques na faixa de 1 até 40 para motores de 15 cm diâmetro, padrões aceitos
onde a rotação é 500 . Grande parte das aplicações para os motores de passo estão
dentro desses parâmetros [1].
Figura 3: Motor de passo
2.2.1 Princípio de operação
O princípio de funcionamento do motor de passo baseia-se no conceito da teoria
do magnetismo. Assim, da física temos que quando uma barra de ferro é suspensa
livremente para girar em campo magnético, ela tentará alinhar sua posição em relação
17
ao campo. Se a direção do campo muda, então a barra tenderá a mudar de posição de
forma a alinhar novamente com o campo magnético, nesse momento temos o torque de
relutância devido a essa variação de posição.
O motor de passo é constituído de um rotor, que é um conjunto eixo-imã
responsável pela parte móvel do motor e também pelo estator, que se refere à parte fixa
do motor onde as bobinas são enroladas. A figura 4 exibe o rotor e o estator.
Figura 4: a) Rotor e b) Estator
Acredita-se ser relevante comentar brevemente a respeito do torque de relutância,
haja vista seu conceito ser diferente em relação ao torque produzido pela interação entre
campo magnético e a corrente que passa nos enrolamentos do rotor. Esse torque possui
fundamento na fórmula (1), em que = força, =comprimento do fio e
=corrente perpendicular ao campo magnético B, tal torque refere-se aos motores CC e
CA, portanto para esses motores não há que se falar em torque de relutância.
O torque de relutância se origina na tendência de uma barra de ferro se alinhar ao
campo magnético, se a barra é deslocada da sua posição de alinhamento implicará em
um torque de restauração, na medida em que a mesma tentará voltar para a posição
original.
Os rotores da máquina que produzem o torque por relutância são projetados para
que se alinhem com o campo magnético produzido pelos enrolamentos do estator. Ao
passo que estão disponíveis circuitos equivalentes simples para entender o
comportamento da fórmula em (1) nos motores CC e CA, nos motores de passo nenhum
desses simples circuitos estão disponíveis para verificar o comportamento, o que existe
18
são circuitos baseados em modelos numéricos para previsão do desempenho do motor
de relutância, porém não são adequados para análise de comportamento [1].
O motor de passo subdivide-se em: Unipolar e Bipolar e cada um desses podem
ser do tipo relutância variável, imã permanente ou híbrido. A figura 5 em forma de
árvore mostra o esquema.
Figura 5: Árvore esquemática
2.2.2 Motor Unipolar
Os motores de passos unipolares mais comuns possuem duas bobinas com seis
fios. Cada bobina consiste de um enrolamento com derivação central, essas derivações
centrais são conduzidas para fora do motor com dois fios separados ou são conectadas
internamente no motor e trazidas para fora por meio de um único fio [2].
A derivação central possui função de alimentar o motor, enquanto que os
terminais, quando aterrados, efetuam o controle do movimento. Ao submeter uma das
bobinas a uma tensão, o campo magnético induzido no estator provoca um movimento
de rotação no rotor até atingir um ponto de equilíbrio, que ocorre no momento em que a
posição do rotor se alinha com o campo magnético produzido pelo estator. Essa situação
é ilustrada na figura 6. [3]
O rotor é permanentemente magnetizado através dos pólos do estator , dessa
forma a direção da corrente que passa na bobina do estator determina qual pólo do rotor
19
será atraído por qual pólos do estator, logo nesse tipo de motor, a direção da corrente
nos motores unipolares é dependente de qual metade da bobina é energizada.
Fisicamente, as metades das bobinas são colocadas em paralelo uma com a outra, assim
uma bobina atua como pólo norte ou sul dependendo de qual bobina é energizada.
Figura 6: Motor Unipolar
2.2.3 Motor Bipolar
O motor de passo bipolar utiliza um circuito de controle mais complexo que os
unipolares. São conhecidos pela sua excelente relação tamanha/torque no qual
proporcionam um torque superior comparado a um motor unipolar do mesmo tamanho.
Tais motores são compostos de duas bobinas e quatro fios, diferentemente do motor
unipolar, esses motores não possuem derivação central.
A vantagem de não possuir derivação central é que a corrente passa através de
toda bobina ao invés de fluir apenas por metade da bobina, dessa forma os motores
bipolares produzem mais torque que um motor unipolar de mesma dimensão [2].
Pelo fato de a corrente fluir na bobina de modo bidirecional implica em uma
mudança na polaridade de cada terminal da bobina.
O circuito de controle que faz essa inversão nas polaridades de cada terminal da
bobina é denominado de ponte H, é interessante destacar que esse tipo de controle pode
20
ser utilizado, não somente no controle de motores de passo, mas também em motores de
corrente contínua e solenóides. A figura 7 abaixo mostra a topologia de um circuito em
ponte H, idealmente usam-se chaves, mas, na prática, utilizam-se transistores MOSFET
ou IGBT.
Figura 7: Ponte H
A ponte H funciona aos pares: Quando as chaves 1 e 3 estão ligadas, as chaves
2 e 4 estão desligadas e a corrente cresce exponencialmente, fluindo da esquerda para
a direita. Ao desejar inverter o sentido de rotação, devido ao caráter indutivo do motor,
isso não ocorre instantaneamente, dessa forma a corrente continua fluindo da esquerda
para a direita, porém agora passando pelos diodos 2 e 4 e decresce
exponencialmente até chegar ao valor nulo.
Após atingir o valor o nulo, corrente inverte seu sentido, fluindo da direita para a
esquerda por meio das chaves 2 e 4, as chaves 1 e 3 ficam desligadas, a corrente
cresce exponencialmente. Analogamente, caso se queira inverter novamente a rotação, a
corrente passa pelos diodos 1 e 3 pelos mesmos motivos ditos anteriormente
decrescendo exponencialmente. A partir do momento que a corrente atinge seu valor
nulo, o ciclo recomeça.
2.2.4 Modos de operação do motor de passo
A quantidade de bobinas acionadas e o seu respectivo rearranjo acarretam na
maneira de como o passo será dado, a qual pode ser: passo normal com única excitação
de fase, com excitação dual ou meio passo.
21
No passo normal com excitação única de fase ocorre a energização de uma única
bobina por vez, assim quando a bobina 1 é desligada, energiza-se a bobina 2, como o
rotor irá alinhar com o campo magnético produzido pela bobina 2, então ocorre o passo
normal entre as bobinas 1 e 2, portanto, por analogia irá acontecer o passo normal de
uma única fase entre as bobinas 2 e 3, e assim continuamente até que se interrompam as
etapas de energização. A figura 8 abaixo mostra as etapas de energização para uma
revolução.
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4
Figura 8: Excitação única de fase
A vantagem desse tipo de operação é que ela consome pouca energia e
consegue-se uma alta rotação, a desvantagem é o baixo torque e a pouca precisão.
No passo normal com excitação dual duas fases são energizadas
simultaneamente, dessa forma o rotor possuirá um torque proveniente dessas ambas as
fases, diferentemente da situação anterior, a posição de equilíbrio será intercalada entre
a posição do passo normal, nessa condição o motor, tal qual na excitação com única
fase, também dá um passo normal. A sequência de etapas é mostrada na figura 9 abaixo
para uma revolução.
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4
Figura 9: Excitação dual
22
As vantagens dessa operação são as possibilidades de se ter altos torque e rotação,
no entanto as desvantagens residem no fato de que consome mais energia em relação à
etapa anterior e também possui pouca precisão.
Na operação de meio passo ocorre a combinação das duas etapas anteriores, a
figura 10 abaixo mostra a seqüência das etapas.
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5 Etapa 6
Etapa 7 Etapa 8
Figura 10: Meio passo
Através da análise das etapas, percebe-se que as bobinas são energizadas de
maneira alternada entre uma e duas bobinas, tal procedimento ocorre justamente para
que seja possível ao motor dar meio passo, por exemplo, imaginando-se um motor que
opere em condições normais com passos de 30º, ao configurar e energizar as bobinas
conforme a figura acima, o motor dará passos de 15º, consequentemente, com equilíbrio
estável na posição de 15º.
A vantagem desse tipo de operação se baseia na maior precisão, haja que os
passos são pela metade, as desvantagens referem-se ao maior consumo de energia em
relação aos tipos de passos anteriores, pois para conseguir atenuar o torque com o
objetivo de tornar a posição mais exata, isso gasta mais energia, além disso, a rotação é
menor em relação às etapas anteriores.
23
2.2.5 Subclassificação do motor de passo
De acordo com a figura 5, tem-se que tanto o motor unipolar quanto o bipolar
possuem subclassificações. Na sequência abordaremos os três tipos principais de
motores de passo que estão inseridos nessas subclassificações os quais são: relutância
variável, imã permanente e híbrido.
Os três utilizam o princípio da relutância, contudo a diferença entre eles está na
maneira de como o campo magnético é produzido. No que diz respeito ao primeiro tipo,
os campos são produzidos por correntes estacionárias nos enrolamentos, para o segundo
tipo, os pólos magnetizados do rotor provém de uma grande intensidade do fluxo
magnético, estes produzem o campo magnético e para o terceiro tipo, também existem
as correntes nos enrolamentos, mas ocorre o adicional de um imã permanente no rotor,
aliás, é por isso que este tipo de motor de passo recebe a denominação de híbrido [5].
Apesar de que os três motores operem sob o mesmo princípio básico, verifica-se
na prática que a utilização do primeiro é mais para aplicações que exigem passos
angulares maiores de posição (30º, 40º, 50º etc.) em contrapartida, o segundo está mais
relacionado com situações que demandam passos intermediários de posição (7,5º, 15º,
20º), já o terceiro consegue operar tanto para passos maiores quanto menores [1].
Um motor de passo de relutância variável é usado para passos grandes de posição,
por exemplo, para passos de 30º, tal como é mostrado na figura 11.
O estator é feito de aço laminado e possui seis pólos igualmente espaçados, cada
um com a sua própria bobina. O rotor, que pode ser sólido ou laminado, tem quatro
dentes com a mesma largura. Existe um pequeno entreferro entre o rotor e o estator,
geralmente com distância entre 0,02 e 0,2 mm. Quando não flui corrente em nenhuma
bobina do estator, o rotor ficará completamente livre para girar.
Figura 11: Motor de passo de relutância variável para de passo 30º
24
A partir da análise da figura 11 acima, percebe-se que existem três pares de
bobinas de estatores diametralmente opostas, portanto têm-se três circuitos ou fases
estatóricos independentes entre si, tal fato acarreta que quando o circuito 1 é energizado,
um campo magnético na sua direção é criado, dessa forma o rotor tenderá a se alinhar
na direção do prolongamento do campo magnético criado pelo circuito 1 [2].
Quando o circuito 1 é desligado e o circuito 2 é ligado, o par de bobinas
estatóricas atrai os pólos do rotor para que este permaneça posicionado na direção do
campo magnético criado pelo circuito 2, de modo que quando este se alinhar, a variação
de posição entre o atual alinhamento do rotor e o anterior será de 30º no sentido anti-
horário, ou seja, é o passo dado pelo motor [2].
Analogamente ocorrerá quando o motor passar do circuito 2 para a 3, um novo
passo de 30º será dado e assim sucessivamente. Ressalta-se que a polaridade da corrente
energizada não é significante, pois o motor irá alinhar independentemente da direção da
corrente.
A figura 12 abaixo mostra a topologia básica para acionar um motor de passo de
relutância variável. Observa-se que como as bobinas são cargas indutivas, logo
necessitam de um caminho para a corrente quando chaveadas, os diodos ( )
possuem a função de proteger o transistor MOSFET ( ) de uma eventual
elevada taxa negativa de tensão aplicada nas bobinas, V= -L di/dt.
Figura 12: Topologia do acionamento de um motor de relutância variável
O motor de passo de imã permanente possui rotores de material de ferrite sem
dentes e magnetizado perpendicularmente ao eixo. Energizando as quatro fases em
25
sequência, o rotor gira, pois é atraído pelos magnéticos. De uma maneira geral, os
ângulos de passo são de 45º ou 90º com taxas de passo baixas, porém tais motores
possuem torque alto, que é conhecido como torque de detenção. Tais motores possuem
a característica de manter a posição mesmo quando não energizado.
No motor de passo híbrido o estator possui 8 pólos principais, cada um com 5
dentes e cada pólo tem uma bobina. O rotor é constituído de duas placas de aços cada
uma com 50 dentes, separadas por um imã permanente. O dente do rotor tem o mesmo
passo que o dente dos pólos do estator, e possuem uma distância paralela de modo que o
centro dos dentes coincide com a ranhura do outro. O imã permanente é axialmente
magnetizado e o dente de uma placa do rotor é polarizado para o norte e o outro dente
paralelo a este na outra placa é polarizado para o sul [1].
Quando não houver corrente fluindo pelos enrolamentos, o único fluxo magnético
que atravessa o entreferro é o produzido pelo imã permanente. Assim, o fluxo
magnético atravessa o entreferro em direção ao pólo do estator, fluindo axialmente ao
longo do corpo do estator e retorna para o imã [1].
As oito bobinas são conectadas para formar dois enrolamentos de fase. As
bobinas dos pólos 1, 3, 5 e 7 formam a fase A, enquanto que as dos pólos 2, 4, 6 e 8
formam a fase B. Quando a fase transmite uma corrente positiva, os pólos 1 e 5 do
estator são magnetizados para o pólo sul, enquanto que os pólos 3 e 7 são para o norte.
Os dentes do rotor magnetizados com o pólo norte são atraídos para os pólos 1 e 5
do estator, enquanto que os do pólo sul são atraídos para os pólos 3 e 7 do estator. O
motor dá o passo, a partir do momento que a fase A é desligada e fase é energizada, com
corrente positiva ou negativa, dependendo do sentido de rotação. Tal fato causará um
passo de 1,8º para uma nova posição de equilíbrio [1].
O motor dá passos continuamente através da seqüência +A, -B, -A, +B, +A
(horário) ou +A,+B, -A, -B, +A (anti-horário).
A figura 13 mostra o motor de passo híbrido [4].
26
Figura 13: Motor de passo híbrido
No projeto utilizou-se o motor de passo bipolar híbrido, conforme mostrado pela
figura 14.
Figura 14: motor de passo do projeto
2.2.6 Vantagens e desvantagens do motor de passo
O motor de passo possui as vantagens de possui grande precisão, na medida em
que se movimenta por meio da variação angular, onde esta possui geralmente um erro
27
não-cumulativo na escala de 5%, elevado percentual de resposta às acelerações e
desacelerações, pois apesar de ser um sistema em malha aberta, o valor inicial desejado
para as acelerações e desacelerações é atingido, na grande parte das vezes com pequenas
ou até irrisórias distorções ou variações.
As desvantagens residem na operação a altas rotações, pois exige um elevado
número de chaveamentos, o que torna o controle, por muitas vezes, ineficaz [7].
Os motores de passo são aplicados em impressoras, plotters gráficas, periféricos
de computadores, célula de manufatura integrada, sistemas robóticos etc [6].
2.3 Drive
O drive do motor de passo possui a função de converter os sinais de entrada em
corrente controlada para os enrolamentos do motor.
Ele propicia o chaveamento de cada fase dos transistores de maneira sincronizada,
assim quando cada fase é energizada, a corrente de cada enrolamento atinge um valor
específico para cada operação, isto é, o driver promove uma corrente relacionada com o
torque e a rotação desejados.
Se o motor não tivesse a característica indutiva, a corrente específica se
estabilizaria imediatamente no valor proposto pelo driver, analogamente ocorreria
quando a corrente estivesse em tal valor e a mesma fosse desenergizada, ou seja, iria
para zero imediatamente, consequentemente, teríamos uma corrente de onda quadrada
para cada fase, tal qual é mostrada na figura 15.
Figura 15: Corrente nos enrolamentos para um driver ideal
Entretanto, devido à indutância nos enrolamentos, na prática, não é possível
atingir essa forma de onda quadrada ideal para as correntes, conforme foi mostrado na
28
figura 15. Isso ocorre porque o indutor possui como uma de suas principais
característica, o armazenamento de energia, o que acarreta a impossibilidade de
mudança de estado da corrente de forma imediata.
Dessa forma, devido a essa característica intrínseca do motor, a corrente nos
enrolamentos possui a forma de onda mostrada na figura 16.
a) b)
Figura 16: Comportamento da corrente para: a) pequenos passos e b) grandes passos
No projeto a importância do drive se referiu no fato de que ele foi o responsável
por fazer a intermediação entre o LABVIEW e o motor de passo por meio da
comunicação serial RS 232, ou seja, o drive recebeu os comandos efetuados pelo
LABVIEW via comunicação serial, interpretou-os e propiciou uma corrente controlada
para o motor de passo de acordo com os comandos recebidos pelo LABVIEW.
2.4 Motores CA
O motor de corrente alternada possui ampla utilização na indústria, isso se deve
principalmente a sua robustez e baixo custo de manutenção. No passado, o grande
entrave do motor CA era a dificuldade de se controlar a sua rotação, pois o motor CA
possui uma complexidade maior em relação ao motor CC. Entretanto, com o
desenvolvimento dos inversores de freqüência tornou-se possível o controle de rotação
do motor CA, por isso o motor CA está predominando em diversas aplicações
industriais em detrimento do motor CC, tais como ventiladores, bombas e
compressores.
29
Em relação ao nosso projeto, estamos utilizando o motor CA porque é o motor a
qual dispomos, também pelo fato de que ele é capaz de simular grande parte das
operações que o motor CC do torno executa e, principalmente porque a faculdade
disponibiliza um inversor de frequência da marca WEG - do qual falaremos mais
adiante do nosso projeto -, este será o dispositivo responsável por controlar a rotação do
motor CA.
2.4.1 Motores Monofásicos
Iremos comentar brevemente sobre o motor monofásico e os seus tipos porque
os mesmos são utilizados quando não se dispõe de uma rede elétrica trifásica - zona
rural, certas residências e escritórios - ou quando a potência de saída para a carga é
baixa, aproximadamente de 1 a 2 , para o nosso projeto, como a potência nominal do
motor do torno é de 0,44 , caso não dispuséssemos de uma rede elétrica trifásica,
poderíamos utilizar um motor monofásico em substituição ao trifásico.
A estrutura do motor monofásico se caracteriza por ter um arranjo nos
enrolamentos do estator, que são diretamente ligados a uma fonte monofásica. Aliás,
por terem somente uma fase de alimentação, não existe um campo girante, mas sim um
campo magnético pulsante, o que impede que o motor tenha um torque de partida,
conforme será demonstrado matematicamente.
Ao invés de ter o núcleo concentrado, esse tipo de motor apresenta enrolamentos
estatóricos distribuídos em ranhuras com o objetivo de produzir uma distribuição
senoidal da força magnetomotriz (mmf) [11].
Pelo fato de pertencer à categoria de motores CA, os motores monofásicos
possuem uma corrente a qual a sua amplitude varia ao longo do tempo, assim de acordo
com [11], podemos assumir que a corrente seja cosenoidal em função do tempo e do
espaço, logo a força magnetomotriz no entreferro é dado por (2):
cos ( (2)
30
Além disso, da trigonometria, é possível reescrever (2) em uma soma de duas
equações da seguinte forma:
= cos ( ) (3)
+
= cos ( ) (4)
O objetivo de desmembrar (2) em duas equações é mostrar que devido à natureza
cosenoidal da corrente no estator, esta produz um torque positivo e negativo de mesma
intensidade, consequentemente o motor não giraria, pois o torque de arranque resultante
seria nulo, logo se faz necessário utilizar enrolamentos auxiliares os quais terão a
finalidade de propiciar uma segunda fase, possibilitando a criação do campo girante,
que é responsável pelo torque de partida.
Os tipos de motores monofásicos se diferenciam na maneira como os
enrolamentos auxiliares são posicionados e dimensionados.
O primeiro tipo é denominado de motor de fase dividida. A figura 17 mostra a
configuração do circuito equivalente.
Figura 17: Motor monofásico de fase dividida
O motor de fase dividida possui dois enrolamentos estatóricos, um chamado de
principal - também chamado de enrolamento para o regime permanente - e um outro
denominado de auxiliar - também denominado de enrolamento de partida -, tais
enrolamentos estão defasados de 90º e estão conectados de acordo com a figura (17).
31
Quando é atingida uma determinada rotação, o enrolamento auxiliar é
desconectado do circuito do motor por intermédio de uma chave centrífuga, esse
enrolamento é dimensionado para ser utilizado somente na partida [12].
O motor de fase dividida possui moderado conjugado de partida por meio de uma
baixa corrente inicial, dessa maneira o torque opera em 75% da rotação síncrona quando
o enrolamento auxiliar é desconectado. A figura 18 mostra a relação entre percentuais
de torque e rotação síncrona.
Figura 18: Relação torque-rotação
O segundo tipo refere-se ao motor com capacitor de partida, a figura 19 mostra a
configuração do circuito equivalente.
Figura 19: Motor monofásico com capacitor de partida
32
Depreende-se da figura anterior que o circuito é basicamente o mesmo, com o
acréscimo do capacitor em série com o enrolamento auxiliar. O capacitor é utilizado
para melhorar o desempenho do motor tanto na partida como em regime permanente. O
enrolamento auxiliar é desconectado em aproximadamente 75% da rotação síncrona
quando o motor faz a partida.
A vantagem da adição do capacitor é que ele possibilita torques de partida bem
superiores em relação ao proporcionado pelo motor de fase divida, conforme apresenta
a figura 20 por meio de um gráfico que mostra a relação torque-rotação síncrona.
Figura 20: Relação torque-rotação
O terceiro tipo refere-se ao motor com capacitor permanente, neste modo o
capacitor e o enrolamento auxiliar não são desconectados do circuito depois da partida,
pois não existe a chave, tal qual nas situações anteriores. A figura 21 mostra a
configuração do circuito equivalente.
Figura 21: Motor monofásico com capacitor permanente
33
Essa configuração apresenta fator de potência e torque em regime permanente
superiores em relação às topologias anteriores, contudo o torque de partida é menor. A
figura 22 apresenta através de um gráfico o comportamento da relação torque-rotação
síncrona.
Figura 22: Relação torque-rotação
A quarta maneira é a configuração do motor com dois capacitores, onde um
capacitor seria responsável pela partida e o outro seria pela performance em regime
permanente do torque. A figura 23 apresenta o circuito equivalente para essa
configuração.
Figura 23: Motor monofásico com dois capacitores
O capacitor de partida é desligado do circuito, por meio da chave, quando o motor
atinge aproximadamente 80% da rotação síncrona, já o capacitor de performance fica
sempre ligado. Essa é a configuração mais completa dentre as demais, pois oferece as
vantagens das configurações anteriores, ou seja, alto torque de partida e de performance,
grande eficiência e elevado fator de potência. [12]
34
A figura 24 mostra o gráfico da relação entre torque e rotação síncrona para essa
configuração do motor monofásico.
Figura 24: Relação torque-rotação síncrona
2.4.2 Motores Trifásicos
A aplicação de uma tensão trifásica ao enrolamento do estator do motor de
indução cria um campo magnético girante que, por efeito de transformador, induz uma
força eletromotriz de trabalho no enrolamento do rotor. A força eletromotriz no rotor é
chamada de força eletromotriz de trabalho, pois faz uma corrente circular através dos
condutores do enrolamento do rotor, produzindo um fluxo, este responsável por
produzir o torque [13].
O campo magnético é produzido por meio dos enrolamentos de cada fase com
defasagem de corrente no tempo.
Da análise da figura temos que as correntes estão deslocadas no tempo pelo
equivalente de 120º. Esse deslocamento de 120º é um conceito imaginando-se um
observador fixo em cada ponto a, b, c, ou seja, entre esses observadores existe uma
variação angular de 120º.
Partindo-se do que foi supracitado temos que a força eletromotriz resultante de
cada fase do estator é composta pela variação no tempo e no espaço angular, portanto
segundo [13], o campo alternado criado por esta fase pode ser expresso
matematicamente por:
35
cos( ) (5)
Contudo, essa fórmula dada em (5) é relacionada à fase a, ressalta-se que estamos
considerando a fase como ângulo de referência igual a zero, isto é =0, dessa forma,
consoante a defasagem de 120º entre fases, temos que as forças eletromotrizes
instantâneas das fases b e c são respectivamente:
cos( 120) cos ( 120) (6)
cos( 240) cos ( 240) (7)
Assim, a força eletromotriz resultante do enrolamento trifásico total é obtida
somando-se as contribuições instantâneas de força alternada de cada fase. A expressão
algébrica em (8) mostra essa resultante.
[cos( ) + cos( 120) cos(
120) + cos( 240) cos ( 240)] (8)
Através da identidade trigonométrica é possível reescrever (8) resultando em:
= [cos( ) + cos( ) + cos( ) + cos( +
240) + cos( ) + cos( 120) (9)
Uma importante observação é que a fórmula resultante em (9) possui em relação à
soma do segundo, quarto e sexto termos valor de amplitude igual a zero, logo a fórmula
simplificada é descrita em:
= cos ( ) (10)
2.4.2.1 Escorregamento do motor de indução
36
O motor de indução trifásico pode ser comparado com o transformador, porque é
um dispositivo com uma única fonte de energia, que envolve enlaces de fluxos variáveis
com respeito aos enrolamentos do estator e do rotor. A aplicação de uma tensão trifásica
ao enrolamento do estator dá origem a um campo magnético girante, que corta tanto o
enrolamento do estator como o do rotor na frequência da rede, f1. O valor eficaz da
força eletromotriz induzida por fase do enrolamento parado é dada pela equação (10). O
uso da frequência de rede f1 refere-se ao fato de o motor estar parado nesse instante.
= 4,44 (11)
As notações e são parâmetros do enrolamento do rotor, a grandeza ,
refere-se ao fluxo entre os enrolamentos do estator e do rotor, analogamente temos que
o valor eficaz da força eletromotriz induzida por fase que ocorre no enrolamento do
estator é apresentado pela equação:
= 4,44 (12)
Quando o motor de indução está na iminência de girar, se faz necessário um
torque de partida e a seguir um torque de permanência nessa condição, isso ocorre a
partir do momento que flui uma corrente nos enrolamentos do rotor, ou seja, uma força
eletromotriz induzida gera uma corrente no rotor , por fase. A corrente propicia
um torque que atuará na mesma direção do campo girante. Esse campo está imerso em
um fluxo que está girando numa rotação diretamente proporcional à frequência da rede
aplicada no estator e inversamente proporcional ao número de pólos (p) do
enrolamento do estator. Tal rotação é chamada de rotação síncrona ( ) e é descrita
pela equação (13).
= (13)
À medida que o rotor aumenta sua rotação, a relação na qual o campo do estator
se vincula com as bobinas do rotor diminui, isso reduz a força eletromotriz induzida
resultante por fase, portanto o torque é menor. Esse processo diminui até o momento
que o rotor atinge uma rotação tal que fornece força eletromotriz suficiente para
37
produzir apenas a corrente necessária para desenvolver um torque igual ao torque
contrário, por outras palavras podemos dizer que esse processo tem a duração necessária
para que o motor consiga sair da inércia e entre em regime de operação permanente
[13].
Os torques contrários referem-se à carga no eixo do motor, ou quando estas
inexistirem, aqueles consistirão nas perdas por atrito do motor. É relevante destacar que
enquanto houver um torque contrário a ser superado, ainda que pequeno, a rotação não
pode jamais ser igual à rotação síncrona, assim deve existir sempre uma diferença de
rotação entre o campo do estator e o rotor, na medida em que o enrolamento do motor é
produzido por indução, assim se a rotação do estator e do rotor forem iguais, não há
tensão induzida, consequentemente não há torque desenvolvido.
Essa diferença de rotação entre o estator e o rotor é o que se denomina de
escorregamento. O termo escorregamento apresenta o valor ns, que se relaciona à
rotação síncrona e o valor n, que representa a rotação real do motor, em rpm. A equação
do escorregamento é descrita por (14):
= (14)
2.4.2.2 Circuito Equivalente
A finalidade de se ter um circuito equivalente para o motor trifásico é facilitar a
análise do cálculo do seu desempenho. Esse circuito possibilita verificar um importante
fato relacionado ao motor, que é a potência entregue à carga.
A partir da descrição física do motor trifásico em forma de circuito equivalente,
conforme mostra a figura 25, depreende-se que existe uma similaridade entre este e o
transformador.
38
a) Parte estatórica b) Parte rotórica
Figura 25: Circuito Equivalente completo do motor trifásico
Onde:
Resistência do estator/fase
Reatância do estator/fase
Corrente de linha do estator
Força eletromotriz induzida/fase
Resistência do rotor/fase
Reatância do rotor/fase
Corrente de linha do rotor
Força eletromotriz induzida/fase
Resistência do ramo magnetizante
Indutância do ramo magnetizante
Resistência da carga
Essa percepção ocorre porque existe uma separação física entre ambos e também
devido à indução que ocorre de uma parte em relação a outra, para o transformador seria
o enrolamento primário induzindo o secundário, já o motor trifásico seria o estator
induzindo o rotor. Contudo, a principal diferença que os distingue para análise é que o
transformador é sempre estático, ao passo que o motor pode estar na forma estática, mas
na maioria das vezes está na forma dinâmica.
A seguir faremos diversas simplificações do circuito apresentado pela figura 25,
para isso utilizaremos conceitos de circuitos elétricos e equações algébricas. Essa
simplificação é importante porque atenua o esforço para se calcular a potência
39
desenvolvida e entregue à carga pelo motor. Além disso, na simplificação estaremos
referenciando os valores do lado do estator para o do rotor de modo que a resultante seja
um circuito equivalente único.
É claro que quando fazemos simplificações não estamos obtendo o resultado real,
mas sim uma aproximação, contudo nesse caso, a aproximação é bastante próxima da
situação real.
Normalmente e possuem impedâncias elevadas, assim se comportam a
semelhante a um circuito aberto, logo podem ser ignoradas e = ´ .
Após essa análise temos o circuito reproduzido na figura 26.
a) Parte estatórica b) Parte rotórica
Figura 26: Circuito reproduzido com e abertos
Fazendo-se a análise de Kirchhoff para as tensões da parte estatórica e rotórica
temos respectivamente que:
( ) (15)
) (16)
Agora, baseando-se no circuito da figura 26 iremos reescrevê-lo de forma que ele
seja único, ou seja, o objetivo é fazer a junção da parte estatórica com a parte rotórica
no mesmo circuito elétrico, relacionando o circuito do rotor para o lado do estator. Além
disso, nos utilizaremos de conceitos e equações provenientes do eletromagnetismo para
que consigamos chegar a tal finalidade.
40
Definindo-se: = (17)
Além disso, temos que da teoria do eletromagnetismo:
= ( )/ 2 (18)
= ( )/ 2 (19)
Fazendo- se uma relação entre e :
1 (20)
Substituindo-se (17) e (18) em (19) e depois multiplicando ambos os lados por
e dividindo a equação toda por :
= (2
2 ) (21)
Fazendo-se (e) em (d) temos:
( )+( )
+2
2 ) (22)
Por uma questão de referência do que foi exposto em (22) estamos fazendo essa
atribuição:
´ (23)´ (24)
A idéia dessa atribuição é mostrar que ao referenciarmos a resistência e a
indutância ambas do rotor para o lado do estator, tais valores são multiplicados por
41
um fator de , por outras palavras, significa dizer que a impedâncias do rotor possuem
uma equivalência multiplicada por um fator de no estator.
Finalmente, temos pela figura 27 o circuito equivalente reduzido para o
motor de indução trifásico.
Figura 27: Circuito equivalente reduzido para o motor trifásico
Comparando-se a figura (g) com a figura (h), observa-se uma maior facilidade de
análise para se efetuar os cálculos de desempenho do motor em relação à potência no
eixo entregue à carga, esse foi o intuito de chegarmos ao circuito equivalente
simplificado.
2.4.2.3 Motor trifásico do projeto
No projeto utilizou-se um motor trifásico do tipo gaiola de esquilo de quatro pólos
da marca WEG. A justificativa para esse tipo de motor é que ele possui dimensão
compacta, baixo custo de manutenção, robustez, adaptação a diversos ambientes,
propicia economia de energia e atende satisfatoriamente às aplicações do nosso
trabalho, além disso, é um motor que temos disponível na faculdade. A figura 28 mostra
o motor utilizado no projeto.
42
Figura 28: Motor trifásico gaiola de esquilo
Esse motor pode operar tanto na condição de tensão nominal de entrada de 220V
como para 380V. A diferença se refere à aplicação desejada, ou seja, qual será o tipo e
as condições da carga aplicada no eixo do motor. No que diz respeito ao nosso projeto,
estaremos operando na tensão nominal de entrada de 220V, pois a tensão de
alimentação do motor do torno EMCO é de 220V, haja vista que a finalidade do
trabalho é simular ao máximo as condições de operação dos motores do torno.
A tabela 3 mostra os dados nominais de operação fornecidos pelo fabricante.
Tabela 3: Valores nominais do motor
Esses parâmetros são importantes para quando alimentarmos o motor por meio de
um inversor, pois este solicitará os valores nominais da placa de identificação do motor.
Essa etapa tem o objetivo de evitar que ao se desejar determinada operação do motor,
caso esta seja incompatível com as aplicações do motor, o inversor não executará esse
procedimento, já que se o fizesse poderia danificar o motor.
43
2.4.3 Controle de rotação
No passado, a grande restrição ao uso do motor CA estava no fato de ele não
possuir no mercado um dispositivo eletrônico eficiente e capaz que pudesse fazer o seu
adequado controle de rotação, pois o motor CA, devido às suas características inerentes,
possui um controle mais complexo em relação à maquina CC, tais como frequência e
tensão variáveis e não-linearidade dos parâmetros internos.
Dessa forma, as possibilidades de controle de rotação tornam-se limitadas. Uma
opção é alterar a frequência de alimentação, à medida que essa frequência é elevada ou
reduzida, a rotação síncrona também aumenta ou diminui, porém o grande problema
desse procedimento é que nem sempre uma frequência variável está disponível.
Uma segunda opção de controle é mudar o número de pólos, na medida em que
ao fazer o reagrupamento dos enrolamentos do estator é possível multiplicar a rotação
síncrona por um fator de 2, já que esse reagrupamento propicia operar a motor CA como
se este fosse de 2 pólos, por exemplo, se tivermos uma máquina de 4 pólos com rotação
síncrona de 1800 , esse método possibilita operar o motor com rotação síncrona de
3600 como se o mesmo tivesse 2 pólos. O grande ponto negativo dessa opção é
que não se pode obter rotações entre 1800 e 3600 .
Através do desenvolvimento da eletrônica de potência foi possível desenvolver o
inversor de freqüência, um dispositivo eletrônico suficientemente hábil para fazer o
controle de rotação em diversas aplicações e condições. Essa terceira opção de controle
de rotação eletrônica é amplamente utilizada na indústria atual.
Esse tipo de controle de rotação subdivide-se em: controle escalar e vetorial. A
seguir comentaremos a respeito dessas duas formas de controle com suas vantagens e
desvantagens.
2.4.3.1 Controle escalar
O controle escalar se baseia na proporcionalidade existente entre a tensão aplicada
no estator e a frequência, de modo a manter o fluxo no entreferro constante = .
A tensão e a frequência são parâmetros vinculados e proporcionais até atingirem
seus valores nominais, após isso, somente é possível aumentar a frequência, pois não é
44
permitido aumentar a tensão do motor além do seu valor nominal, pois ocasionaria
danos físicos ao motor, como por exemplo, superaquecimento A figura 29 mostra o
gráfico.
Figura 29: Tensão x Frequência
Depreende-se da figura 29 que existe linearidade entre a tensão e a frequência até
o momento em que ambas atingem os seus valores nominais, a partir de então tensão no
estator permanecerá constante.
Havia a possibilidade de fazer o motor CA operar acima da rotação nominal, para
isso seria necessário aumentar a freqüência e, consequentemente, a tensão no estator,
entretanto essa tensão não poderia exceder a tensão nominal, assim quando a tensão
atingisse o seu limite e a frequência ultrapassasse o seu valor nominal, teríamos um
enfraquecimento do campo, o que implicaria em um decréscimo do torque gerado. A
figura 30 mostra o gráfico dessa situação.
45
Figura 30: Enfraquecimento de campo
No projeto utilizou-se esse tipo de controle, já que para controlar a rotação do
motor trifásico foi aceitável pequenas variações de rotação. A grande dificuldade foi em
relação às limitações físicas do motor CA, pois o motor CC do torno opera na faixa de
rotação de até 4000 , em contrapartida o motor CA do projeto tinha rotação
nominal de 1720 .
Apesar de que era possível fazer com que o motor CA operasse com rotação
acima da nominal, existia uma limitação, estima-se que a rotação máxima fosse 20%
superior à nominal, portanto para o projeto ao aceitarmos uma diminuição no torque
gerado para propiciar uma rotação maior que a nominal, mesmo assim o motor CA
utilizado não atingiria a rotação de 4000 , chegando a aproximadamente 2000 .
Embora tenha essa restrição, o controle escalar ainda é bastante utilizado na
indústria, pois apresenta diversas vantagens, tais como: fácil implementação, custo
operacional baixo e também porque varias aplicações industriais não exigem extrema
precisão, elevada performance e resposta dinâmica rápida, por exemplo: ventiladores,
bombas, misturadores.
2.4.3.2 Controle vetorial
O controle vetorial, no que diz respeito ao desempenho, é uma evolução em
relação ao controle escalar, pois ele permite o desacoplamento entre as correntes de
torque e fluxo, ou seja, decompõe-se a corrente do estator em dois vetores.
Esse tipo de controle baseia-se no conceito de fazer com que a corrente do motor
passe por uma transformada. Esta possui a função de possibilitar as separações dos
parâmetros das três correntes da máquina trifásica, que são interdependentes entre si e
fazer com as mesmas sejam tratadas independentemente por dois vetores na direção do
eixo direto e de quadratura. Após a atribuição de valores desejados para esses dois
vetores, eles passam por uma transformada inversa na qual se retornará como saída
dessa transformação as três correntes trifásicas alteradas convenientemente e que irão
ser aplicadas no terminal da máquina CA.
46
O controle vetorial pode ser implementado de duas formas:
- controle direto de campo orientado: neste caso, o vetor fluxo é calculado a
partir dos parâmetros ou grandezas elétricas do motor, o cálculo matemático envolvido
é complexo, logo exige o uso computacional.
- controle indireto de campo orientado: nesta situação, o vetor fluxo é encontrado
em função do escorregamento da máquina, o que torna esse método mais simples em
relação ao anterior.
A utilização do controle vetorial ocorre são quando se deseja alta regulação do
torque para quaisquer tipos de rotação, inclusive na situação extrema de torque máximo
com rotação zero.
As grandes vantagens do controle vetorial são sua extrema precisão, alto
desempenho e rapidez no tempo de resposta, em contrapartida o custo para a sua
implementação é elevado e a sua operação é complexa.
O controle vetorial é aplicado para elevadores, guindastes, pontes rolantes,
esteiras de dosagem, etc.
2.5 Inversor de frequência
O inversor de freqüência é um dispositivo eletrônico capaz de converter um sinal
elétrico de corrente contínua em sinal de corrente alternada com freqüência e amplitude
variáveis.
No projeto, a função do inversor foi a de controlar a rotação do motor trifásico
através da recepção de sinais de tensão na faixa de 0 a 10V enviados pelo LABVIEW,
por meio da placa de aquisição de dados, para a sua entrada analógica.
Por meio do ajuste dos parâmetros analógicos internos do inversor, o interpretou
tais sinais de maneira que a saída fosse uma tensão alternada proporcional à entrada, ou
seja, como no trabalho o inversor controlou um motor trifásico com tensão, freqüência e
rotação nominais de 220V, 60 e 1720 , respectivamente. À medida que se
variasse a entrada analógica de tensão, a resposta de saída seria proporcional a tensão,
frequência e rotação nominais do motor trifásico.
47
A ideia do trabalho desenvolvido foi de que, por exemplo, se a entrada do
inversor fosse 5V, a sua saída deveria ser 110V, 30 e 860 para a tensão,
frequência e rotação, respectivamente.
A figura 31 mostra o esquema básico de um inversor de frequência
Figura 31: Esquema básico de um inversor de freqüência
Depreende-se da figura 31 que a corrente CA da rede é retificada por meio dos
diodos e do capacitor, o que a transforma em um barramento CC. O controle PWM,
através desse barramento CC, produz na saída do inversor uma corrente CA com
frequência e amplitude variáveis para o motor.
A figura 32 mostra o inversor de frequência da WEG utilizado no projeto
48
Figura 32: Inversor de frequência do projeto
3 Comunicação e Interface Gráfica
A comunicação entre sistemas digitais pode ser feita de duas formas diferentes:
comunicação paralela e serial.
A comunicação paralela envia um caractere de cada vez ao longo de um cabo
composto de vários fios, isso é importante pelo fato de que há sistemas digitais nos
quais a representação de um certo caractere demanda uma quantidade alta de bits. No
mundo atual, um grande exemplo de comunicação paralela é o que ocorre entre o
computador e a impressora, esse tipo de comunicação é utilizado quando a distância de
transmissão é pequena e a rotação de transmissão é grande [8].
Em contrapartida, a comunicação serial envia um determinado caractere, ou seja,
vários bits de tal forma que cada bit desse caractere seja transmitido de maneira
sequencial, contudo a velocidade comunicação é menor do que em relação à
comunicação paralela. A comunicação serial é importante porque a partir dela tornou-se
economicamente viável a transmissão/recepção entre sistemas separados por grandes
distâncias. Atualmente, o meio mais utilizado para o transporte serial de informação é a
linha telefônica, privada ou pública, que com a ajuda de aparelhos dedicados permite a
ligação de dois ou mais computadores, a linha telefônica atua por meio de cabos,
49
antenas e satélites, estes serão o elo intermediário entre a comunicação entre os
computadores.
Além disso, há duas maneiras para a comunicação serial, consoante discutiremos
em seguida: Modo síncrono e assíncrono de comunicação.
3.1 Modos de comunicação
De uma maneira geral, os modos de comunicação subdividem-se em síncrono e
assíncrono.
No primeiro modo, o sincronismo é gerado por um conjunto de bits, denominado
de bits de sincronismo, que ao ser recebido pelo elemento receptor, ajusta seu clock
interno para receber um conjunto de bits referentes aos dados.
Logo após o último bit de dado, o transmissor envia um conjunto de bits
denominado de bits de parada que, ao ser detectado pelo receptor, informa-o que
acabaram os bits de dados. Esses bits de parada podem conter ou não informações a
respeito dos bits transmitidos, para permitirem ao receptor confirmar se recebeu os bits
corretamente. [8]
Já no segundo modo, não existe a necessidade de gerar o sincronismo tal como
ocorre com o modo síncrono. Cada caractere é transmitido individualmente, e para cada
caractere, transmitido bit a bit, temos bits de início de transmissão e bits de fim de
transmissão.
O bit de início de transmissão é reconhecido pela transição do nível de 1 para 0,
neste instante o clock interno do sistema efetua uma varredura da linha de tempos em
tempos para detectar o nível nela, o qual será associado a cada bit de forma conveniente,
ao reconhecer o sétimo bit, o sistema fica esperando o bit de parada, que é a transição de
0 para 1, ou a permanência em nível 1, se já estava em 1. Neste ponto, o sistema entra
em repouso e fica à espera de um novo bit de início para receber o novo caractere [8].
O próximo tópico detalhará especificamente as portas seriais do PC, haja vista
que foi através de tais portas a qual foi feita a comunicação serial entre o comutador e o
motor de passo.
50
3.3.2 Padrões de comunicação
A porta serial do PC é bastante utilizada para controlar periféricos, interfacear
dispositivos e também para a comunicação entre computadores. Porém, antigamente, o
trabalho com a porta serial era frustrante, pois poucos fabricantes seguiam a um padrão
de comunicação, isso implicava em um problema para os usuários quando estes
desejavam comunicar seus próprios sistemas digitais, ou seja, naquela época a porta
seria só era interessante para interfaceamento entre dispositivos, periféricos ou sistemas
relacionados a um específico fabricante.
Com o passar do tempo, devido à intensa necessidade de comunicação entre
diversos dispositivos de uma ampla gama de fabricantes, foi preciso desenvolver
padrões de comunicação para as portas seriais dos sistemas digitais, dessa forma
falaremos a seguir sobre os tipos de padrões para interfaceamento disponíveis e
destacaremos um tópico específico para discorrer a respeito da comunicação serial no
PC, pois este foi o tipo de comunicação utilizada no trabalho para correlacionar o
LABVIEW com o motor de passo.
A interface RS232C é um tipo de padrão de comunicação extremamente popular
e bastante utilizado para conectar equipamentos de comunicação de dados, tais como
terminais, plotters, osciloscópios e unidades de fita. Em qualquer aplicação prática, é
necessário utilizar circuitos que convertam os níveis TTL para os exigidos pela interface
e também conversões para o caminho inverso.
As linhas RS 232C fornecem um caminho unidirecional, ponto a ponto para uma
distância de até 15,24m, a uma taxa máxima de transmissão de 20 Kb/s. A figura 33 [9]
apresenta os conversores clássicos para trabalhar com os níveis elétricos TTL e RS
232C.
A regra para conversão não é complexa, pois quando a saída TTL do PC está em
nível alto, ou seja, +5V, essa tensão é convertida em -12V para a comunicação serial, já
quando a saída TTL está em nível baixo, isto é, 0V, tal tensão é convertida em +12V
para a comunicação serial, analogamente ocorre na situação oposta, conversão da
comunicação serial para a entrada TTL do PC. A tabela 4 mostra essa conversão [9].
51
Figura 33: Circuito lógico de conversão TTL/RS232-C
Tabela 4: Conversão entre TTL e RS 232-C
TTL RS 232C
+5V -12V
0V +12V
RS 232C TTL
+5V -12V
0V +12V
A interface RS 423 é uma melhoria sobre o padrão RS 232C. Muitos dispositivos,
particularmente os que necessitam de uma alta taxa de transmissão usam essa interface.
Ela permite comunicação a uma distância de 12,19m, à rotação de 100 Kb/s. O receptor
é uma linha balanceada e, portanto, permite uma diferença no potencial de terra entre
52
transmissor e receptor. O estado lógico 1 deve exceder 4V, mas nunca superar 6V. O
zero lógico deve estar abaixo de -4V, mas nunca além de -6V [9].
A figura 34 mostra uma interface que permite converter sinais TTL em RS 423 e
vice-versa [9].
Figura 34: Circuito lógico de conversão TTL/RS 423
A interface RS 422 é uma evolução em relação ao RS 423, pois possui linhas
balanceadas, permitindo uma taxa de transmissão ainda mais alta, de 10 Mb/s e
distâncias maiores, chegando até 304,8 m. Com uma taxa de transmissão mais baixa,
pode-se chegar a uma distância de 1219,2 m. A interface permite que o driver de saída
gere +-2V a +-6V e o receptor deve detectar sinais da ordem de 200 mV.
A figura 35 mostra a interface de um circuito que pode ser utilizado para
converter TTL em RS 422 e vice-versa. [9]
53
Figura 35: Circuito lógico de conversão TTL/RS 422
3.3.3 Comunicação serial com o PC
As portas seriais do PC são totalmente programáveis e somente permitem a
comunicação assíncrona. É possível programar os bits de partida, os bits de paridade e
os bits de parada. Um gerador de taxa de comunicação (baud rate) programável permite
a operação com até 115.200 bauds.
Baud rate é a quantidade de informação de informação transmitida por unidade de
tempo. No caso da comunicação serial, onde cada nível de tensão é codificado por um
bit, ela fica igual à taxa de bits.
Podem-se transmitir caracteres com 5, 6, 7 ou 8 bits, com 1, 1,5 ou 2 bits de
parada. Um sistema de interrupções controla as interrupções de transmissão, recepção,
erro ou estado de linha. Existe internamente um recurso para diagnóstico, através da
função de loop back. O coração da interface serial é o circuito integrado 8250, ou seu
equivalente funcional. Tal circuito permite a amplificação dupla, dessa forma elimina a
necessidade de uma sincronização precisa e possibilita uma entrada independente para
relógio de recepção e a execução das funções de controle do modem. [9]
Uma saída RS 232C inativa fica transmitindo “marca” -12V, essa informação
pode ser útil quando se deseja saber quais pinos são de entrada e quais são de saída
dessa forma, utilizando-se um multímetro medem-se as tensões dos pinos: os que
54
estiverem em -12V serão saídas, os demais serão entradas, exceto o terra e os pinos
desconectados. O outro nível permitido, +12V, recebe o nome de “espaço”. A tabela 5
apresenta a interpretação dos sinais de marca e espaço.
Tabela 5: Interpretação dos sinais de “marca” e “espaço”
TTL RS-232
Sinal Tensão Lógico Tensão Controle
Espaço 0V 0 +12V ON
Marca +5V 1 -12V OFF
Um sinal será considerado “marca” quando a tensão na linha, medida no ponto
de interface, for mais negativa que -3V e será considerado “espaço” quando a tensão
medida for mais positiva que +3V. A região entre +3V e -3Vé denominada região de
transição e é considerada com nível inválido. Uma tensão acima de +15Vou abaixo de -
15V também será considerada inválida. Portanto, temos que o intervalo entre +3V e
+15V será considerado uma faixa de 12V (Espaço/ON), analogamente ocorre para o
intervalo entre -3V e -15V que também será considerado uma faixa de -12V
(Marca/OFF).
Durante uma transmissão de dados, a “marca” (-12V) é usada para caracterizar o
estado binário 1 e o “espaço” (+12V) é utilizado para determinar o estado binário
(bit=0). Para os circuitos de controle de interface, uma função estará em ON (ativada)
quando sua tensão for +12 V e estará OFF (desativada) quando sua tensão for -12 V.
Logo, percebe-se que uma saída +12 V indica que a função está ativada, ao passo que
uma saída -12 V simboliza que a função está desativada [9].
Os sinais da porta serial do PC estão disponíveis em um conector do tipo DB
macho de 9 ou 25 pinos. Este conector está normalmente na parte traseira do
computador. A tabela 6 mostra a função de cada pino de uma interface serial com o PC
e a figura 36 mostra onde estão localizados os pinos no PC.
55
Figura 36: Interface serial
Tabela 6: Função dos pinos na comunicação serial do PC
9 Pinos 25 pinos Sinal
3 2 TD - Arquivos transmitidos
2 3 RD - Arquivos recebidos
7 4 RTS - Solicitação para envio de dados
8 5 CTS - Informa que está pronto para transmitir dados
6 6 DSR - Informa que está pronto para se comunicar
5 7 GND -Terra
1 8 CD - Usado para comunicação com modens
4 20 DTR- Informa que está pronto para se comunicar
9 22 RI – Indicador de chamada
3.4 LABVIEW
A simulação dos motores do torno será visualizada por meio do software
LABVIEW. A escolha desse software se deu, principalmente, pela sua facilidade de
56
aprendizado e ampla gama de aplicações para medições e testes na automação
industrial, ademais ele faz parte da grade curricular do curso de engenharia de controle e
automação, logo nós, estudantes, possuímos uma familiaridade com o seu manuseio.
O LABVIEW é uma linguagem de programação gráfica que utiliza ícones, ao
invés de linha de texto, tal como o C++, para criar as execuções do programa, aliás, essa
característica propicia aos usuários uma maior simplicidade para montar a execução do
programa [17].
A figura 37 mostra um exemplo de como um programa é feito no LABVIEW.
Figura 37: Programação através de ícones
Depreende-se da figura 37 que a execução do programa no LABVIEW é feita
pela interligação dos ícones, o que torna o trabalho do usuário facilitado, pois cada
ícone possui sua própria programação interna sem que o usuário necessite programar.
3.4.1 Instrumentos Virtuais
Os programas do LABVIEW são chamadas de instrumentos virtuais ou VIs, pois
possuem a função de apresentá-los de uma forma bastante similar em relação aos
instrumentos físicos que utilizamos em experimentos, testes e medições. A idéia é fazer
com que a demonstração dos resultados seja de fácil visualização e interpretação [18].
Basicamente, os VIs são divididos em três partes: painel frontal, diagramas de
blocos e conector de ícones.
57
O painel frontal é o responsável por apresentar a interação entre os valores de
entradas e os obtidos na saída, os primeiros são denominados de variáveis de controle,
já os segundos são chamados de variáveis indicadores.
A figura 38 mostra um exemplo de painel frontal em que a escala de temperatura
é a variável de controle, pois ao colocar a temperatura na escala fahrenheit, que é o dado
de entrada, deseja-se obter na saída essa mesma temperatura na escala Celsius, que é a
variável indicadora.
Figura 38: Painel frontal
O diagrama de blocos é o código fonte de programação do LABVIEW, é onde se
organiza e estrutura os seus componentes para que os mesmos possam correlacionar
entrada e saída da maneira desejada [19].
Os componentes do diagrama de blocos podem ser lógicos, aritméticos, estruturas
de repetição, fluxos de dados etc. A figura 39 mostra o diagrama de blocos feito para a
figura 38, ou seja, é por meio do diagrama de blocos da figura 39 que temos o resultado
obtido na figura 38.
58
Figura 39: Diagrama de blocos
3.4.2 Barra de ferramentas
Após estruturar os diagramas de blocos e inserir os ícones no painel frontal será
necessário propiciar a execução do VI. Essa execução está localizada nos botões da
barra de ferramentas. A figura 40 mostra a barra de ferramentas que surge para o
usuário.
Figura 40: Barra de ferramentas
O botão de execução ou run: permite que o programa seja executado uma
única vez, entretanto configurando o diagrama de blocos com loop infinito é possível
utilizar esse botão de maneira contínua.
Já a opção do botão run continuously refere-se à execução contínua, nessa
situação não é necessário criar um loop infinito no diagrama de blocos, pois o próprio
59
botão já executa o VI continuamente, para interromper a operação é preciso clicar
novamente no botão.
O botão stop é usado para interromper imediatamente a execução do VI,
aliás, na situação anterior, poder-se-ia ter utilizado também essa opção.
Diferentemente ocorre com o botão pause/continua , pois ao clicá-lo ele
provoca uma pausa na execução do VI, clicando-se novamente o VI retorna para a sua
execução normal.
O botão seleção de fonte permite ao usuário alterar o
estilo, tamanho e cor da fonte selecionada.
O botão de alinhamento de objetos ordena os objetos selecionados
previamente.
A opção de distribuição faz com que os objetos sejam remanejados de
acordo com a preferência do usuário.
3.4.3 Placa de Aquisição de dados
A aquisição de dados é um processo na qual ocorre a conversão de condições
reais em valores numéricos compreendidos pelo computador ou o contrário, isto é, o
este envia valores numéricos para conversão em parâmetros ou situações físicas.
O sistema de comunicação entre o computador e a placa de aquisição de dados se
dá pela alternância entre sinais elétricos analógicos ou digitais. Essa comunicação pode
ocorrer por meio da comunicação serial, USB e CLP.
No que tange ao projeto, usou-se a comunicação USB, pois apresenta rapidez na
recepção/envio dos dados e simplicidade no seu manuseio, na medida em que o próprio
computador já oferece as portas USB para conexão.
A placa de aquisição de dados utilizada foi a MCC COMPUTING, sua função era
o de captar sinal digital do LABVIEW e propiciar sinal elétrico analógico em forma de
tensão de modo que esta fosse recepcionada pela entrada analógica do inversor, ressalta-
se que a placa opera somente na faixa de 0 a 5V de tensão.
60
A figura 41 mostra a placa de aquisição de dados conectada à comunicação USB.
Figura 41: Placa de aquisição de dados
4 Projeto desenvolvido
O projeto consistiu em fazer em uma bancada a simulação básica do controle
rotacional e de posição dos motores do torno EMCO 5 utilizando o software LABVIEW
como interface homem-máquina e motores similares para fazer a demonstração.
A finalidade do trabalho foi propiciar o uso de um aplicativo alternativo -
LABVIEW - que pudesse fazer o acionamento controlado dos motores do torno e
mostrasse, por meio de uma interface gráfica de fácil interpretação e visualização, os
valores de saída desejados dos motores.
A figura 42 mostra o diagrama de blocos que resume a estrutura do projeto
desenvolvido.
61
Figura 42: Diagrama de blocos estrutural do projeto
Após a escolha dos dispositivos, software e equipamentos, o próximo passo do
projeto foi a integração dos componentes de modo que se pudesse ter resultados práticos
satisfatórios.
O início se deu pela conexão física dos cabos de comunicação serial RS 232 entre
o computador e o drive do motor de passo. Em seguida, foi necessário criar um
programa no LABVIEW de maneira que o software, ao entrar em execução, fosse capaz
de enviar comandos específicos, por meio da conexão física, para o drive de controle do
motor de passo, na qual aquele faria o acionamento controlado deste.
As figuras 43, 44 e 45 exibem o painel frontal e o diagrama de blocos resultantes
o acionamento do motor de passo através da comunicação serial.
Figura 43: Inserção de comandos
62
A figura 43 mostra a tela para o usuário inserir os comandos do motor passo aos
quais posteriormente são lidos e enviados para o drive de controle.
Figura 44: Diagrama de blocos para escrita
Figura 45: Diagramas de blocos para leitura
As figuras 44 e 45 representam os diagramas de blocos resultantes da figura 43,
ou seja, são esses diagramas que fizeram a execução do programa.
Além disso, foi preciso configurar a porta de comunicação serial de forma que ela
recebesse e enviasse as informações para os cabos físicos de conexão. As etapas dessa
configuração foram: painel de controle sistema hardware. Ao clicar em hardware
apareceu a figura 46 abaixo:
63
Figura 46: Propriedades do sistema
Ao clicar sucessivamente em porta de comunicação e configurações de porta
obtiveram-se, respectivamente, as figuras 47 e 48. A figura 48 exibe a configuração da
porta serial utilizada no experimento.
Figura 47: Porta de comunicação
64
Figura 48: Configurações de porta serial
As etapas descritas anteriormente foram as necessárias para executar o
acionamento do motor de passo no software. A figura 49 mostra o projeto final
integralizado para execução do motor de passo.
Figura 49: Acionamento do motor de passo
65
Na sequência, serão detalhadas as etapas de integração que foram realizadas para
o acionamento do motor trifásico.
Primeiramente, foi preciso criar um programa no LABVIEW cuja função era de
enviar sinais elétricos analógicos em forma de tensão para a placa de aquisição de
dados. As figuras 50 e 51 mostram o painel frontal e o diagrama de blocos feitos no
LABVIEW.
Figura 50: Variação de tensão analógica para a placa
Figura 51: Diagrama de blocos
66
O programa funcionou de tal forma que ao variar o dial do painel frontal, a saída
resultante era no intervalo de 0 a 5V para placa de aquisição de dados, ou seja, quando o
dial fosse, por exemplo, 1024 o programa fornecia 5V para a placa; a quando aquele
fosse 512, a saída era 2,5V para esta, ou seja, o dial era proporcional à tensão gerada.
Isso ocorreu porque o LABVIEW opera numa maneira de conversão da imagem ( dial)
em sinal elétrico - no caso tensão -.
A placa recebia e enviava sinal em forma de tensão somente na faixa de 0 a 5V,
entretanto para se operar no intervalo completo da entrada analógica do inversor (0 a
10V) era necessário um sinal de tensão na faixa de 0 a 5,3V, pois o inversor possuía a
característica de referência negativa de -4,7V, totalizando a diferença de potencial de:
5,3-(-4,7) = 10V para a entrada analógica.
A solução encontrada foi utilizar um amplificador operacional de ganho 0,3V
para aumentar levemente a tensão de saída proporcionada pela placa de aquisição de
dados. A figura 52 mostra o circuito de amplificação da tensão.
Figura 52: Amplificador operacional não inversor
A tensão de entrada no amplificador operacional 741 relacionou-se à dada
pela placa de aquisição de dados para posterior amplificação do sinal; a tensão de saída
do amplificador operacional se dirigiu ao inversor.
67
O ganho de tensão propiciado pelo amplificador operacional não inversor foi
dado pela relação: = 1 + . (25)
A figura 53 mostra o circuito montado para amplificação do sinal de tensão.
Figura 53: Circuito para ganho de tensão
O ultimo passo para controlar o motor trifásico foi ajustar corretamente os
parâmetros internos do inversor de freqüência, haja vista que esse dispositivo, por
apresentar uma ampla gama de aplicações, possui aproximadamente 400 parâmetros que
estão correlacionados, portanto era necessário conhecer os itens relacionados ao
acionamento do motor trifásico.
O fabricante (Weg) recomendava que, numa primeira energização do inversor, o
mesmo deveria ser ajustado em relação aos parâmetros nominais do motor a ser
controlado, ou seja, era preciso indicar para o inversor os dados nominais placa (tensão,
corrente, frequência e potência) do motor, cujos valores eram: 220 V, 1,2 A, 60 e 0,5
cv, respectivamente, dessa forma o inversor reconheceria o motor trifásico e também o
tipo de ligação relacionada, no projeto, utilizou-se a ligação delta, de acordo com a
tabela 3.
A situação seguinte era indicar para o inversor que o controle de rotação seria feito
de maneira externa, por tensão variável proveniente do LABVIEW, além disso, foi
necessário especificar que a faixa de rotação seria de 0 a 1800 e que o controle de
rotação seria o do tipo escalar. A escolha desse intervalo se deu porque a rotação
68
síncrona do motor é 1800 e também está dentro de uma faixa segura de rotação
acima da nominal, que era de 1720 .
A figura 54 mostra o circuito completo montado para execução.
Figura 54: Acionamento do motor CA
4.1 Resultados experimentais
A tabela 2 mostrou a relação entre o ângulo de passo dado e o seu valor em mm
para a distância percorrida pelo carro do torno. Analogamente, a tabela 7 mostra essa
relação, contudo como os raios dos motores de passos eram diferentes a distância
percorrida em função de um mesmo ângulo de passo também foi diferente. Como o
motor de passo do torno era blindado, estimou-se o seu raio em função da fórmula:
(26)
Onde:
= distância linear
= ângulo de passo em radianos
= raio do moto de passo
69
Tabela 7: Distância linear do motor de passo do projeto
Passos (ângulos dos motores passo a
passo)Percurso de deslocamento (mm)
1º passo (5º) 3,447
2º passo (10º) 6,894
3º passo (15º) 10,341
4º passo (20º) 13,788
5º passo (25º) 17,235
6º passo (30º) 20,682
7º passo (35º) 24,129
8º passo (40º) 27,576
9º passo (45º) 31,023
Depreende-se da tabela 7 em comparação à tabela 2 que o motor de passo do
projeto não possui a mesma capacidade em relação ao do torno no que diz respeito a
percorrer distâncias menores, essa condição é útil em situações de acabamento e
refinamento da peça torneada, por lado o motor de passo do projeto mostrou-se
receptivo no que se referiu à comunicação serial feita pelo LABVIEW.
A tabela 8 exibe a velocidade rotacional do motor trifásico em função da tensão
analógica ligada à entrada do inversor de freqüência.
70
Tabela 8: Rotação em função da tensão
Tensão (V) Rotação ( )
0 0
0,5 170
1 340
1,5 510
2 680
2,5 850
3 1020
3,5 1190
4 1360
4,5 1530
5 1700
5,3 1800
Através da tabela 8, construiu-se o gráfico da figura 55 que mostra a relação de
rotação com a tensão aplicada na entrada do inversor.
Figura 55: Análise de comportamento da rotação
O gráfico acima mostra a linearidade entre a rotação e a tensão, o que está em
conformidade com o desejado, visto que o controle usado foi o do tipo escalar.
71
5 Conclusões e perspectivas para trabalhos futuros
O projeto foi desenvolvido para fins didáticos, com o intuito de utilizar um
software eficiente e capaz de promover experimentos de automação industrial.
Ao comparar os objetivos traçados e os resultados alcançados, tem-se que o
trabalho, de uma maneira geral, foi satisfatório e demonstrou ser possível uma
alternativa ao controle via CLP, ressalvando-se que não foi escopo desse projeto igualar
a produtividade do CLP e do LABVIEW.
O trabalho contribuiu enormemente para a formação acadêmica, haja vista a
abrangência de informações e equipamentos que foram necessários para que a execução
total fosse completada e ao custo nulo, pois todos os componentes que envolveram o
projeto estavam à disposição no campo da Unesp Sorocaba.
As sugestões para trabalhos futuros seriam utilizar mais parâmetros do inversor
de frequência, com o intuito de ampliar os modos de controle do motor CA e fazer o
acionamento do motor por meio do controle vetorial, analisando as diferenças e
similaridades entre este e o controle escalar.
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