Apostila Mecatrônica

F A C E N S – Faculdade de Engenharia de SorocabaMÓDULO 1 – ELEMENTOS BÁSICOS DE SISTEMAS DE CONTROLE 1.1 Introdução à Mecatrônica (Eletrônica Básica – Pág. 09) Há alguns anos atrás, para que uma máquina automatizada fosse instalada em uma indústria era preciso contar com a ajuda de três tipos de profissionais. Um engenheiro mecânico, eventualmente com especialização em Pneumática ou Hidráulica, para colocar a máquina em seu lugar de funcionamento fazendo as conexões e montagens de todas as suas partes; um engenheiro eletrônico para instalar os dispositivos de controle e, finalmente um especialista em software para elaborar os programas de controle desta máquina. As coisas mudaram, e hoje em dia, para a mesma tarefa e a própria manutenção desta máquina, requer-se apenas um profissional, o especialista em mecatrônica. Mecatrônica é o resultado da união da eletrônica com a mecânica, criando automatismos, robôs, equipamentos de uso industrial e doméstico, veículos e até mesmo dispositivos dotados de inteligência artificial. 1.1 O que é mecatrônica? Não existe propriamente uma definição para mecatrônica, mas sim explicações. De um modo geral, pode-se dizer que a mecatrônica visa à integração das tecnologias mecânica, eletrônica, de computadores e as ciências da informação no sentido de se criar dispositivos inteligentes. De uma forma simples, podemos dizer que a mecatrônica trata de dispositivos que unem a eletrônica à mecânica de modo a realizar algum tipo de tarefa de modo inteligente. E, quando falamos em mecânica não podemos deixar de incluir a pneumática e a hidráulica também tratadas como eletro pneumática e eletro hidráulica. É importante observar ainda, a íntima associação que se faz da mecatrônica com a robótica. Fala-se em mecatrônica, logo se imagina como principal criação desta ciência os robôs. De fato, podemos dizer que um primeiro produto que se popularizou como resultado da união da eletrônica com a mecânica foi a robótica, mas isto não é tudo. Se levarmos em conta todos os dispositivos inteligentes que podemos obter a partir desta união. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 1 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Derivadas da mecatrônica temos importantes ciências como à robótica, a automação industrial e predial, a eletrônica embarcada e como acessório que não deve ser esquecido, uma nova disciplina que começa a tomar corpo que é a inteligência artificial. 1.2 Onde a mecatrônica é aplicada? A palavra robô foi usada pela primeira vez no livro R.U.R – Rassum Universal Robots do autor tcheco Karel Capec, em 1921. Foi a primeira vez que o termo apareceu em um romance de ficção científica para indicar empregados ou servos mecânicos que podiam fazer tarefas para os homens, livrando-os de trabalhos pesados. Os primeiros robôs utilizados na prática foram elaborados com aplicações industriais, em linhas de montagem e hoje, quando se fala em robótica, lembramos logo da robótica industrial que é empregada nas linhas de produção. De fato, esta aplicação foi a primeira justamente por trabalhar com equipamentos pesados e caros, que não estariam ao alcance do usuário comum. Todavia, a eletrônica e a mecânica evoluíram rapidamente de modo a se obter circuitos e dispositivos compactos e mais baratos, possibilitando assim a robótica alcançar os usuários comuns. Os primeiros robôs de uso doméstico apareceram na forma de brinquedos e vêm evoluindo rapidamente. De simples estruturas capazes de se movimentar e fazer algumas tarefas básicas como erguer um objeto com um braço articulado, os robôs brinquedos estão se tornando cada vez mais sofisticados e com a adição de recursos de inteligência artificial devem a cada dia nos surpreender mais com suas reações, sua capacidade de tomada de decisões e, em conseqüência, com o seu comportamento. 1.3 Campos das Mecatrônica a) Robótica b) Mecatrônica Industrial c) Automação predial d) Eletrônica embarcada e) Buscar complementos na Internet Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 2 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 2. Introdução ao Sistema de Controle (Controle Moderno – Pág. 01) 2.1 Introdução O controle automático tem desempenhado um papel vital no avanço da engenharia e da ciência. Além de sua extrema importância para os veículos espaciais, para os sistemas de guiamento de mísseis, sistemas robóticos e similares, o controle automático tornou-se parte importante e integrante dos processos industriais e de manufatura modernos. Por exemplo, o controle automático é essencial no comando numérico de máquinas ferramentas das indústrias manufatureiras. É ainda essencial nas operações industriais tais como: controle de pressão, temperatura, umidade, viscosidade e vazão. O primeiro trabalho significativo em controle automático foi o de James Watt, que construiu, no séc. XVIII, um controlador centrífugo para o controle de velocidade de uma máquina a vapor. Em 1922, Minorsky trabalhou em controles automáticos para pilotar navios e mostrou como poderia determinar sua estabilidade a partir da representação do sistema através de equações diferenciais. Em 1932, Nyquist desenvolveu um procedimento relativamente simples para determinar a estabilidade de um sistema à malha fechada com base na resposta estacionária de sistemas a malha aberta a excitações senoidais. Tendo em vista que os sistemas modernos, dotados de muitas entradas e muitas saídas, se tornam mais e mais complexos, a descrição de tal sistema de controle envolve um grande número de equações. A teoria de controle clássica, que trata somente de sistemas com uma única entrada e uma única saída, tornou-se insuficiente para lidar com sistemas de entradas e saídas múltiplas. A partir de 1960, aproximadamente, a disponibilidade dos computadores digitais tornou possível à análise, no domínio do tempo, de sistemas complexos, ensejando o desenvolvimento da moderna teoria de Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 3 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba controle baseada nas técnicas de análise e síntese através de variáveis de estado. Esta teoria foi desenvolvida com o objetivo de tratar a complexidade crescente dos sistemas modernos e atender às rigorosas exigências quanto a peso, exatidão e custos de projetos relativos às aplicações militares, espaciais e industriais. 2.2 Definições Antes de se discutir os sistemas de controle, alguns termos básicos devem ser definidos. Variável Controlada - é a grandeza ou a condição que é medida e controlada. A variável controlada é normalmente a grandeza de saída do sistema. Variável manipulada - é a grandeza ou condição variada pelo controlador de modo a afetar o valor da variável controlada. Controlar - significa medir o valor da variável controlada e aplicar o valor conveniente da variável manipulada ao sistema de modo a corrigir ou limitar o desvio entre o valor medido e o valor desejado da variável controlada. Sistema a controlar – Um sistema a controlar é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma máquina que funcionam juntos e cuja finalidade é desempenhar uma determinada tarefa. Processos – opera ou desenvolvimento natural, que evolui progressiva e continuamente, caracterizado por uma série de mudanças graduais que se sucedem umas as outras, de um modo relativamente fixo e objetivando um resultado particular ou meta; ou operação artificial ou voluntária que evolui progressivamente e se constitui de uma série de ações controladas ou de movimentos sistemicamente dirigidos para se alcançar um determinado resultado ou meta. Sistemas – combinação de componentes que atuam em conjunto e realizam certo objetivo. Distúrbios – um distúrbio ou perturbação é caracterizado por um sinal que tende a afetar de modo adverso o valor da variável de saída de um sistema. Controle com retroação – controle com retroação ou malha fechada se refere a uma operação que, em presença de distúrbios, tende a reduzir a diferença entre o sinal de um sistema e o sinal de referência, e que opera com base nesta diferença. 2.3 Malha Aberta Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 4 isto é. o sinal atuante de erro. comparando-as e utilizando a diferença como meio de controle.º Willerson Moreira Ferraz 5 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Os sistemas nos quais o sinal de saída não afeta a ação de controle são chamados Sistemas de Controle a malha aberta. citado na introdução. lavar e enxaguar são executadas em uma seqüência programada em função do tempo. num sistema de controle a malha aberta. Um exemplo prático disto é o da máquina de lavar roupas. Na presença de distúrbios. é dito um sistema de controle com retroação um sistema de controle a malha fechada. é ilustrado na figura abaixo: Mecatrônica – Prof. Assim a cada sinal de referência na entrada corresponde uma condição de operação fixa. a limpeza das roupas.5 Exemplos de Sistemas 2.1 Sistema de controle de velocidade O princípio básico do regulador de Watt para controlar a velocidade de um motor de combustão interna. não se mede o sinal de saída nem tampouco este sinal é enviado de volta para comparação com o sinal de entrada.4 Malha Fechada Um sistema que mantém uma relação preestabelecida entre a grandeza de saída e a grandeza de referência. como resultado. Nos sistemas de controle a malha aberta o sinal de saída não é comparado com o sinal de referência de entrada. Em outras palavras. Um exemplo disso seria o sistema de controle de temperatura citado anteriormente. a exatidão do sistema depende de uma calibração. Neste tipo de sistema. os sistemas de controle a malha aberta não desempenham a tarefa desejada. excita o controlador de modo a reduzir o erro e trazer o valor do sinal de saída para o valor desejado. 2. As operações de colocar de molho. A máquina não mede o sinal de saída. 2. que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal de retroação (que pode ser o próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída e de suas derivadas e/ou integrais).5. na velocidade nominal. Por outro lado. fornecendo mais combustível ao motor e. A diferença entre o valor da velocidade desejada e o valor da velocidade real é o sinal de erro. Neste sistema de controle de velocidade o processo a controlar (sistema controlado) é o motor de combustão interna e a variável controlada é a velocidade do eixo de saída do motor. como conseqüência. Quando a velocidade real cair abaixo do valor desejado em função de algum distúrbio. o aumento na força centrífuga faz com que a válvula se desloque para cima.º Willerson Moreira Ferraz 6 .5. inexista ação do óleo sob pressão em qualquer das câmaras do cilindro hidráulico de potência. produzindo um aumento na velocidade do motor até que o valor desejado seja obtido. A seqüência de ações pode ser definida da seguinte maneira: a velocidade do regulador é ajustada de tal forma que. 2. O sinal de controle (quantidade de combustível) a ser aplicado ao processo a controlar (motor) é o sinal de atuação.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A quantidade de combustível admitida no motor é ajustada de acordo com a diferença entre a velocidade desejada e a velocidade real do motor.2 Sistema de controle de temperatura Mecatrônica – Prof. então o decréscimo na força centrífuga atuando sob regulador de esferas acarreta o movimento da válvula para baixo. quando a velocidade do motor aumenta acima do valor desejado. Isto reduz o suprimento de combustível e a velocidade do motor é reduzida até ser alcançado o valor nominal. A temperatura do forno elétrico é medida através de um termômetro. quando existe qualquer discrepância (erro).º Willerson Moreira Ferraz 7 . Mecatrônica – Prof. o controlador envia um sinal para o aquecedor através do conjunto interface amplificador relé. O valor analógico da temperatura é convertido para um valor numérico por intermédio de um conversor AD. O valor digital obtido alimenta o controlador através de uma interface. de modo a trazer o valor da temperatura para o nível desejado.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A figura acima mostra o digrama esquemático de um sistema de controle de temperatura de um forno elétrico. O valor numérico da temperatura é comparado com o valor programado de entrada e. que é um dispositivo analógico. um dispositivo que transforma uma forma de energia em outra. uma vez que converte vibrações sonoras em sinais elétricos. Os sensores determinam as posições das partes mecânicas. 54).º Willerson Moreira Ferraz 8 . Os sensores. automóveis. 99). são os órgãos dos sentidos de robôs. Mecatrônica Atual Pág.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 3. braços mecânicos. 99. um interruptor de pressão é um sensor. Podemos definir um sensor como um transdutor. conforme mostra a figura a seguir: Mecatrônica – Prof. Todos os projetos que envolvem partes mecânicas e movimento controlado por circuitos eletrônicos precisam de um interfaceamento apropriado feito por sensores. ou seja. Os equipamentos mecatrônicos podem usar diversos tipos de sensores para fazer o interfaceamento com os circuitos eletrônicos. Eletrônica Básica Pág. normalmente a elétrica. Eletrônica Básica Pág. que é mais apropriada ao processamento por circuitos eletrônicos. Neste capítulo vamos tratar justamente dos principais tipos de sensores utilizados em mecatrônica. Um microfone é um sensor. então. analisando seu princípio de funcionamento e suas aplicações mais importantes. tomam as decisões apropriadas ao funcionamento. do próprio equipamento ou de elementos externos. Da mesma forma.1 Introdução (Apostila Instrumentação.conforme o nome sugere. 3. Sensores (Mecatrônica Industrial Pág. informando aos circuitos de comando que. equipamentos médicos e industriais e tudo mais que seja alvo da mecatrônica. pois converte a pressão mecânica dos dedos num sinal de comando para um circuito. automatismos. 33. é do tipo ON/OFF. conforme ilustra a figura a seguir: Mecatrônica – Prof. conforme podemos observar na figura abaixo: FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. pois só consegue enviar dois tipos de informação a um circuito de comando. Um interruptor de pressão pode ser usado como um sensor que detecta quando um braço chega a uma posição de fim de curso. evidentemente. Adaptando alavancas ou outros dispositivos mecânicos. 99 3. 100 Esse sensor. pressionado ou não.º Willerson Moreira Ferraz 9 . podemos facilmente usar os interruptores desse tipo nas mais diversas aplicações envolvendo mecatrônica.2 Sensores mecânicos Os sensores mais simples são os mecânicos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. Encostado ou não. ou quando um robô encosta num obstáculo. Esse sensor pode ser empregado como detector de fim de curso. detector de batidas. Um deles é o micro-switch que. pode fabricar o seu sensor mecânico utilizando lâminas retiradas de contatos de relés ou chaves. já possui uma pequena alavanca para operar com um mínimo de esforço.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Existem muitos tipos de interruptores de pressão que são especialmente fabricados para serem usados como sensores. Dependendo da aplicação. detector de posição e em muitas outras aplicações. veja a figura a seguir: FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG.º Willerson Moreira Ferraz 10 . o próprio montador de robôs e outros dispositivos mecatrônicos. conforme a figura XX. podem ser encontrados nas casas especializadas. 100 Mecatrônica – Prof. Micro-switches de diversos tamanhos. com diversas capacidades de correntes e tipos de alavanca. ou seja. 3.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Dois outros sensores mecânicos podem ser derivados das configurações que vimos. Na condição de inclinação. ela encosta na argola e com isso o circuito é fechado.1 Uso dos sensores mecânicos a) Circuito monoestável Os sensores mecânicos. ou de um rápido movimento que tire do equilíbrio a haste. o sinal elétrico gerado poderá ser insuficiente para acionar o circuito desejado. na maioria das aplicações são de ação momentânea. que é visto na figura abaixo: FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. temos então duas possibilidades que são mostradas na figura a seguir: Mecatrônica – Prof. O menor movimento da moto faz com que o pêndulo entre em ação. a vareta móvel não encosta na argola e com isso o circuito está aberto.º Willerson Moreira Ferraz 11 . por exemplo. no caso da batida de um objeto ou ainda do balanço de um pêndulo. 101 Na posição de repouso. Esse tipo de sensor é muito usado em alarmes contra roubos de motos e de objetos. O pulso de curta duração que é produzido nessas condições não será suficiente para acionar um motor. só permanecem acionados pelo tempo em que uma força atua sobre eles. Para resolver esse problema. disparando o alarme. dependendo da aplicação. Um deles é o sensor de pêndulo. relé ou solenóide. Se essa força for momentânea ou muita curta como.2. 102 Numa delas. para gerar um sinal cuja duração será constante dependendo exclusivamente do resistor R e do capacitor C. antes que a posição de contato se estabilize e a corrente se torne constante. geramos um sinal de aproximadamente 1100 segundos ou quase vinte minutos. por exemplo. conforme aplicação. o sinal precisa ser prolongado e na outra os “repiques” causados pela oscilação precisam ser eliminados. basta um breve toque no sensor. Esses repiques podem ser interpretados como um trem de pulsos afetando assim o circuito que deve ser controlado. qual é o tempo de acionamento que o circuito externo precisa. Esse é o tempo máximo recomendado.º Willerson Moreira Ferraz 12 . Nesse circuito. Para resolver esses problemas temos o circuito monoestável ilustrado na figura abaixo que usa um circuito integrado 555. Para um capacitor de 1000 uF e um resistor de 1 Mohm. Mecatrônica – Prof. Os repiques nada mais são do que oscilações muito rápidas da corrente que ocorrem em um circuito com interruptor. fechando-o por um instante. mas perceberemos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. tempos da ordem de 0. 103 Mecatrônica – Prof. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. por exemplo. que mude a trajetória de um robô quando ele bate ou toca um obstáculo. como podemos verificar na figura 10.º Willerson Moreira Ferraz 13 .1 segundos são mais do que suficientes na maioria das situações. Um resistor de 100K e um capacitor de 100 nF são os componentes recomendados nesse caso. para eliminar repiques de sensores.1 x R x C Onde: T – tempo em segundos R – resistência em ohms C – capacitância em farads b) Acionamento de direção Uma outra possibilidade de uso para os sensores mecânicos está no acionamento de um circuito de direção.01 e 0.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Nas aplicações práticas. O cálculo do tempo é feito utilizando a seguinte fórmula empírica: T = 1. Mecatrônica – Prof. Evidentemente. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG.3 Sensores magnéticos O tipo mais comum de sensor magnético é o interruptor de lâminas ou reed – switch. 104 3.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Neste caso é usado um solenóide ligado na saída do circuito que utiliza o monoestável. o suficiente para recuar e se afastar do obstáculo. mostrado na figura 12.º Willerson Moreira Ferraz 14 . conforme vimos no circuito monoestável. circuitos semelhantes devem ser colocados dos dois lados do robô. c) Reversão de movimento A reversão do movimento do motor por um toque de curta duração em um sensor mecânico pode ser feita com o circuito exibido na figura 11 O tempo que o motor ficará acionado no sentido inverso dependerá do capacitor C e do resistor R. O robô mudará de direção por um breve intervalo de tempo. pela figura. conforme mostra essa figura em (a).º Willerson Moreira Ferraz 15 . a lâmina C muda de posição e encosta no contato NA. qual deve ser a orientação do campo do ímã para uma ação eficiente sobre um sensor de lâminas. Podemos ter sensores com duas ou mais lâminas. fechando o circuito em que o dispositivo está ligado. O gás inerte é usado para prolongar a vida dos contatos. a lâmina C se mantém encostada na lâmina NF. exemplo dado em (b). Quando um campo magnético atua sobre o componente. conforme vemos na figura. Também é possível utiliza-lo para gerar pulsos pela passagem de uma peça que gira e assim medir sua velocidade. No tipo NA (normalmente aberto). No tipo com contato reversíveis. 104 Esse sensor é formado por lâminas em um bulbo de vidro com gás inerte. aparece uma força de atração que une essas lâminas. Quando o campo magnético de um ímã ou de uma bobina age sobre as lâminas magnetizando-as. ou para detectar a posição de um objeto. Mecatrônica – Prof. evitando a oxidação. Podemos empregar esse tipo de sensor de diversas formas.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. Observe. conforme ilustramos na figura 13. as lâminas estão afastadas uma da outra de modo a manter o circuito aberto. Podemos usá-lo como chave fim de curso. Os valores de R e C devem ser escolhidos de acordo com a faixa de freqüências que deve ser medida.º Willerson Moreira Ferraz 16 . Mecatrônica – Prof. Na figura 14 temos um circuito simples que integra os pulsos gerados por um interruptor que abre e fecha rapidamente.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Isso significa que um interruptor de lâminas pode ser usado como um sensor de velocidade ou sensor tacométrico. Sua velocidade de resposta é suficientemente boa para gerar até algumas centenas de pulsos por segundo. produzindo uma tensão proporcional à freqüência com que isso ocorre. Finalmente. temos os sensores de Efeito Hall. 106 O NTC tem sua resistência diminuída quando a temperatura aumenta. são na realidade transdutores que apresentam uma característica analógica de conversão de uma grandeza qualquer em uma grandeza analógica.1 Sensores de temperatura Para sensoriar a temperatura podem ser usados NTCs (Negative Temperature Coefficient) ou PTCs (Positive Temperature Coefficient) cujos aspectos e símbolos constam da figura 18 FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. Os tipos mais comuns de sensores resistivos são os de temperatura. A passagem de qualquer objeto que produza ou altere o campo magnético que atue sobre essa bobina fará com que um pulso elétrico seja produzido.4 Sensores resistivos Os sensores resistivos. luz e pressão. Mecatrônica – Prof. Os dois são especificados pela resistência que apresentam na temperatura ambiente. normalmente 20º C.º Willerson Moreira Ferraz 17 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Um outro tipo de sensor magnético é formado por uma simples bobina. Amplificando esse pulso elétrico. 3.4. Eles são usados como sensores de rotação de objetos. diferentemente dos sensores de toque. 3. ele pode ser empregado para controlar circuitos externos. ou mesmo de presença de campos criados por ímãs. enquanto que o PTC tem sua resistência aumentada com a elevação da temperatura. Esses dispositivos semicondutores possuem uma resistência que varia conforme o campo elétrico presente. por isso. foto-resistor ou célula de Cds. e no outro quando cai abaixo do valor ajustado. o que permite também que eles sejam usados na medição de temperatura. o disparo ocorre quando a temperatura se eleva para além do valor ajustado. Mecatrônica – Prof. cujo símbolo e aspectos são vistos na figura 20. Outras aplicações incluem o disparo de relés. etc. Esse componente. controle de freqüência PWM com a temperatura. apresentando uma resistência de milhões de ohms no escuro. Em um caso. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. 104 A curva de resposta dos PTCs e NTCs é aproximadamente linear numa boa faixa de temperaturas.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Podemos usa-los de diversas formas.4.2 Sensores de luz O tipo mais conhecido de sensor resistivo de luz é o LDR (Light Dependent Resistor). Observações: os diodos semicondutores também possuem uma característica de fuga (corrente inversa) que depende da temperatura e. Os LDRs são muitos sensíveis. INCLUIR OUTROS EXEMPLOS DE SENSORES DE TEMPERATURA 3.º Willerson Moreira Ferraz 18 . tem uma resistência variando com a quantidade de luz que incide numa superfície sensível (normalmente de Sulfeto de Cádmio ou Cds – o que leva à denominação de células de Cds a esses sensores). Na figura 19 temos circuitos simples em que um NTC é empregado para disparar um circuito quando a temperatura é ajustada em P1. também podem ser usados como sensores. e algumas dezenas ou centenas de ohms quando iluminados. 107 No entanto.º Willerson Moreira Ferraz 19 . Na primeira. conforme ilustra a figura 22 em que dois sensores são usados para “ver” uma linha clara ou escura pintada no chão. o que significa que não podem detectar variações muito rápidas da luz. Na figura 21 mostramos um circuito típico utilizando LDRs como sensores. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. o motor entra em ação quando o LDR é iluminado e na segunda. O circuito. contém apenas um transistor para ativar um relé ou ainda um motor de baixa corrente (até uns 100 mA) a partir da luz que incide no LDR. Esse circuito é ideal para montagem de veículo do tipo “segue a linha”. entra em ação quando a luz sobre o LDR é cortada. muito simples. eles são lentos. Veja que temos duas possibilidades de acionamento. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Uma outra configuração é a apresentada na figura 23 onde temos um controle PWM de velocidade para um motor. Esse circuito pode ser usado para se criar um robô que tenha medo ou goste de luz.3 Sensores de pressão Mecatrônica – Prof. Uma outra possibilidade consiste na montagem de uma cabeça de robô falante.º Willerson Moreira Ferraz 20 . Dependendo da forma como o sensor for empregado.4. Essa cabeça poderá acompanhar o movimento de pessoas que vistam roupas claras ou portem uma lanterna. ou ainda diminuir a velocidade até parar ao se aproximar de uma fonte de luz. que tenha dois sensores de luz ligados na forma diferencial controlando o seu movimento. ele poderá aumentar sua velocidade ao se aproximar de uma luz. Um interessante robô que segue uma lanterna pode ser projetado com base nos circuitos sensores mostrados. 3. procurando-a. sendo a velocidade determinada pela quantidade de luz que incide no sensor (um LDR). sob mesmo potencial de modo que cargas estáticas externas não venham a danificá-los. conforme ilustra a figura 25. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. observe a figura 24. assim. Essa esponja tem uma resistividade elevada que se altera quando a apertamos. 107 A finalidade dessa esponja é curto circuitar os terminais mantendo-os. é o sensor de pressão com esponja condutora. Os circuitos integrados e outros componentes sensíveis a descargas estáticas são transportados com os terminais enfiados numa esponja condutora.º Willerson Moreira Ferraz 21 . Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Um tipo interessante de sensor. Esse comportamento elétrico possibilita sua utilização em um sensor de pressão simples de montar. que pode ser fabricado com materiais comuns. º Willerson Moreira Ferraz 22 . Um circuito para acionamento de uma carga externa pela pressão é mostrado na figura 26.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A resistência apresentada entre duas chapinhas de metal que pressionam a esponja depende justamente dessa pressão. existem outros sensores resistivos importantes usados em mecatrônica. O trimpot ajusta a sensibilidade do circuito.4 Outros sensores Além dos que vimos.4. 3. bastando para isso acoplar ao seu eixo uma alavanca. ou ainda da pressão exercida por uma garra em um braço mecânico. Um sensor de pressão simples também pode ser feito acoplando-se uma alavanca com uma mola a um potenciômetro. A resistência que ele apresenta em sua saída depende da intensidade do campo magnético. Podemos usá-lo para detectar a posição de peças ou medir a velocidade de rotação de uma parte mecânica de uma máquina ou robô. INCLUIR OUTROS EXEMPLOS DE SENSORES DE PRESSÃO. Mecatrônica – Prof. Dois potenciômetros montados em um ângulo reto podem resultar em um sensor de posição que opere nos eixos X e Y. que já citamos nesta lição. Os potenciômetros comuns também podem ser usados como sensores de posição. A resistência apresentada dependerá da posição da alavanca. A alavanca atuará sobre a mola girando o eixo do potenciômetro em um ângulo proporcional à pressão exercida. Dentre as aplicações possíveis para esse sensor podemos citar o sensoriamento de impacto de um robô. Um deles. detectando a posição de um objeto em um plano (bidimensional). Trata-se de um circuito integrado que é sensível à presença de campos magnéticos. é o sensor de Efeito Hall. As células de carga contêm material condutor e a distorção causada pela aplicação de uma força resulta na mudança de sua resistência elétrica. A figura 1 apresenta esse comportamento. D.º Willerson Moreira Ferraz 23 . a razão dessa mudança em relação às suas dimensões originais. A magnitude dessa contração transversa é uma propriedade do material indicada por sua "Relação de Poisson" (v): INSERIR FÓRMULA Mecatrônica – Prof. por definição. A deformação decorrente é. A deformação pode ser positiva (tensão ou expansão) ou negativa (compressão) e e expressa em unidades como "in/in" ou "mm/mm".F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 3. assim como a relação da deformação e em função da força aplicada como sendo uma variação fracional do comprimento: INSERIR FÓRMULA Quando o transdutor. Ao medir esta variação na resistência elétrica pode-se obter a medida equivalente à deformação causada e. Ao ser aplicada uma força axial. sendo o medidor de deformação {strain gauge) usado para medi-la. o comprimento desta muda. um fenómeno conhecido como "Deformação de Pois-son" causa a contração da barra em sua circunferência (largura). a força aplicada. terá toda distorção sendo transferida para si. é colado à estrutura formando um arranjo conhecido por célula de carga. como visto na figura 1.5 Medidores de deformação Quando uma força é aplicada a uma estrutura. por extensão. conhecido por extensômetro {strain gage). no sentido transversal ou perpendicular. GF). Um parâmetro fundamental da leitura é a sensibilidade à tensão mecânica que está sendo aplicada. Mecatrônica – Prof. por conseguinte. conforme a disposição dos extensômetros (strain gages) na amostra a ser medida.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba onde.º Willerson Moreira Ferraz 24 . esse arranjo (célula de carga) pode ser observado. Os fabricantes desses aparelhos processam os materiais de forma a diminuir tal sensibilidade às variações térmicas. Na figura 2. Por exemplo. sendo o mais utilizado o medidor de liga metálica. Esse medidor consiste de um fio muito fino arranjado sobre uma folha metálica. e = deformação axial.3. maior precisão na medida. O fator de medida é a razão entre a variação da resistência elétrica e a do comprimento: O fator de medida para medidores metálicos está tipicamente em torno de 2. Seria ideal que os dispositivos apenas medissem a resistência elétrica em resposta à tensão mecânica aplicada. eT= deformação na direção perpendicular (transversal) à força. a Relação de Poisson para o aço permeia valores entre 0. É importante que se monte corretamente o arranjo para a melhor transferência da tensão mecânica aplicada na amostra e. 3. assim como um grande número de formas e de aplicações de suas medidas. que é quantificada como fator de medida (Gauge Factor.5.1 Características Existem vários tipos de medidores de deformação (strain gauges). porém tanto o transdutor quanto a amostra sofrem variações em função da temperatura a que estão expostos. na forma de uma grade. bem como suas principais partes componentes.25 e 0. Na figura 4. assim qualquer mudança em alguma das resistências elétricas proporciona uma alteração nesse valor. Partindo desse princípio de funcionamento.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Para a efetiva leitura da força aplicada sobre um transdutor.º Willerson Moreira Ferraz 25 . Mecatrônica – Prof. Como os valores medidos são de magnitudes muito pequenas. quanto maior o número de transdutores utilizados. meia ponte e ponte completa. respectivamente um. dois e quatro. apenas um resistor é substituído. que indicam a quantidade de transdutores utilizada. Normalmente. faz-se uso de um circuito amplamente utilizado em medidas elétricas: a Ponte de Wheatstone. conforme mostra a figura 3. os medidores de deformação (strain gauges) são formados a partir da colocação de células de carga nos ramos da Ponte de Wheatstone. Os arranjos normalmente utilizados são os circuitos de V* de ponte. medese o quanto desse valor foi transferido à saída. em razão direta a sua própria variação. as células de cargas são arranjos constituídos pelos extensômetros (strain gages) colocados sobre estruturas metálicas padronizadas. a tensão elétrica na saída é zero (ponte em equilíbrio ou balanceada). maiores serão a sensibilidade à tensão mecânica e a precisão da leitura. onde. as medições da força aplicada a uma superfície são realizadas substituindo-se um ou mais resistores da Ponte de Wheatstone por transdutores. por sua vez. o que implica em variações muito pequenas na saída. Consiste em excitar-se com uma tensão elétrica (ddp) um arranjo de 4 (quatro) resistores e em um par de pontos específicos do arranjo (diferente dos pontos nos quais a ddp está sendo aplicada ao circuito). Portanto. um arranjo com transdutores nos quatro ramos. As equações correspondentes a cada circuito supõem uma ponte inicialmente equilibrada. Essa ddp pode ser corrigida de duas formas: Mecatrônica – Prof. Por fim. onde há um ramo montado na expansão da amostra (RQ + AR) e outro na compressão (RG . proporciona um aumento de sensibilidade considerável.AR). Contudo. dobra-se a sensibilidade da ponte ao se fazer dois ramos ativos. embora em sentidos diferentes. como visto na figura 6.º Willerson Moreira Ferraz 26 . conforme visto na figura 5. estando montados dois transdutores na expansão e outros dois na compressão. o que gera uma saída de 0 V até que uma força seja aplicada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Ao substituir dois dos resistores. as tolerâncias dos resistores e a tensão mecânica induzida pela aplicação do transdutor gerarão uma ddp inicial. o que beneficiou o entendimento dos conceitos apresentados. Essa ligação acrescenta ao circuito uma resistência de 2 ohms no braço em que o extensômetro está conectado. pode-se medir a saída sem força aplicada e compensar a diferença por software.º Willerson Moreira Ferraz 27 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba utilizando-se um circuito de ajuste para retornar a saída a zero. ou. Uma característica que não pode ser esquecida é a influência dessa nova resistência elétrica na sensibilidade da leitura. na prática. tem sido ignorada a resistência elétrica do fio de ligação do extensômetro. Mecatrônica – Prof. Essa resistência elétrica do fio de ligação deve ser considerada como um resistor integrante do circuito. A perda de sensibilidade pode ser quantificada por: INSERIR FÓRMULA Outro fator bastante significativo é a influência da temperatura. neutralizando assim os efeitos um do outro. Até aqui. conforme ilustrado na figura 8. pois dois dos três fios ficam conectados a ramos adjacentes. Porém. A figura 7 demonstra uma ligação a dois fios do elemento transdutor. Buscando eliminá-la. essa atitude pode trazer consigo consequências negativas à medição. a ligação a três fios é a opção mais recomendada. considerando-se um fio de 15 m de comprimento e 1 ohm de resistência elétrica. conforme seu arranjo na amostra.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Com base nessas considerações.º Willerson Moreira Ferraz 28 . Nas figuras 9 a 12 podem ser vistos alguns exemplos bastante utilizados. Mecatrônica – Prof. existem vários tipos de medidas de força. º Willerson Moreira Ferraz 29 . 3.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Um sistema computadorizado mede a diferença de potencial na saída da ponte de Wheatstone antes que uma tensão mecânica seja aplicada. volta a medir esse sinal. maior será a rapidez da medida realizada e com maior precisão. na base de silos de grãos. em balanças. a medida da força realizada. Por exemplo. então a intervalos regulares ou a cada vez que uma determinada condição ocorrer. por conseguinte. 3.2 A melhor escolha Os dois critérios preliminares para a seleção do tipo de medidor que melhor se adeque à necessidade da aplicação são a sensibilidade e a precisão. uma ponte completa responderá melhor que uma de V*.5. A figura 13 apresenta um arranjo interno a uma balança vertical para grandes cargas. proporcionando sua deformação e. entre outras. Ao escolher-se a melhor maneira de efetuar uma medida com transdutores de força (strain gages). Mecatrônica – Prof. na indústria aeroespacial. devem-se ter em consideração as características particulares para cada fabricante.3 Aplicações Os extensômetros são de grande utilidade na pesagem de artigos. A tabela 1 apresenta um resumo dos tipos de medidores e suas características gerais. Deve-se destacar que quanto maior a quantidade de extensômetros a ser utilizada. As células de carga ficam internas ao cilindro que sofre tensão mecânica decorrente do esforço de tração em cabos de aço de guindastes e de pontes rolantes. Certamente. porém seu custo é significativamente maior.5. face a sua confiabilidade.4 Considerações Mesmo passando despercebidos no dia-a-dia das pessoas. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Na Universidade de Taubaté.º Willerson Moreira Ferraz 30 .5. ganham sua importância quando há necessidade de medições de grandes massas ou monitoramento de estruturas em construção ou em restauração. no Laboratório de Robótica e Instrumentação.6 Sensores capacitivos Um capacitor é formado por duas placas paralelas separadas por um material dielétrico e sua capacitância é definida por: C= ε. assim compensando seu posicionamento. Seu intuito nessa construção é servir como medida para as deformações da garra. constituída por duas lâminas de alumínio.permitividade do dielétrico (F/m) A – área comum entre as duas placas (m2) δ . os extensômetros e as montagens para medição das forças por eles mensuráveis. 3. 3.separação entre as placas (m). cada qual com quatro extensômetros. A δ Sendo: C – capacitância (F) ε . Mudanças na separação entre as placas. foi construída uma garra para o ROBOTAU. área comum e dielétrico permitem usar estes elementos com transdutores. precisão e sensibilidade. Fig.10 mostra o funcionamento desse sensor. Esse método não deve ser utilizado para líquidos ou sólidos condutivos. 4.Medição de nível por capacitância. 3. A indutância de uma bobina com um núcleo ferromagnético pode ser expressa da seguinte forma: N2 l µr ∗ A L= Sendo: L – Indutância (H) N – número de voltas l – comprimento da bobina (m) A – área comum entre as duas placas (m2) Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Capacitância Esse método de medição de nível utiliza a variação do dielétrico de um sensor capacitivo com a variação do nível do líquido ou sólido granulado.º Willerson Moreira Ferraz 31 . gap. A figura 4. através de variações no comprimento.7 Sensores indutivos Indutância é a propriedade de um dispositivo de reagir às mudanças de corrente elétrica que circulam através do elemento. Esta propriedade pode ser modificada variando as características do caminho magnético. permeabilidade ferromagnética. área. conexão ou colocação do enrolamento.10 . 1 Detecção de materiais metálicos Transdutores indutivos de proximidade são utilizados para detecção de materiais metálicos. Dessa forma.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Fig. Mecatrônica – Prof. Um circuito interno detecta essa variação e o sensor será ativado. 2. Em um sensor desativado (peça metálica distante) a energia de oscilação é máxima.2 Deteccção de materiais não metálicos Os sensores capacitivos são utilizados para detecção de materiais não-metálicos.Sensor indutivo de aproximação 1.º Willerson Moreira Ferraz 32 .8 – Indutância típica 1. o sensor irá acusar a presença do material. Quando um objeto metálico se aproxima do sensor a energia de oscilação é atenuada pelo metal. O princípio de funcionamento do sensor é a modificação do campo eletromagnético de alta freqüência. Figura 4.1.15 .1. O funcionamento é parecido com o do sensor indutivo: um oscilador tem sua freqüência modificada quando um material dielétrico (normalmente líquido) é colocado entre as placas do capacitor. da ordem de milionésimos de ampere. Diferentemente dos LDRs.16 . portadores de carga são liberados provocando uma pequena corrente de fuga. Isso quer dizer que podemos fabricar diodos especiais.8. o que não acontece com nossos olhos. conforme explicamos. podendo detectar variações da intensidade de luz numa freqüência que pode chegar a vários megahertz. Todavia. Na figura 1 temos o aspecto e o símbolo usados para representar um fotodiodo de silício. existem outros tipos de sensores ópticos que não se baseiam no mesmo princípio de funcionamento e que possuem características diferentes. Essa corrente. tem sua intensidade dependente da intensidade de luz incidente. mas não detalhamos.Sensor capacitivo para detecção de materiais 3. vemos que os fotodiodos podem ”enxergar” radiação infravermelha. Mecatrônica – Prof. são sensores ópticos que se baseiam na variação que a presença de luz causa em determinados materiais como o sulfeto de cádmio.8 Sensores ópticos No capítulo anterior incluímos entre os sensores resistivos os LDRs que. Além disso. na verdade.1 Fotodiodos Quando uma luz incide numa junção semicondutora polarizada no sentido inverso. que funcionam polarizados no sentido inverso e que têm sua junção exposta. conforme ilustra a figura 2. Pela figura. os fotodiodos são extremamente rápidos. 3.º Willerson Moreira Ferraz 33 . eles também têm uma curva de resposta diferente da curva característica do olho humano. quer seja por uma janela ou por um invólucro transparente para usar como sensores de luz.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Figura 4. Mecatrônica – Prof. Na figura 3 mostramos dois circuitos para excitação de cargas a partir de fotodiodos.º Willerson Moreira Ferraz 34 . é preciso usar circuitos amplificadores com bom ganho quando desejamos fazer o acionamento de circuitos externos. 112 Como a corrente que se obtém de um fotodiodo quando excitado é muito baixa.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. para que apenas uma faixa de freqüência (ou de cores) seja reconhecida. No foco teremos apenas um pequeno ponto de incidência. Em lugar do relé. 113 Veja que ele não é colocado exatamente no foco. Na saída podemos empregar uma etapa de maior potencia. por um trimpot ou potenciômetro.2 Fototransistores Os fototransistores operam segundo o mesmo princípio dos fotodiodos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba O primeiro deles faz uso de transistores comuns e tem o ajuste de sensibilidade feito por um trimpot ou potenciômetro. para excitar diretamente cargas de maior corrente. observe a figura 4. a qual depende da luz que incide em sua pastilha de material semicondutor.8. por exemplo. diretividade e até seletividade. No uso desses sensores é comum agregarmos recursos ópticos para obter maior sensibilidade. 3. por exemplo. pequenos motores ou solenóides. usamos tubos opacos e montamos o componente próximo ao foco de uma lente convergente. pois a radiação deve distribuir-se toda igualmente pela superfície sensível. conforme ilustra a figura abaixo: Mecatrônica – Prof. O segundo.º Willerson Moreira Ferraz 35 . faz uso de um amplificador operacional e o ajuste é obtido da mesma forma. A diferença está no fato de que aproveitamos a corrente de fuga entre o coletor e o emissor do componente. um transistor darlington. podemos controlar diretamente cargas de até 300 mA como. Para se obter seletividade podemos usar filtros e até mesmo trabalhar com radiação polarizada. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. se utilizarmos um transistor BD136 em lugar do BC558. Para aumentar a sensibilidade e seletividade. exigindo circuitos amplificadores menos complexos e de menor ganho. 113 Na mesma figura temos também o símbolo adotado para representar o fototransistor e o aspecto dos tipos mais comuns. a base do transistor permanece desligada. Mecatrônica – Prof. que na verdade são formados por dois transistores sensíveis a luz. Os fototransistores também são muito rápidos. existem fototransistores denominados foto-Darlingtons. Assim. de acordo com o seu tipo. O resultado dessa conexão é uma sensibilidade muito maior. podendo operar com sinais de luz modulados de freqüências de vários megahertz. Observe que.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG.º Willerson Moreira Ferraz 36 . Na figura 7 temos um circuito típico de sensor de luz que faz uso de um transistor. dependendo do modo como o usamos. conectados segundo a figura 6. nesse circuito. Uma das vantagens desse componente em relação ao fotodiodo é que podemos ter um sinal amplificado. estes são preferidos para essa aplicação. Entretanto. Mecatrônica – Prof. Os tipos mais comuns são os formados por pastilhas de silício monocristalino que são usadas para alimentar calculadoras. ou carregando uma bateria.8. Na figura 10 temos uma fotocélula comum que pode ser utilizada com um sensor de luz. Muito mais do que serem empregadas com sensores. Se bem que alguns circuitos possam usar fotocélulas como sensores. relógios e outros dispositivos de baixo consumo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Na maioria das aplicações podemos substituir um fotodiodo por um fototransistor. às fotocélulas podem ser ligadas em conjuntos ou painéis para fornecerem a energia que alimenta os circuitos mecatrônicos diretamente.º Willerson Moreira Ferraz 37 . o fototransistor é um pouco mais lento (mas ainda assim muito mais rápido que o LDR). isso não é válido. como seu custo é mais alto do que o dos fotodiodos e dos fototransistores. o que significa que nas aplicações em que a velocidade é importante.3 Fotocélulas As fotocélulas ou células solares convertem energia luminosa (energia radiante) em energia elétrica. 3. conforme ilustra a figura 11. 9 Sensores de aproximação Não devemos confundir os sensores de aproximação com os sensores de toque. observe a figura 12. enquanto que os sensores de aproximação já atuam quando o objeto detectado se aproxima a certa distância. São diversas as tecnologias usadas para implementar um sensor de aproximação em um projeto mecatrônico.º Willerson Moreira Ferraz 38 . Mecatrônica – Prof. Os sensores de toque precisam do contato físico com o objeto para atuar. O que temos é uma antena ou placa que se comporta como uma das placas de um capacitor.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. 115 3. O tipo mais comum é o capacitivo. Dessa forma. Assim. então. a rede de energia funciona como uma antena que irradia sinais na freqüência da corrente que ela transmite. Mecatrônica – Prof. a capacitância aumenta. funciona como uma antena que capta essa energia. Um outro tipo de sensor de aproximação é o que opera com a captação do ruído da rede de energia. Qualquer corpo condutor. Um circuito detector é usado. para detectar essa variação. quando nos aproximamos de uma antena ligada a um circuito detector. Se a placa estiver ligada em um circuito oscilador. a freqüência do oscilador diminuirá com a aproximação do objeto. quando o objeto se aproxima.º Willerson Moreira Ferraz 39 . Neste caso. passando-os então capacitivamente para o sensor. por outro lado. disparando quando a freqüência chega a um certo valor. o nosso corpo capta os sinais e os concentra. conforme exibe a figura 13.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A outra placa do capacitor é representada pelo objeto que vai ser detectado. Mecatrônica – Prof. como o apresentado na figura 14. os sinais captados pelo sensor são detectados (retificados) pelo diodo e aplicados à entrada de uma porta NAND de um circuito integrado CMOS do tipo 4093.10 Sensores acústicos Os sensores acústicos além de funcionarem como “ouvidos”.º Willerson Moreira Ferraz 40 . Na figura 15 podemos ver como fazer o acionamento de um relé a partir do som captado por um microfone de eletreto. A elevada impedância de entrada desse circuito e sua amplificação possibilitam o acionamento de uma carga através de um transistor. O trimpot serve para ajustar a sensibilidade do circuito. para esse tipo de sensor precisamos de um circuito sensível de amplificação. servem também para detectar obstáculos. No primeiro caso. basta usar um microfone ligado a um circuito amplificador que aciona o dispositivo controlado. Um exemplo de aplicação desse tipo de sensor está em um pequeno robô que é acionado quando batemos palmas ou falamos alto diante do microfone. Lembramos que as principais desvantagens desse tipo de sensor são a sua sensibilidade a ruídos e a pequena sensibilidade na detecção de objetos que sejam isolantes. 116 Nele. levando-o ao limiar de disparo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba É claro que. 3. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. A antena ou sensor deve ser uma placa isolada de pelo menos 5 cm x 5 cm. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. Um robô equipado com esse circuito só funcionará quando o som exato for reconhecido. Isso significa que podemos usar um apito. os sinais passam por um filtro reconhecedor de freqüências baseado num PLL (Phased Locked Loop) do tipo NE 567. Os sensores acústicos também podem ser usados para detectar objetos ou obstáculos. 117 Outra aplicação consiste numa automação comandada pela voz ou pelo ruído de se bater palmas. somente ele terá o comando sobre o robô.º Willerson Moreira Ferraz 41 . o operador pode conseguir assobiar a nota exata que ativa o circuito e. Mecatrônica – Prof. O trimpot ajusta a freqüência do sinal que o circuito reconhece. Nela. Uma outra forma interessante de sensoriamento acústico que pode ser usada como controle remoto é mostrada na figura 16. Qualquer outra freqüência não o acionará. com isso. Treinando. assobio ou mesmo um oscilador que gere uma determinada freqüência para fazer o acionamento do relé. Uma porta pode ser aberta pelo bater das mãos ou mesmo por um som mais intenso. retorna na forma de um eco que é captado por um microfone ultra-sônico. nas substâncias que possuem a propriedade de mudar de resistência sob a ação de campos. 118 O emissor ultra-sônico produz um sinal que é emitido em todas as direções. FIGURA – ELETRÔNICA BÁSICA PÁG. controles de automatismos e medidores de velocidade de rotação de engrenagens.º Willerson Moreira Ferraz . O circuito detecta esse sinal e pode acionar um relé. Na figura 18 temos um sensor desse tipo que é muito usado em aplicações críticas como. Dado que o sinal fornecido por esses sensores é muito fraco. Este. 3.12 Outros sensores 42 Mecatrônica – Prof. veja a figura 17. 3. Os dispositivos de efeito Hall são sensores de campo magnético muito sensíveis que se baseiam. precisamos contar com a ajuda de circuitos amplificadores.11 Sensores Hall O efeito Hall pode ser definido como a variação da resistência elétrica de determinados materiais sob a influencia de campos magnéticos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Outra possibilidade bastante encontrada em Robótica e Mecatrônica é a que faz uso de um módulo emissor/receptor de ultra-sons. ao ser refletido por um objeto próximo. por exemplo. sistemas de ignição de automóveis. justamente. 2 Sensores de gás Existem sensores que podem detectar a presença de determinados gases na atmosfera. que detecta a presença de gases combustíveis. Neles. mas em muitos casos pode-se adaptar os sensores comerciais que existem à venda em qualquer casa de material elétrico ou eletrônico. Essa absorção Mecatrônica – Prof. Conforme ilustra a figura 19. Esses materiais podem ser usados na confecção de sensores de calor extremamente sensíveis. projetos mecatrônicos e robôs. Objetos aquecidos que estejam no raio de ação do sensor podem ser percebidos e. a emitida pelo nosso corpo. esses sensores são dotados de uma Lente de Fresnel que dirige a radiação infravermelha de determinados comprimentos de onda ao sensor.1 Sensores piroelétricos Há materiais denominados piroelétricos que apresentam características muito peculiares: quando são aquecidos. disparam um sistema de aviso ou acionam algum automatismo.12. um elemento sensível é aquecido de tal forma que passa a absorver qualquer combustível que entre em contato.º Willerson Moreira Ferraz 43 . com isso. aparecem nas suas faces cargas elétricas de sinais opostos. por exemplo.12. 3. Há módulos desses sensores prontos para serem usado em projetos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Além dos sensores analisados. destacamos os seguintes: 3. As portas automáticas que abrem com a aproximação de pessoas funcionam dessa forma. Dentre eles. existem outros que podem ser empregados em automatismos. Um deles é o sensor exibido na figura 20. Um sinal elétrico de boa intensidade pode ser obtido pela incidência de radiação infravermelha como. 3.º Willerson Moreira Ferraz 44 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba altera sua resistência elétrica. possibilitando assim o funcionamento de um circuito elétrico de processamento do sinal.3 Sensores de pressão atmosférica Muitos relógios. possuem sensores de pressão que são utilizados para indicar a pressão atmosférica ou ainda para indicar a altitude. 3.4 Sensores de aceleração Mecatrônica – Prof. quando se conhece uma pressão de referência no local.12.12. Esses sensores podem ser usados em robôs para detectar vazamentos de gases. A pressão sobre o diafragma faz com que o pino pressione também o chip sensível de tal modo a modificar suas características elétricas. como o mostrado na figura 21. Esses sensores são formados por uma pequena pastilha de silício na qual se apóia um pino preso a um diafragma. Eles comparam essas medidas com um valor desejado. 4. A eles chegam às informações das medidas efetuadas pelos sensores. Todavia.1 Introdução Os reguladores são os cérebros dos sistemas de regulação. 58. ajustável externamente. uma variação é a que faz uso de lâminas vibrantes de tal forma que qualquer tentativa de se mudar a posição do sensor acelerando-o. 123. o qual irá agir no sentido de Mecatrônica – Prof. 42. Controladores (Eletrônica Básica Pág. Mecatrônica Fácil Pág.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Um sensor de aceleração aproveita as variações das propriedades elétricas dos materiais semicondutores quando submetidos a deformações mecânicas. 21. faz com que surjam forças que tendem a impedir essa mudança de posição. O princípio de funcionamento é o mesmo do sensor de pressão. Apostila Instrumentação). de verdadeiros giroscópios semicondutores que podem ser usados como sensíveis sensores. e em seguida enviam um sinal para o elemento de controle. Prática Medição de temperatura Medição de distância Medição de deslocamento Medição de pressão Medição de presença Medição de luminosidade 4.º Willerson Moreira Ferraz 45 . portanto. Tratam-se. 2. elevando a qualidade e permitindo o acesso a bens de consumo e bens duráveis a uma parcela cada vez maior da população. fez surgir os controladores de movimentos. sem dúvida. A produção artesanal. um marco inigualável na história moderna. 4. Por outro lado. porém. de trajetória. Na prática. Para obter uma boa regulação o regulador deve satisfazer duas condições: estabilidade e rapidez na resposta. Este artigo visa ilustrar o funcionamento básico dos Controladores de Movimento e sua contribuição ao desenvolvimento da indústria em geral.1 Controladores de movimento A revolução industrial foi. demorará muito tempo para eliminá-la. deu lugar à produção em massa. Uma resposta que tenha alguma curva intermediária entre os dois casos apresentados anteriormente pode ser considerada boa. se essa ação corretiva for demasiadamente forte. Mecatrônica – Prof. a variável controlada dará overshoot e conseqüentemente entrará em oscilação. reduzindo os custos de produção. O crescente aumento do uso de servo-acionamentos e inversores de frequência em máquinas de processos dedicados. Os controladores de movimentos (figura 1) são equipamentos desenvolvidos para automação de máquinas que necessitam de controle de posição. A automação de máquinas e equipamentos é a força propulsora da indústria moderna. dependente da habilidade individual. agregando características de controladores numéricos computadorizados (CNCs) com as mesmas funções e a facilidade de programação de um controlador lógico programável (CLP).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba anular a discrepância entre a medida efetuada pela tomada de impulso e a medida do padrão set point imposta ao regulador. Em resumo pode-se dizer que a finalidade do estudo da regulação automática é conseguir essas duas condições. se o regulador agir com menor intensidade para anular a diferença. Um sistema real de regulação automática compara o valor medido com o valor desejado e age de maneira a anular a diferença entre os dois. ou às vezes nunca o conseguirá.º Willerson Moreira Ferraz 46 . de velocidade ou torque.2 Controladores Industriais 4. onde o torque de aperto deve ser o suficiente para garantir o perfeito fechamento da embalagem. Mecatrônica – Prof. Para facilitar a compreensão das funções dos controladores de movimentos. Tais funções são geralmente reunidas em blocos funcionais permitindo fácil programação. O controle de velocidade é realizado em malha fechada por realimentação de um encoder ou gerador de pulsos. interpolação circular. O controle de torque é normalmente utilizado em aplicações onde a grandeza fundamental de controle é o torque e/ou a força aplicada à carga. frascos. O controle de torque ainda é utilizado para aperto de parafusos em blocos de motores e de máquinas. porém não tão elevado que impeça sua abertura. descreveremos algumas das funções principais normalmente encontradas nos controladores de movimento disponíveis no mercado. interpolação helicoidal. engrenagem eletrõnica entre outros. Podemos citar como exemplo as operações de rosqueamento de tampas como as de embalagens de dentifrício. O controle em malha fechada proporciona alta precisão de controle mesmo com grandes variações de carga. a) Controle de torque Permite o controle preciso do torque do servomotor independentemente da velocidade e posição do mesmo. etc.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Possuem funções específicas para controle de servo-acionamentos como posicionamentos simples. carnes eletrônicos. visto que as mesmas já se encontram prontas para uso. b) Controle de velocidade É uma das funções básicas de um controlador. como também no controle de tração em bobinadeiras e desbobinadeiras.º Willerson Moreira Ferraz 47 . interpolação linear. potes. reduzindo o custo de desenvolvimento do projeto. evitando a criação de algoritmos complexos e demorados. º Willerson Moreira Ferraz 48 . para uma máquina que trabalhe com posicionamentos variando em 0. O posicionamento pode ser incremental ou absoluto. c) Posicionamento Há vários tipos de posicionamentos dependendo da função a ser realizada pela máquina. o encoder utilizado deverá indicar 0.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba É essencial no controle de "spindles" ou eixos .Y. Esse procedimento é necessário. responsável pelo deslocamento do cabeçote de corte a laser. o importante é levar o servomotor à posição solicitada com a máxima precisão.árvores em tornos e/ou máquinas operatrizes. permitindo referenciar automaticamente a máquina.01 mm por pulso. sendo o erro sinalizado pelo mesmo. No caso de um posicionamento. a máquina deverá ser reiniciada a partir da posição zero. sendo normal o erro de mais ou menos um ou dois pulsos no final do posicionamento. Mecatrônica – Prof. A precisão do posicionamento é dada pelo número de pulsos do encoder. visto que o posicionamento perfeito não existe. principalmente em operações de usinagens de roscas. Por exemplo. A função "Homing" utiliza normalmente o pulso "C" do encoder como referência de posição zero. A maioria dos controladores possui uma função específica denominada "Home Position" ou busca da posição zero ou referenciamento. é possível estabelecer a faixa de desvio de posição aceitável. o controlador de movimentos conta os pulsos do encoder incremental e controla o servomotor de forma a atingir a posição solicitada. A figura 2 ilustra uma mesa posicionadora X. No posicionamento incremental. onde um desvio de velocidade irá representar alteração no passo do filete. No caso de perda de energia. inutilizando a peça. mesmo com queda de energia. Na maioria dos controladores. No posicionamento absoluto é necessário a utilização do encoder absoluto o qual informa em tempo real sua posição. O mesmo varia dentro de uma faixa aceitável de desvio. Para um posicionamento preciso é recomendável que a resolução seja 10 vezes maior que a resolução da máquina. Eixo é o nome genérico dado a um acionamento individual. visto que o encoder incremental não memoriza a sua última posição. não sendo necessário reiniciar ou referenciar a máquina.1 mm. d) Interpolação linear Para interpolação linear é necessária a utilização de dois eixos. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Na interpolação linear os eixos X e Y são controlados de forma que a somatória dos dois movimentos resulte em uma trajetória linear. também denominada de interpolação linear. e) Interpolação circular A interpolação circular é obtida por dois eixos de forma que o resultado da ação conjunta dos mesmos resulte em um círculo. é necessário informar ao controlador apenas o diâmetro e a posição inicial do círculo e o controlador se encarregará de mover os eixos X e Y de forma a gerar o movimento circular solicitado. Na maioria dos Controladores de Movimento é possível programar com facilidade trajetórias lineares para formação de figuras geométricas definidas ou compor figuras lineares por justaposição de trajetórias.Y produzindo um movimento circular.º Willerson Moreira Ferraz 49 . que será cortado por um feixe de laser ou maçarico. A figura 3 exibe uma mesa X. Normalmente. Mecatrônica – Prof. A figura 2 mostra uma interpolação linear formando um triângulo. º Willerson Moreira Ferraz 50 . A figura 5 ilustra a aplicação em uma máquina impressora de quatro cores. O controlador garante o sincronismo de fase mecânica da mesma forma que um conjunto de engrenagens. Mecatrônica – Prof. g) Engrenagem eletrônica Essa é uma das funções típicas dos Controladores de Movimentos. conforme se vê na figura 4.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba f) Interpolação helicoidal Ela necessita de três eixos. como o filete de uma rosca. sendo formada pelas interpolações linear e circular resultando em uma trajetória helicoidal. Geralmente é necessário informar apenas o diâmetro e o passo ao controlador assim como as coordenadas de partida. h) Came eletrônico Esta função permite criar um movimento complexo sincronizado a um movimento de referência externo. pois elimina o eixo único. No arranjo da direita. Esse arranjo é chamado de "Shaftless". O motor de aciona-mento é único e como a transmissão de movimentos é mecânica. os eixos e engrenagens foram substituídos por servomotores acionados por um Controlador de Movimentos. existe um perfeito sincronismo entre os castelos de impressão.º Willerson Moreira Ferraz 51 . que por sua vez aciona um êmbolo produzindo um movimento horizontal de acordo com o formato externo do carne. A figura 6 apresenta o arranjo mecânico típico onde um motor aciona através de um redutor um carne mecânico. como também avançar ou atrasar a fase de um dos servomotores. A função de engrenagem eletrônica permite ainda alterar o valor de engrenamentoeletronicamente. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba No arranjo da esquerda. reduzindo a complexidade de construção da máquina e permitindo maiores velocidades de operação. permitindo fácil ajuste das cores de impressão. os castelos de impressão são acionados por um eixo único que distribui o movimento para cada castelo através de engrenagens. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A utilização de um Controlador de Movimentos substitui o carne mecânico e seus acessórios por um servo-acionamento e um fuso de esferas. o controlador de movimentos reproduz eletronicamente o movi mento do carne no eixo do servo.3 Controladores Programáveis 4. 4. é utilizado um encoder instalado em um ponto da máquina como referência de posição. visto que todo o controle torna-se residente em um único equipamento. i) Funções lógicas Frequentemente. j) Conclusão Podemos concluir que os controladores de movimentos foram desenvolvidos para facilitar a automação de máquinas e linhas de produção através da inserção de complexas rotinas de posicionamento e interpolação em simples comandos de programação. Normalmente.3. reduzindo custos de produção e permitindo ampliar a produtividade e qualidade das máquinas e linhas de produção. a) Processamento Mecatrônica – Prof. Inicialmente destinados às máquinas de maior grau de complexidade. Com a implementação de CLP’s a limitação do sistema deixa de ser espaço físico e passa a ser o espaço de memória da CPU e o número de entradas e saídas disponíveis.º Willerson Moreira Ferraz 52 . funções lógicas programáveis em diagrama de blocos do tipo "Ladder". permitindo controle rápido e preciso com mínima possibilidade de erros. permitindo a implementação de lógicas de intertravamento e comando. O CLP é utilizado pelas indústrias com a finalidade de automatizar processos. Através de programação adequada.1 CLP O Controlador Lógico Programável é um equipamento comandado por um processador dedicado que tem como finalidade monitorar entradas e atualizar saídas a partir de um programa pré-definido. atualmente estes controladores (pela sua razoável redução de custos) já são utilizados em um número cada vez maior de máquinas e equipamentos. os controladores de movimentos oferecem. além das funções específicas de controle de movimentos. o controlador irá seguir essa variação em fase mecânica variando sincronizada-mente a execução do carne eletrônico. facilitando o projeto e instalação. Caso a máquina varie de velocidade. b) Comparação com malha de controle discreta • Menor espaço e menor consumo de energia elétrica. CFS (Diagrama de blocos de funções): blocos de funções digitais. STL (lista de instruções): assemelha-se a instruções escritas em mnemônicos. Basic. d) Métodos de representação    Linguagem de alto nível: C. comandos. 53 Mecatrônica – Prof. • Maior confiabilidade. • Maior flexibilidade. • Interfaces de comunicação com outros CLPs e computadores.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A lógica de operação de qualquer CLP é dividida em três etapas: entrada. blocos e/ou figuras que obedecem algumas regras pré-determinadas. Essas linguagens constituem-se em um conjunto de símbolos.1 – Processamento Basicamente os sinais dos sensores são aplicados às entradas do controlador e a cada ciclo (varredura) são lidos e transferidos para a unidade de memória interna denominada memória imagem de entrada. os resultados são transferidos à memória imagem de saída e então aplicados aos terminais de saída. • Reutilizáveis. c) Lógica de programação Para facilitar a programação dos CLPs foram sendo desenvolvidas diversas linguagens de programação. • Maior vida útil. Figura 1. etc. processamento e saída. • Manutenção mais fácil e rápida. Estes sinais são processados pelo programa do usuário e ao término do ciclo de varredura. Pascal.º Willerson Moreira Ferraz . Um programa nada mais é do que um conjunto de instruções que especifica as operações que o CLP deverá executar para controlar um determinado processo. timers. Cada método de representação apresenta suas próprias características. Mecatrônica – Prof. Os microcontroladores estão presentes em praticamente todos os produtos modernos. e) Linguagem Ladder Ladder (LAD) é uma linguagem de programação que utiliza símbolos semelhantes a contatos de reles para representar suas funções. 4.2 Microcontrolador O microcontrolador é um circuito integrado que contém CPU. Caixas: suas funções mais comuns são contadores. um bloco de programa criado em STL não necessariamente poderá ser convertido em CFS ou LAD. aparelhos de som. programas em CFS ou LAD poderão sempre ser convertidos em STL. Entretanto. é sempre preferível utilizar uC´s. memória. temporizadores operações matemáticas. com a finalidade de executar uma tarefa específica. etc. Contato: seu funcionamento é idêntico ao funcionamento de uma botoeira. portanto. Toda vez que for necessário a um circuito realizar operações e procedimentos que variam conforme estímulos ou condições de um ambiente. desde microondas. televisores. Pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba  LADDER (Diagrama de contatos): contatos de reles. Os três métodos de representação não são compatíveis. portas de comunicação etc.). celulares. análises e correções.º Willerson Moreira Ferraz 54 . Network: é uma linha de programação que pode ser compreendida como um circuito onde a corrente flui da esquerda para a direita. etc. Todos trabalhando com “centros de controle” deles e realizando tarefas que circuitos comuns jamais realizariam Quando devemos optar pela utilização de um microcontrolador? Simples. comandos e procedimentos. envia nível lógico 1 ao equipamento conectado a ela. unidades de entrada/saída e periféricos (conversores A/D.3. ( ) Saída: quando energizada. Mais do que isso. É também conveniente utilizar uC no lugar de outros circuitos integrados.4 Circuitos Inteligentes Nos capítulos anteriores tratamos dos sensores. emitir um aviso de recarga.3 Microprocessador 4. no caso de estar abaixo do necessário.3. etc. eliminando o uso de redes RC de tempo. É totalmente inviável.º Willerson Moreira Ferraz 55 . Imagine agora construir um “pequeno” circuito analógico ou mesmo com portas lógicas para esse robô. fazendo com que nossos dispositivos mecatrônicos tenham reações quando receberem os estímulos enviados pelos sensores. que ao mesmo tempo deve verificar todos os sensores em busca de informações sobre o ambiente (obstáculos.).3. 4. podemos ir além. no sentido de Mecatrônica – Prof. temperatura. Claro que em substituições desse tipo deve ser avaliado o fator custo benefício. visando minimizar componentes. No entanto. essas reações podem ser inteligentes. e deve também monitorar a carga de sua bateria para. braço mecânico ou qualquer outro dispositivo mecatrônico com o mundo exterior. por exemplo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Imagine um circuito de um pequeno robô móvel. evitando assim o mau funcionamento dele. pode-se utilizar um uC de oito pinos no lugar de um CI 555. que são elementos que fazem o interfaceamento de um robô. Assim. ou ainda sensores simples como de luz. em princípio. não temos muitas implicações de ordem filosófica. em nossos dias. inclusive de formas muito simples em robôs experimentais de baixo custo. A finalidade básica de um robô. Mas.. etc.. automatismos. é realizar tarefas que os humanos realizam. Será que podemos ir além e pensar na possibilidade da tecnologia também substituir a inteligência e até mesmo a vida? Quando pensamos em simples partes que realizam funções mecânicas em um ser vivo como pernas. Gerar emoções. Tomar decisões lógicas baseadas na experiência.º Willerson Moreira Ferraz 56 . embora a sua presença num ser vivo ou num robô seja algo que podemos perceber até intuitivamente. precisamos antes de tudo definir o que é inteligência e que podemos usar circuitos eletrônicos para reproduzi-la. Em suma. quando entramos no que se denomina “vida” e no que se denomina “inteligência” as coisas se complicam. já ouvimos falar com muita freqüência em inteligência artificial. Assim. de inteligência. a) Inteligência artificial Não podemos dizer se uma máquina é ou não inteligente. além de possuir órgãos sensoriais e efetores apropriados. podemos associar com algum grau de inteligência. etc. Em vários artigos de revistas especializadas podemos encontrar matérias que mostram como a ciência pode imitar a vida. sons. redes neurais e outros recursos que. uma vez implementados em robôs ou outros mecanismos. dependendo de diversos fatores ou variáveis. braços. ou se o que vamos agregar a um circuito é ou não inteligência. Definir inteligência é algo bastante complexo. criando órgãos artificiais que se baseiam totalmente no comportamento dos órgãos vivos e que até podem ser usados na sua substituição. Esse será o assunto desta lição. aquilo que definimos como inteligência natural pode ser associado a três habilidades: • • • Aprender com a experiência.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba não serem sempre as mesmas. usando circuitos apropriados podemos dotar dispositivos mecatrônicos como robôs. se não soubermos definir exatamente o que é inteligência. Para entender como isso pode ser feito. podem dotá-los de um comportamento que. conforme definições mais usuais. os robôs também devem possuir algum grau de inteligência. Mecatrônica – Prof. Para fazer isso. tais como a capacidade de aprendizado. O teste de Turing é simples de entender: Se colocarmos uma pessoa para testar uma máquina presente num local distante de modo que elas se comuniquem sem que a pessoa saiba quem está do outro lado. o que fazemos é utilizar algum tipo de processador que possa ser programado com algoritmos inteligentes. ou seja. Por software. como “Eu. a máquina será considerada inteligente se nessa comunicação a pessoa não conseguir saber. conforme ilustra a figura 1. se tomarmos esses três itens nos deparamos com algumas dificuldades adicionais. existem duas formas de se implementar inteligência em uma máquina: por software e por hardware.º Willerson Moreira Ferraz 57 . principalmente os que tratam de robôs. etc. entre elas como definir o que são emoções. Veja a figura 2. 124 c) Inteligência por software Basicamente. Mecatrônica – Prof. exploram muito bem esse tema. b) O teste de turing Alan Turing foi quem primeiro imaginou um teste para saber se uma máquina é ou não dotada de inteligência. Os filmes de ficção científica. com certeza.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Obviamente. tomada de decisões. Robô” de Issac Asimov. se quem está do outro lado é uma máquina ou uma pessoa. que dotem a máquina a ser controlada por ele de atributos que caracterizam a inteligência artificial. FIGURA 1 – ELETRÔNICA PÁG. Se esse aprendizado melhora o comportamento da máquina ou não.º Willerson Moreira Ferraz 58 . independentemente de programação. Através dele. mesmo que tenha um simples sensor que atua sobre um mecanismo de mudança de direção já pode ser considerado um recurso inteligente. d) Inteligência por hardware Por outro lado. o robô ou veículo pode reagir diante de situações detectadas pelo sensor. modificar seu comportamento. Veja que esse fato nos leva a definir o “aprendizado” como a mudança de comportamento advinda de experiências prévias. pois depende do tipo de mecanismo que faz isso. Todavia. e muitos deles são de uso relativamente simples a exemplo daqueles com Lógica Difusa ou Lógica Fuzzy. podemos ser mais elásticos nas definições de inteligência artificial. mesmo que a um nível extremamente baixo. a inteligência por Hardware utiliza circuitos que podem aprender. Mecatrônica – Prof. quando tratamos de robótica e mecatrônica em um nível mais simples. mudando sua direção (o que não deixa de ser um comportamento inteligente). Assim sendo. além de rotinas que determinem de que modo a experiência adquirida com a recepção dos estímulos possa ser incorporada ao programa. qualquer tipo de circuito. com isso. definindo as reações futuras do mecanismo. Tais circuitos podem “se adaptar” ao tipo de estímulo enviado por sensores e. é algo que não podemos dizer.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Há diversos tipos de programas que podem ser utilizados com essa finalidade. Bastará então implementar no programa o tipo de reação que desejamos para uma máquina em função dos estímulos enviados por sensores ou por circuitos de comando. conforme ilustra a figura 3. de modo que ele seja mais facilmente disparado (ou não) em função de informação prévia retida pelo uso. teremos agregado um requisito muito importante para que a definição de inteligência seja válida: o aprendizado.º Willerson Moreira Ferraz 59 . É possível fazer tudo isso com circuitos simples? e) Exemplo prático elementar Na figura 4 temos um circuito muito simples com dois sensores que “aprende” e “esquece”. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA 3 – ELETRÔNICA PÁG. FIGURA 4 – ELETRÔNICA PÁG. 125 Mas se agregarmos diversos dispositivos sensores em um robô ou qualquer automatismo e os interligarmos de uma maneira que combine suas informações resultando em comportamentos complexos. 125 A idéia básica adotada nesse circuito é a de que o ponto onde o transistor conduz pode ser alterado. o que podemos chamar de “inteligência” se torna mais evidente. Mais ainda. retendo informações por um intervalo de tempo dependente apenas da qualidade do capacitor empregado. se o comportamento do circuito puder mudar com o tempo ou de acordo com estímulos enviados. 2 µF. É preciso carregar o capacitor pelo menos até a tensão de condução do transistor. o capacitor retém sua carga por algum tempo. O sensor X2 serve para fazer o circuito “esquecer” o que aprendeu. Quando a carga desliga. durante o qual a carga será acionada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Um capacitor retém essa informação sob a forma de uma carga. Isso significa que o pulso seguinte do sensor (para seu acionamento) pode ser mais curto. AGREGAR OUTROS EXEMPLOS PRÁTICOS Prática Configuração de controladores Projeto de Circuitos Inteligentes Mecatrônica – Prof. o capacitor ainda retém certa carga. de modo que para chegar ao limiar da condução acionando a carga. O circuito terá “aprendido” a responder ao estímulo. pois ele descarrega o capacitor. o capacitor se encontra completamente descarregado. ou seja. de maneira que o circuito funciona como segue abaixo: Quando é ligado pela primeira vez. se usarmos um capacitor de poliéster de boa qualidade entre 470 nF e 2.º Willerson Moreira Ferraz 60 . Quando o sensor é desligado. o circuito poderá reter as informações por intervalos de várias dezenas de minutos. o pulso do sensor X. Como a resistência de entrada de um MOSFET de potencia é extremamente elevada. precisa ser mais demorado. “memorizou” o acionamento anterior. O controle é feito através de comandos enviados aos atuadores e válvulas.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 5. que funcionam como os órgãos dos sentidos do ser humano. Elementos Finais de Controle (Apostila de Instrumentação) 5. 5. Através deles podemos “sentir” o efeito da grandeza física a ser medida ou controlada.º Willerson Moreira Ferraz 61 . uma unidade de controle pode atuar de modo a compensar as variações da grandeza física. Esses dispositivos podem ser comparados como nossas mãos.2 Atuadores Mecatrônica – Prof.1 Introdução A automação utiliza instrumentos para a medição de sinais importantes no controle de processos industriais. Depois da medição dos sinais. Os elementos principais desses instrumentos são os sensores. Podem ser eletromecânicos (solenóides) ou estáticos (semicondutores. Basicamente existem três tipos de atuadores: eletromecânicos. Solenóide – são dispositivos de saída que contém uma bobina e um elemento mecânico (induzido). Os relés podem ser temporizados ou não. FET’s. transistores.5 Outros Mecatrônica – Prof. etc. 5. TRIAC’s).2. ventiladores. O movimento gerado é de translação. aquecedores.1 Atuadores eletromecânicos Convertem energia elétrica em energia mecânica. A construção é parecida com a do relé.3 Válvulas 5.4 Resistências 5. Normalmente são utilizados para ligar motores. hidráulicos e pneumáticos. Isso pode ser feito pela transformação de qualquer tipo de energia em energia mecânica.º Willerson Moreira Ferraz 62 . 5. Relé – funcionam como chaves elétricas que são acionadas com uma corrente baixa de entrada. Podem ser proporcionais (movimento proporcional ao sinal de tensão) ou discretas (acionada ou não acionada).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Os atuadores são dispositivos de campo cuja função é prover energia mecânica ao sistema. Contatores – são dispositivos utilizados para controlar cargas com correntes maiores do que um relé suporta (maiores do que 10 A). F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 6. Motores Elétricos CA (Mecatrônica Industrial Pág. 17) 6.1 Principais conceitos Os motores elétricos de corrente alternada dividem-se em dois grandes grupos: motores síncronos e motores assíncronos. Motor síncrono – esse tipo de motor opera com velocidade fixa. Normalmente esses motores são empregados para grandes potências, ou quando se necessita de velocidade invariável. Motor de indução assíncrono (ou de gaiola) – esse tipo de motor é o mais utilizado no meio industrial. Com a evolução da tecnologia dos inversores de freqüência, ele veio a substituir em grande parte os motores de corrente contínua. O motor CC, além de ser mais caro, necessita de uma manutenção preventiva constante. A “poeira” grafitada das escovas devido ao desgaste da comutação, espalha-se pelos enrolamentos causando baixa isolação em relação à carcaça. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 63 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Para que o motor CC funcione bem, o processo sistemático de limpeza interna e a troca das escovas são fundamentais. Por outro lado o motor CA não apresenta esses inconvenientes, visto que não há comutação (nem escovas). A manutenção torna-se barata, e é realizada com menor freqüência. Alguns poucos tipos possuem escovas para o controle de partida, porém essa é uma técnica totalmente ultrapassada. A figura 1 mostra o desenho das partes elementares de um motor de indução trifásico: FIGURA 1 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. 17 Carcaça – é a estrutura que suporta todo o conjunto do motor (mancais, rotor, bobinas, etc.) Ela pode ser feita de ferro fundido, aço ou alumínio. Núcleo – o núcleo de aço magnético é responsável pela “amplificação” do campo magnético gerado pelas bobinas. Enrolamento – o enrolamento é o conjunto de bobinas que produz o campo magnético girante. A carcaça, o núcleo e o enrolamento, por não se moverem, recebem o nome de estator. O rotor é constituído pelo eixo (7), núcleo de chapas (8), e as barras e anéis de curto-circuito. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 64 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba As demais partes são: tampa (4), ventilador (5), tampa defletora (6), caixa de alimentação (9), terminais (10) e rolamentos (11). Cabe lembrar que esse modelo analisado é um modelo genérico. Podemos encontrar uma infinidade de outros tipos de motores nas indústrias. O princípio de funcionamento de um motor trifásico CA de indução baseia-se no “campo girante”. A figura 2 ilustra como o campo gira devido à defasagem de 120º da rede elétrica trifásica. A corrente que forma o campo girante é de magnetização (IM), essa corrente induz uma outra que surge no rotor, denominada rotórica (Ir). O rotor do motor de indução é do tipo “gaiola”, isto é, formada por barras condutoras ligadas em anéis. O rotor desse tipo de motor, portanto, é constituído por várias barras condutoras ligadas em paralelo. Alguns motores podem apresentar uma variação na construção do rotor. O servomotor é um exemplo. Utilizado para movimentar partes de máquinas automatizadas ou robôs, geralmente, o seu movimento deve ser rápido e preciso, porém, não necessita de muito torque. Nesse caso, o rotor desse dispositivo é feito de ímãs permanentes, que atribuem essas características. Esses motores também são chamados de brushelless. A diferença de velocidade entre o campo girante e o rotor é o que chamamos de “escorregamento”. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 65 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Logo: velocidade do campo girante – escorregamento = velocidade de operação. Quanto maior a carga, maior o escorregamento. Quanto menor a carga, mais próximo da velocidade do campo o rotor está (menor escorregamento). A velocidade de rotação de um motor de indução depende de duas grandezas: freqüência da alimentação e número de pólos. A fórmula da velocidade é: N = 120 F/P Onde: N = rotação, em rpm. F = freqüência da alimentação, em Hz. P = número de pólos por fase. Uma vez construído o motor, o número de pólos passa ser uma constante; por conseguinte, para variar sua velocidade de rotação deve-se variar sua freqüência de alimentação. O equipamento utilizado para essa função é o inversor de freqüência. Assim como a velocidade de rotação de um motor CA de indução é função da freqüência da tensão de alimentação, o torque é a função da corrente rotórica (Ir) e do fluxo do campo magnético (O). A fórmula abaixo demonstra o torque do motor CA C = Kt x O x Ir Onde: C = conjugado ou torque Kt = constante do motor O = fluxo do campo de magnetização Ir = corrente rotórica 6.2 Curva torque x velocidade Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 66 alimentado com tensão e freqüência constantes. A figura 3 indica os pontos do torque máximo e nominal de um motor de indução. via inversor de freqüência ou soft-start. máximo escorregamento. Pode-se dizer que a única desvantagem do motor de indução CA para o motor CC é o torque baixo em baixas rotações (rotação < 5 rpm) Como dissemos anteriormente.º Willerson Moreira Ferraz 67 .3 Partida de motores CA A partida de um motor CA pode ser dada. Mecatrônica – Prof. 6. provocando um pico de corrente na rede que dura até a inércia do rotor mais a carga a ser vencida. O torque máximo ocorre quando temos a diferença máxima de velocidade entre o campo girante e o rotor. o motor já parte com sua potência total. basicamente de três formas: diretamente conectado a rede.1 Partida diretamente ligado a rede A figura 5 apresenta o esquema genérico de um motor CA ligado diretamente na rede trifásica. isto é. Nesse caso. 6. essa desvantagem pode ser compensada através do acionamento do motor via inversor de freqüência (principalmente do tipo vetorial).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A curva torque x velocidade é aquela que mostra o comportamento do torque de um motor elétrico em relação a sua velocidade de rotação. através de comutação estrela – triângulo.3. um relé temporizado (pré-ajustado) comuta a ligação dos enrolamentos para triângulo. a corrente se estabiliza (caso a carga mecânica seja constante). Nessa situação o motor desenvolve toda a potência nominal. Vencida a inércia (do motor + a carga). o pico que seria grande. Na verdade. 19 A partir desse momento. Com essa técnica a tensão de partida fica reduzida. pois para a ligação em Y temos: Uf = Ul / raiz de 3 Onde: Uf – tensão de fase Ul – tensão de linha Por outro lado.º Willerson Moreira Ferraz 68 . fica dividido em dois picos menores (um para Y e outro para triângulo). A intenção desta técnica é diminuir o pico de corrente na partida. 6. liga e desliga o motor.2 Partida automática estrela (Y) – triângulo ( ) A partida estrela – triângulo executa (automaticamente) a ligação em Y dos enrolamentos internos do motor de indução CA. Note que sempre devemos ter duas proteções simultâneas: fusível (para corrente de curto circuito) e relé térmico (para sobrecorrentes) O comando K. para a ligação do triângulo (regime de funcionamento) a tensão de fase é igual à linha (Uf = Ul).3. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA 5 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. e com cargas de alta inércia.3. contamos com um equipamento intermediário e de custo bem menor: o soft-starter.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Obviamente esse tipo de ligação convém somente para motores de grande porte. Esse equipamento controla apenas a partida e a parada do motor. Utilizar um inversor de freqüência apenas para dar partida em um motor CA não é uma decisão econômica muito interessante (salvo raras exceções). 20 6. FIGURA 6 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. Para isso.3 Partida através de inversor de freqüência ou soft-starter (partida suave) Essa técnica de partida (e controle) é a mais moderna. As bobinas dos contatores não aparecem no esquema. O esquema da figura 6 exemplifica como isso pode ser feito. porém nem sempre há necessidade de controlarmos (ou variarmos) o motor em seu regime normal de funcionamento.º Willerson Moreira Ferraz 69 . e deve ser regulado para cada situação. Note que K1 é temporizado. onde podemos programar as rampas de aceleração de desaceleração. O esquema simplificado (e genérico) da instalação do soft-starter é mostrado na figura 7 Mecatrônica – Prof. º Willerson Moreira Ferraz 70 . 20 Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba FIGURA 7 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. se o motor B tender a girar mais rápido que o A. os acionamentos são utilizados nos mais diversos equipamentos. de modo a manter a correta tensão mecânica do papel. pois ele é o “elo” entre a etapa de controle e a motorização da máquina. Mecatrônica – Prof. 23) 7. o papel poderá se esticar a ponto de quebrar. o papel ficará com folga (criando uma “barriga”). utiliza-se um acionamento para cada motor. etc. O produto deve ser bobinado pelas várias etapas do seu processo fabril e. que a rotação e o sincronismo entre os dois motores elétricos devem ser extremamente precisos. nesse caso. elevadores.1 Introdução O inversor de freqüência é um dos mais “populares” dispositivos utilizados na automação industrial. O acionamento. pois caso o motor A “gire” mais rápido que o B. Por outro lado. Inversores de freqüência (Mecatrônica Industrial Pág. máquinas ferramenta. tais como guindastes. as bobinas devem manter o papel esticado. é utilizado para controlar a velocidade de rotação e torque do motor. Note pela figura 1. para isso. Imagine uma fábrica de papel.º Willerson Moreira Ferraz 71 . por exemplo. Assim como vimos o exemplo em uma “máquina de fazer papel”. Normalmente.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 7. Ausência de escovas comutadoras. Custo inferior. Conforme vemos na fórmula a seguir. Os inversores de freqüência foram desenvolvidos para trabalhar com motores AC. Quanto maior for a freqüência. Mecatrônica – Prof. Ausência de faiscamento. N = 120 F/P Onde: N = rotação. regular a velocidade de um motor elétrico mantendo seu torque (conjugado).2 Inversores de freqüência A função do inversor de freqüência é a mesma do conversor de CC. O motor AC tem uma série de vantagens sobre o DC:       Baixa manutenção. Baixo ruído elétrico. P = número de pólos por fase. 7. em rpm. a velocidade de rotação de um motor AC depende da freqüência da rede de alimentação. isto é.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Há duas famílias de acionamentos: acionamentos de corrente contínua (também chamados conversores CC) e acionamentos de corrente alternada (também chamados de inversores de freqüência).º Willerson Moreira Ferraz 72 . F = freqüência da alimentação. A diferença agora é o tipo de motor utilizado. maior será a rotação e vice versa. Velocidade de rotação superior Essas vantagens levaram a indústria a desenvolver um sistema capaz de controlar a potência (velocidade + torque) de um motor AC. em Hz. “liga e desliga” os transistores de modo a alternarem o sentido da corrente que circula pelo motor. Mecatrônica – Prof. O inversor de freqüência. constituída de seis transistores IGBTs e que. variamos na mesma proporção sua velocidade de rotação. e dois capacitores de filtro. através do chaveamento de transistores em um circuito trifásico. formando o que chamamos de “barramento DC”. Esse circuito forma uma fonte DC simétrica.º Willerson Moreira Ferraz 73 . portanto pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável. através de uma lógica de controle (terceira etapa). vamos fazer uma prévia em um circuito monofásico. A primeira etapa do circuito é formada por uma ponte retificadora (onda completa) trifásica. Antes de estudarmos como é possível transformar uma tensão DC em AC. O barramento DC alimenta a segunda etapa.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Assumindo que o número de pólos de um motor AC seja fixo (determinado na sua construção). pois há um ponto de terra como referência. porém dá uma idéia pela qual chamamos um acionamento CA de “inversor de freqüência”. ao variarmos a freqüência de alimentação. Temos então uma tensão contínua + V/2 (positiva) e uma –V/2 (negativa) em relação ao terra. Claro que isso é uma aproximação grosseira. A figura 3 ilustra um diagrama simplificado dos principais blocos. Os circuitos internos de um inversor são bem diferentes de um acionamento CC. a corrente circula no sentido de B para A. que gera uma tensão DC fixa (barramento DC) e que alimenta 4 transistores IGBTs. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 74 . Nesse caso. e notem que a estrutura de um inversor trifásico é praticamente igual ao nosso modelo monofásico. Segundo tempo – transistores T1 e T4 desligados. Imaginem agora que o circuito da lógica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem: Primeiro tempo – transistores T1 e T4 ligados e T3 e T2 desligados. a corrente circula no sentido de A para B (figura 5).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Observem a figura 4. Nesse caso. A primeira etapa é o módulo de retificação e filtragem. e T3 e T2 ligados. Caso aumentemos a freqüência de chaveamento desses transistores. e devemos ligá-los 3 a 3. a forma de onda da tensão de saída do inversor de freqüência é sempre quadrada. temos 8 combinações possíveis. pois em um inversor é assim que eles funcionam. façamos outra analogia de funcionamento tomando como base ainda o inversor trifásico da figura 3.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Ao inverter-se o sentido de corrente. A lógica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBTs.º Willerson Moreira Ferraz 75 . e vice-versa. também aumentaremos a velocidade de rotação do motor. de modo a formar uma tensão de saída (embora quadrada) alternada e defasada de 120º uma da outra. portanto. A maioria dos inversores são trifásicos. Raramente encontramos aplicações monofásicas nas indústrias. conforme veremos a seguir. a tensão na carga (motor) passa a ser alternada. Como temos 6 transistores. Na figura 7 representamos os IGBTs como chaves. porém apenas 6 serão válidas. Como os transistores operam como chaves (corte ou saturação). Mecatrônica – Prof. mesmo estando conectada a uma fonte DC. T1 T2 As possibilidades T1. O barramento DC possui uma referência central (terra). No 1º tempo temos T1. Para esse primeiro tempo de chaveamento. T5 e T4.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A lógica de controle proporcionará as seguintes combinações de pulsos para ativar (ligar) os IGBTs: 1º tempo – T1. T2 e T3 ligados. Não havendo diferença de potencial. Vamos analisar uma das condições e as restantes serão análogas. Vst e Vtr devem estar defasadas de 120º. portanto temos +V/2 e –V/2 como tensão DC. portanto essa é uma condição proibida para o inversor. Para que o motor AC possa funcionar bem. T5. T2 não são válidas. T2. T4 3º tempo – T3. não há energia para movimentar o motor. T6. pois ligam todas as fases do motor no mesmo potencial. teremos: Vrs = +V/2 – V/2 = 0 Vst = +V/2 – (-V/2) = +V Vtr = -V/2 – V/2 = -V Mecatrônica – Prof. T3. O fato da forma de onda ser quadrada e não senoidal (como a rede) não compromete o bom funcionamento do motor.º Willerson Moreira Ferraz 76 . as tensões de linha Vrs. T4. T3 2º tempos – T2. T3. T6 5º tempo – T5.T6. e os restantes desligados. T1 6º tempo . T5 4º tempo – T4. T6. quando falamos em Vrs. por exemplo. 26 7. a faixa de variação de freqüência dos inversores fica entre 5 e 300 Hz (aproximadamente). FIGURA 8 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. Caso façamos as seis condições (tempos) que a lógica de controle estabelece aos IGBTs. Note que as três fases estão defasadas de 120º elétricos. Mecatrônica – Prof. conforme mostra a figura 8.º Willerson Moreira Ferraz 77 . Normalmente.3 Curva V/F Como vimos anteriormente. “Traduzindo” essa tabela em um diagrama de tempos. exatamente como a rede elétrica trifásica. e daí por diante. Analogamente: Vst = +V/2 – (-V/2) = +V. significa a diferença de potencial entre R (no caso como T1 está ligado é igual a +V/2) e S (+ V/2 também). se variarmos a freqüência da tensão de saída do inversor. teremos as três formas de onda de tensão. teremos a seguinte distribuição de tensões nas 3 fases do motor.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Notem que. alteramos na mesma proporção à velocidade de rotação do motor. Agora a tensão passa a ser 360V. e sua curva V/f está parametrizada em 6. Quando introduzimos a ferramenta de corte. Acompanhe a curva mostrada na figura 9. entretanto. para que a razão se mantenha. e a razão V/f mantém-se em 6. que deve manter a rotação constante. 26 O valor de V/f pode ser programado (parametrizado) em um inversor. a peça pode apresentar um mau acabamento de usinagem. por sua vez. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação. F = 60 Hz. Caso a rotação se altere. Automaticamente. não é apenas controlar a velocidade de um motor AC. Imaginem um inversor controlando a velocidade de rotação de uma placa (parte da máquina onde a peça a ser usinada é fixada) de um torno.º Willerson Moreira Ferraz 78 . por exemplo: F = 50 Hz V = 300V V/f = 6 Situação 1 – o inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor. ele alimenta o motor com 300V. Isto é. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A função do inversor de freqüência. Um exemplo clássico desse problema é a máquina operatriz. caso haja mudança de freqüência. quando o motor estiver com carga. ele deve mudar (na mesma proporção) a tensão. e dependerá da aplicação. uma carga mecânica é imposta ao motor. FIGURA 9 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. o inversor deve manter a razão V/F constante. Para que esse torque realmente fique constante. V = 360 V V/f = 6 Situação 2 – o inversor recebeu uma nova instrução para mudar de 50 Hz para 60 Hz. Mas. FIGURA 109 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. pois assim diminuímos as interferências eletromagnéticas geradas pelo sistema (EMI). através da modulação por largura de pulso (PWM). porém não atinge velocidade muito alta atribuímos a ele o maior V/f que o equipamento puder fornecer. se ela é fixada no barramento DC através da retificação e filtragem da própria rede? O inversor altera a tensão V. como o inversor poderá mudar a tensão V. os pulsos são “estreitados”. além de distribuir os pulsos aos IGBTs do modo já estudado. Observe na figura 10 um conjunto de cinco inversores de freqüência para centro de usinagem.  Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da rede elétrica trifásica. encontraremos o melhor rendimento para essa outra situação.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Quando o inversor necessita de um grande torque.º Willerson Moreira Ferraz 79 .4 Os “Dez mandamentos” da instalação do inversor de freqüência. O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5 Ohm. e alto torque. Quando V tem que aumentar os pulsos são “alargados” (maior tempo em ON). e desse modo ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades. e isso pode ser facilmente comprovado com um terrômetro. a tensão eficaz entregue ao motor poderá ser controlada. também controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho). devemos deixá-la próxima do limite inferior. parametrizamos um V/f menor.5 KHz e 16 KHz. e geralmente encontra-se entre 2.   O aterramento elétrico deve estar bem conectado. A freqüência de PWM também poderá ser parametrizada. 26 DEIXEI DE COLOCAR O TÓPICO “O INVERSOR POR DENTRO” 7. oriunda do barramento DC. antes da instalação. tanto ao inversor como ao motor. Na medida do possível. A unidade lógica. com a saída trifásica para o motor. Dessa forma. Já no caso em que o inversor deve operar com altas rotações e com torques não tão altos. e quando V tem que diminuir. Mecatrônica – Prof. º Willerson Moreira Ferraz 80 . PC. e diodos para bobinas DC).). Basta dizer que. para um equipamento atender o mercado europeu. ou RS 485) para o PC. mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor. É preciso “informar” a ele em que condições de trabalho irá operar. Mecatrônica – Prof. 7. não basta instala-lo corretamente.  O inversor deve estar alojado próximo a “orifícios” de ventilação. muitos inversores utilizam o próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. um grande gerador de EMI (interferências eletromagnéticas) e. Uma fixação pobre. ou. poderemos prejudicar toda a máquina (ou sistema) ao seu redor. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor.  Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao painel. e sua cor é amarelo e verde (ou apenas verde).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba  Caso o inversor possua uma interface de comunicação (RS 232. deve estar submetido a uma ventilação (ou exaustão). etc. digitais. O inversor de freqüência é. causará um aquecimento excessivo (e possivelmente sua queima). a certificação CE (comunidade européia). jamais ultrapassar variações de +/. Essas precauções não visam apenas melhorar o funcionamento do inversor. Os equipamentos de controle (PLC. exige que a emissão eletromagnética chegue níveis baixíssimos (norma IEC 22G – WG4 (CV) 21). caso não o instalarmos de acordo com as orientações acima. que funcionarem em conjunto com o inversor. nesse caso. o tamanho do cabo deve ser o menor possível.  A rede elétrica deve ser confiável.10% em sua amplitude. Além disso. RS 232.  Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor. misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta) cabos de potência (rede elétrica ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais analógicos.5 Parametrização Para que o inversor funcione a contento. utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para bobinas AC.). Normalmente esse terminal vem indicado pela referência “PE” (proteção elétrica). utilizar os cabos de comando devidamente blindados. isto é.   Sempre que possível.  Devemos evitar ao máximo. Alguns inversores já possuem um pequeno exaustor interno. etc. Isso evitará vibrações mecânicas. caso a potência seja muito alta. CNC. devem possuir o “terra” em comum. infelizmente. guindastes. que o número de parâmetros ultrapassa a marca dos 900! A seguir faremos uma prévia dos principais parâmetros configuráveis: Tensão nominal do motor – esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais e serve para informar ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar. etc. Isso ocorre. estando ele parado. Mas. O usuário iniciante pode pensar: “Quanto mais rápido melhor”. tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. e o limite de corrente do inversor. Freqüência mínima de saída – esse parâmetro determina a velocidade mínima do motor Freqüência de JOG – a tecla JOG é um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. será muito alto. pois o pico de corrente. Por exemplo: encaixar o papel em uma bobinadeira. Freqüência máxima de saída – esse parâmetro determina a velocidade máxima do motor. 29 Mecatrônica – Prof. Existem inversores com tal nível de sofisticação.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece. esse parâmetro deve respeitar a massa da carga. Isso facilita o posicionamento de peças antes da máquina funcionar em seu regime normal. Tempo de partida (rampa de subida) – esse parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue a velocidade programada. necessário para vencer a inércia do motor.). caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas (Ex: placas de tornos com peças grandes. (figura 14) FIGURA 14 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. uma partida muito rápida poderá “desarmar” disjuntores de proteção do sistema. Portanto.º Willerson Moreira Ferraz 81 . antes de o papel ser bobinado efetivamente. a entrada significativa pode ser configurada como analógica (0 – 10 VCC) ou digital. Normalmente esse recurso é utilizado para cargas mecânicas pequenas (leves). deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada (figura 15). como a anterior. Tipo de entrada . Mecatrônica – Prof. como se uma trava mecânica atuasse em seu eixo. FIGURA 15 – MECATRÔNICA INDUSTRIAL PÁG. a parada do motor obedecerá a rampa pré-programada. o rotor pára imediatamente (estanca). (Ex: eixos das máquinas – ferramenta). o motor terá sua parada através da “injeção” de corrente contínua em seus enrolamentos. Caso esteja em Parada por CC. Esse parâmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. e que necessitam de resposta rápida.em alguns inversores a frenagem pode ser:   Parada por rampa Parada por CC Nesses inversores.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Tempo de parada (rampa de descida) – O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor.º Willerson Moreira Ferraz 82 . Em um motor AC. Essa facilidade pode ser parametrizada e. 30 Tipo de frenagem . quando submetemos seus enrolamentos a uma tensão CC. Portanto. caso o tipo de frenagem esteja em Parada por Rampa. o projetista de máquinas deve pensar muito bem se é assim mesmo que ele deseja que a parada ocorra. e os inversores (normalmente) possuem um fator de potência igual a 0. a velocidade será proporcional à tensão analógica de entrada. Só empregamos o tipo vetorial em duas ocasiões: • Extrema precisão de rotação.º Willerson Moreira Ferraz 83 . vamos responder esta pergunta em três etapas: 7.45 Tensão de entrada = 380 VCA Corrente nominal = 2. cós FI = 0. temos de saber qual o motor (e qual carga) ele acionará. teremos: I = corrente do inversor I = Potencia em watts / Tensão da rede x cós FI I = 746 / 380 x 0. a potência dos motores é dada em CV ou HP. e potência do meu inversor para minha aplicação? Bem.2 Tipo de inversor A maioria dos inversores utilizados é do tipo escalar. Normalmente.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Caso esteja configurado em analógico.1 Potencia do inversor Para calcularmos a potência do inversor. e o resto é fácil.6.6 Dimensionamento Como posso saber: qual é o modelo. e o sinal analógico não mais influenciará.5 A 7. Mecatrônica – Prof. Basta fazermos a conversão para Watts. tipo. A entrada digital será ignorada. como a rede elétrica é de 380 VCA.6. Caso o parâmetro esteja configurado como digital.8. Vamos dar um exemplo prático: Rede elétrica = 380 VCA Motor = 1 HP Aplicação = exaustor industrial Cálculos: 1 HP = 746 W Portanto. 7.8.8 = 2. a velocidade será controlada por um sinal digital (na entrada digital). ). Como no nosso caso trata-se de um exaustor.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba • Torque elevado para rotação baixa ou zero (exemplo guindastes. Weg. um escalar é suficiente. SEW. A figura 16 mostra um exemplo típico. na mesma proporção. Notem que quando temos uma freqüência de 1. deverá manter constante a curva V/F (tensão / freqüência).6. para que o torque na carga se mantenha constante. o inversor escalar deve variar. INSERIR FIGURA 16 (MECATRONICA PAG 31) Mecatrônica – Prof. a tensão de alimentação. ou procurarmos um que atenda (no nosso exemplo) as seguintes características mínimas: Tensão de entrada – 380VCA Corrente nominal – 2. o inversor escalar. etc. elevadores.7 Inversor vetorial Conforme já visto. GE. Quanto ao fabricante. Ao variar-se a freqüência de alimentação de um motor.5 A Tipo – escalar Todas as demais funções são opcionais. pontes rolantes.5 Hz. os mais encontrados na indústria são: Siemens.º Willerson Moreira Ferraz 84 . basta consultarmos os catálogos dos fabricantes. o valor da tensão é 6V. 7. 7.3 Modelo e fabricante Para escolher um modelo. o que. O inversor vetorial.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Neste caso. temos a curva V/F igual a 6/1. Caso a curva V/F não se mantenha constante. O inversor vetorial não tem uma curva V/F pré-estabelecida (parametrizada). Na verdade. provavelmente. isso causa uma pequena queda de torque. o motor funcionará com “sobressaltos” de potencia. Quando mudamos para uma freqüência de 60 Hz (nominal do motor) a tensão passa a ser 240V. O torque é função da corrente de alimentação.5 = 4. A curva V/F pode ser parametrizada no inversor escalar. essa curva varia de acordo com a solicitação do torque. o que mantém constante a razão V/F. possui circuitos que variam a tensão e freqüência do motor. A partir daí a curva não se manterá mais constante. o que não ocorre no vetorial.º Willerson Moreira Ferraz 85 . Mecatrônica – Prof. 31) Podemos notar pela figura 18 a diferença significativa na curva do Torque x RPM dos dois tipos de inversores. Vide figura 17 INSERIR FIGURA 17 (MECATRONICA PÁG. o torque também cai. através do controle da corrente de magnetização (Im) e da corrente do rotor (Ir). e como temos que abaixa-la (devido a redução da tensão) proporcionalmente a freqüência. Notem que o escalar permite a queda de velocidade para dar inicio ao aumento do torque. e o seu valor ideal depende da aplicação. portanto. Fica obvio por essa curva que o inversor escalar não pode oferecer altos torques em baixa rotação. causará problemas na carga acionada. Mecatrônica – Prof. Podemos perceber claramente que. VERIFICAR SE DEVO COLOCAR O COMPLEMENTO DO LIVRO. a figura 19 ilustra a diferença na resposta dinâmica. 31) Ainda falando de performance.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 18 (MECATRONICA PÁG. o inversor escalar demora um tempo muito maior para encontrar o ponto estável de trabalho.º Willerson Moreira Ferraz 86 . 31) INSERIR FIGURA 19 (MECATRONICA PÁG. quando a carga muda a solicitação de torque rapidamente. como também são chamados) têm seu funcionamento baseado no efeito magnético da corrente elétrica. automatismos e diversos tipos de dispositivos de mecatrônica. 23) Os motores de corrente contínua comuns consistem na forma mais utilizada de se converter energia elétrica em energia mecânica. que está presa a um eixo giratório. Entre os pólos de um ímã em forma de ferradura colocamos uma bobina retangular. Os terminais desta bobina podem ser alimentados por um circuito externo a partir de um sistema comutador simples formado por anéis condutores e laminas.º Willerson Moreira Ferraz 87 . vamos partir de sua estrutura simplificada que é mostrada na figura 1. Para entender o principio de funcionamento deste tipo de motor. ou seja.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 8. Mecatrônica – Prof. Os motores DC (Direct Current. sendo por esse motivo amplamente empregados como principal meio de propulsão das partes móveis de robôs. Motores de corrente contínua (Eletrônica Básica Pág. denominadas escovas. no campo magnético que aparece em torno de um condutor percorrido por uma corrente elétrica. e novamente os contatos comutadores. alimentando o circuito. os contatos trocam de posição e ocorre a inversão do sentido de circulação da corrente. conforme se observa na figura 2 (b). entram em ação invertendo outra vez o sentido de circulação da corrente. pois nesse instante. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 88 . Neste movimento. a corrente circula como na figura 2 (a). aparecendo nova força repulsora. INSERIR FIGURA 1 (ELETRONICA PÁG. convertendo assim a energia elétrica que lhe é aplicada à bobina em energia mecânica. tentando encontrar a sua posição de equilíbrio. Mais meia volta. quando então a bobina tenderia alcançar a sua posição de equilíbrio. Ao circular. por mais que a bobina gire. de tal forma que ela tende a girar no sentido indicado na mesma figura até atingir um ponto em que as linhas de seu campo se alinhem as do campo do ímã.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Vamos partir agora da situação inicial em que os contatos estão na posição tais que. 24) O movimento continua até que a bobina dê meia volta. Fica evidente que. isso nunca vai acontecer. ela pode transferir para um meio exterior uma força. e com isso o movimento continua. pois a ação dos contatos inverte constante a corrente mudando o campo magnético produzido. estando a bobina acoplada a um eixo. a corrente elétrica produz um campo magnético que interagem com o campo do ímã de modo a haver uma repulsão. ela sofre uma nova ação das linhas do campo que é invertido. O resultado é que agora em lugar da bobina encontrar sua posição de equilíbrio. Lembramos que a grafite é excelente para este tipo de aplicação. a exemplo dos encontrados em muitas aplicações práticas como brinquedos. Nestes motores. invertemos o sentido de circulação da corrente. pequenos robôs. toca fitas. INSERIR FIGURA 3 (ELETRONICA PÁG. pois trata-se de um material que além de bom condutor elétrico e de calor.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 2 (ELETRONICA PÁG. automatismos e muitos outros. 24) Na figura 3 temos uma vista em corte de um motor de corrente contínua miniatura. cd player. os imãs são feitos com materiais especiais de alta capacidade de retenção da magnetização e os contatos são construídos ou com lâminas de metal ou com pedaços de grafite. Mecatrônica – Prof. caixas de redução. 24) Observe que. tem um coeficiente de atrito bastante baixo.º Willerson Moreira Ferraz 89 . Isso significa que o sentido de rotação do motor dependerá do sentido de circulação da corrente pelas bobinas. a bobina tenderá a se mover no sentido contrário ao explicado para encontrar o ponto de equilíbrio. toca discos. são encontrados em aplicações industriais. isso não significa que eles só devam ser empregados exatamente com esta tensão alimentação. Isso significa que os motores podem ser encontrados em diversos tamanhos. Os pequenos motores de corrente contínua devem.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Os pequenos motores encontrados nas aplicações práticas têm as bobinas dimensionadas de acordo com a corrente que devem operar e.º Willerson Moreira Ferraz 90 . Nas aplicações de mecatrônica podemos encontrar uma enorme variedade de motores para aplicações práticas. portanto com a potência do motor. mas que também podemos usá-lo com tensões menores quando desejamos reduzir sua velocidade ou sua potência. quando dizemos que um motor DC está especificado para operar em 6V. Para saber qual devemos usar. isso representa que o motor vai operar com suas condições de máxima potência e velocidade quando for alimentado com esta tensão.5 a 48 V. Na prática. como os tipos sem escovas.1 Características dos motores DC A espessura do fio usado no enrolamento do motor e também o número de espiras (que vai determinar a resistência total do enrolamento) estabelecem suas principais características elétricas. INSERIR FIGURA 4 (ELETRONICA PÁG. veja exemplo na figura 4. será preciso entender um pouco de suas características elétricas e mecânicas. serem analisados de acordo com as seguintes características: a) Tensão de operação Os pequenos motores DC que podemos usar em projetos de Mecatrônica são especificados para operar com tensões que vão de 1. Mecatrônica – Prof. então. observe o gráfico da figura 5. Na realidade. 24) 8. Variações desses motores. Um motor “rodando” em aberto. INSERIR FIGURA 5 (ELETRONICA PÁG.º Willerson Moreira Ferraz 91 . exige muito pouca corrente. Essa corrente vai aumentando à medida que o carregamos. Mecatrônica – Prof. Pode-se. o motor também gera mais calor e isso pode fazer com que ele se danifique (queime). quando isso ocorre. conforme ilustra o gráfico da figura 6. isto é. ou seja. alimentar um motor com uma tensão até 50% maior que a nominal. por exemplo. a rotação do motor também cai conforme se vê no mesmo gráfico. a corrente na bobina. Neste processo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba O que não se recomenda é a sua utilização com tensão muito maior que a nominal durante muito tempo. 26) b) Corrente de operação A corrente de operação de um motor. para vencer a inércia. e tirar um dispositivo do repouso. sem carga alguma. Normalmente. Rodando com uma tensão maior. será determinada somente pela sua resistência ôhmica e terá o máximo valor (curto circuito). até o momento em que ele pára. por pequenos intervalos de tempo. toda a energia elétrica aplicada ao motor converte-se em calor e ele pode queimar-se. quando o alimentamos com uma determinada tensão vai depender do esforço ou força que ele esteja fazendo naquele momento. mas não mais que isso. o obrigamos a fazer mais força. º Willerson Moreira Ferraz 92 . estando parados. corrente e tensão é muito importante para se dimensionar os circuitos de controle. exigem um pico de corrente por uma fração de segundos.5 A. quando um pequeno motor aciona uma carga. observe a figura 7. Assim. portanto. podemos dizer que este motor estará rodando com uma potência de 3 / 746 HP ou 1/245 HP. 26) Devemos. ou seja. a potência elétrica que está sendo drenada da fonte é de 3W. como os usados em projetos de robótica e mecatrônica. A força que o motor faz não depende apenas da potência. Os pequenos motores usados nos projetos de mecatrônica têm essa ordem de potência. garantir que o motor rode em um regime em que se tenha uma corrente que não ultrapasse o máximo especificado pelo fabricante.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 6 (ELETRONICA PÁG. Os transistores que vão controlar o motor devem ser capazes de conduzir a sua corrente em regime máximo. Para pequenos motores de corrente contínua. sendo alimentado por uma tensão de 6V e drena uma corrente de 0. Mecatrônica – Prof. Considerando que 1 HP corresponde a 746 W. Para o projetista de mecatrônica também é importante saber qual é a força que este motor pode exercer de modo a movimentar um mecanismo. quanto maior for a corrente. mas do lugar em que ela é aplicada a partir do ponto central do eixo. a corrente pode variar em regime normal de operação entre 50 mA e mais de 3A. maior será a potência do motor. quando então. a corrente que exigem para partir. c) Potência (torque) A força que um motor pode fazer é determinada entre o produto (tensão x corrente) que nos dá a potência em Watts (W). Conhecer a potência elétrica do motor. É obvio que. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 7 (ELETRONICA PÁG. 27) Assim. veja na figura 8. 27) Quando dizemos que um pequeno motor possui um torque de 10 N x cm. INSERIR FIGURA 8 (ELETRONICA PÁG. significa que a uma distância de 1 cm do centro do eixo ele pode exercer uma força de 10 N. que consiste no produto força x distância. Esta outra grandeza é o torque. Mecatrônica – Prof. atente para a figura 9.º Willerson Moreira Ferraz 93 . observando que normalmente este eixo vai ser usado justamente para acionar outros mecanismos. melhor do que falar na força é considerar outra grandeza que independe da distância do centro do eixo. ao nos referirmos à corrente.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 9 (ELETRONICA PÁG. quando o motor está com o eixo livre. a velocidade com que o motor gira (que é medida em RPM) depende da corrente e. então.º Willerson Moreira Ferraz . 28) Os fabricantes costumam especificar a velocidade de seus motores para uma determinada carga. Em aberto. então. d) Velocidade Conforme já explicamos. que está mesma especificação de um torque também é válida para o caso em que o motor aciona uma caixa de redução. 94 Mecatrônica – Prof. Percebemos. isto é. 27) Este mesmo motor só vai conseguir produzir uma força de 2 N se uma polia de 5 cm de diâmetro for acoplada diretamente ao seu eixo. INSERIR FIGURA 10 (ELETRONICA PÁG. sua velocidade pode chegar a milhares de rotações por minuto e caindo. portanto da carga ou esforço que ele está exercendo. à medida que ele vai tendo de exercer maior esforço conforme ilustrado à figura 10. Um desses é mostrado na figura 11 e consiste em um par de pesos móveis que “abrem” ou se afastam do centro do eixo de modo a aumentar a carga por um efeito centrífugo. veremos algumas das configurações mais comuns que não fazem uso de componentes eletrônicos sofisticados e se destinam mais ao controle manual ou por meio de relés. Em alguns motores. como os usados em certos dispositivos cuja carga é variável e precisam manter uma velocidade constante. A seguir. ao mesmo tempo. a velocidade não cai a um valor que o torne inaplicável e.2 Circuitos de controle simples Os controles para os motores de corrente contínua podem ser bastante simples. o que se faz com motores comuns é usar controles eletrônicos para manter a velocidade. INSERIR FIGURA 11 (ELETRONICA PÁG. atuando basicamente sobre o sentido de rotação e velocidade. existem recursos mecânicos para estabilizar a velocidade.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba De qualquer forma. Na prática. quando a velocidade aumenta. 29) O efeito do peso mais a ação das molas fazem com que o motor mantenha a velocidade numa faixa bastante estreita. o leitor deve verificar em um projeto se: para exercer o esforço que ele necessita para uma aplicação. mas isso será estudado oportunamente. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 95 . se a dissipação de calor não sobe a um nível que coloque em risco sua integridade. 8. 29) Uma opção importante para os projetos.2. Mecatrônica – Prof. e que permite o controle de motores de até aproximadamente 500 mA. a forma mais simples de se controlar um motor é com uma chave liga-desliga ou interruptor comum. INSERIR FIGURA l3 (ELETRONICA PÁG. veja a figura l4.º Willerson Moreira Ferraz 96 . O circuito é exibido na figura 12. Na figura l3 mostramos como usar os contatos de um relé para o mesmo controle e como fazer um interruptor com duas lâminas de metal. é a que faz uso dos interruptores de lâminas ou reed-switches. na parte prática do tópico anterior. INSERIR FIGURA 12 (ELETRONICA PÁG. ou ainda por sensores de alta corrente. 29) O interruptor pode ser substituído pelos contatos de um relé.1 Circuito simples de controle – interruptores comuns e de lâminas De acordo com o que foi visto.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 8. Sob a ação do campo magnético de um ímã ou ainda de uma bobina. um reed-switch é acionado fazendo a parada do motor e o acionamento de um timer que o mantém parado por alguns segundos. Na figura 15 damos um exemplo em que um ímã é acoplado a um elevador e. O gás inerte é justificado para não haver a queima dos contatos com o faiscamento que. ao passar diante de cada andar. pode ser controlado. as lâminas estão afastadas uma da outra e não há passagem da corrente. Em condições normais. ocorre quando eles são ligados e desligados. Quando isso acontece.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA l4 (ELETRONICA PÁG. à medida que ele sobe ou desce. Mecatrônica – Prof. 29) Um interruptor de lâminas é formado por duas lâminas flexíveis de materiais ferromagnéticos dentro de um bulbo de vidro cheio de um gás inerte. por exemplo. as lâminas se magnetizam e se atraem encostando uma na outra. o circuito é fechado e um motor. Reed-switches podem ser usados como eficientes sensores de posição ou chaves de fim de curso em aplicações relacionadas com a Robótica e a Mecatrônica. normalmente.º Willerson Moreira Ferraz 97 . usamos os reed-switch para acionar o relé ou um circuito eletrônico com um transistor (ou outro dispositivo semicondutor de potência). o circuito está aberto. que tem sua aparência exibida na figura 16. o circuito é fechado. entretanto. Mecatrônica – Prof. Um outro tipo de interruptor que deve ser conhecido por aqueles que praticam a mecatrônica é o “interruptor de mercúrio”. Devemos observar.º Willerson Moreira Ferraz 98 . pois em pouco tempo o interruptor teria seus contatos danificados.2.2 Chaves especiais Dois tipos de chaves manuais podem ser úteis no controle de motores em um projeto de mecatrônica: a chave HH e a chave rotativa de N pólos x N posições de que trataremos agora. quando o interruptor está inclinado de modo que a gota fique do lado oposto ao dos contatos. 30) O que temos um bulbo de vidro no interior do qual existe uma gota de mercúrio e dois contatos elétricos. tanto pela toxidade do mercúrio como pela dificuldade em se obter este tipo de sensor. por exemplo. 8. Podemos usar este tipo de interruptor como um excelente sensor de inclinação atuando sobre dispositivos de equilíbrio. ele não é muito usado. Na prática. 30) Em um robô móvel podemos usar ímãs e reed-switchs como sensores de posição bastante eficientes. INSERIR FIGURA 16 (ELETRONICA PÁG. O mercúrio é condutor de eletricidade. Assim. Quando precisamos de maior corrente do circuito de controle.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 15 (ELETRONICA PÁG. quando ele detectar que um robô está tombando. Não é possível controlar diretamente um motor de mais de 500 mA. Quando o interruptor é inclinado ao contrário e a gota corre envolvendo os contatos. que os reed-switchs ou interruptores de lâminas são dispositivos que podem controlar apenas correntes fracas. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A chave HH ou chave reversível de 2 pólos x 2 posições tem a aparência e símbolo mostrados na figura 17. podemos ter algo diferente em termos de controle para dois motores conforme ilustra a figura 19. A chave HH tem uma gama enorme de utilidades em robótica e o que vamos comentar sobre ela se aplica aos relés com contatos reversíveis que podem ser usados na mesma função.2. conforme veremos adiante. observe a figura 18. por exemplo.3 Inversão de polaridade Uma primeira aplicação da chave HH é na inversão da polaridade: ou de uma fonte de alimentação ou de uma carga. INSERIR FIGURA 18 (ELETRONICA PÁG. INSERIR FIGURA 17 (ELETRONICA PÁG.º Willerson Moreira Ferraz 99 . 31) Se a carga for um motor. 8. conforme exibido na mesma figura é possível usa-la para inverter o sentido de rotação. 31) Com a chave na posição (A) os dois pólos centrais são conectados aos pólos correspondentes do lado esquerdo e. Mecatrônica – Prof. Associando a chave a dois diodos. com a chave na posição (B) são ligados aos pólos correspondentes do lado direito. mudando sua conexão de série para paralelo. Desta forma.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba INSERIR FIGURA 19 (ELETRONICA PÁG. Desta forma. D2 conduz e o motor acionado é M2. Quando a chave é passada para a posição B.4 Ligação série / paralelo Outra aplicação para a chave HH é na comutação de uma fonte ou carga.º Willerson Moreira Ferraz 100 .2. o diodo D1 fica polarizado no sentido inverso enquanto que D2 fica polarizado no sentido direto. apenas D1 conduz e o motor acionado é M1. Quando a chave HH está na posição (A). 8. 32) Neste circuito temos um controle seletivo para dois motores de corrente contínua usando como ligação entre eles apenas dois fios. 32) Mecatrônica – Prof. INSERIR FIGURA 20 (ELETRONICA PÁG. a corrente polariza o diodo D 1 no sentido direto e D2 no sentido inverso. veja na figura 20. os enrolamentos são ligados em paralelo (e em fase). as baterias estão ligadas em série e temos na saída uma tensão de 6V. Ligando as tomadas a diversos pontos de um conjunto de pilhas é possível selecionar a tensão de saída. Quando empregado na rede de 110V. Quando mudamos a chave para a posição (B). O que está chave faz. temos um transformador com dois enrolamentos primários e que pode ser usado tanto na rede de 110V quanto de 220V. com maior capacidade de fornecimento de corrente. enquanto que quando usados na rede de 220V.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Neste circuito. Uma aplicação importante desta chave na conexão série / paralelo na figura 21. INSERIR FIGURA 21 (ELETRONICA PÁG. Vamos analisar seu princípio de funcionamento pelas posições da chave: Mecatrônica – Prof. as baterias são ligadas em paralelo e a tensão na saída será de 3V. são ligados em série (e em fase). Na figura 23 damos um exemplo. O próximo tipo de chave que veremos é a de n pólos x n posições. Neste circuito usamos a chave para selecionar as tensões de uma bateria. Neste circuito. quando a chave está na posição (A). As aplicações em mecatrônica de uma chave como esta são muitas. Uma aplicação muito interessante de uma chave de 1 pólo x 4 posições em um dispositivo de mecatrônica é vista na figura 24. A comutação 110V x 220V pode ser feita com uma chave HH conforme visto acima. 33) Neste caso.º Willerson Moreira Ferraz 101 . usando apenas dois fios conseguimos ter o controle completo de dois motores a partir de uma alimentação de corrente alternada. é selecionar um dos 4 pólos ligando-o ao pólo comum. Começamos pela chave rotativa de 1 pólo x 4 posições que tem símbolo e aspecto mostrados na figura 22. Posição (c) . Desta forma. Posição (b) . por exemplo) de pontos diferentes de um circuito.5 Interruptor Paralelo Um tipo de chave comutadora que encontra aplicações em controles simples para motores e outras cargas e o chamado interruptor paralelo ou interruptor de luz de corredor. Isso pode ser compensado com um aumento da tensão do secundário do transformador.O diodo D-| deixa passar somente os semiciclos positivos polarizando. independentemente. Esse aumento deve ser feito de tal forma que a tensão media (rms) não ultrapasse a tensão nominal do motor.º Willerson Moreira Ferraz 102 .O diodo D2 deixa passar somente os semiciclos negativos. os dois estão parados.E aplicada tensão alternada no circuito de modo que D3 e D4 conduzem os semiciclos correspondentes e os dois motores são acionados. apenas o motor M1 recebe alimentarão e gira. assim. Com uma chave desse tipo podemos ligar ou desligar uma lâmpada ou motor de dois locais diferentes. conforme ilustra a figura 25. Mecatrônica – Prof. Apenas o motor M2 e acionado. E preciso observar que alimentando os motores com apenas metade dos semiciclos da corrente alternada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba EXISTE UM COMPLEMENTO DA PÁGINA 32 DA ELETRÔNICA NESTE TRECHO Posição (a) .2. O que temos são duas chaves que podem. apenas D4 no sentido direto. Posição (d) .O circuito está desligado e nenhuma das duas cargas funciona . ligar ou desligar uma carga (uma lâmpada.se forem motores. eles irão rodar com metade de sua potencia. e desta forma apenas D3 e polarizado no sentido direto. 8. O uso dos reles em projetos de Mecatrônica traz dois tipos de vantagens: a) O circuito que vai ser controlado e independente do circuito usado para acionar a bobina. E claro que também existem algumas desvantagens no uso dos reles.3 Relés Os reles são interruptores ou chaves eletromecânicas. Outra e que se trata de um dispositivo lento. E possível utilizar um circuito de 6 V para controlar a bobina e nos contatos usar um circuito alimentado por uma tensão muito maior. Além destas.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 8. Os reles possuem três especificações que devem ser observadas em uma aplicação: 8.3. podemos dizer ainda que os relés são dispositivos volumosos e em alguns casos caros. Mecatrônica – Prof. ou seja. Contatos feitos de materiais ferromagnéticos são colocados nas proximidades de uma bobina. um rele de 6 V não será acionado somente se esta tensão for aplicada a sua bobina. Podemos perfeitamente aplicar 9 V em um rele de 6 V. b) O circuito controlado fica isolado do circuito da bobina. Assim. Esta tensão varia normalmente entre 3 e 48 V para os tipos comuns. o campo magnético criado atrai os contatos que. seja acionado. mas terem certa tolerância. então. podem ligar ou desligar um circuito externo. Uma corrente muito fraca na bobina pode ser empregada para controlar correntes muito intensas pelos contatos. mas por pouco tempo. Na figura 26 mostramos a construção simplificada de um rele.1 Tensão da bobina E a tensão que devemos aplicar a bobina para que o rele comute.º Willerson Moreira Ferraz 103 . Ele já pode fechar seus contatos com 5 V e suporta tensões ate uns 30 ou 40% maiores. e que em determinadas aplicações seu uso e inviável. Uma delas e que os contactos se gastam com o tempo. Quando a bobina e percorrida por uma corrente elétrica. normalmente. pois conhecendo uma podemos calcular a outra. além de muito baratos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Isso ocorre porque com tensão maior também temos maior produção de calor e a bobina pode aquecer-se. pois e em sua função que são projetados os circuitos de acionamento. O conhecimento desta corrente e importante.3. este valor estar entre 250 e 600 volts.1= 60 a. Os reles comuns podem ser especificados tanto em função desta corrente como pela resistência. 8. circula uma corrente que é determinada por sua resistência. aplicando a Lei de Ohm: R = V/I = 6/0. Alguns tipos trazem como informação adicional à tensão máxima dos contatos e. num projeto alimentado por uma tensão de 6 V devemos preferir relés de 6 V nos seus circuitos.º Willerson Moreira Ferraz 104 .3. Assim. Mecatrônica – Prof.2 Corrente da bobina ou resistência Quando aplicamos a tensão nominal na bobina de um rele. 8. conforme ilustramos na figura 27.3. pois. De qualquer forma. Estes reles podem ser acionados por transistores de baixa potencia como os tipos BC548 que são fáceis de usar e de encontrar também. um rele de 6 V x 100 mA e também um rele de 60 Q. Esta especificação nos diz qual pode ser a carga máxima que o rele controla. 8.4 Tipo de contatos Os reles comuns podem ter diversos tipos de contactos. Os tipos comuns possuem correntes na faixa de 1 a 10 amperes.3 Corrente máxima de contatos Esta e a máxima corrente que o rele pode controlar. Os reles mais comuns aplicados nos projetos de Mecatrônica e que podem ser acionados diretamente por circuitos eletrônicos simples são os que têm correntes na faixa de 20 a 100 mA. Se ligarmos uma carga entre C e NF. a carga será desligada conforme exibe a figura 28. quando o rele esta desenergizado. Em (b) temos um rele de contatos reversíveis.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Em (a) temos um rele de contatos simples. 8.º Willerson Moreira Ferraz 105 .4. Quando o rele e energizado.1 Reversão com rele Mecatrônica – Prof. ou ainda como uma espécie de "memória" de posição. principalmente porque os contatos múltiplos podem ser empregados para reversão de corrente e também como trava. ao energizarmos o rele. Algumas destas aplicações serão analisadas a seguir. por exemplo. antes de passarmos para a parte pratica de nosso Curso. 8. Temos então um contacto comum (C) que e ligado ao terminal NF (normalmente fechado). Em (c) na figura 27 temos um rele com dois contatos reversíveis que pode ser usado como uma chave HH. o contato C e ligado ao contato NA (normalmente aberto).4 Circuitos usando reles No controle de motores de corrente contínua e outras cargas os reles podem realizar funções "inteligentes". 2 Rele com Trava Um outro recurso que pode ser adicionado a um circuito com a ajuda de um rele e a trava.º Willerson Moreira Ferraz 106 . sem problemas. fazendo-o voltar automaticamente por alguns centímetros. 8. No circuito apresentado na figura 29.4. e a de um relé com contatos reversíveis na inversão do sentido de rotação de um motor. No circuito fornecido na figura 30. agrega "inércia" ao circuito fazendo com que o rele se mantenha fechado por alguns segundos depois do reed-switch ter sido acionado. conforme indicado por linhas pontilhadas. Quando avançarmos mais em nosso curso daremos circuitos eletrônicos que podem ser associados a esta configuração para aumentar o tempo de acionamento ate varias dezenas de minutos. um imã que se aproxima do reed-switch faz com que o rele seja acionado invertendo o sentido de rotação do motor ligado aos seus contatos. Mecatrônica – Prof. e se mantém desta forma ate que a sua alimentação seja desligada. A ligação de um capacitor em paralelo com a bobina. Podemos usar este circuito como um sensor de batida de um robô6 que inverte seu sistema de propulsão quando ele encosta em algum obstáculo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Uma primeira aplicação simples que tem por base a reversão vista na parte prática da lição anterior e também a aplicação da chave HH. ao ser acionado o interruptor S1 por um instante (pode ser um reed-switch ou um interruptor de laminas) o rele trava. por exemplo. o interruptor de acionamento do circuito e o sensor de laminas que pode ser instalado em sua parte frontal. para tempos maiores existem outros circuitos eletrônicos que serão estudados oportunamente. Outra aplicação e como um circuito de emergência para desativar um conjunto de circuitos a um simples toque em um sensor. Como dissemos. Na figura 31 temos dois circuitos de tempo usando reles: Em (a) temos um circuito onde ao acionar-se S-|. mesmo assim. o rele permanece energizado por um intervalo de tempo que dependera da constante de tempo dada pelo valor do capacitor e pela resistência do enrolamento da bobina. desde que esse tempo não ultrapasse alguns segundos. Como esta resistência normalmente e baixa. sem o uso de eletrônica.4. com a ajuda de um rele e um capacitor. não conseguimos mais do que alguns segundos na prática e.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Uma aplicação importante para este circuito consiste em desligar totalmente a alimentação de um robô quando ele encontra um obstáculo pela frente e bate. com capacitores de valores altos (470 µF a 4700 µF). No caso. 8.º Willerson Moreira Ferraz 107 . Mecatrônica – Prof.3 Rele de Tempo O acionamento de uma carga por um intervalo de tempo pode ser obtido com facilidade. Material sugerido: 1 rele de 6 Vx 100 mA 4 pilhas médias ou grandes (ou fonte de alimentação) reed-switches 1 chave HH 3 diodos 1N4002 (opcionais) 1 ímã permanente pequeno 1 motor de corrente continua de 6 V ou caixa de redução 1 interruptor simples 1 interruptor de pressão O circuito completo e mostrado na figura 32. o rele só permanece ativado por alguns segundos. ao mesmo tempo em que inclui controles manuais.1 Elevador com controle manual Nosso primeiro projeto prático envolvendo os circuitos que vimos ate agora. também incorpora reed-switches e pequenos imãs formando sensores de fim-de-curso que impedem que o elevador avance para alem do ultimo andar ou abaixo do primeiro. mesmo que S1 seja mantido fechado. Mecatrônica – Prof.5 CIRCUITOS PRATICOS Com reles de 6 V.º Willerson Moreira Ferraz 108 . o rele fecha seus contatos e os mantém desta forma apenas pelo tempo que o capacitor leva para se carregar pela sua bobina.5. chaves HH. Vamos descrever um projeto básico que pode ser facilmente modificado: 8.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Em (b) temos um circuito que funciona da seguinte forma: quando ligamos S1. pilhas e motores comuns de corrente contínua e possível elaborar alguns projetos didáticos muito interessantes aproveitando os conhecimentos adquiridos nesta lição. Em outras palavras. e de um pequeno elevador que. 8. bloqueando o motor quando isso ocorrer. O sistema conta ainda com um controle de velocidade que e feito pelo acionamento do rele.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A montagem do protótipo pode ser feita tanto com base em uma caixa de redução (veja anuncio da Saber Marketing Direto) como com base em qualquer pequeno motor de corrente contínua com uma redução por correia ou elástico. Os sensores (reed-switches) são fixados no primeiro e ultimo andar da maquete. 20) Mecatrônica – Prof. Quando o sensor e acionado. 9. Para reativar o sistema no final do curso. Empregue um rele de tempo para automatizar a parada do elevador em determinado andar. enquanto que no elevador e fixado um pequeno ima para seu acionamento. Mecatrônica Atual Pág. Use o ímã que já existe para acionamento dos sistemas de fim-de-curso para ativar um rele de parada temporizado. o elevador tenha sua velocidade automaticamente reduzida.º Willerson Moreira Ferraz 109 . inverte-se o sentido e pressiona-se por um momento a chave S de pressão. automatize a velocidade de parada de modo que ao se aproximar do primeiro ou do ultimo andar. ele alimenta um rele que impede a alimentação do motor de modo a evitar que ele force o sistema. Motores de Passo (Eletrônica Básica Pág. 89. Sugestões para o aperfeiçoamento do projeto: Usando o circuito com chave e diodos para controle de velocidade. será interessante fazermos uma analise de seu principio de funcionamento. porque. 9. que não só é usado para transmitir movimento. No entanto. os motores de passo são controlados digitalmente. Os motores de passo. Trata-se do motor de passo ou stepper motor. O principio básico de funcionamento de um motor de passo não difere muito dos outros tipos de motores: conjuntos de bobinas criam campos magnéticos pela passagem de uma corrente elétrica. ao contrario dos motores comuns. mas também ter seus eixos posicionados de forma precisa. Na verdade. Mas. estudamos os controles lineares e PWM para motores de corrente contínua comuns. Existem três tipos básicos de motores de passo:    Ímã permanente Relutância variável Híbrido Mecatrônica – Prof. são utilizados em aplicações onde muito mais importante do que a forca. Eles são diferentes dos motores comuns neste ponto. conforme a aplicação a que se destinam. enquanto os motores comuns são controlados pela corrente que atravessa seus enrolamentos. E o nível I6gico dos sinais aplicados aos seus enrolamentos que determina o movimento ou posicionamento de seus eixos. pelas suas características. os motores de passo são algo lentos e pouco potentes. devendo ser usados em aplicações em que essas características não sejam tão fundamentais quanto a precisão.1 Como funcionam Os motores de passo convertem informação digital em movimento ou posição. encontramos um outro tipo de motor que. Mecatrônica e outras aplicações que envolvem o controle de movimento. Isso ocorre porque os motores de passo não devem apenas girar. mas também para posicionar de forma precisa as partes de um equipamento. A diferença básica entre um motor de passo e um motor comum esta no modo como suas bobinas são energizadas.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba No capitulo anterior. para que o leitor entenda melhor como esses motores podem ser aplicados e controlados. que movimentam as partes m6veis do motor. é a precisão do posicionamento de seu eixo.º Willerson Moreira Ferraz 110 . em Robótica. Estes campos interagem estabelecendo forcas. e o ideal para os casos onde precisão seja um requisito importante do projeto. Como funcionam esses motores e de que modo usa-los em projetos de Mecatrônica e o nosso assunto agora. Na operação normal. se bem que também possamos encontrar em algumas aplicações tipos de 2 e de 6 fases. de acordo com o tamanho do motor. ligadas duas a duas com um terminal comum. Mecatrônica – Prof. Cada vez que um enrolamento e energizado. pois possui 6 fios de conexão. O tipo mais comum de motor de passo e o de 4 fases. ou uma fração da volta completa. os fios comuns aos enrolamentos são conectados ao pólo positivo de uma fonte de alimentação. Estas fontes.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba O modo como as suas bobinas são montadas internamente e sua quantidade determinam a sua maneira de funcionar. Isso faz com que este tipo de motor seja facilmente identificado. para a maioria dos casos. Este motor possui 4 bobinas. Na figura 1 damos uma representação simplificada do motor de passo de 4 fases que servira como ponto de partida para nossas explicações. conforme mostra a figura 2. Cada enrolamento é energizado quando a extremidade livre e aterrada por um momento. o eixo se movimenta um passo. são de 12 V e as correntes exigidas pelos enrolamentos variam tipicamente entre 100 e 500 mA.º Willerson Moreira Ferraz 111 . Uma outra forma de obtermos movimento rotativo do eixo e energizando os enrolamentos pelo sistema On / Off. o movimento do eixo. ira depender do modo segundo o qual os enrolamentos serão energizados. então. que tanto o posicionamento do eixo em cada passo Mecatrônica – Prof. conforme mostra a figura 4.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Evidentemente. conforme mostra a figura 3. girando em um sentido ou em outro.º Willerson Moreira Ferraz 112 . Veja. o eixo ira se movimentar rodando no sentido correspondente. Se energizarmos os enrolamentos em seqüência. Nesta forma de energização temos a aplicação combinada de sinais nas bobinas de tal forma a ligar e desligar cada bobina em tempos certos. 2 Características Para usar um motor de passo precisamos conhecer suas características.º Willerson Moreira Ferraz 113 . alem de podermos comandar o motor através de pulsos. Podemos. temos também tipos que operam com tensões de 5 V e de 6 V. Assim. Assim.5 E importante saber fazer esse calculo. o motor vai ficar estacionado ou travado de modo firme na posição correspondente. Esse e um outro fator importante a ser levado em conta em um projeto. Ao usar um motor de passo e importante observar qual tipo de seqüência e a recomendada pelo fabricante para sua operação normal. As principais são: a) Tensão e Corrente Não obstante os motores mais comuns sejam os de 12 V. 9. Outro fato relevante a ser observado em relação aos motores de passo e que. b) Seqüência Mecatrônica – Prof. terá uma resistência de enrolamento por fase de: R = V/l R= 12/0. um motor de 12 V que opere com uma corrente de 500 mA. As correntes indicadas são as que circulam pelas bobinas quando a tensão nominal e aplicada. pois podemos usar o multímetro para identificar os enrolamentos e ate determinar as características de um motor que não tenha informações completas sobre suas condições de funcionamento. se mantivermos uma fase energizada. pois nos permite escolher o melhor circuito para seu controle e excitação.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba como sua velocidade de rotação vão depender do modo como os sinais de controle são aplicados as diversas fases. calcular facilmente a resistência do enrolamento aplicando a Lei de Ohm. e possível também paralisa-lo numa determina posição usando comandos digitais. em função da tensão e da corrente. O conhecimento da tensão e da corrente também permite calcular a potencia elétrica exigida para acionamento de cada enrolamento. 8 = 360 graus ou uma volta completa! Conhecendo o angulo do passo e a freqüência dos pulsos. E bom verificar. Aplicando pulsos a razão de 200 por segundo em um motor que tenha um passo de 1.8 graus de passo são necessários 200 pulsos para que ele de uma volta completa. Todavia. "da um passo". pode ocorrer que o acionamento seja de modo diferente para um determinado tipo. Os motores de passo de 1. Isso porque: 200 x 1.8 graus. antes de usar. torna-se muito simples calcular a rotação. portanto.º Willerson Moreira Ferraz 114 . por exemplo. Em um motor de passo de 90 graus por passo.8 graus são os mais comuns. o eixo gira de certo angulo. existe um limite para a velocidade com que eles podem rodar e. c) Ângulo de Passo Quando energizados uma bobina de um motor de passo. em um motor de 1. d) Freqüência dos pulsos Os motores de passo não se destinam a propulsão de veículos ou movimentarão de mecanismos com grande velocidade nem a realização de esforços muito grandes.8 e 90 graus. conforme sugere a figura 5. bastam quatro pulsos de controle para que ele de uma volta completa. ou seja. para a freqüência máxima de pulsos que lhes pode ser aplicada. Já. Assim.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A maioria dos motores comuns opera usando uma das duas seqüências que descrevemos. Mecatrônica – Prof. O angulo desse passo pode variar entre 1. teremos uma rotação por minuto ou 1 rpm. e) Torque Os motores de passo não se destinam a produção de grandes esforços.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Para os tipos comuns. Acima disso. outros tipos de motores (e de recursos de controle) são mais recomendados.3 Circuitos de acionamento Para o acionamento dos motores de passo são necessários quatro tipos de circuitos: a) Drivers Os drivers ou excitadores são circuitos que se destinam ao controle direto das correntes intensas que circulam pelos enrolamentos dos motores de passo e que podem superar 500 mA em alguns casos. mesmo que seja forcado mecanicamente a isso. a velocidade máxima recomendada e de 3 rotações por segundo ou 180 rpm. o motor não pode continuar girando. consiste no uso de sistemas que permitam fazer a redução da velocidade com o aumento proporcional do torque. f) Efeito de frenagem Se a corrente de um enrolamento for mantida depois de um pulso de comando. Podem ser usados transistores bipolares de media potencia (comuns ou Darlingtons). transistores de efeito de campo de potencia ou circuitos integrados. Mecatrônica – Prof. Na figura 6 apresentamos dois circuitos com transistores bipolares. 9. um deles com transistores comuns de media potencia e outro com transistores Darlington de potencia. Este efeito pode ser usado para frear o motor. se a velocidade não for relevante. Para propulsão de mecanismos pesados nunca devemos usar motores de passo. Uma alternativa.º Willerson Moreira Ferraz 115 . Manifesta-se uma forca que mantém o motor naquela posição. os motores começam a perder o torque de forma acentuada. Para aplicações em que a velocidade e mais importante. Essa e uma propriedade fundamental que pode ser aproveitada em muitos projetos. os mecanismos mais utilizados são as caixas de redução. Para manter a precisão. O torque típico de um motor de passo e de apenas alguns gramas por centímetro. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Esses circuitos possuem características de entrada que permitem seu acionamento com lógica digital TTL e CMOS.º Willerson Moreira Ferraz 116 . Ate mesmo sinais da porta paralela de um computador podem ser empregados para sua excitação. Os mesmos circuitos podem utilizar transistores PNP. Mecatrônica – Prof. Nesse caso. Na figura 7 damos um circuito com transistores de efeito de campo de potencia. podem ser elaborados programas que façam o controle de posicionamento ou sequenciamento dos sinais. caso em que a condução ou ativação de um enrolamento ocorrera quando o nível lógico aplicado a entrada for alto. principalmente a encontrada nas saídas das portas paralelas dos computadores (PCs). na figura 8 trazemos um circuito de aciona-mento usando um circuito integrado dedicado cujas entradas são compatíveis com a lógica digital. Mecatrônica – Prof. Finalmente.º Willerson Moreira Ferraz 117 . Essa característica permite que ele seja acionado diretamente por lógica CMOS ou ainda circuitos de baixa potencia.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A principal vantagem deste circuito esta na sua elevadíssima impedância de entrada. por exemplo. a partir de pulsos gerados por um sensor.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Isso significa que este circuito pode ser usado para controlar o movimento de um motor de passo diretamente (a partir de um programa que rode num PC. uma chave ou um oscilador. Os pulsos aplicados à entrada deste circuito se convertem na seqüência necessária ao movimento do motor em quatro saídas. b) Seqüenciadores ou translators Este tipo de circuito tem por finalidade seqüênciar os pulsos na forma exigida pelo motor para que ele rode em um sentido ou noutro. este sequenciamento pode ser feito pelo pr6prio programa instalado. se assim não ocorrer. como o ilustrado na figura 9. Mecatrônica – Prof. precisaremos de um circuito que faca este sequenciamento. Temos diversas possibilidades para isso.º Willerson Moreira Ferraz 118 . O circuito integrado indicado pode ser usado para controlar motores de passo de ate 500 mA por bobina. A primeira delas consiste em um seqüenciador com circuitos digitais comuns. Os pulsos aplicados na sua entrada fazem com que o motor avance (ou recue) um passo. utilizando a porta paralela). No entanto. Precisaremos dele se desejarmos que o motor de passo seja usado na função de rodar e de se posicionar de modo preciso numa aplicação. Se o motor for controlado por um PC ou por um microprocessador. mas como sempre existe o problema do tempo e o repique. alguns refinamentos devem ser acrescentados. O que acontece e que os pulsos precisam ter duração constante para um correto acionamento.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Outra possibilidade 6 a apresentada na figura 10. um circuito monoestável para esta finalidade.º Willerson Moreira Ferraz 119 . Na figura 11 mostramos como isso pode ser feito com base no conhecido circuito integrado 555. exigindo-se. por exemplo. em que temos um circuito dedicado que reúne todos os elementos para acionar um motor diretamente a partir de pulsos aplicados sequencialmente em sua entrada. c) Circuitos de passo controlado Os circuitos de passo têm por finalidade produzir a seqüência de pulsos de acionamento na velocidade que se deseja fazer o motor girar ou mover. O tipo mais simples de circuito de passo e o que consiste em um interruptor comum. Mecatrônica – Prof. a seguir.4 Projetos práticos Damos. Um deles e o UCN4202 que inclui recursos de habilitação. disparo e PWM. Esta entrada PWM serve justamente para controlar a velocidade de rotação do motor pela mudança da freqüência dos pulsos aplicados. assim. esse pulso faz com que o motor de um passo. inverter sua rotação. ou ainda produzir a frenagem forcada com a energização constante de um enrolamento. o pino de disparo do 555 e levado ao nível baixo por um instante. esses projetos têm muito mais finalidades didáticas permitindo ao leitor verificar na pratica o que estudamos neste capítulo. conforme mostra a figura 12. Mecatrônica – Prof. Também podemos fazer isso como base num 4093. d) Controladores Existem alguns circuitos integrados especiais que incluem as funções capazes de parar o motor (mesmo com a continuidade dos pulsos de entrada). Outra possibilidade consiste no uso de um oscilador que gere um sinal retangular. Isso dispara o circuito que.º Willerson Moreira Ferraz 120 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A cada pulso de entrada. Aplicado ao seqüenciador. tem sua saída produzindo um pulso no nível alto de duração constante. algumas sugestões de projetos práticos simples que podem servir de ponto de partida para aplicações mecatrônicas. 9. Na figura 10 tivemos a oportunidade de mostrar uma aplicação deste CI. Na verdade. cuja freqüência e habilitação possam ser controladas externamente. º Willerson Moreira Ferraz 121 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba E claro que os leitores dotados de mais imaginação podem facilmente tomar esses projetos como base.4. Acionando-os em seqüência. o motor irá girar no sentido escolhido. servindo para que o leitor entenda o seu princípio de funcionamento. criar dispositivos completos com elevado grau de sofisticação. 9. e agregando outros que demos como exemplo neste livro. Essa versão pode ser montada numa matriz de contatos conforme ilustra a figura 14.1 Controle de Motor de Passo Um controle simples de motor de passo pode ser elaborado com poucos componentes e controlado tanto por chaves de pressão quanto pela porta paralela do computador. Mecatrônica – Prof. Na figura 13 damos a versão controlada pelos interruptores. Motor de passo de 4 fases S1 a S4 . etc. Mecatrônica – Prof. amarelo. a Q4 .7 k Q x 1/8 W . fios. estes radiadores deverão ser agregados. tipo normalmente aberto (NA). a R4 . não será necessário dotar os transistores de dissipadores de calor.4.º Willerson Moreira Ferraz 122 . vermelho. violeta. Diversos: matriz de contatos. M1 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Lista de Material: Q.7 k Q x 1/8 W .Interruptores miniatura para placa de circuito impresso. etc.BD135 ou BD137 . fios.Motor de passo de 4 fases S1 a S4 . preto. vermelho. R. para motores maiores. fonte de alimentação conforme o motor. Se o motor não exigir mais do que uns 200 mA por enrolamento. tipo normalmente aberto (NA). fonte de alimentação conforme o motor.transistores NPN de media potencia. fios.BD135 ou BD137 .transistores NPN de media potência. solda. Lista de Material Para Versão Acionada Pela Porta Paralela Q1 a Q4 .resistores .amarelo.Conector DB25 macho M1 .marrom. Entretanto. R.4. Eles consistem de pequenas placas de metal parafusadas nos invólucros dos componentes.Interruptores miniature para placa de circuito impresso.amarelo. Diversos: matriz de contatos. solda.resistores . violeta. R5a R8-100 kQx 1/8 W-resistores . a R4 . CN1 . fios. ou seja. basta agregar quatro resistores ao circuito e conector DB25 de acordo com o circuito da figura 15.º Willerson Moreira Ferraz 123 . normalmente uma fonte de 12 V. caso que o pr6prio leitor pode descobrir experimentalmente acionando as chaves. mas dependendo do motor ela pode ser outra. A montagem desta versão numa matriz de contatos e exibida na figura 16. A seqüência de pulsos normais e a que analisamos neste artigo. os transistores devem eventualmente ser dotados de radiadores e calor. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A alimentação do circuito deve ser de acordo com o motor. Para a versão controlada pelo PC. Nesta versão também. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba E claro que. como por exemplo. outras linguagens podem ser empregadas para acionar o motor usando a porta paralela. 21) 10. C++. etc. 10.º Willerson Moreira Ferraz 124 . Delphi. Pascal.1 Comparação de sistemas com motores de passo e servomotores Mecatrônica – Prof. Servomotores (Mecatrônica Atual Pág. Visual Basic. escolhemos dois sistemas na mesma faixa de potência: 70 -100 watts. exigem elementos eletrônicos de controle. O 3540i inclui um amplificador e um controlador que pode ser programado pelo usuário para operar sozinho ou receber comandos de um PC hospedeiro. Esse dri-ver pode ser ligado em rede para aplicações multi-eixo usando RS-485 ou ainda um Hub SiNET Motion Control Network. O mercado total para tais dispositivos supera US$ 1 bilhão por ano. O sistema 1 usa um motor de passo HT23-400 e um dríverpro-gramável 3540i. pontos fortes e fracos dos sistemas com servos e motores de passo. Ambos. Este artigo examina os destaques. Com motores de passo e servos competindo nas aplicações. jogos e muitos outros usos. Essas aplicações incluem a automação industrial. moto- res de passo e servos. Para fazer uma escolha inteligente. PLC ou outro tipo de computador. equipamentos semicondutores.º Willerson Moreira Ferraz 125 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Os sistemas com motores de passo e servomotores são usados igualmente em aplicações de controle de movimento de alta performance e alta precisão. como pode o consumidor decidir qual é o melhor? A maioria já deve ter ouvido que motores de passo "são mais económicos" e que os servos "são mais rápidos". 10. em detalhes.2 Preço e performance Para comparação. de modo que também os incluímos na comparação. um sistema real de cada tipo e avaliamos sua conveniência para uma aplicação. biotecnologia. Mecatrônica – Prof. O sistema de motores de passo é mostrado na figura 1. Nós também comparamos. devemos analisar o problema mais profundamente. Esse sistema 2 é mostrado na figura 2.º Willerson Moreira Ferraz 126 . O BLU100-SÍ inclui todos os recursos programáveis do 3540i mais alguns outros relacionados com servos. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Para comparação escolhemos um sistema de servo de 100 W con sistindo em um servomotor A100 e um drive programável BLU100-Si. para uma finalidade que ficará clara brevemente. Isso aumenta a saída de 300 rpm do A100 em 3x.32 N. ou seja: P = 0.99 N. mas podem rodãr_ma]s_rapjda: mente. o HT23-400 tem um torque de 0. então o motor de passo leva uma vantagem clara. A figura 3 ilustra um gráfico do torque versus a velocidade para o motor de passo HT23-400 e o servomotor A100.m. O motor de passo tem sua potência de pico em 900 rpm. têm menor torque que os motores de passo de mesmapotên£ cia. O servo-drive custa U$ 200 mais do què~õ~drive de motor de passo e os comandos do servomotor possuem um prémio de U$ 399.78 N. A potência é o produto da velocidade pelo torque. A tabela 3 compara os valores de torque. Vamos considerar uma aplicação prática. os sistemas de servo de mesma potência custam mais do que os sistemas de motores de passo.m. Os_servos. Mecatrônica – Prof. muito maior do que a do motor de passo.m. Em 300 rpm. o A100 pode produzir um torque de 0. Com isso. Também incluímos um servo maior. O servo A100 tem apenas 0. geralmente.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A tabela 1 apresenta a lista de preços dos sistemas 1 e 2. quase o mesmo que o motor de passo.104 VI onde V é a velocidade em rpm e T é o torque em N.m. Isso pode ser ou não ser bom. onde o torque é de 0. Tipicamente.m. Se a aplicação requer torque elevado em baixa velocidade. A potência de pico do servo é de 3000 rpm. Na tabela 2 fornecemos a potência contínua máxima de cada sistema. então o servo vai exigir o uso de reduções para "adequar a velocidade para o torque'. assim como outros sistemas que discutiremos posteriormente. Se o sistema roda a 300 rpm. O único modo de fazer com que o servo consiga ter maior torque é acrescentar uma redução de 3:1 como no sistema 3. o A200.º Willerson Moreira Ferraz 127 .95 N. Com uma redução de 3:1 da caixa de redução. Este deve requerer também um drive maior. o que pode ser suficiente. Além disso. Motores de passo podem ser operados com um aumento da margem de torque em comparação aos servos porque eles podem apresentar uma redução de torque devido à ressonância.o que usa a cabeça de redução. o torque de saída do A200 é de apenas 0.m. o sistema 3 custa US$ 1533.64 N. Como visto na tabela 3. E se a aplicação exigir uma operação em 1800 rpm? Analisando o gráfico da figura 3. o A100 com redução não pode alcançá-la. como uma "aceleração rápida". O A100 só pode conseguir isso com uma cabeça de Mecatrônica – Prof. Mesmo com um drive mais caro.99 N. custa menos que o sistema 3 . Um motor de passo de 0. Outra solução para o problema do torque em baixa velocidade é empregar um servomotor maior como o A200.º Willerson Moreira Ferraz 128 .m. a redução apenas faz o preço do servo piorar.35 N. podemos ver que o torque do HT23-400 em 1800 rpm é de 0. o que significa que o A200 deve ganhar a competição. se o sistema exige qualquer necessidade de alta velocidade. Além disso. comparado com US$ 481 do motor de passo.m. o BLU200-SÍ (veja tabela 1 para o preço e figura 4 para a foto do drive).64 N. O A100 está limitado a 3000 rpm e 5000 rpm de pico. a velocidade de saída na carga está limitada a 1000 rpm contínuos e 1666 rpm de pico.m pode não operar provavelmente em 0. na verdade.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Mas. o sistema 4. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba redução. inércia e torque devem ser levados em conta. obter o mesmo torque por mais dinheiro não é o que a maioria dos usuários pretende.5. Considere uma aplicação onde a inércia de carga é 400 g.crn2. Isso depende da aceleração.cm2. então os servos devem dominar. e os servos têm uma inércia muito menor do que os motores de passo. Os servos rodam bem em 3000 rpm proporcionando torque total neste caso. mas sim o tempo do ciclo. Vamos analisar esses fatores. Se pudermos aumentar a taxa de aceleração de um movimento triangular.cm2. A aceleração máxima até 300 rpm. devemos ter o movimento mais rápido ponto a ponto. Quando a inércia é dada em g.cm2 de inércia. não importa tanto o torque ou a velocidade.m. Se a velocidade visada é 1800 rpm. Em 1800 rpm. e então a taxa de aceleração torna-se 37.cm2 e o torque em N. apesar dõ preço maior. A aceleração é determinada pelo torque do motor dividido pela inércia. Vejamos esses fatores. Tomando um motor de passo para rodar em 3000 rpm é difícil e arriscado.m. Esses movimentos são denominados "triangulares" porque o gráfico velocidade x tempo se assemelha a um triângulo. Se a aplicação requer 3000 rpm.003 segundos. mas outros fatores jogam em favor do servo. Mas. O sistema A200 proporciona 2x o torque para 2. para o motor de passo é: INSERIR FÓRMULAS Podemos alcançar 300 rpm em aproximadamente 0. Começamos a formular alguns limites para ao quais cada tipo de motor deve ser aplicado. O sistema 2 de servo A100 tem apenas 42 g. a não ser que outros fatores sejam considerados.3 ACELERAÇÃO Para processos de alta velocidade. o tempo de movimento diminuirá significativamente. Para produzir muitas peças rapidamente. podemos calcular a aceleração em rpm/s da seguinte forma: A = 95.º Willerson Moreira Ferraz 129 . Em 300 rpm o^js-tema de motor de passojenijorgue superior e melhor preçoTÉm 3000 rpm o sjgtema de servo domina.35 N.6 x o custo. e apenas uma pequena parcela de tempo em velocidade constante.983 rpm/s. 10. O motor HT23-400 tem uma inércia de 480 g. IO6 Quando se calcula a taxa de aceleração. então estamos limitados a 0. Os movimentos rápidos são frequentemente 50% de aceleração e 50% de desaceleração. e isso não é bom. de modo que ele não Mecatrônica – Prof. dando um total de 880 g. o motor de passo tem maior torque para o preço. m) e na inércia total de 442 g. Eles são eficientes.003 segundos. Usualmente. E são também. porque assumem que todo o torque é aplicado na aceleração.32 N. Eles também proporcionam informações sobre a velocidade. usando apenas a energia que a carga precisa para ser movida. Agora o sistema é dominado pela inércia da carga. Sistemas baratos de motores de passo baseados em enco-der não são usualmente "servos".cm2. é um bom momento para discutir alguns destaques especiais dos servos. você deve deixar uma certa margem de torque. 10. Os sistemas de motor de passo também podem empregar um encoder para realimentação. O servo alcança 300 rpm em 0. Os sistemas de servo ajustam constantemente os sinais de comando basea"dõ~i~ em__realImentação do motor. do tipo "closed loop". isso é feito por um encoder óptico ou resolver. e alcança 1800 rpm em aproximadamente metade do tempo do motor de passo.cm2. a taxa de aceleração do servo é baseada no torque disponível (0. Esse dispositivo de realimentação informa ao controlador onde o motor e a carga estão durante todo o tempo. mas pode-se verificar que o motor não se paralisa ou sofre interferências na posição desejada por uma força externa. algum torque é usado para vencer o atrito. o 3540i pode utilizar um enco-der como opção. Num sistema real. De fato. silenciosos dada a distância entre a ressonância e o uso eficiente da potência. Além disso. Estes números são apenas para comparação. geralmente. muito próximo do motor de passo.cm2. como pode ser visto na tabela 5. por natureza.º Willerson Moreira Ferraz 130 . E o que acontece se a carga for maior? Fizemos alguns cálculos com uma carga de 2000 g. Num sistema real não é desejável que estes valores de aceleração sejam encontrados. e então os servos perdem a sua vantagem de "torque para inércia". A aceleração do motor de passo até 1800 rpm será: INSERIR FÓRMULAS A tabela 4 mostra a relação tempo e velocidade para os quatro sistemas com uma carga de 400 g. Mecatrônica – Prof. Isso permite aos servos superarem distúrbios inesperados e serem automaticamente compensados contra ressonância. Os servos são.4 DESTAQUES E COMPLEXIDADE Ainda em relação ao assunto da inércia da carga. O motor e/ou a carga devem estar conectados para fornecer uma reali-mentação precisa. Então. mas não da mesma forma.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba precisa de muito torque para acelerar uma carga leve. Integral. 10. Os motores não podem manusear aplicações onde se necessita de torque constante. O sistema 2 com uma carga de 2000 g. Tradicionalmente.5 POSICIONAMENTO FINO Mecatrônica – Prof. Um sistema típico de servo usa um loop de posição PID (Proporcional. o atrito e a corrente aumentam. Isso pode afetar a estabilidade. porque a inércia da carga. Mas os limites ainda se aplicam. Muitos drives modernos podem manusear maiores relações. os fabricantes dos drives de servos recomendam um limite de 10:1 para a relação carga inércia do motor. se o operador movimentar a carga. O motor A200 tem um tamanho maior do que o A100 assim. o drive ainda continua sabendo onde ela se encontra. vê uma inércia de carga de 2000/9 = 222 g. Existem limites para todos os sistemas de controle de servos. Além disso.º Willerson Moreira Ferraz 131 . Uma caixa de redução de 3:1 reduz a velocidade do motor em 3x. sua inércia também é maior. o que é excelente. Eles podem suportar tipicamente correntes até 3 vezes maiores que a corrente nominal de modo a ajudar a vencer variações inesperadas de carga ou para se obter uma aceleração rápida. Por exemplo. quando "refletida" para o motor através das engrenagens é proporcional ao quadrado da taxa de redução. Assim. A velocidade instantânea e erros de posição também podem ser informados. existem muitos parâmetros de realimentação e excitação que têm de ser usados nos cálculos. o que é útil em aplicações tais como a vedação de garrafas.3:1. A adição de caixas de redução ajuda consideravelmente. Um deles é a relação de inércia. a corrente pode ser monitorada como uma medida da carga. colocação de parafusos e tensiona-mento de fios. mas também por que eles são simples de entender e empregar.cm2 é de 2000/200 = 10:1. A relação deve ser 222/42 = 5. Se o sistema sofrer carga. Os sistemas de motores de passo são populares não apenas pelo baixo custo. Um sistema de servo pode detectar isso e alertar o operador de manutenção. Servos têm ainda vantagens adicionais em relação aos motores de passo devido a sua natureza de "closed loop". especialmente com comutação senoidal e recursos de feed forward. Os servos podem ser operados no modo de torque. A relação de inércia do A200 com uma carga de 200 g.cm2. e reduz a inércia refletida em 9x.cm2 deve ter um casamento de inércia de 2000/41 = 47 ou 47.6:1. o sistema 2 de motor A100. Derivativo). Dessa forma.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Mas os servos precisam ser ajustados para o loop de controle e as condições de carga. Os servos podem ser sobre-exci-tados de modo a aumentar o torque. Além disso. um servomotor pode ser "desligado" enquanto o enco-der permanece ligado. o que significa que eles aplicam corrente aos enrolamentos do motor e esperam que as leis da Física façam o resto. Previsões sobre as características do motor são feitas. devido às diferenças entre as geo-metrias do circuito magnético (forma do dente. quando o dríver do motor é proje-tado. por exemplo). os servos bem ajustados operam de uma forma mais fina do que os motores de passo. Se apropriadamente ajustado. baixa (300 rpm) e rápida (1800 rpm). As leituras do encoder foram comparadas com a posição ideal do motor de tal forma que o erro pode ser calculado. O servo teve uma performance muito melhor do que o motor de passo nas baixas velocidades. Os resultados estão plotados nas figuras 5 e 6. força do imã. O sistema com motor de passo tem um padrão cilíndrico que se repete quatro vezes por ciclo elétrico (200 vezes por rotação do eixo). Isso sugere que as tabelas de passo do drive podem ser ajustadas para compensar os erros. programamos os sistemas 1 e 2 para passos vagarosos quando acoplados a um encoder óptico de alta resolução. Para poder desenhar uma curva comparativa. especialmente nas muito baixas como 10 rpm. um ajuste pobre pode levar a uma "oscilação" onde o motor se move. Mas. o que pode afetar a agudeza e a precisão de funcionamento. os motores variam sensivelmente de um modelo para outro. O resultado dos testes aparece na tabela 6. É importante ter o servo apropriadamente ajustado ou um aumento do ripple de velocidade pode ocorrer. deve-se esperar que ete tenha um posicionamento mais preciso.6 PRECISÃO Dado que o servomotor possui um dispositivo de realimentação como um encoder.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Devido ao fato de que eles empregam realimentação e loops sofisticados de controle. air gap. Porém. especialmente torque x deslocamento. Os sistemas de motor de passo são normalmente open loop. Em situações especiais os fabricantes algumas Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 132 . Medimos as variações de velocidade usando um tacómetro analógico de precisão e um osciloscópio digital. ele pode ficar numa faixa de ±1 da contagem do encoder na posição comandada. Os drivers standard como o 3540i são vendidos para diferentes consumidores e podem ser usados com motores diferentes. 10. Isso significa que o projetista deve calcular as tabelas de passo para um motor "médio". Usamos a opção de encoder do 3540Í para conectar um encoder de 120 000 cont/ver a um PC para coletar os dados. Para comparação. Eles possuem menor variação de torque e menor variação de velocidade. forçando o encoder a uma contagem onde ele deveria estar parado. programamos o sistema 1 e o sistema 2 para operação em três velocidades diferentes: muito baixa (10 rpm). o servo tem aproximadamente metade do erro de um sistema de motor de passo em laço aberto sem compensação.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba vezes fornecem tabelas especiais para determinados tipos de motor de modo a se obter a performance ótima na aplicação. Por exemplo. Isso significa 360/8000 = 0. Isso compensa o custo adicional de um sistema de servo? Somente se precisão for necessária. Os servomotores A100 têm um encoder de 800 contagens por revolução. o que quer dizer que devemos esperar uma precisão melhor do que ±0. Se o passo do parafuso é de 5 mm por volta. É neste ponto onde o feedback é útil. Eles podem posicionar dentro de uma margem de ±1 contagem da posição comandada se o sistema estiver ajustado apropriadamente. A figura 5 mostra isso. Mas. O dríver "sabe" se o motor está fora de posição e pode corrigir isso. Assim. suponha que estes motores sejam usados para movimentar uma carga num movimento linear acompanhado de um movimento de parafuso. o erro do motor de passo será de ±10 graus. mesmo os servos não são perfeitos.045.045 graus. e o erro linear será: Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 133 . Para tamanhos menores que 40 mm. O usuário precisa perguntar: "quanto de erro eu preciso?". Claramente. de modo a caber nele.º Willerson Moreira Ferraz . que tem uma potência similar à do motor de passo. Para aplicações portáteis um peso menor é importante.8 CONCLUSÃO Discutiu-se que as vantagens primárias dos motores de passo são:    Torque elevado em baixas velocidades. se você não precisar de uma cabeça de redução. o encoder torna-se uma porcentagem significativa do tamanho total do motor. Os servos também podem ser usados onde o seu custo alto é justificado por:   134 torque em altas velocidades. Enquanto os motores podem ser reduzidos para tamanhos menores e menores potências. pois a roda de codificação eletrônica impede. é bem mais leve: 0.0 kg. Os servos têm uma vantagem em muitas aplicações porque os motores são menores e mais leves. O hardware para controle de movimento precisa encolher também. os servomotores são menores que os motores de passo de potência equivalente. os encoders têm limites. 10. O drive BLU100-SÍ é mais leve que os outros porque ele usa os mais modernos e eficientes transis-tores MOSFETs. tamanho compacto e peso reduzido.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba O servo tem metade do erro.5 kg versus 1. Na tabela 8 comparamos o tamanho e a massa dos motores. 10. Mecatrônica – Prof. baixo custo. O A100 também ocupa metade do espaço. O A200 pesa quase o mesmo que o motor de passo e produz o dobro da potência. O motor A100. que não precisam de dissipadores de calor. o tamanho da eletrônica dos servos difere muito pouco da eletrônica dos motores de passo. simplicidade. Como podemos observar na tabela 7.7 TAMANHO E PESO O mundo está ficando menor. ou 700 mícrons. Deve ser notado que os motores de passo muito pequenos são menores que os servos porque eles não necessitam de um encoder. o leitor.1 Motores lineares em máquinas-ferramenta A mesma força magnética que faz um rotor de um motor convencional girar é a responsável pela propulsão em um motor linear. Para aqueles que leram este artigo esperando uma clara vitória dos motores de passo em relação aos servos. permitindo-lhe escolher o melhor equipamento para sua aplicação. Depois de avaliar estes aspectos das aplicações no controle de movimento. ou seja: tome um motor comum de corrente contínua e desenrole o esta-tor com o mostra a figura 1.. 11.você.º Willerson Moreira Ferraz 135 . Mecatrônica – Prof. O princípio é o mesmo. porque tem muitas possibilidades de escolha no mercado de controle de movimento. Motores lineares O motor linear nada mais é do que uma massa com propriedades magnéticas. nós só podemos dizer que o vencedor é.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba   precisão e agudeza.. controle em laço fechado. 11. que é atraída ou repelida por outra e restringida a andar em trilhos. uma decisão inteligente pode ser feita resultando numa performance desejada por um custo mínimo. basta excitarmos o estator desenrolado da mesma forma que fazíamos quando este se apresentava em disposição circular: alternando os pólos e buscando um alinhamento de opostos entre a parte móvel e fixa. deverá vir um conversor estático CA-CC ou CA-CA. Quanto mais rápido alternarmos os pólos. A potência. sempre em combinação com um motor linear. Para fazer o motor linear da figura 1 mover-se. mais veloz será o nosso motor. calculada pelo produto força x velocidade média. é no motor linear. Para tal. dependendo da tecnologia do motor. A perfeita combinação de frequência de chaveamento e corrente produzirá um campo magnético capaz de assegurar acurácia e velocidade. que é conhecido como torque (produto da força pela distância do centro do rotor até a circunferência média do estator) passa agora a uma única grandeza que é a força tangencial.º Willerson Moreira Ferraz 136 . que no motor com rotor é calculada pelo produto do torque pela rotação. Mecatrônica – Prof. assim como fazemos hoje com servomotores síncronos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba O efeito produzido pelo eixo. tais motores possuem características que revolucionam a dinâmica da máquina É claro que o trabalho da força tangencial será sempre o mesmo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Em máquinas-ferramenta.300 ou 500 mm.º Willerson Moreira Ferraz 137 . Neste motor. sendo 50% de sobra de secundário em cada extremidade de eixo (figura 4). O primário deverá sempre estar comple-tamente emparelhado ao secundário. ou até de outras dimensões. A disponibilidade comercial do secundário está em setores de 200. Na prática. por conseguinte. Observe a figura 2 O outro pólo magnético forte é chamado de secundário (figura 3). o número de setores do secundário deve ser suficiente para todo o curso útil do eixo e ainda alguma folga. percebe-se que a melhor folga é exatamente o comprimento do primário. com núcleo de imãs permanentes e acessórios para sua fixação à máquina. não interessando se o motor é Mecatrônica – Prof.O secundário é uma única peça (setor) ou sequência de peças. o modelo de motor linear mais usado é o de indução. dependendo do fabricante. Em termos de performance. a parte móvel é chamada de primário e construtivamente é análoga ao estator (se bem que aqui não temos uma forma circular). É torque suficiente para acionar muitas máquinas. Mecatrônica – Prof. Já as velocidades sim. principalmente para a frenagem e aceleração. 80 mm ou ainda maiores. flexão e vida dos rolamentos de mancalização. afinal. estávamos limitados a rotações de 3000 e 4000 rpm. pode-se usar uma combinação de dois primários para produzir um campo magnético mais forte. quando não estamos cortando. folga da porca. se for necessário um aumento de força. não era possível obter deslocamentos rápidos em curtas distâncias e. não estamos requerendo esforço de corte e.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba rotativo ou se é linear. deveríamos dispor de passos largos e daí não haveria rigidez do fuso se os mesmos não fossem de diâmetros apreciáveis: 63 mm. No caso da grandeza de força.000 N. Trata-se de uma fresadora tipo portal onde todos os eixos são lineares. necessidade de lubrificação da porca. as forças não precisam ser grandes. Em motores lineares estamos salvos dos desgastes de fuso. o tempo é morto. Se tivermos um motor linear produzindo 10. isso equivale a termos um torque de 300 Nm na ponta do fuso mencionado. Entretanto. Para velocidades de 200 m/min. Modelos tradicionais atingem 14500 N em velocidades de 100 m/min. A figura 5 ilustra um exemplo de aplicação múltipla de motores lineares em máquina-ferramenta. Perceba porém que quando nos encontramos em altas velocidades. Os motores lineares vieram para ampliar esse limite. Com fusos de esfera. considere um fuso de 60 mm de diâmetro. Com inércias desta grandeza. a força fica reduzida praticamente à metade. ficávamos "escravos" de máquinas lentas e dizíamos (na verdade ainda dizemos) que o limite era mecânico. dessa forma. aproximadamente.º Willerson Moreira Ferraz 138 . portanto. assim como os motores. Já a velocidade não. Se desejássemos altas velocidades com esses fusos. º Willerson Moreira Ferraz 139 . Contabilize que o motor linear elimina o uso de fusos de esfera. a máquina deverá ser "pensada" para tal. além de ser afetado pela baixa demanda de mercado. A própria estrutura mecânica que carrega a ferramenta deverá ser rígida e leve. ao menos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Para utilizar um motor linear. Alguns reprovam meu discurso dizendo que eu não me refiro ao custo desses motores. O motor linear já está nesse estágio. Quer mais? Acelerações de 2G. um eixo que é usado tanto para a usina-gem como para a carga e descarga. de forma a beneficiar-se das velocidades e acurácia destes motores (figura 6). Nestes últimos. Sem dúvida. Mecatrônica – Prof. Com isso. principalmente na área de linhas trans-fer para indústria automobilística e tornos verticais. Casos práticos mostram que motores lineares possuem acurácia inferior a um centésimo de mícron: isso mesmo. o custo por kW de um motor deste é superior (cerca de quatro vezes) ao equivalente rotativo. cem vezes menor que um mícron. enquanto que os demais ainda permanecem com o conjunto tradicional de fuso de esfera e porca dupla. porcas e rolamentos. O mesmo aconteceu com os computadores: no começo os preços eram exorbitantes até que alguém inventou o PC para a sua casa. Não estou dizendo que você deve trocar todos os motores por lineares desde já. você já tem motivos de sobra para pensar ou. é equipado com motor linear. mas considere inicialmente uma combinação. Máquinas híbridas estão surgindo. considerar utilizar esses motores em uma futura aplicação. Por ser um circuito de circulação de corrente. FN significa a força nominal do motor.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 11. outros dois surgem. Mecatrônica – Prof.2 DIAGRAMA DE FORÇAS E VELOCIDADES Quando buscamos um motor linear. que é um dado de catálogo. Falando de índices e siglas úteis para a especificação do motor linear. VmaxFN) é uma reta e que representa uma manutenção da potência máxima útil. No motor linear também podemos presenciar um limite mecânico e magnético causado pela temperatura. Apenas comportamentos nessa região são possíveis. o motivo mais forte deve ser uma necessidade de velocidade. São eles a Vmax Fmax e Vmax FN significando a velocidade máxima quando a força também é a máxima e a velocidade máxima para quando a força é nominal. de acordo com suas características construtivas e limites externos de drives. que está na região inferior da curva. Se quisermos manter as características de dados de catálogo do motor. é importante mantê-lo refrigerado numa temperatura de no máximo 35°C para a refrigerante que vem do tanque. o "efeito joule" está presente e com ele o aumento de impedância pela temperatura.º Willerson Moreira Ferraz 140 . veja na figura 7 onde as grandezas força e velocidade estão representadas. Em adição a esses dois fatores. O motor linear é também uma máquina elétrica e passível de realizar um trabalho máximo. Também do catálogo de qualquer fabricante. VmaxFmax) para (FN. você extrai FMAX. Perceba no gráfico que o segmento de (Fmax. O gráfico mostra um ponto de trabalho F. Em um "motor de gaiola" podemos acelerar indefinidamente por meio do aumento da frequência até que haja algum tipo de instabilidade como um arco voltaico. sobre-aquecimento ou uma fadiga acelerada de rolamentos. º Willerson Moreira Ferraz 141 . Após 35°C de temperatura do líquido de entrada. a partir dos 35°C já existe perda da acurácia. o motor terá no máximo 50% de sua força nominal disponível.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Verificando o gráfico da figura 8. A figura 9 ilustra esses condutores. recomendo fortemente o emprego de circuitos fechados de refrigeração forçada dos motores. Dessa forma. Até lá. a força nominal já fica abaixo dos 100% de especificação de catálogo. observe o quão drástico é o efeito da temperatura no rendimento dos motores lineares. Mecatrônica – Prof. Caso não se utilize líquido refrigerante na circulação interna. Acima de 120°C o motor já sofre danos estruturais. palestras e outros eventos para familiarizar-se com este que será o supra-sumo da tecnologia de movimento deste início de século. drenando mais corrente e reduzindo o limite de força útil. veja que existe um espaço de ar entre o primário e o secundário. A literatura disponível sobre motores lineares no Brasil. deve obedecer a dimensão de 1 mm.Tokyo. Nem mais nem menos para reproduzir com exatidão as características mencionadas no catálogo do fabricante. com menor acurácia ou mais rígido. Sakae Yamamura. Esse espaço. diferentes do motor tradicional (duas dimensões) foi elaborado em 1972 pelo Eng. principalmente pelo desenvolvimento das equações de Maxwell para o plano. chamado "gap' (do inglês).3 mm.º Willerson Moreira Ferraz 142 . A ciência é bem nova. do IEEE .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Ainda aproveitando a figura. Prática Utilização de Motor CA Utilização de Motor CC Utilização de Motor de Passo Utilização de Servomotor Mecatrônica – Prof. O tratamento matemático dos motores lineares. agora em três dimensões. Aproveite feiras. Um gap diferente torna o sistema mais instável. com tolerância de 0. resume-se a alguns catálogos de fabricantes estrangeiros ou trabalhos de Mestrado e Doutorado sobre os princípios desses motores. 1 Eletropneumática Os atuadores eletropneumáticos e eletrohidráulicos são responsáveis por grande parte dos movimentos realizados em uma maquina industrial. Quando utilizamos elementos pneumáticos significa que o sistema em questão necessita de uma alta velocidade de atuação. Os elementos atuadores eletropneumáticos são conversores de energia elétrica para mecânica. A hidráulica. entretanto. porem. Estudar os elementos básicos dessas tecnologias e o foco deste capítulo. doravante chamada de solenóide.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba MÓDULO 2 – CONTROLE AVANÇADO 12. cada qual com uma função específica. Sua aparência pode ser vista na figura 1. 48. não exige grandes esforços mecânicos (pegas ou eixos leves). Isso e o que chamamos de eletroválvula. 198) 12. Antes de analisarmos as válvulas. ou apenas válvula pneumática. Através de uma bobina. Controle Moderno Pág. vamos a um breve comparativo entre pneumática e hidráulica.º Willerson Moreira Ferraz 143 . Eletropneumática e Eletrohidráulica (Mecatrônica Pág. eles liberam ou não a passagem do ar comprimido através do embolo. Mecatrônica – Prof. e podemos encontrar vários tipos no mercado. portanto. porem. as válvulas eletropneumáticas são representadas por símbolos. Mecatrônica – Prof. 12. e um sistema extremamente "forte". ou ate mesmo levantar. peças e eixos pesados. o ar é leve e não tem atrito com os dutos. mas o ar e compressível (diminui de volume ao ser comprimido).2 Tipos de válvulas 12. Essa e a razão da sua "lentidão".F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba por outro lado. o que permite a realização de grandes esforços mecânicos. e move-se com maior dificuldade pelos canais dos atuadores. O óleo hidráulico.1 Válvulas eletropneumáticas Assim como os componentes eletrônicos. A razão das diferentes performances ocorre devido ao "meio" atuador. Ele pode mover. não pode realizar muita forca. Vamos a um exemplo pratico: A figura 2 mostra uma válvula 2/2 vias NF (normalmente fechada) acionada por solenóide.2. e pesado em relação ao ar. Na pneumática. por sua vez. porém. Isso faz com que ele possa ser movido rapidamente. sem muita velocidade (por exemplo: um guindaste).º Willerson Moreira Ferraz 144 . A diferença é que o símbolo deve ser interpretado dinamicamente. o líquido não e compressível (não diminui seu volume sob pressão). b) Válvula 3/2 vias NA (normalmente aberta) acionada por solenóide Mecatrônica – Prof. Notem que. fechando a passagem entre a entrada 1 (P) e a saída 2 (A). o núcleo sobe devido ao campo magnético. No exemplo. a mola empurra o núcleo da bobina. quando a bobina da válvula esta desligada. e o numero de dutos a quantidade de vias. A estrutura mecânica desse dispositivo pode ser vista na figura 3. o ar e liberado da via A para a via B. Quando a bobina da válvula e ligada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba O numero de quadrados do símbolo representa o numero de posições da válvula. a mola empurra o núcleo da bobina. figura 4. a) Válvula 3/2 vias NF (normalmente fechada) acionada por solenóide Quando a bobina da válvula esta desligada.º Willerson Moreira Ferraz 145 . o núcleo sobe devido ao campo magnético. ligando a entrada 1 (P) com a conexão 2 (A) e bloqueando o escape 3 (R). bloqueando a entrada 1 (P) e ligando a conexão 2 (A) com o escape 3 (R). Quando a bobina da válvula e ligada. abrindo a passagem entre ambas (1(P) e 2 (A)). quando a válvula esta na posição acionada (do lado do solenóide). Portanto. tinha que ser desenvolvida pela bobina. quanto maior for a dimensão da mola. servo pilotada. figura 5. bloqueando o escape 3 (R) e ligando a entrada 1 (P) com a conexão 2 (A). Quando a bobina da válvula e ligada. figura 6. c) Válvula 3/2 vias NF simples solenóide. Essa força devera ser maior. As válvulas mostradas anteriormente eram acionadas diretamente. a mola empurra o núcleo da bobina. utiliza-se o comando por servopiloto. o núcleo sobe devido ao campo magnético.º Willerson Moreira Ferraz 146 . que consome mais energia. as válvulas maiores necessitam de uma bobina maior. bloqueando a entrada 1 (P) e ligando a conexão 2 (A) com o escape 3 (R). Mecatrônica – Prof. Esse acionamento e composto por uma pequena válvula 3/2 vias que aciona pneumaticamente a válvula principal.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Quando a bobina da válvula esta desligada. Para fazer com que pequenas bobinas consigam acionar grandes válvulas. isso significa que a força necessária para vencer a mola e os atritos no instante da comutação. e) Válvula 5/2 vias simples solenóide. e uma ligação entre a conexão 4 (A) e o escape 5 (R). o núcleo da bobina abre uma passagem para que o ar movimente os dois carretéis da válvula. através de uma válvula de servopiloto.º Willerson Moreira Ferraz 147 . Nessa posição. a válvula e acionada. o núcleo da bobina abre uma passagem para que o ar movimente o carretel da válvula. as molas colocam os dois carretéis na posição inicial. figura 8. O acionamento desta válvula e feito indiretamente. Quando a bobina e ligada. temos uma ligação entre a entrada 1 (P) e a conexão 2 (B). a mola coloca o carretel na posição inicial. e se forma uma ligação entre a entrada 1 (P) e a conexão 4 (A). 2 (B) e o escape 3 (R). e uma outra ligação entre a conexão 2 (B) e o escape 3 (R). servopilotada. Dessa forma. e uma ligação entre a conexão 4 (A) e o escape 3 (R). Nessa posição. figura 7. servopilotada. e se forma uma ligação entre a entrada 1 (P) e a conexão 4 (A). Quando a bobina esta desligada. Mecatrônica – Prof. temos uma ligação entre a entrada 1 (P) e a conexão 2 (B). Quando a bobina e ligada. Dessa forma. Quando a bobina esta desligada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba d) Válvula 4/2 vias simples solenóide. e uma outra ligação entre a conexão. A válvula 4/2 vias simples solenóide e formada por duas válvulas 3/2 vias e é muito utilizada no acionamento de cilindros de ação dupla ou no comando de outras válvulas. a válvula e acionada. e ligando a conexão 2 (B) com o escape 3 (S).º Willerson Moreira Ferraz 148 . e ligando a conexão 2 (B) com o escape 3 (R). e ligando a conexão 4 (A) com o escape 5 (R). Nas válvulas de duplo solenóide não devemos ligar os dois solenóides simultaneamente. g) Válvula 5/2 vias duplo solenóide.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba f) Válvula 4/2 vias duplo solenóide. o carretel da válvula e pilotado para a posição contraria. o carretel da válvula e pilotado para a posição contraria. porque não haverá comutação da válvula. figura 10. servopilotada. o carretel da válvula e pilotado. o carretel da válvula e pilotado. ligando a entrada 1 (P) com a conexão 4 (A). 12. ligando a entrada 1 (P) com a conexão 4 (A). servopilotada. ligando a entra da 1 (P) com a conexão 2 (B). Quando a bobina Y2 e ligada. Quando a bobina Y1 e ligada. Quando a bobina Y2 e ligada. ligando a entrada 1 (P) com a conexão 2 (B). e ligando a conexão 4 (A) com o escape 3 (R).3 Eletrohidráulica A simbologia utilizada para a Eletrohidráulica é a mesma da Eletropneumática. Quando a bobina Y. porém. e ligada. figura 9. Vamos aos tipos: Mecatrônica – Prof. o corpo do dispositivo é mais "robusto". b) Válvula 2/2 vias NA (normalmente aberta) acionada por solenóide Quando a bobina da válvula esta desligada. Mecatrônica – Prof. a mola empurra o carretel abrindo a passagem entre a entrada 1 (P) e a saída 2 (A).º Willerson Moreira Ferraz 149 . Quando a bobina da válvula e ligada. figura 12. o núcleo empurra o carretel. a mola empurra o carretel fechando a passagem entre a entrada 1 (P) e a saída 2 (A). abrindo a passagem entre a entrada 1 (P) e a saída 2 (A). fechando a passagem entre a entrada 1 (P) e a saída 2 (A). Quando a bobina da válvula e ligada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba a) Válvula 2/2 vias NF (normalmente fechada) acionada por solenóide Quando a bobina da válvula esta desligada. figura 11. o núcleo empurra o carretel. Mecatrônica – Prof. a mola empurra o carretel bloqueando a entrada 1 (P) e ligando a conexão 2(A) a conexão 3 (T). figura 13. o núcleo empurra o carretel. bloqueando a conexão 3 (T) e ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (A).º Willerson Moreira Ferraz 150 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba c) Válvula 3/2 vias NF (normalmente fechada) acionada por solenóide Quando a bobina da válvula esta desligada. Quando a bobina e ligada. º Willerson Moreira Ferraz 151 . Mecatrônica – Prof. figura 14.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba d) Válvula 3/2 vias NA (normalmente aberta) acionada por solenóide Quando a bobina da válvula esta desligada. o núcleo empurra o carretel. ligando a conexão 2 (A) à conexão 3 (T) e bloqueando a entrada 1 (P). Quando a bobina e ligada. a mola empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (A) e bloqueando a conexão 3 (T). figura 15.º Willerson Moreira Ferraz 152 . ligando a conexão 1 (P) à conexão 4 (A) e ligando a conexão 2 (B) à conexão 3 (T). Mecatrônica – Prof. o núcleo empurra o carretel. a mola empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (B) e ligando a conexão 4 (A) a conexão 3 (T).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba e) Válvula 4/2 vias acionada por solenóide Quando a bobina da válvula esta desligada. Quando a bobina e ligada. centra fechado.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba f) Válvula 4/2 vias acionada por duplo solenóide Quando a bobina Y2e ligada. esta ligada. o núcleo desta bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (B) e ligando a conexão 4 (A) e ligando a conexão 3 (T). acionado por duplo solenóide e centrada por molas. g) Válvula 4/3 vias. Quando Y. Mecatrônica – Prof. figura 16. porque não haverá comutação das válvulas.º Willerson Moreira Ferraz 153 . e 2(B) a 3(T). Nas válvulas de duplo solenóide não devemos ligar os dois solenóides simultaneamente. temos 4(A) conectado a 1P. figura 19. Quando nenhuma das bobinas esta ligada. Nessa posição. figura 18. o núcleo dessa bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (B) e ligando a conexão 4 (A) a conexão 3 (T). as conexões 4 (A) e 2 (B) estão bloqueadas e a entrada 1 (P) esta ligada a conexão 3 (T) (centro tandem). o núcleo dessa bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 4 (A) e ligando a conexão 2 (B) à conexão 3 (T). acionada por duplo solenóide e centrada por molas. centra aberto. Quando a bobina Y1 e ligada.º Willerson Moreira Ferraz 154 . acionada por duplo solenóide e centrada por molas. Quando a bobina Y2 e ligada. i) Válvula 4/3 vias. Quando nenhuma das bobinas esta ligada. o núcleo dessa bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (B) e ligando a conexão 4 (A) a conexão 3 (T). todas as conexões estão bloqueadas (centra fechado). centro tandem. Nessa posição. o núcleo dessa bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 4 (A) e ligando a conexão 2 (B) à conexão 3 (T). Quando a bobina Y2 e ligada. as molas posicionam o carretel da válvula na posição central. Quando a bobina Y2e ligada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Quando nenhuma das bobinas esta ligada. Quando a bobina Y1 e ligada. Mecatrônica – Prof. Nessa posição. todas as conexões estão interligadas (centra aberto). as molas posicionam o carretel da válvula na posição central. e ligada. o núcleo dessa bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 4 (A) e ligando a conexão 2 (B) à conexão 3 (T). Quando a bobina Y. o núcleo dessa bobina empurra o carretel ligando a entrada 1 (P) à conexão 2 (B) e ligando a conexão 4 (A) a conexão 3 (T). h) Válvula 4/3 vias. as molas posicionam o carretel da válvula na posição central. figura 17. O emprego correto dos diversos tipos de compressores também deve ser considerado.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 12. Esses comprimem o ar até a pressão de trabalho desejada. para os equipamentos.º Willerson Moreira Ferraz 155 . geralmente.4 12. Muito importante é o grau de pureza do ar. Ar limpo garante uma longa vida útil à instalação. A maioria dos acionamentos e comandos pneumáticos funciona através de uma estação central de distribuição de ar comprimido. devem ser consideradas ampliações e futuras aquisições de novos equipamentos pneumáticos. muito cara. Normalmente é especificada Mecatrônica – Prof. Nas indústrias de mineração ou para máquinas que mudam freqüentemente de lugar são usadas instalações móveis de ar comprimido. Os parâmetros de dimensionamento de um compressor são: $ Pressão máxima: é a que o compressor deve atingir. Ao projetar a produção ou consumo de ar. através de uma tubulação. Uma estação compressora fornece o ar comprimido já calculado. Para produção do ar comprimido são necessários compressores.5 Simbologia Compressores Proporcionar conhecimentos de tipos. Uma ampliação posterior da instalação torna-se. de alguns compressores e os critérios para sua escolha. formas construtivas e funcionamento. Não é necessário calcular nem planejar a transformação e transmissão da energia do ar comprimido para cada equipamento (consumidor) individual. Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba em 1bar (aproximadamente) acima da pressão de trabalho do equipamento a ser acionado. pode-se indicar a razão de compressão entre a pressão de descarga (absoluta) e a pressão de entrada (absoluta) do compressor. medida nas condições de pressão e temperatura do ar de admissão. como uma turbina. Basicamente existem dois tipos de compressores. classificados de acordo com o processo de compressão do ar: $ dinâmicos $ deslocamento positivo Compressores dinâmicos Esses compressores trabalham segundo um princípio de aceleração de massa e são adequados para o fornecimento de grandes vazões. $ Capacidade efetiva: vazão de ar comprimido no ponto de descarga do compressor. A velocidade é transformada em pressão no rotor. são construídos em duas versões: $ radial $ axial Compressor radial Este compressor é composto por um rotor com pás inclinadas. Em casos especiais. Os compressores centrífugos multiestágio utilizam 2 ou mais rotores montados no mesmo eixo. no difusor radial e no de saída. Os turbocompressores . Cada estágio tem um difusor radial e um canal de retorno separando os rotores.º Willerson Moreira Ferraz 156 . O ar é empurrado pelo rotor devido sua alta rotação e lançado através de um difusor radial.como também são chamados. por exemplo. agitadores. O compressor centrífugo axial é empregado nas indústrias que necessitam de ar a baixa pressão e alta vazão. ventilação. Compressor axial Esse tipo de compressor é de grande capacidade e de alta rotação. As lâminas do rotor transmitem velocidade e pressão ao ar.º Willerson Moreira Ferraz 157 . comprime o ar reduzindo o seu volume. com características totalmente diferentes do radial. resfriamento de gases. Compressores de deslocamento positivo Compressores de êmbolo com movimento linear A construção desses compressores está baseada na redução de volume da massa gasosa. Mecatrônica – Prof. obtendo assim um aumento de pressão. Isso significa que o ar da atmosfera é confinado em câmara (s) fechada (s) (câmara de compressão) onde um êmbolo. e a velocidade é transformada em pressão nas lâminas estacionárias.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba As principais aplicações desses compressores estão na área de processos que necessitam de grande quantidade de ar. combustão. Cada estágio consiste de duas fileiras de lâminas. como túneis de vento. petroquímicas. uma rotativa e outra estacionária. A faixa de pressão é de cerca de 100 kPa (1 bar) até milhares de kPa. O ar aspirado será comprimido pelo primeiro êmbolo (pistão). para logo ser comprimido pelo segundo êmbolo (pistão).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Este tipo de compressor é apropriado não só para baixas e médias pressões. Mecatrônica – Prof. mas também para altas. Para isso possuem duas câmaras de compressão. Para obter ar a pressões elevadas. uma em cada lado do êmbolo. O volume da segunda câmara de compressão é menor em relação ao da primeira. que tem que ser eliminado pelo sistema de refrigeração.º Willerson Moreira Ferraz 158 . realizando trabalho no avanço e no retorno. Os compressores de êmbolo com movimento linear podem também ser de duplo efeito. refrigerado intermediariamente. são necessários compressores de vários estágios de compressão. Durante o trabalho de compressão é gerado calor. Os parafusos geralmente têm uma configuração complementar. Tendo uma seção transversal em forma de arco circular. resultando num selo entre os compartimentos formados pelas palhetas. A força centrífuga mantém as palhetas comprimidas contra a superfície interna da carcaça excêntrica. formados pelas palhetas. estes lóbulos formam hélices ao longo do comprimento do rotor como as cristas de uma rosca. Compressor rotativo de parafuso Este compressor é composto de dois parafusos entrelaçados que giram em eixos paralelos dentro de uma carcaça com folgas bastante reduzidas. Na primeira fase. tipo macho-fêmea. Ao girar. Compressor de êmbolo rotativo de palhetas deslizantes O compressor de palhetas consiste de um rotor dotado de ranhuras girando em uma carcaça excêntrica. As palhetas ou lâminas inseridas nas ranhuras podem deslizar livremente. Também as extremidades do rotor são seladas. o ar entra através das aberturas nos compartimentos. O rotor macho possui lóbulos convexos que correspondem aos pistões. isento de resíduos de óleo. sucção. À medida que o rotor gira. sendo então aprisionado e seu volume gradativamente reduzido até ser descarregado do lado oposto. Neste caso é necessário que haja uma separação entre a câmara de sucção / compressão e o êmbolo. o que é conseguido através da utilização de um compressor de membrana.º Willerson Moreira Ferraz 159 . O rotor fêmea correspondente possui sulcos côncavos equivalentes aos cilindros que possuem a mesma seção transversal em forma de arco circular para aceitar o lóbulo do rotor-macho complementar. os rotores produzem um ciclo de três fases . A locação excêntrica do rotor em relação à carcaça forma um espaço de folga de seção transversal crescente. os Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Em alguns casos existe a necessidade de ar comprimido de melhor qualidade. Quando o espaço entre lóbulos está completamente cheio. reduzindo progressivamente o volume do ar e conseqüentemente aumentando a pressão. Compressor tipo roots Consiste de dois rotores simétricos em forma de oito. que giram em direção oposta. aprisionando o ar entre o rotor e a carcaça. A fase final de descarga ocorre quando o espaço entre lóbulo cheio de ar comprimido chega ao pórtico de saída. Ao continuar a rotação. transportando o ar de um lado para o outro. chamados de lóbulos. a rotação dos “cilindros” faz com que o espaço passe além da abertura de entrada.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba espaços do “cilindro” passam pela abertura de entrada numa das extremidades da carcaça e são enchidos com ar atmosférico. os “cilindros” realizam a fase de compressão.º Willerson Moreira Ferraz 160 . Aqui os lóbulos helicoidais machos ou pistões giram para dentro dos sulcos do rotor fêmea ou cilindros. axial) Lubrificação ∃ a seco Mecatrônica – Prof. sem alteração de volume Critérios para escolha de compressores Os critérios para escolha de compressores envolvem os seguintes itens: Tipo construtivo ∃ compressor de embolo com movimento rotativo ∃ compressor de êmbolo com movimento linear ∃ compressor dinâmico (radial. O ponto de entrelaçamento move-se ao longo do comprimento do rotor. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba ∃a ∃a óleo injeção de óleo Execução ∃ monoestágio ∃ multiestágio Refrigeração ∃ a ar ∃ a água ∃ por injeção de óleo Regulagem de marcha em vazio( descarga, fechamento) ∃ de carga parcial (rotação) ∃ Intermitente Local de montagem A estação de compressores deve ser montada dentro de um ambiente fechado, com proteção acústica. O ambiente deve ter boa ventilação e o ar sugado deve ser fresco, seco e livre de poeira ou resíduos. Pressão e vazão A pressão e a vazão estão diretamente relacionadas e atuam sobre a capacidade do equipamento e dos componentes. Isto significa que, para cada equipamento, deve estar disponível o ar comprimido necessário como também a pressão de trabalho necessária. Para obter este resultado, são necessários: ∃ suficiente vazão do compressor; ∃ correta pressão na rede; ∃ tubulação de distribuição corretamente dimensionada em função da vazão, da pressão e da queda de pressão admissível. Reservatório de ar comprimido Este reservatório serve para estabilizar a distribuição de ar comprimido. Elimina as oscilações de pressão na rede distribuidora e, quando ocorre uma elevação momentânea do consumo de ar, é uma garantia de reserva. A grande superfície do reservatório refrigera o ar suplementar. Assim, parte da umidade é condensada e separa-se do ar no reservatório, saindo pelo dreno. O tamanho do reservatório de ar comprimido depende : ∃ do volume fornecido pelo compressor; ∃ do consumo de ar; ∃ da rede distribuidora (volume suplementar); ∃ do tipo de regulagem dos compressores; ∃ da diferença de pressão admitida na rede. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 161 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Redes de distribuição de ar comprimido Proporcionar uma base sobre redes de ar comprimido, os materiais utilizados e alguns critérios para montagens. Aplicar, para cada máquina ou dispositivos automatizados, um compressor próprio, é possível somente em casos isolados. Onde existem vários pontos de aplicação, o processo mais conveniente e racional é efetuar a distribuição do ar comprimido posicionando as tomadas nas proximidades dos utilizadores. A rede de distribuição de ar comprimido compreende todas as tubulações que saem do reservatório passando pelo secador e que, unidas, orientam o ar comprimido até os pontos individuais de utilização . A rede possui duas funções básicas: ∃ comunicar a fonte produtora com os equipamentos consumidores; ∃ funcionar como um reservatório para atender as exigências locais. Um sistema de distribuição perfeitamente executado deve apresentar os seguintes requisitos: ∃ pequena queda de pressão entre o compressor e as partes de consumo, a fim de manter a pressão dentro dos limites toleráveis em conformidade com as exigências das aplicações; ∃ não apresentar escape de ar, do contrário haveria perda de potência; ∃ apresentar grande capacidade de realizar separação de condensado. Ao serem efetuados o projeto e a instalação de uma planta qualquer de distribuição, é necessário levar em consideração alguns preceitos. O não cumprimento de certas bases é contraproducente e aumenta sensivelmente a necessidade de manutenção. Formato Válvulas de fechamento na linha de distribuição Montagem Material para a tubulação Ligação entre os tubos Inclinação Drenagem de umidade Tomadas de ar Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 162 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Elementos pneumáticos de trabalho Conhecimento dos tipos de atuadores pneumáticos, as simbologias, formas construtivas e cálculos para o seu dimensionamento. A energia pneumática é transformada em movimento e força através dos elementos de trabalho. Esses movimentos podem ser lineares ou rotativos. Os movimentos lineares são executados pelos cilindros (atuadores lineares) e os movimentos rotativos pelos motores pneumáticos e cilindros rotativos (atuadores rotativos). Os atuadores lineares são: ∃ de ação simples; ∃ de ação dupla. os atuadores rotativos são: ∃ de giro contínuo; ∃ de giro limitado. Atuadores lineares Cilindros de ação simples Cilindros de ação dupla Cilindro com haste passante Cilindro de impacto Cilindro sem haste Cálculos para cilindros As forças realizadas pelos cilindros dependem da pressão do ar, do diâmetro do êmbolo e das resistências de atrito impostas pelos elementos de vedação. A força teórica exercida pelo cilindro é calculada segundo a fórmula: Movimentos rotativos Cilindro rotativo Cilindro de aleta giratória Motores pneumáticos Motores de pistão Motores de pistões radiais Motores de pistões axiais 12.6 Conceitos de projeto Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 163 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Para projetar um sistema pneumático ou hidráulico podemos utilizar vários métodos. Nesta obra, adota-remos o método intuitivo Nele, a pessoa elabora um circuito sem seguir uma determinada regra, utilizando a sua intuição para elaborar o circuito. Os circuitos projetados a partir desse método podem ser muito diferentes uns dos outros, pois existem diversas soluções para um determinado problema e as pessoas pensam de forma diferente. O método intuitivo e mais indicado para circuitos que utilizem somente um atuador ou circuitos para seqüências diretas. 12.5.1 Como elaborar um circuito através do método intuitivo? 1°) Escreva a seqüência que vai ser executada: 2°) Desenhe o circuito pneumático, desenhando os atuadores, válvulas e fins-de-curso, figura 20. 3°) Faca um diagrama indicando os fins-de-curso, os movimentos a serem feitos e os solenóides a serem acionados, conforme a figura a seguir: Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 164 O fim-de-curso S2 liga o solenóide Y2 e desliga o solenóide Yv fazendo o cilindro A recuar. fazendo o cilindro A avançar. o fim-de-curso S1 é acionado. o fim-de-curso S2 é acionado.º Willerson Moreira Ferraz 165 . o solenóide Y1 e acionado. Quando o cilindro A avança. Quando o operador aciona o botão S3. 2.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Este diagrama e lido da seguinte forma: 1. Mecatrônica – Prof. Quando o cilindro A recua. "Temos visto incorporação de várias funções da eletrônica". Essas fontes funcionam de modo análogo às fontes de alimentação nos circuitos eletrônicos. 4. a eletropneumática está adequando-se às novas formas de comunicação em chão de fábrica e. DeviceNet. Com base nas informações fornecidas pelo diagrama elaborado no item 3. Interprete o funcionamento do circuito e verifique se ele consegue executar a seqüência especificada. 12. em cada novo produto. Ele será utilizado para habilitar o reinicio da seqüência.8 Evoluções da Pneumática Fruto de um refinamento da tecnologia pneumática. A partir dessa integração novos campos se abriram para a velha e conhecida pneumática. lembra Daniel Ribeiro Gonçalves. De acordo com Celso Vicente. 12. assim como para as próprias redes de controle digital. complementa Ana Cláudia Fukushiro. procura acompanhar os avanços que rondam o mundo da automação industrial.7 Conclusão Tanto o circuito eletropneumático quanto o eletrohidráulico possuem uma fonte provedora de energia. e na eletrohidráulica a bomba hidráulica. Na Eletropneumática essa fonte e o compressor de ar.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 3. gerente da Divisão Pneumática da Bosch Rexroth. Pneumáticos e de Automação da Abimaq . O fim-de-curso S indica o final da seqüência. Assim como Vicente. Para Vicente é importante que a comunidade técnica entenda essas evoluções da tecnologia pneumática e observe como ela também acompanha as evoluções da mecânica e da hidráulica. Ele cita como exemplo a incorporação da eletropneumática às redes de comunicação digital em chão de fábrica: Profibus.º Willerson Moreira Ferraz 166 . 5. desenhe o esquema elétrico. Asi-Bus e outras. ele considera uma evolução impor- Mecatrônica – Prof. responsável pela área de marketing da Festo Automação. Interbus. presidente da Câmara Setorial de Equipamentos Hidráulicos. A seguir.Associação Brasileira das Indústrias de Máquinas e Equipamentos as principais mudanças da eletropneumática acontecem muito mais do lado da eletrônica que da pneumática propriamente dita. temos um quadro com os principais símbolos dos componentes eletropneumáticos e eletrohidráulicos. "A comunicação eletropneumática em fieldbus tem mais de dez anos". inclusive.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba tante porque a pneumática acompanha todas as tecnologias desenvolvidas no ambiente fieldbus. Enquadram-se como áreas de segurança intrínseca as termelétricas a gás natural ou bagaço de cana. caldeiras. Em um circuito.6 kPa. Apesar de todo o refinamento de controle presente em sistemas digitais ou da precisão encontrada em equipamentos hidráulicos. tanques de armazenamento de combustível. a eletropneumática. De acordo com Vicente. em áreas críticas onde deve-se evitar ao máximo o uso de equipamentos elétricos. a difícil obtenção de velocidades uniformes e paradas intermediárias e limite de pressão máxima de 1723. oscilações de temperatura. Assim como as demais tecnologias. a pneumática também traz suas limitações. Entre elas destacam-se as altas velocidades. recentemente. mas também com menor precisão nas paradas. possui vários projetos de automação de áreas classificadas e não abre mão da tecnologia pneumática. Já a hidráulica tem custo mais alto.º Willerson Moreira Ferraz 167 . não havendo assim. que também é gerente de marketing da Divisão Automabon da Parter Hannifin. de Vicente. A Petrobras. também passou a se comunicar em redes de fibra ótica. A pneumática traz ainda vantagens quanto à facilidade de operação e manutenção de seus componentes. centros de produção de botijões de gás. ainda hoje. mas possui maior força motriz e melhor precisão". a parte pneumática representa o acionamento das partes mecânicas. indispensável em várias partes da indústria. em São José dos Pinhais (PR). onde o risco de explosão deve ser próximo de zero. minimização de contatos (sequência mínima). Segundo Daniel Gonçalves. uma concorrência tão acirrada no mercado. quando se usa a pneumática está se buscando um custo menor.. É o caso das ferramentas de diagnóstico que possibilitam saber o status de instrumentos pneumáticos. Ela é empregada. maximização de contatos (cadeia estacionária) e circuito lógico. etc. enquanto o circuito elé-trico representa a sequência de comandos dos componentes pneumáticos para que as partes móveis das máquinas ou equipamentos apresentem os movimentos finais desejados Mecatrônica – Prof. a Bosch Rexroth já possui projetos nessa tecnologia que foram empregados na fábrica da Audi. por exemplo. Basicamente. É o caso das áreas classificadas. a automação pneumática é. umidade e até submersão em líquidos (quando proje-tada corretamente). Podem ser empregadas em ambientes agressivos onde há a presença de poeira. Ainda no campo da comunicação. existem quatro métodos de construção de circuitos pneumáticos: intuitivo. A eletropneumática é empregada no mercado tanto por usuários finais como por desenvolvedores de máquinas e equipamentos. ela possui uma área de aplicação muito bem definida. É importante lembrar que a pneumática (acionada por solenóide) ou a eletropneumática (acionada por comando elétrico) são bastante robustas e tornam-se insensíveis a vibrações e golpes de ações mecânicas do próprio processo. "Geralmente. ou áreas de segurança intrínseca. são permitidas apenas comunicações ponto-a-ponto entre mestre e escravo. Como esse dispositivo é responsável pelo controle de tráfego. que incorporaram o protocolo 802. apesar da novidade interessante. os produtos estão caminhando para uma modularidade". completa Daniel Gonçalves. Com a eletropneumáutica não poderia ser diferente e os primeiros equipamentos com envio de sinal em wireless já começam a aparecer no mercado. lembrando que a Bosch Rexroth possui várias pesquisas nessa área. No que diz respeito a colisões de dados. onde. Só para citar um exemplo. "A curto prazo. os usuários industriais de eletropneumática poderão criar redes com até oito dispositivos interligados. é comum encontrar equipamentos comunicando-se em uma célula através de cabos e enviando dados para salas de controle pelo sistema wireless. seja lá onde eles estiverem instalados. Mas. principalmente. A Festo Automação informou que não possui conhecimentos sobre a aplicação de rede wireless em eletropneumática. a eletropneumáutica vai aparecer no mercado de automação comunicando-se através do protocolo Bluetooth. Embora aconteça de forma mais tímida que a elétrica. as estações elevatórias comunicam-se com os centros de operações via wireless. sendo um deles o mestre e os outros os escravos. ou ponto a multiponto também no modo mestre/escravo. Sendo assim. esta realidade já é presente em vários pro-jetos das empresas de saneamento. Geralmente. Mecatrônica – Prof. Um sistema disperso chamado scatternet é responsável pela reunião de várias redes sobrepostas onde um grande número de dispositivos podem se comunicar. mas que na matriz alemã deve haver pesquisas sobre o assunto. a eletropneumáutica deverá sair beneficiada por comunicar-se na tecnologia Bluetooth. a tecnologia wireless em pneumática não deverá vingar".11.9 Em sintonia com o futuro Já não é de hoje que o mundo caminha para a eliminação de cabos. nas aplicações com Bluetooth várias redes independentes e não sincronizadas podem se sobrepor ou existir na mesma área. Diferentemente dos CLPs e das IHMs. diz a gerente de marke-ting da Festo. no que diz respeito à confiabilidade de dados. É que cada canal desse protocolo está associado a uma espécie de "sub-rede" e é identificado pela sequência de frequências e pelo relógio do dispositivo mestre. "Cada vez mais. No ambiente de chão-de-fábrica não poderia ser diferente. a parte física da pneumática também passa por mudanças. Uma das mais significativas aconteceu quando as válvulas passaram a ser montadas em trilho Din adequando-se ao padrão de montagem encontrado na indústria. os usuários deverão esperar pelo menos uns três anos para ver a tecnologia empregada a todo vapor.º Willerson Moreira Ferraz 168 .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 12. Com essa tecnologia. padrão de curto alcance e baixo custo. determina o desvio e produz um sinal de controle que reduzirá o desvio a zero ou a um valor pequeno. 177 e 544. é possível obter uma pressão proporcional ao sinal enviado. os efeitos das ações de controle integral e derivativa sobre o desempenho dos sistemas. as placas cerâmicas aparecem como alternativa aos carretéis de aço e plástico.1 Introdução Um controlador automático compara o valor real da grandeza de saída do processo com a grandeza de referência (valor desejado).Para Ana Cláudia. os usuários de eletropneumáutica devem ter produtos com tecnologia acoplada (cilindro e válvula). o usuário emprega as válvulas on/off que permitem deixar um circuito pneumático com ou sem pressão. Manual do Controlador HW1440) 2. A válvula proporcional de pressão é outro exemplo do avanço na parte física da pneumática. A novidade pode fazer com que a tecnologia pneumática ganhe mais espaço nas indústrias de processo. são pouco conhecidas no Brasil. o que pode representar uma grande redução de espaço e custos com manutenção. os fabricantes de maquinas e equipamentos que sempre estão objetivando reduzir o tamanho de seus produtos. Lançadas no Brasil. Posteriormente. Neste capítulo serão discutidas primeiramente as ações de controle básicas usadas nos sistemas de controle industriais. em seguida. há dez anos. Controle PID (Controle Moderno Pág. papel e celulose e siderurgia. da Festo. será considerada a resposta de sistemas de ordem superior.10 Controladores Pneumáticos 12.12 Comparação entre sistemas pneumáticos e hidráulicos 2. A tendência beneficia. A maneira pela qual o controlador automático produz o sinal de controle é chamada ação de controle. em geral. São consideradas menos suscetíveis a ambientes agressivos e encontram grande aplicação nas indústrias de alumínio. Através de um sinal entre 0 e 10 volts.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A parte física da pneumática também passou a contar com novos componentes de vedação. As válvulas com isolação cerâmica são mais caras que as convencionais e. desde que seja associada a equipamentos mecânicos.11 Controladores Hidráulicos 12. Todo sistema físico se toma instável quando algum dos pólos a malha fechada está situado no semiplano s da direita. o que permitiu aumentar a vida útil de válvulas bidirecionais. 12. talvez por esse motivo. Hoje. O Mecatrônica – Prof. cada vez mais.º Willerson Moreira Ferraz 169 . principalmente. como:  Controladores de duas posições ou liga-desliga (on-ojj)  Controladores proporcionais  Controladores do tipo integral  Controladores do tipo proporcional e integral . Obtém-se a função de transferência senoidal e mostra-se o avanço e o atraso de fase que podem ocorrer na resposta senoidal. os controladores pneumáticos e os controladores hidráulicos. 2. hidráulicos. Muitos controladores industriais são eletrônicos.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba critério de estabilidade de Routh é útil para testar a existência ou não de tais pólos a malha fechada no semiplano da direita. ::::omeçaremos com a classificação dos controladores analógicos industriais. O escopo deste capítulo é o seguinte: a Seção 5-1 fornece uma introdução pertinente.  Controladores do tipo proporcional e derivativo  Controladores do tipo proporcional. respectivamente. A Seção 5-8 trata dos controladores eletrônicos que utilizam amplificadores operacionais. Neste ponto introduz-se o princípio de operação dos controladores pneumáticos e hidráulicos e os métodos de geração das várias ações de controle. de acordo com a ação de controle. Mecatrônica – Prof.2 Ações de Controle Básicas Nesta seção serão discutidos os detalhes das ações de controle básicas usadas em controladores analógicos industriais.º Willerson Moreira Ferraz 170 . A Seção 5-3 discute os efeitos das ações de controle integral e derivativa sobre o desempenho do sistema. Neste capítulo estão incluídas discussões sobre este critério de estabilidade. Na Seção 5-9 discutimos o avanço de fase e o atraso de fase na resposta senoidal. A Seção 54 trata dos sistemas de ordem superior e a Seção 5-5 cobre o critério de estabilidade de Routh. Neste capítulo são apresentados os princípios de operação relativos aos controladores pneumáticos. hidráulicos e eletrônicos. Os controladores analógicos industriais podem ser classificados. Finalmente. a Seção 5-10 aborda os erros estacionários nas respostas dos sistemas. A Seção 5-2 apresenta as ações de controle básicas comumente usadas em controladores automáticos industriais. pneumáticos ou uma combinação deles. Controlador automático r------------------------. integral e derivativo. As Seções 5-6 e 5-7 discutem. Classificação de controladores analógicos industriais. O sinal de saída do controlador automático alimenta algum atuador tal como um motor ou válvula pneumática. peso e dimensão. um processo a c>c'· e um sensor (elemento de medição). de acordo com o sinal de controle. e o amplifica até um nível suficientemente alto. custo. . A Fig. um atuador. um atuador. controladores hidráulicos ou controladores eletrônicos. 5-1 Diagrama de blocos de um sistema de controle industrial. usualmente em um baixo níwI tência.º Willerson Moreira Ferraz 171 . disponibilidade. Controlador automático.) O sensor ou elemento de medição é um dispositivo que converte a variável de saída em uma outra variável adeqr tal Mecatrônica – Prof. = so a controlar e um sensor (elemento de medição).-\ e'" de controlador a ser utilizada deve ser decidida com base no tipo de processo a controlar e nas condições de o incluindo considerações como segurança. Os controladores também podem ser classificados.:. confiabilidade. como fonte de energia. precisão. que consiste em um controlador automático. (O atuador é um d~ tivo de potência que produz o sinal destinado a agir sobre o processo. um motor hidráulico ou um motor elétrico.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba II Sinal de i letector de erro i referência: A -I--~-~-n-l. como controladores pneumáticos. tais como óle. de acordo com o tipo de fonte de enerf'JllC!ii. pregada na operação. de tal me o sinal de retroação tenda ao valor do sinal de referência. atuador e sensor (elemento de medição).-_-I : [Ponto] aj~:te Sinal de saída I I I I I Sinal de : erro atuante I ~__________________J Fig. A maioria dos controladores analógicos industriais utiliza eletricidade ou fluido pressurizado. O controlador detecta o sinal de erro atuante. 5-1 traz um diagrama cos de um sistema de controle industrial que consiste em um controlador automático. simplesmente "ligado" ou "desligado" (do inglês on-ojj). no entanto. a abertura da válvula torna-se menor e reduz a vazão através da abertura da válvula. Inversamente. resultando em um movimento para baixo do diafragma. Um exemplo de controlador auto-operado é mostradt: Fig. tal como em controladores operados. Quando a força de pressão para cima for igual à força da mola para baixo. Em muitos controladores automáticos industriais são utilizadas unidades se das para o elemento de medida e para o atuador. Sua posição determina a abertura da válvula.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba como um deslocamento. 5-2 Controlador auto-operado. O controle de duas Mecatrônica – Prof. A pressão controlada é medida pelo diafrag:rr. se a pressão de saída for maior do que a pressão de referência. Controladores auto-operados. Isto acarreta um aumento da vazão e o crescimento da t são de saída. o elemento atuante possui apenas duas posições fixas que são. Controladores auto-operados utilizam a energia volvida pelo elemento de medida e são muito simples e baratos. esses elementos são integrados em uma única unidade. uma pressão ou uma tensão elétrica que pode ser usada para comparar o sinal de saída sinal de referência. O valor do ponto de ajus controlador (set point) deve ser convertido em um sinal de referência com as mesmas unidades que o sinal de retr:: proveniente do sensor ou elemento de medição. Então. Em sistemas mais simples. em muitos casos. Fig.º Willerson Moreira Ferraz 172 . A operação do controlador auto-operado é a seguinte: suponha-se que a pressão de saída seja menor do que a prec de referência. determinada pelo ponto de ajuste. O ponto de ajuste é determinado ajustando-se a força da mola. 5-2. a força da mola para baixo é maior do que a força da pressão cima. Este controlador auto-operado é muito usado para controle de pressão de água e de gás. a) Ação de controle ON-OFF Em um sistema de controle de duas posições. o obturador da válvula permanece estacionário e a vazão fica constante. Este elemento fica no elo de retroação do sistema a malha fechada.J:c sinal de erro atuante é a força atuante líquida que age no diafragma. para e(t) < O onde VI e V2 são constantes. Em um controle de duas posições. As Figs. e as válvulas operadas por solenóide elétrico são extensivamente usadas nestes controladores. O valor mínimo Vz é. o sinal u(t) permanece igual a um valor máximo ou a um valor mínimo. conforme o sinal de erro atuante seja positivo ou negativo. Seja o sistema de controle de nível de líquido mostrado na Fig. entretanto. Ou esta válvula está aberta ou está fechada. Em alguns casos. Esta oscilação do sinal de saída entre dois limites é uma carac:~rística de resposta típica de um sistema de controle de duas posições. extremamente utilizado tanto em sistemas de controle industriais como em sistemas de controle domésticos. Controladores proporcionais pneumáticos com ganhos muito altos atuam como controladores de duas posições e são muitas vezes denominados controladores pneumáticos de duas posições.º Willerson Moreira Ferraz 173 . 5-5. quase sempre é intencionalmente colocado. Note-se que os valores do sinal de saída seguem uma de duas curvas exponenciais. O intervalo através do qual o sinal de erro atuante deve mover-se antes de ocorrer a comutação de valores é denominado intervalo diferencial. usualmente. Este intervalo diferencial faz com que a saída de controlador u(t) mantenha seu valor presente até que o sinal de erro atuante tenha se movido ligeiramente além do valor zero. de modo a impedir uma operação excessiva do mecanismo de comutação. o intervalo diferencial é o resultado de atrito e de perda de movimento introduzidos de forma não-intencional no sistema. Conforme mostrado na Fig. 5-4(b) é usada para controlar a vazão de entrada. o sinal de aída move-se continuamente entre os dois limites requeridos para ocasionar o movimento do elemento atuante de uma posição fixa para outra. Um intervalo diferencial é indicado na Fig 5-3(b). ou a vazão de entrada de água é uma constante positiva ou é nula. de modo que u(t) = Vi' para e(t) > O = Vz. zero ou . por esta razão.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba posições é relativamente simples e barato e. Considere-se u(t) o sinal de saída do controlador e e(t) o sinal de erro atuante. 5-3(a) e (b) mostram os diagramas de blocos de controladores de duas posições.VI' Os controladores de duas posições geralmente são dispositivos elétricos. Com este controle de duas posições. onde a válvula eletromagnética indicada na Fig. Mecatrônica – Prof. 5-4(a). uma correspondente à ação de encher e a outra à ação de esvaziar. ---o q" .. Intervalo diferencial e LI (a) (b) Fig. ~ : Flutuador Bobina magnética c Mecatrônica – Prof..º Willerson Moreira Ferraz 174 . (b) diagrama de blocos de um controlador liga-desliga com intervalo diferencial. entretanto./ ll5V ---. A ampli=de do intervalo diferencial deve ser determinada a partir de considerações relativas à exatidão exigida e à vida do corn. 5-5 verifica-se que a amplitude da oscilação de saída pode ser reduzida diminuindo-se o intervalo diferem:_ Isto.. reduzindo a vida útil do componente. aumenta o número de comutações por minuto da chave.-cnente. 5-3 (a) Diagrama de blocos de um controlador liga-desliga. R Núcleo móvel de ferro ~o .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Da Fig.". _ de saída do controlador u(t) e o sinal de erro atuante eCt) é u(t) = Kpe(t) ou. (b) válvula eletromagnética. Um diagrama de blocos deste controlador é mostrado na Fig.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba h -(a) (b) Fig. U(s) = Kp E(s) onde Kp é denominado ganho proporcional. o controlador proporcional é esseIl mente um amplificador com ganho ajustável.º Willerson Moreira Ferraz 175 . a relação entre o r. no domínio de transformada de Laplace. Mecatrônica – Prof. 5-5 Curva do nível h(t) versus t relativa ao sistema mostrado na F. Para um controlador com ação de controle proporcional. Qualquer que seja o mecanismo real ou a forma da energia usada na operação. b) Ação de controle proporcional Ação de controle proporcional. Seção 5-2 / Ações de Controle Básicas Fig. 5-6. 5-4 (a) Sistema de controle de nível de líquido.= 5-4(a). Para erro atuante nulo. Isto é. o valor de permanece estacionário. 5-7 Diagrama de blocos de um controlador integral. Em um controlador com a ação de controle integral. 5-6 Diagrama de blocos de um controlador proporcional.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Fig. U(s) U(s) Fig. du(t) = Kie(t) dt ou u(t) = Ki f e(t) dt o onde Ki é uma constante ajustável. d) Ação de controle proporcional e derivativa Ação de controle proporcional-e-derivativa. então o valor de uCt) varia duas vezes mais rápido. A ação de controle de um controlador proporcional-ederivativo é definida pela seguinte equação Mecatrônica – Prof. A função de transferência do controlador integral é U(s) = Ki E(s) s Se o valor de e(t) for dobrado.º Willerson Moreira Ferraz 176 . 5-7 mostra um diagrama de blocos desse tipo de controlador. A ação de controle integral é muitas vezes denominada controle de restabelecimento (rese~ Fig. o valor da saída do control-uCt) é variado segundo uma taxa proporcional ao sinal de erro atuante e(t). c) Ação de controle integral Ação de controle integral. º Willerson Moreira Ferraz 177 . é onde a magnitude da saída do controlador é proporcional à taxa de variação do sinal de erro atuante. algumas vezes denominada controle de taxa. 59(b). De fato. então a saída do controlador u(t) é a indicada na Fig. 5-9( c). A ação de controle derivativa. A Fig. 5-9( a) mostra um diagrama de blocos de um controlador proporcional-e-derivativo.--------------: (Somente proporcional) I U(s) e(t) Degrau unitário o o Mecatrônica – Prof. no entanto. 5-9( c). a ação de controle derivativa nunca poderá antecipar uma ação que ainda não tenha ocorrido. O tempo derivativo Td é o intervalo de tempo pelo qual a ação derivada avança o efeito da ação de controle proporcional. conforme mostrado na Fig. u(t) III Kp í-----~---. Como pode ser visto na Fig. Se o sinal de erro atuante e(t) for uma função rampa unitária. a ação de controle derivativa tem um caráter antecipatório.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba e a função de transferência é U(s) = K/1 + Ids) E(s) onde Kp representa ganho proporcional e Td é uma constante chamada tempo derivativo. Tanto Kp como Td são ajustáveis. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba TI (a) (b) (c) Fig. 5-8(a) mostra um diagrama de blocos de um controlador proporcional-eintegral. 5-8 (a) Diagrama de blocos de um controlador proporcional-integral. 5-8(b). O tempo integral ajusta a ação de controle integral. 5-8(c). enquanto uma mudança no valor de Kp afeta tanto a parte proporcional como a parte integral da ação de controle. e) Ação de controle proporcional e integral Ação de controle proporcional-e-integral. (b) e (c) diagramas esboçando um degrau unitário de entrada e o correspondente sinal de saída do controlador. como mostrado na Fig. A ação de controle de um controlador proporcional-eintegral é definida por K fi u(t) = Kpe(t) + -E e(t) dt Ti o ou a função de transferência do controlador é U(S) = K (1 +~) E(s) p TiS onde Kp representa o ganho proporcional e Ti é chamado tempo integral. Se o sinal de erro atuante e(t) for uma função em degrau unitário. A taxa de restabelecimento é medida em termos de repetições por minuto. A Fig. Tanto Kp como Ti são ajustáveis.º Willerson Moreira Ferraz 178 . Mecatrônica – Prof. então a saída do controlador u(t) é a indicada na Fig. A taxa de restabelecimento é o número de vezes por minuto que a parte proporcional da ação de controle é duplicada. O inverso do tempo integral Ti é denominado taxa de restabelecimento. apresenta as desvantagens de ~ os sinais de ruído e causar um efeito de saturação no atuador.º Willerson Moreira Ferraz 179 . (b) e (c) diagramas esboçando uma rampa uIliUlIlll trada e o correspondente sinal de saída do controlador. f) Ação de controle proporcional. Enquanto a ação de controle derivativa possui a vantagem de ser antecipatória. Note-se que a ação de control~ derivativa nunca pode ser usada sozinha porque esta ação de controle somente é~ durante os períodos transitórios. 1II controle integral e ação de controle derivativa é denominada ação de controle proporcional-integralderivativa Es:: Mecatrônica – Prof."''\ '" '" (Somente lLOlIIIII '" '" o (a) (b) (c) Fig. integral e derivativa. 5-9 (a) Diagrama de blocos de um controlador proporcional-derivativo. A combinação da ação de controle proporcional. Ação de controle proporcional-integral-derivativa.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba u(t) U(s) e(t) '" ". º Willerson Moreira Ferraz 180 .. 5-1 O(b). 5-1O( c). O di3tp blocos de um controlador proporcional-integral-derivativo é mostrado na Fig. 5-1O(a)..'" Ação de y.'" ".'" '" '" ".e(t) dt + Kp~t-~ o dt ou pela função de transferência U(s) ( 1 ) -.:r Kp(l + TiS + Ti TdS") I U(s) TiS (a) u(t) Ação de ". A equação de um controladOl[ .::::\DI ação combinada é dada por Kp LI deU) u(t) = Kpe(t) + ..~ estática e dinâmica do sensor ou elemento de medida afetam a indicação do valor real da variável de saída. conforme mostrado na Fig.'" '" '" '" controle PD Mecatrônica – Prof.'" controle PID '" '" '-<X'" ".+ ~IS E(s) ~s onde Kp representa o ganho proporcional. então a saída do controlador u(t) será a indicada na Fig.. o sens.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba combinada possui as vantagens de cada uma das três ações de controle individuais. Efeitos do sensor (elemento de medida) no desempenho do sistema.. Uma vez que as cara. Td representa o tempo derivativo e Ti representa o tempo integral. Se e(t) for uma função l~ tária.= Kp 1 + . Se as constantes de tempo de um sensor são suficientemente pequenas. (b) e (c) diagramas esboçando uma ram. 2. respectivamente. O sensor normalmente determina a função de transferência no ramo de retroação. a função de transferência do sensor simplesmente se torna uma constante.. 5-11(a). senta um papel importante na determinação do desempenho global do sistema de controle." ria de entrada e o correspondente sinal de saída do controlador. As Figs. A resposta de um sensor térmico é normalmente do tipo de segunda ordem superamortecido.3 Efeito do Controle PID sobre o desempenho do sistema ·.5-3 EFEITOS DAS AÇÕES DE CONTROLE INTEGRAL E DERIVATIVA SOBRE O DESEMPENHO DO SISTEMA Mecatrônica – Prof. (b) e (c) mostram diagramas de blocos de controladores automáticos dotados de um sensor de primeira ordem.º Willerson Moreira Ferraz 181 . comparadas com outras constantes de tempo no sistema de controle.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba /'\ '" '" (Somente proporcional) '" '" e(t) (b) o (c) Fig. de segunda ordem superamortecido e de segunda ordem subamortecido. 5-10 (a) Diagrama de blocos de um controlador proporcional-integral-derivativo. " . O sinal de controle uCt) pode possuir um valor não-nulo quando o sinal de erro atuante eCt) for nulo. conforme indicado na Fig. de modo que os efeitos das ações de controle integral e derivativa sobre o desempenho do sistema possam ser vistos claramente. (b) gráficos das curvas e(t) e u(t) mostrando sinal de controle nulo para sinal de erro atuante nulo (controle proporcional).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Nesta seção serão investigados os efeitos das ações de controle integral e derivativa sobre o desempenho do sistema. Este erro residual pode ser eliminado se for incluída no controlador uma ação de controle integral. 5-12 (a) Gráficos das curvas e(t) e u(t) mostrando sinal de controle não-nulo para sinal de erro atuante nulo (controle integral). 5-12(a). No controle proporcional de um processo cuja função de transferência não possui um integrador 1/s há um erro em regime estacionário. (a) Mecatrônica – Prof. Ação de controle integral. 5-12(b) mostra a curva de eCt) versus t e a curva correspondente u(t) versus t quando o controlador é do tipo proporcional. *)~ ~ . (Um sinal de erro atuante não-nulo em regime estacionário significa que há um erro residual. em qualquer instante é igual à área sob a curva do sinal de erro atuante até aquele instante.t Fig.t --~-==----.. *)L OtO (a) (b) -~--===-----'. uma vez que um sinal de controle não-nulo necessita de um sinal de erro atuante não-nulo. Isto é impossível no caso do controlador proporcional.U)~ Ot "('l~ ). No controle integral de um processo. erro residual.º Willerson Moreira Ferraz 182 . o sinal de saída do controlador. na resposta a uma excitação em degrau.) A Fig. o sinal de controle. Aqui se consideram somente sistemas simples. 5-13(b). A Fig. ambas mente indesejáveis. (b) diagrama de blocos do sistema. Q. em uma resposta oscilatória com amplitude lentamente decrescente ou mesmo com amplitude crescente. E(s) = X(s) . o diagrama de blocos do sistema pode ser obtido como indicado na Fig. Sob estas hipóteses.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba (b) Fig. que este erro pode ser eliminado se for incluída no controlador uma ação de controle inte2J::Íl. 5-13(a) mostra um sistema de controle de nível de líquido.º Willerson Moreira Ferraz 183 . H e Q. Controle integral de sistemas de controle de nível de líquido. Note-se que a ação de controle integral. são pequenas quantidades. que os valores instantâneos das variáveis. embora remova o erro residual ou erro em regime estacionário. x. ainda. Admite-se que o controlador seja um contr=í" integral. a função de transferência a malha fechada entre H(s) e X(s) é H(s) = X(s) KR RCs2 + s + KR Portanto. agora. pode _~. Considera-se. 5-13 (a) Sistema de controle de nível de líquido. Da" 13(b). Na Seção 4-2 verificou-se que o cc proporcional de um sistema de nível de líquido apresenta um erro em regime estacionário a uma excitação em Será mostrado. qj' h e qO' medidos em relação aos seus respectivos de regime estacionário X.H(s) X(s) X(s) RCs2 + S RCs2 + s + KR Mecatrônica – Prof. de modo que o sistema possa ser coes' do linear. O controlador proporcional fornece :. portanto. Considere-se o sistema indicado na Fig.:::rr:' que T para posicionar o elemento de carga. citação em degrau. Agora. s(RCs2 + s) 1 = 11m HO RCs2 + s + KR s =0 o controle integral do sistema de nível de líquido. O torque perturb' designado por D. Esta é uma vantagem importante em relação ao controle proporcional que resulta em erro resi ' Resposta a torques de perturbação (controle proporcional). Admitindo-se nulo o sinal de referência. ou seja. a função de transferência entre C(s) e D(s) é dada pcr. investiguemos o efeito de um: perturbador aplicado à carga. que consiste em momento de inércia e atrito viscoso.º Willerson Moreira Ferraz 184 . o erro em regime estacionário da resposta a uma excitação em degrau unitário é : pela aplicação do teorema do valor final como se segue e" = lim sE(s) s->o . R(s) = O. C(s) _ 1 D(s) Is2 + bs + Kp I D R c Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Uma vez que o sistema é estável. elimina o erro em regime estacionário na resposta a ~. 5-14. o controlador proporcional fornece o torque . entretanto. Portanto. Sejam considerados dois casos: Caso 1: J = 1. 5-14 Sistema de controle com torque perturbador.5.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Fig. quando este é submetido a uma perturbação em degrau unitário. especificamente. é o erro em regime estacionário pode ser reduzido aumentando-se o valor do ganho Kp.º Willerson Moreira Ferraz 185 .Td que é igual em módulo. 2. curvas de resposta para valores pequenos e para valores grandes de Kp. A seguir serão obtidas curvas de resposta do sistema mostrado na Fig. devida ao torque perturbador em degrau. de valor Td. ao torque perturbador Td' A saída em regime permanente. Kp = 1 (sistema 1): Mecatrônica – Prof.4 Simulações de Sistemas com Matlab Obtenção de resposta com o MA TLAB. E(s) _ _ C(s) = 1)(s) 1)(s) o erro em regime estacionário devido a um torque perturbador em degrau. O aumento deste valor. é dado por eu = lim sE(s) s->o -s = lim s->o Js2 + bs + Kp s Em regime permanente. Serão obtidas. 5-14. b = 0. mas oposto em sinal. resultará em uma resposta mais oscilatória do sistema. para o sistema 1 num1 = [O den1 = [1 O 1] 0. e y2 é a resposta eU) do sistema 2. é conveniente que os vetares... Assim. y1 é a resposta e(t) do sistema 1. b = 0.5s + 1 Caso 2: J = 1. especifica-se o mesmo número de pontos a serem calculados a partir da escc·:::r. no Programa MATLAB 5-1.) Para utilizar o comando plot com argumentos mú. Contudo.1 :20). Seção 5-3 / Efeitos das Ações de Controle Integral e Derivativa Sobre o Desempenho do Sistema Note-se que. (Obtêm-se os mesmos resultados em ambos os casos. pontos correspondentes aos instantes de tempo (como.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba C(s) _ 1 1)(s) S2 + 0.5 4] No Programa MATLAB 5-1 foram usadas as notações y1 e y2 para o sinal de resposta. o mesmo número de elementos.. O Mecatrônica – Prof. Kp = 4 (sistema 2): C(s) _ 1 1)(s) S2 + 0.:: sejam do mesmo tamanho. por exemplo.:: . . necessariamente. yl e y2 não devem ter.5.º Willerson Moreira Ferraz 186 .5 1] e para o sistema 2 num2 = [O den2 = [1 O 1] 0. t = 0:0.5s + 4 Note-se que. o comando plot com argumentos múltiplos foi utilizado no lugar do 0= do hold. º Willerson Moreira Ferraz 187 . den/t) As curvas de resposta ao degrau unitário obtidas pelo uso do Programa MATLAB 5-1 são mostradas na Fig. 5-15 Resposta ao degrau de dois sistemas 1. 5-15 Curvas de resposta ao degrau unitário. 186 Capítulo 5 / Ações de Controle Básicas e Controladores Automáticos Industriais Mecatrônica – Prof. no Programa MATLAB 5-1 foi usado o seguinte comando step: [y/ x/ t] = step(num.5 rs 14 16 18 20 Fig. Em conseqüência.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba comando step deve incluir esr= de t definido pelo usuário. Para eliminar o erro residual devido ao torque perturbador. se as raízes da equação característica K Is3 + bs2 + K s + ~ = O p ~ Mecatrônica – Prof. A Fig. A função de transferência a malha fechada entre C(s) e D(s) é C(s) _ D(s) s Na ausência de sinal de referência. desde que o sistema de controle seja estável. haverá um torque desenvolvido pelo controlador visando reduzir este erro. o sinal de erro é obtido a partir de E(s) = s K D(s) Is3 + bs2 + K s + ~ p ~ Se este sistema de controle for estável. o controlador proporcional deve ser substituído por um controlador proporcional-integral. 5-16 mostra o controle proporcional-integral de uma carga constituída de inércia e de atrito viscoso. Resposta a torques de perturbação (controle proporcional-integral). 5-16 Controle proporcional-integral de uma carga constituída de inércia e de atrito viscoso. isto é.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba D c Fig. enquanto houver sinal de erro. ou seja. então. para r(t) = O.º Willerson Moreira Ferraz 188 . Se for adicionada ao controlador uma ação de controle integral. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba tiverem partes reais negativas. Conseqüentemente. então o sistema sempre resultaria instável porque a equação característica possuiria raízes com partes reais positivas. 5-16. Seção 5-3 / Efeitos das Ações de Controle Integral e Derivativa Sobre o Desempenho do Sistema 187 Mecatrônica – Prof.) É importante observar que. Note-se que. 5-17. Note-se que a ação de controle integral adicionada ao controlador proporcional converteu o sistema originalmente de segunda ordem em um sistema de terceira ordem. se o controlador fosse um controlador integral. a ação de controle proporcional tende a estabilizar o sistema. Um sistema instável deste tipo não poderia ser usado na prática.º Willerson Moreira Ferraz 189 . no sistema da Fig. então o erro em regime estacionário da resposta a um torque perturbador em degrau unitário é obtido aplicando-se o teorema de valor final da seguinte forma: ess = lim sE(s) s-->o = lim s-->o 3 2 Kp S Is' + bs + K s + p ~ 1 =0 Portanto. (O sistema de segunda ordem será sempre estável se os coeficientes na equação diferencial do sistema forem todos positivos. o erro em regime estacionário em relação ao torque perturbador pode ser eliminado se o controlador for do tipo proporcional.integral. como na Fig. enquanto a ação de controle integral tende a eliminar ou reduzir o erro em regime estacionário em resposta a vários sinais de entrada. o sistema de controle pode tornar-se instável para um valor grande de Kp desde que as raízes da equação característica possam possuir partes reais positivas. Ação de controle derivativa.JL. tendendo a aumentar a estabilidade do sistema. o que resulta em uma melhoria na precisão em re~'1'lE' estacionário. Embora o controle derivativo não afete diretamente o erro em regime estacionário.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba D c Fig. 5-18(a). antecipa o erro atuante e inicia uma ação ~::Fretiva mais cedo.º Willerson Moreira Ferraz 190 . quando adicionada a um controlador proporcio::. Seja o sistema indicado na Fig. Sistemas de controle proporcional com carga de inércia. será considerado o controle proporcional de uma carga de inércia. O controle derivativo. Antes de discutir o efeito da ação derivati\"&. 5-17 Controle integral de uma carga constituída de i=cia e de atrito viscoso.>:Fcional. portanto. portanto. É sempre utilizado em combinação com ação proporcional ou com ação pro. A ação de controle derivativa. lll3' desempenho do sistema.=-1ti é que ela responde à taxa de variação do erro atuante e pode produzir uma correção significativa antes de o valor do atuante tornar-se demasiadamente grande. ele introduz amortecimento no SJr tema e. A função de transferência a malha fechada é obtida corno C(s) = Kp R(s) Js2 + Kp Como as raízes da equação característica Js2 + K = O p Mecatrônica – Prof. este modo nunca é usado sozinho. Devido ao fato de o controle derivativo operar sobre a taxa de variação do erro atuante e não sobre o próprio erro 2Cl:ante. Uma vantagem em se usar ação de controle deri\"&.integral. permite o uso de um valor maior do ganho K. propicia um meio de obter um controlador com alta sensibilidade. . Será visto que a adição de :. ID"".º Willerson Moreira Ferraz 191 . Controle proporcional-derivativo de um sistema com carga de inércia. a resposta a uma excitação em degrau unitário continua a oscilar indefinidamente.'B contrária apropriada antes de ocorrer uma ultrapassagem demasiadamente grande. como mostrado na F'~ 5-18(b). Ot (b) Fig. Seja feita a substituição do ~mtrolador proporcional por um controlador proporcional-derivativo cuja função de transferência é Kil + Tds). Sistemas de controle que exibem estas características de resposta não são desejáveis. O torqz desenvolvido pelo controlador é proporcional a Kp(e + Te! e). 5-18 (a) Controle proporcional de um sistema com carga de inércia: '" resposta a um degrau unitário.1m controle derivativo estabilizará o sistema. C(s) (a) e(t) 1 lAAJ. 188 Capítulo 5 / Ações de Controle Básicas e Controla dores Automáticos Industriais Mecatrônica – Prof. O controle derivativo é essencialmente antecipatório.z a velocidade de erro instantânea. prediz grandes valores de ultrapassagem antecipadamente no tempo e produz uma ~.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba são imaginárias. Mecatrônica – Prof.---'/ O ) I C(s) (a) (b) Fig. o controle derivativo introduz um efeito de amortecimento. 5-19(a). 519(b). e Td' Portanto.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba eU) 1. Evidentemente. 5-19 (a) Controle proporcional-derivativo de um sistema com carga de inércia. (b) resposta a um degrau unitário.º Willerson Moreira Ferraz 192 . Considere-se o sistema mostrado na Fig. Kp. Uma curva de resposta típica c(t) a uma excitação em degrau unitário é fornecida na Fig. a curva de resposta mostra uma melhoria significativa em relação à curva de resposta original indicada na Fig. A função de transferência a malha fechada é dada por C(S) _ Kp(1 + ~s) R(s) Js2 + KpTds + Kp A equação característica agora possui duas raízes com partes negativas para valores positivos de J. 5-18(b). e de Kd suficientemente grande de modo a se ter o valor de ~ entre 0.4 e 0. simultaneamente. Seja o sistema mostrado na Fig.Kd em lugar de B. A função de transferência a malha fechada é C(s) Kp + Kds R(s) Js2 + (B + Kd)s + Kp o erro estacionário a uma excitação em rampa unitária é B e =55 K p A equação característica é A constante de amortecimento efetiva do sistema é B +. 5-20. fazendo-se os valores de B pequeno.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Controle proporcional-derivativo de sistemas de segunda ordem.7. C(s) Fig. Pode-se alcançar uma solução de compromisso entre o comportamento em regime transitório e o comportamento em regime estacionário por meio da ação de controle proporcional-derivativa. de Kp elevado. valores pequenos para o erro de regime permanente ess a uma excitação em rampa e para o valor de ultrapassagem a uma excitação em degrau. Seção 5-3 I Efeitos das Ações de Controle Integral e Derivativa Sobre o Desempenho do Sistema 189 Mecatrônica – Prof. 5-20 Sistema de controle. Como o coeficiente de amortecimento ~ deste sistema vale é possível obter.º Willerson Moreira Ferraz 193 . F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba L 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 m eU) 1,0 0,8 0,6··· 0,4 m 0,2·· O O Fig. 5-21 Curvas de respostas ao degrau unitário do sistema de segunda orci.=:rr C(s) _ w~ s + z R(s) Z S2 + 2f;wns + w~ ~ = 0,5 2 3 4 5 678 úJnt A seguir, será examinada a resposta ao degrau unitário do sistema mostrado na Fig. 5-20. Seja a definição wn = FJ, A função de transferência a malha fechada pode ser escrita C(s) _ w~ s + Z R(s) Z S2 + 2~wns + w~ Quando um sistema de segunda ordem possui um zero próximo dos pólos a malha fechada, o comportamento da re5Çli transitória se torna consideravelmente diferente daquele de um sistema de segunda ordem sem o zero. Se o zero em s = - z estiver localizado próximo ao eixo jw, seu efeito sobre a resposta ao degrau unitário será b~ significativo. Curvas de resposta ao degrau típicas deste sistema, para valores de S = 0,5 e diversos valores de zJ(~ú4 mostradas na Fig. 5-21. 2.5 Regras de Sintonia para Controladores PID Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 194 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Controle PID e Introdução ao Controle Robusto 10-1 INTRODUÇÃO Nos capítulos anteriores discutimos, em algumas ocasiões, as configurações básicas do controle PIO. No Capo 5, por e1;. foram apresentados controles PIO hidráulicos, pneumáticos e eletrônicos. Nos Caps. 7 e 9 foram projetados sislê controle envolvendo os controladores PIO. Neste capítulo serão apresentadas inicialmente as regras de sintonia dos controladores PIO básicos e, em segu:i~ cutiremos as formas modificadas da estratégia de controle PIO abrangendo o controle PI-O, o controle I-PO e o 0c PIO a dois graus de liberdade. Finalmente, será introduzido o conceito de projeto robusto. É interessante assinalar que mais da metade dos controladores industriais em uso nos dias atuais utiliza estraré:controle PIO ou PIO modificadas. A maioria dos controladores analógicos é hidráulica, pneumática, elétrica e eleu . ou resulta de uma combinação destes tipos. Correntemente, muitos deles são transformados em digitais por im"" , dos microprocessadores. Tendo em vista que a maioria dos controladores é ajustada no local de uso, têm sido propostos na literatura muitc,;; diferentes de regras de sintonia. A utilização destas regras de sintonia tem tornado possível o ajuste suave e pru.-i5: controladores PIO no local de uso. Além disso, têm sido desenvolvidos métodos visando à sintonia automática e "_ controladores PIO podem ser dotados de capacidade de sintonia automática, em operação (on tine). Formas mod:de controle PIO, tais como o controle I-PO e o controle PIO a dois graus de liberdade, são usadas correntemente na tria. Muitos métodos práticos de comutação suave (da operação manual para a operação automática) e de program--;ganho estão disponíveis comercialmente. A utilidade dos controles PIO reside na sua aplicabilidade geral à maioria dos sistemas de controle. No camp: sistemas de controle de processos contínuos, é fato conhecido que as estruturas de controle PIO e PIO modificadas :_. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 195 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba ram sua utilidade ao propiciar controle satisfatório, embora não possam fornecer o controle ótimo em muitas sitr' específicas. Escopo do capítulo. A Seção 10-1 apresentou um material introdutório. A Seção 10-2 trata dos métodos de s;· para o controle PIO básico, comumente conhecidos como regras de Ziegler-Nichols. A Seção 10-3 discute os esq de controle PIO modificados tais como o controle PI-O e o controle I-PO. A Seção 10-4 apresenta os esquemas de c,le PIO a dois graus de liberdade. A Seção 10-5 introduz o conceito de controle robusto utilizando o sistema de conrr-:' dois graus de liberdade como exemplo, 10-2 REGRAS DE SINTONIA PARA CONTROLADORES PID Controle PID e processos a controlar. A Fig. 10-1 mostra o controle PIO de um processo. Quando se tec modelo matemático do processo, é possível aplicar várias técnicas visando à determinação dos parâmetros do contro:" que atendam às especificações de regimes transitório e estacionário do sistema a malha fechada. Nos casos, contudc.. que o processo seja tão complicado que seu modelo matemático não possa ser obtido com facilidade, então a abor ~... analítica para se projetar um controlador PIO deixa de ser viável. Nestes casos deve-se fazer uso das técnicas expe "r tais de sintonia dos controladores PIO. O procedimento de seleção dos parâmetros do controlador de modo a serem atendidas as especificações de deser::I:li!'nho é conhecido como sintonia do controlador. Ziegler e Nichols propuseram regras para a sintonia de controladores PBJ· (significando o ajuste dos valores de Kp, Ti e Td) baseadas na resposta experimental a uma excitação em degrau ou no Y2íiIf 544 - Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 196 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Fig. 10-1 Controle PID de um processo. de Kp que resulta em estabilidade marginal quando se utiliza unicamente a ação de controle proporcional. As regras de Ziegler-Nichols, apresentadas a seguir, são muito convenientes nos casos em que não se conhece o modelo matemático do processo. (Estas regras podem, naturalmente, ser aplicadas ao projeto de sistemas com modelo matemático conhecido.) Regras de Ziegler-Nichols para a sintonia de controladores PID. Ziegler e Nichols propuseram regras para se determinarem os valores do ganho proporcional Kp, do tempo de integral Ti e do tempo derivativo Td, com base nas características da resposta transitória de um determinado processo a controlar. Tal determinação de parâmetros, ou sintonia, dos controladores PID pode ser feita na própria instalação (on site) através de experimentos sobre o processo. (A partir da proposta de Ziegler-Nichols, um grande número de outras regras para a sintonia de controladores PID tem sido sugerido. Estas regras estão disponíveis na literatura. Aqui, no entanto, serão apresentadas somente as regras de sintonia de Ziegler-Nichols.) Há dois métodos designados como regras de sintonia de Ziegler-Nichols. Em ambos se pretende obter um valor máximo de ultrapassagem de 25% na resposta a uma excitação em degrau (ver Fig. 10-2). e(t) o Fig. 10-2 Curva de resposta ao degrau unitário mostrando um valor mát ximo de ultrapassagem de 25%. Primeiro método. No primeiro método se obtém experimentalmente a resposta do processo a controlar a uma excitação em degrau unitário, conforme mostrado na Fig. 10-3. Quando o processo a controlar não envolver integradores nem pólos dominantes complexos-conjugados, a curva de resposta ao degrau unitário pode se assemelhar a uma curva em forma de S, como é mostrado na Fig. 10-4. (Se a resposta não apresentar esta curva em forma de S, o método não se aplica.) Tais curvas de resposta ao degrau podem ser geradas experimentalmente ou a partir de uma simulação dinâmica do processo a controlar. Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 197 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba b5d . u(t) :.º Willerson Moreira Ferraz 198 .:H) "-.. a controlar e(t) Fig. Seção 10-2 I Regras de Sintonia para Controladores PIO 545 Mecatrônica – Prof. 10-3 Resposta de um processo a uma excitação em degrau unitário. Reta tangente no ponto de inflexão K Fig.. 10-4 Curva de resposta em forma de S. s + TdS) = 1.. Ti e Td de acordo com a fórmula mostrada na Tabela 10-1. o tempo de retardo L e a constante de tempc' --: tempo de retardo e a constante de tempo podem ser determinados traçando-se uma reta tangente à curva em forma d. A função de transferência C(s)/U(s) pode ser aproximada à de um sistema de primeira ordem com retaró: transporte. L Assim. 5 ponto de inflexão e determinando-se as interseções com o eixo dos tempos e com a reta c(t) = K. como a seguir: C(s) = Ke-Ls U(s) Ts + 1 Ziegler e Nichols sugeriram ajustar os valores de Kp.SL . s Tabela 10-1 Regra de sintonia de Ziegler-Nichols baseada na resposta do processo a controlar a uma excitação em degrau (Primeiro Método) Tipo de Controlador Kp Ti Td P T O .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba A curva em forma de S pode se caracterizar por duas constantes.º Willerson Moreira Ferraz 199 . Mecatrônica – Prof. conforme assinal&:i: Fig.3 PIO l2~ 2L O.5LS) L 2Ls (s + ~r = 06T . o controlador PID possui um pólo na origem e um zero duplo em s = . Observe-se que o controlador PID sintonizado através do primeiro método das regras de Ziegler-Nichols fornece Gc(s) = Kp( 1 + .2 T (1 + _1_ + 0.l/L. L 0.00 L PI 09 ~ L O . 10-4. então o método não se aplica. 10-5 Sistema a malha fechada com controlador proporcional. Ti e Td de acordo com a fórmula mostrada na Tabela 10-2. 10-6 Oscilação mantida com período Pec.:mente a ação de controle proporcional (ver Fig.~ metros K.. quaisquer que sejam os yú:res de Kp.) Em conseqüência. Neste segundo método ajustam-se primeiro os valores de Ti = CXl e Td = O. de O a um valor crítico Kcr para o q~ sinal de saída apresente oscilações mantidas. eU) Fig. Ziegler e Nichols sugeriram ajustar os valores dos pa. são determinados experimentalmente os valores de g:1!':iíw" crítico Kcr e o período crítico correspondente Pcr.. 10-6).__~______________________________~____~______________'c'. Utilizando-se :.º Willerson Moreira Ferraz 200 . 10-5). eU) o Fig. (Se o sinal de saída não apresentar oscilações. 546 Capítulo 10 / Controle PID e Introdução ao Controle Robusto ."Y'" Mecatrônica – Prof. aumenta-se o valor de~.. (ver Fig.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Segundo método. mas que não possuam integradores. além das regras de sintonia de Ziegler-Nichols. As regras de sintonia de Ziegler-Nichols (e outras regras de sintonia apresentadas na literatura) têm sido usadas largamente para sintonizar controladores PID em sistemas de controle de processos nos casos em que se desconhece a dinâmica precisa do processo a controlar. considere-se o seguinte caso: Suponha-se que um sistema de controle com retroação unitária possui um processo a controlar cuja função de transferência seja G(s) = (s + 2)(s + 3) s(s + l)(s + 5) Mecatrônica – Prof.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Tabela 10-2 Regra de sintonia de Ziegler-Nichols baseada no ganho crítico Kcr e no período crítico Pcr (Segundo Método) Tipo de Controlador Kp T.45Kcr _l_p O 1. a verdadeira utilidade das regras de Ziegler. para processos com dinâmica complicada.Nichols (e de outras regras de sintonia) se toma evidente quando não se conhece a dinâmica do processo a controlar de modo a se poder usar abordagens analíticas ou gráficas disponíveis para projetar os controladores. ou os valores do ganho crítico Kcr e do período crítico Pcr. Geralmente.5P" O. é possível aplicar as regras de sintonia de Ziegler-Nichols. Assim. o controlador PID possui um pólo na origem e um zero duplo em s = -4IPcr' Comentários.125P" Observe-se que o controlador PID sintonizado de acordo com o segundo método das regras de ZieglerNichols fornece Assim.5Kcr 00 O PI O. em alguns casos não é possível aplicar estas regras. Ti e Td a partir das Tabelas 10-1 e 10-2.6Kcr O. pode-se calcular a resposta ao degrau unitário.º Willerson Moreira Ferraz 201 . quando o processo a controlar possui integradores. tais regras de sintonia provaram ser de grande utilidade. (Quando se conhece a dinâmica do processo a controlar. é possível determinar os parâmetros Kp. Para ilustrar um caso em que não se aplicam as regras de Ziegler-Nichols. Contudo. Td P O. dispõe-se de muitas abordagens analíticas e gráficas para o projeto de controladores PID.) Quando a função de transferência do processo a controlar é conhecida.2 cr PIO O. Contudo. com base nos valores calculados. Ao longo de muitos anos. o primeiro método não se aplica.:.. Quando o processo a controlar é tal que as regras de sintonia de Ziegler-Nichols podem ser aplicadas. Po segundo método não se aplica.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Em virtude da presença do integrador. o valor má: de ultrapassagem é de aproximadamente 25%. Na média (com base em muitos processos a controlar). Como a equação característica do sistema é s(s + 1)(s + 5) + Kp(s + 2)(s + 3) = O ou a tabela de Routh se toma S3 1 5 + 5Kp S2 6 + Kp 6Kp SI 30 + 29Kp + 5K~ O 6 + Kp SO 6Kp Seção 10-2 / Regras de Sintonia para Controladores PIO Controlador PID Fig. Os coeficientes da primeira coluna são positivos para todos os valores positivos de Kp. 10-7 Sistema controlado com PID. o si> a malha fechada não apresenta oscilações mantidas e. 10-5). Referindo-se à Fig. é 5-. em vez disso. (Isto é bastante compreensível porque os valores sugeridos nas Tabe~ I e 10-2 são baseados na média. possível (experimentalmente ou de outra forma) realizar uma sintonia fina de modo que o sistema a malha fechadá . Mecatrônica – Prof. então o Slo com um controlador PID sintonizado segundo as regras de Ziegler-Nichols apresentará valor máximo de ultrapass·:: uma excitação em degrau em torno de 10% . se o valor máximo de ultrapassagem for excessivo.º Willerson Moreira Ferraz 202 . a resposta ao degrau deste processo a controlar não terá a forma de uma curva em S. o valor de ganho crítico Kcr não existe. se tentarmos o uso do segundo método (ver Fig.60%. Isto pode ser visto a partir da análise que se segue. no presente caso.) Num determinado caso. por conseguinte. o valor da resposta cresce com o tempo. 10-3.Assim. Além disso. o sistema a malha fechada com um controlador proporcional não apresentará oscilações mantidas qualquer que seja o valor atribuído ao ganho Kp. = CIO e Td = O. a curva da res. Como a equação característica do sistema a malha fechada é s3 + 652 + 5s + Kp = O Mecatrônica – Prof. 10-7 no qual um controlador PID é utilizado para se controlar o processo.. . as regras de sintonia de Ziegler-Nichols fornecem uma tentatiy. será utilizado o segundo método das regras de sintonia de Ziegler-Nichols. obtém-se a seguinte função de transferência a malha fechada: C(5) Kp R(5) s(s + 1)(5 + 5) + Kp O valor de Kp que toma o sistema marginalmente estável de modo a ocorrerem oscilações mantidas pode ser obtido através do cri. efetuar uma sintonia fina e reduzir o valor máximo de ul sagem a aproximadamente 25%. em seguida. I s(s+ I )(s+ 5) C(s) Como o processo a controlar possui um integrador. Ü trolador PID apresenta a função de transferência Embora se disponha de muitos métodos analíticos de projeto de um controlador PID para o presente sistema.~ regra de sintonia de Ziegler-Nichols para se determinarem os valores dos parâmetros Kp.\ tando-se T.º Willerson Moreira Ferraz 203 .E' entada para os valores de parâmetros e propiciam um ponto de partida para a sintonia fina. Com efeito. T.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba sente respostas transitórias satisfatórias. a uma excitação em degrau unitário e verificar se o sistema projetado apresenta valor máximo de ultrapassagem de aproxima o 25%. Se o valor máximo de ultrapassagem for excessivo (40% ou mais). seja a aplicação . EXEMPLO 10-1 Considere-se o sistema de controle mostrado na Fig. de estabilidade de Routh. e Td' Obter. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba a tabela de Routh se toma 53 1 5 S2 6 Kp 51 30 ~ Kp 6 5° Kp Examinando-se os coeficientes da primeira coluna da tabela de Routh, constata-se que a oscilação mantida ocorrerá para Kp = Portanto, o valor crítico de ganho K" é Kcr = 30 Com o ganho Kp ajustado no valor Kcr (= 30), a equação característica se toma 53 + 6s2 + 55 + 30 = O Para se determinar a freqüência da oscilação mantida, substitui-se s = jw na equação característica, como se segue: (jW)3 + 6(jw)2 + 5(jw) + 30 = O 548 Capítulo 10 I Controle PIO e Introdução ao Controle Robusto Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 204 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba ou a partir de onde se obtém a freqüência da oscilação mantida como sendo oi' = 5 ou O) = -J5. Em conseqüência, o período da oscilação mantida é 27T 27T Pcr = --;;; = V5 = 2,8099 Com base na Tabela 10-2, determinam-se os valores de Kp, T; e Td como a seguir: Kp = 0,6Kcr = 18 Ti = 0,5P cr = 1,405 Td = 0,125Pcr = 0,35124 A função de transferência do controlador PID é, portanto, Gc(S) = Kp(l + 1..- + TdS) TiS = 18(1 + ~ + 0,35124S) 1,40, S 6,3223(s + 1,4235)2 S o controlador PID possui um pólo na origem e um zero duplo em S = -1,4235. Um diagrama de blocos do sistema de controle com o controlador PID projetado é mostrado na Fig. 10,8. 6,3223 (s + 1,4235)2 s I s(s + l)(s + 5) C(s) Controlador PID Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 205 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Fig. 10-8 Diagrama de blocos de sistema com controlador PID projetado através do uso da regra de sintonia de Ziegler-Nichols (segundo método). A seguir, vamos examinar a resposta do sistema a uma excitação em degrau unitário. A função de transferência a malha fechada C(s)/R(s) é dada por C(s) = 6,3223s2 + 18s + 12,811 R(s) S4 + 6s3 + 11,3223s2 + 18s + 12,811 A resposta deste sistema a uma excitação em degrau unitário pode ser obtida facilmente com o MATLAB. (Ver Programa MATLAB 10-1.) A curva de resposta ao degrau unitário resultante é mostrada na Fig. 10-9. O valor máximo de ultrapassagem na resposta ao degrau unitário é de aproximadamente 62%. Este valor máximo de ultrapassagem é excessivo. Ele pode ser reduzido por meio de uma sintonia fina dos parâmetros do controlador. Tal sintonia fina pode ser feita com o auxílio de um computador. Mantendo-se o valor de Kp = 18 e deslocando-se o zero duplo do controlador PID para s = -0,65, isto é, usando-se o controlador PID (10-1) Seção 10-2 I Regras de Sintonia para Controla dores PIO 549 Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 206 F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 1,8 1,6 1,4 1,2 " "O .€ õ.. E 0,8 <l: 0,6 0,4 0,2 ° ° 2 4 Resposta ao degrau unitário 68 Fig. 10-9 Curva de resposta ao degrau unitário de siste= trolado com PID projetado através do uso da regra de sinto"" Ziegler-Nichols (segundo método). 10 12 14 Tempo (s) o valor máximo de ultrapassagem pode ser reduzido para aproximadamente 18% (ver Fig. 10-10). Se o ganho proporcional K fcr mentado para 39,2 sem alterar a localização do zero duplo (em s = -0,65), isto é, usando-se o controlador PID . ( 1 ) (s + 0,65)2 Gc(s) = 39,42 1 + 3,077s + 0,7692s = 30,322 s Mecatrônica – Prof.º Willerson Moreira Ferraz 207 10-12 mostra o diagrama do lugar das raÍzes relati\. pode-se considerar a expressão de GJs) dada pela Eq. variando-se a localiz:it. os valores sintonizados de ~" Ti e T.º Willerson Moreira Ferraz 208 . Como o valor máximo de ultrapassagem.7692 É interessante observar que estes valores são aproximadamente iguais a duas vezes os valores respectivos sugeridos pelo segundo mé' da regra de sintonia de Ziegler-Nichols.2 Resposta ao degrau unitário Mecatrônica – Prof. (10-1). (10-2) C:e aceitável. está razoavelmente próximo de 25% e a respc é mais rápida que a do sistema com Gc(s) dado pela Eq. A Fig.077. neste caso. O fato importante a ser ressaltado aqui é que a regra de sintonia de Ziegler-Nichols propiciou: ponto de partida para a sintonia fina.6 E <l: 0. Contudo.f se tomam Kp = 39.B õ. o valor de Kp tem muito pouco eL A razão para isto pode ser vista a partir da análise do lugar das raÍzes.. como mostra a Fig. mas o valor máximo de ultrapassagem também será aumentado para aproximad" 28%.. Ti = 3. Em conseqüência. um aumento no valor de Kp acar.: sistema projetado de acordo com o segundo método das regras de sintonia de Ziegler-Nichols.8 " "O . Td = 0.42. no que o percentual de máxima ultrapassagem variar.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba então a velocidade de resposta será aumentada. mas.4 0. Como os ramos dominantes dos luga:::lli' das raÍzes ficam situados ao longo das retas de ~ = 0. uma variação no valor de K (de 6 a não muda significativamente o coeficiente de amortecimento dos pólos a malha fechada dominantes.3 para uma faixa considerável de ganhos K. um aumento na rapidez de resposta. 0. para o caso em que o zero duplo esteja localizado em s = -1. 0. 10-11. É instrutivo observar-se que.4235. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba 1. Fig.077 e Td = 0.7692. 10-7 com um controlador PID tendo como parâmetros Kp = 18. 10-10 Resposta ao degrau unitário do sistema mostrado TI2. Ti= 3.2 7 Fig.º Willerson Moreira Ferraz 209 . 2 34 5 6 Tempo (s) 550 Capítulo 10 / Controle PID e Introdução ao Controle Robusto Mecatrônica – Prof. F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Resposta ao degrau unitário ]. 10-7 com um controlador PID tendo como parâmetros Kp = 39. 1.5 a jw j3 (s + ].º Willerson Moreira Ferraz 210 .7692.5 2 2.2 '" "O 0.6 -< 0.4 1. T.42.5 4 4.8 .4 0.077 e Td = 0. 10-11 Curvas de resposta ao degrau unitário do sistema mos5 trado na Fig.5 3 Tempo (s) 3. = 3.5 Fig.B ~ E 0.2 °0 0.4235)2 K S I s(s + I)(s + 5) Mecatrônica – Prof. Observe-se. porque o coeficiente de amortecimento dos pólos a malha fechada dominantes pode ser alterado de forma significativa. Na verdade. Por outro lado. O valor máximo de ultrapassagem na resposta ao degrau neste caso (18%) é muito maior que no caso onde o sistema é de segunda ordem. 10-13 mostra o diagrama do lugar das raÍzes referente ao sistema em que o controlador PID possui um zero duplo em s = -0. o par de pólos a malha fechada dominantes determina a natureza da resposta. Dois pólos a malha fechada adicionais estão muito perto do zero duplo em s = -0. 10-12 Diagrama do lugar das raÍzes do sistema quando o controlador PID possui um zero duplo em s = -1.62 não são suficientemente dominantes porque os outros dois pólos perto do zero duplo em s = -0. acarretando um quase cancelamento destes pólos a malha fechada com o zero duplo.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba j2 -j2 -j3 Fig. Isto também pode ser visto a partir da análise do lugar das raÍzes.65.846. o valor máximo de ultrapassagem na resposta a uma excitação em degrau seria de aproximadamente 6%. os pólos em s = -2. (Neste último caso.82 agem como pólos dominantes. Esta mudança de configuração torna possível a mudança do coeficiente de amortecimento dos pólos a malha fechada dominantes. na Fig. Observe-se a mudança de configuração do lugar das raÍzes. 10-13. que no caso em que o sistema possui ganho K = 30.4235.35 ± j2. ção do zero duplo. A Fig. quando o sistema apresentar um ganho K = 13.65. os pólos a malha fechada em s = -2.322. possuindo somente pólos a malha fechada dominantes.º Willerson Moreira Ferraz 211 .) Seção 10-2 I Regras de Sintonia para Controladores PIO 551 Mecatrônica – Prof.35 ± j4.65 apresentam um efeito considerável sobre a resposta. obtém-se um efeito significativo sobre o valor máximo de ultrapassagem. l. pode-se ver que o sinal da variável manipulada U(s) é dado por Mecatrônica – Prof. Em conseqüência. a variável manipulada u(t) envolverá um impulso (delta de Dirac).65)2 1 K s s(s + 1)(s + 5) j6 j4 j2 ç = 0. pode-se desejar operar a ação derivati. A Fig. (10-2). Este fenômeno é chamado de salto d0 valor de referência (set point kick). quando o sinal de referência for um degrau. se o sinal de referência for uma função degrau.67 -10 -8 -6 -4 -j2 K= 13.º Willerson Moreira Ferraz 212 . No sistema de controle PID básÚ.65.1.. A partir da Fig..322 -j6 K=60 -j8 Fig. 10-3 ESQUEMAS DE CONTROLE PID MODIFICADOS Considere-se o sistema de controle PID básico mostrado na Fig. O esquema de controle arranjado desta forma é chamado de controle PI-D. Em controladores pm reais. a variável mampulada u(t) não envolverá um impulso e sim uma função pulso de valor abrupto. 1O-14(a). então. 10-15.322 corresponde a GJs) dado pela Eq. K = 13.846 corresponde a GJs) dado pela Eq. Controle PI-D. apenas sobre o percurso de retroação de modo que a derivação se dê apenas sobre o sinal de retroação. 10-13 Diagrama do lugar das raÍzes do sistema quando o controlador PID possui um zero duplo em s = -0. em vez do termo derivativo puro Tds. 10-15 mostra um sistema controlado através de um PI-D. emprega-se onde o valor de "y é algo em tomo de 0. 1 0-14(b) é um diagrama de blocos simplificado do mesmo sistema. (10-1) e K = 30.846 -J4 K= 30.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba jw j8 K=60 (s + 0. 1 0-14(b). mas não sobre . em que o sistema seja submetido a perturbaçãa e a ruídos.: sinal de referência. por causa da presença do terrnr" derivativo na ação de controle. A Fig.[i' tal como mostrado na Fig. Para se evitar o fenômeno do salto do valor de referência. em uma mesma maquina. temos: eletrônica. 67) 3. Esse equipamento e um verdadeiro organismo. respectivamente. eletropneumática. mecânica de precisão e um software residente. 1O-14(b)] e do sistema de controle PI-D (mostrado na Fig. A proposta deste capítulo é analisar. acrescentamos algumas dicas de serviço que podem ser úteis ao técnico de campo. através de conceitos simples e práticos o principio de funcionamento dessas incríveis maquinas. pois. processado pelo CNC. Mecatrônica – Prof. por 17(s) ( 1 ) R(s) = 1 + TiS + Tds 1 + (1 KpGp(s) + _1_ + TdS)KpGp(S) TiS 552 Capítulo 10 / Controle PIO e Introdução ao Controle Robusto Prática Experiências com o Kit de Servomecanismo 3. na ausência de perturbações e de ruídos. as funções de transferência do sistema de controle PID básicc [mostrado na Fig. Máquinas de Comando Numérico Computadorizado (Mecatrônica Pág. eletrohidráulica. Ao mesmo tempo. como veremos mais detalhadamente a seguir. forca e repetibilidade das partes móveis (eixos) atingem níveis muito superiores quando comparadas a qualquer outro sistema. eletrotécnica.º Willerson Moreira Ferraz 213 . então. E.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Observe-se que.1 Introdução Acredito que o exemplo mais nobre da Engenharia de Automação de Sistemas (ou Mecatrônica) e a maquina-ferramenta. Tudo isso deve trabalhar de uma forma harmônica. 10-15) são dadas. O movimento de cada eixo. e "traduzido" em grandezas numéricas por dispositivos especiais e. como de costume. a precisão. O QUE É CNC? O CNC (Comando Numérico Computadorizado) é um computador dedicado ao controle de movimento dos eixos de uma maquina operatriz. o CNC é programado com o formato da peca que deve ser usinada e. No início da década de 60 essas maquinas começaram a se modernizar. Em 1949 surgiu à primeira maquina equipada com comando numérico e. Já no final da década de 50. os principais fabricantes de aviões utilizavam maquinas com comando numérico. através de interfaces.º Willerson Moreira Ferraz 214 . finalmente. Air Force (Força Aérea dos Estados Unidos).S. Mecatrônica – Prof. e os padrões EIA 244 e ASCII já eram utilizados como sistemas de introdução de dados. A necessidade de produzir peças de precisão e em grandes lotes para a fabricação de aviões de guerra uniu esforços de duas entidades: Instituto de Tecnologia de Massachussetts (MIT). comanda os servomotores para executar os movimentos coordenados (figura 1).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Por sua vez. BREVE HISTORICO DO CNC As pesquisas para o desenvolvimento do CNC iniciaram-se durante a Segunda Guerra Mundial. A grande precisão de usinagem e alta capacidade produtiva eram (e ate hoje são) características fundamentais para a indústria aeronáutica daqueles tempos. e a U. em 1953 ocorreu sua demonstração pratica. O inversor já foi estudado no capitulo III. a maquina se refere a um torno. Em 1977.2 Estrutura de uma máquina CNC A figura 3 mostra a estrutura básica de uma maquina automatizada com CNC. as maquinas com CNC puderam ficar mais compactas e versáteis. e que ele controla a potencia (torque + velocidade) do motor através de um sinal analógico de comando oriundo do CNC. portanto. e a manutenção via Internet já fazem parte da nossa realidade (figura 2). essas máquinas podem operar com um nu-mero indefinido de eixos. responsáveis pelo bom funcionamento da maquina. são ativados (ou lidos) através do I/O. Esse dispositivo é o encoder. pois possui dois eixos coordenados (x e z). O que importa. 0 CNC comunica-se com a periferia da maquina através do modulo I/O (input I output). não entraremos em maiores detalhes sobre seu funcionamento. 3. isto e. O CNC comanda os servomotores através de um driver de potencia: o inversor de freqüência. Para os servomotores ligados aos eixos coordenados (x. contadores e eletroválvulas. Hoje. Esse sinal varia de 0 a 10 Vcc. y e z). as maquinas com CNC foram equipadas com microprocessadores. Essas informações são enviadas e processadas pelo CNC. que também já foi estudado no Mecatrônica – Prof. todos os sensores "fim-de-curso". reles. temos um dispositivo que indica a correta posição em que o eixo encontra-se.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Com o surgimento dos Circuitos Integrados. e a potencia no motor e diretamente. No exemplo. agora. Os recursos gráficos em 3D.º Willerson Moreira Ferraz 215 . um eixo quando se movimenta 1 mm gera 2400 pulsos ao CNC. O CNC não "enxerga" o deslocamento. Mecatrônica – Prof. processados como unidade de deslocamento.º Willerson Moreira Ferraz 216 . com a finalidade de controle de rotação. A figura 4 ilustra as disposições dos eixos em um torno. mas sim os pulsos. Algumas máquinas que necessitam de altíssima precisão de rotação do eixo . então.arvore utilizam um encoder para esse eixo. Por exemplo. que gera pulsos seriais de referenda.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba capítulo IV. O encoder e um transdutor óptico. Notem pela figura 3 que apenas os eixos X e Z possuem encoder. Esses pulsos são contados pelo CNC e. Esse tipo de medida de deslocamento e chamada indireta. visto que o eixo arvore apenas "gira”. pois o movimento linear do eixo e expresso através de um rotativo do encoder. Ele comunica-se com todos os sensores através do modulo I/O e com os acionamentos (inversores) dos eixos. A figura 5 indica como o fuso de esferas "transforma" o movimento angular (rotativo) do servomotor em um linear para a mesa do torno. O "feedback" do movimento e feito através do encoder. Provavelmente. o processo todo pode estar um pouco "obscuro". ate o final deste capítulo tudo estará esclarecido. temos um recurso no CNC. Vamos fazer um resumo: a) CNC E o computador responsável por todo o funcionamento da maquina. Dentro do CNC esta o programa cor-respondente ao formato da peca a ser usinada. Normalmente. Alem disso.) comunicam-se com o CNC através do modulo I/ O.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Os servomotores não são visíveis nessa figura.º Willerson Moreira Ferraz 217 . dispositivos e acessórios especiais (bombas de refrigeração. porem são eles os responsáveis pela movimentarão de cada eixo. etc. para quem não está acostumado com maquinas automatizadas com CNC. b) I/O Cada eixo possui uma chave fim-de-curso. Não se espante. que permite visualizarmos o status de cada endereço do I/O na Mecatrônica – Prof. através dos sinais analógicos de comando. acionamento de contraponto. A figura 8 apresenta um esquema de distribuição elétrica simplificado de uma maquina. Sensores A maior parte das maquinas CNC utilizam uma linha de 24 Vcc para alimentar os diversos sensores. normalmente. ao invés de uma única para todo o sistema. a vantagem de termos várias fontes. por exemplo. as chances do CNC danificar-se diminuem. em media. Para a linha de 24 Vcc temos outra fonte que. Notem que temos um opto acoplador logo na entrada. aumentando assim a imunidade a ruídos elétricos. e linear. Aqui também. Caso algum sensor se queime. Caso uma válvula não obedeça a um comando. Cada uma delas assemelha . e relativamente alta. e a isolação galvânica entre os diversos circuitos. A maioria dos CNCs possui uma fonte de alimentação interna. Mecatrônica – Prof. podemos entrar na tela de status e verificar se o defeito é devido à ausência de comando do CNC. Essa tensão.se a da figura 7. com essa técnica. A figura 7 ilustra um canal de I/O. um módulo I/O tem. e alimenta apenas o CNC. Essa fonte e do tipo chaveada. Normalmente.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba tela da maquina.º Willerson Moreira Ferraz 218 . eletronicamente falando. ou algo entre em curto-circuito. de 16 a 32 entradas e saídas digitais. Isso possibilita uma "isolação" entre o comando (CNC) e a periferia da maquina. A IHM possui um processador próprio. com certeza. Notem que temos um teclado alfanumérico e um monitor de 9 polegadas. as várias fontes aumentam a segurança da maquina. Isso. A figura 6 mostra uma IHM típica de fabricação ROMI.º Willerson Moreira Ferraz 219 .máquina. Fica claro que o risco de haver um curto-circuito nessas etapas e muito maior do que com os componentes abrigados dentro do gabinete elétrico. e a unidade responsável pela introdução e leitura de dados. Cabe lembrar que. mais conhecida como IHM. aumentará a imunidade a defeitos esporádicos. vários sensores são colocados em locais sujeitos a alta temperatura.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Alem disso. Por esse motivo. Essa técnica tem duas finalidades: poupar tempo de processamento ao CNC e evitar cabos longos entre o teclado alfanumérico e a CPU (CNC). agressão química (óleos refrigerantes) e mecânica (cavacos quentes). E através dela que o programa e instalado na maquina. devido ao alto ruído elétrico gerado pela motorização e inversores. Mecatrônica – Prof. c) IHM A interface homem . devemos utilizar cabos e fios com a menor distância possível. imediatamente. A potencia do eixo-árvore varia de maquina para maquina. apos casar o sincronismo com a tensão AC da rede. A tensão no barramento DC nessa situação mantém-se em níveis "baixos" (aproximadamente 450 Vcc). o acionamento devolve a energia gerada para a própria rede elétrica. e "Z" para um centro de usinagem). As mais comuns situam-se entre 7. Y. Esse fenômeno ocorre devido à inércia da massa da placa de fixação da pega usinada. dissipa uma quantidade de energia muito grande. O motor agora passa a ser um gerador. Os eixos coordenados ("X" e "Z" para um torno. ou dissipação. quando o motor passa a funcionar como gerador (frenagem). como atuam somente como "avanço" da ferramenta de corte. o barramento DC alimenta o modulo de potencia formado pelos IGBTs.º Willerson Moreira Ferraz 220 . seus circuitos internos “invertem" a tensão "DC" em "AC" novamente e. devolvem a energia excedente para a rede elétrica. Todo o esforço mecânico da usinagem fica submetido a esse eixo. de maior potencia em uma maquina CNC e o do eixo-árvore. portanto. somada a massa da própria peça. A regeneração e um processo em que.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba d) Unidade Regenerativa O inversor de freqüência. Essa energia faz com que a tensão no barramento DC suba. Quando o acionamento interrompe o fornecimento de energia ao motor. sua pot&ncia e bem menor. no momento da frenagem. ou X. Como já foi dito nos artigos anteriores sobre inversores de freqüência. esse converte a energia elétrica em mecânica. este continua girando por inércia. Como a unidade regenerativa esta monitorando a tensão nesse ponto. Essa energia pode ser absorvida de duas maneiras: regeneração. No regime em que o acionamento entrega potencia ao motor. Mecatrônica – Prof. A figura 9 traz o esquema genérico. não são tão exigidos.5 e 30 HP. O movimento rotativo do eixo-árvore. doravante chamado "acionamento". dependendo do "porte" e aplicação da maquina. Obviamente esse circuito e bem mais simples e barato. como as massas de ambos os trens são semelhantes. a unidade liga um resistor de potencia em paralelo ao barramento. a escolha da unidade (regenerativa ou dissipativa) é feita no ato da compra da maquina como acessório. Nesse caso. Muitas vezes. retornam ate o primeiro pulso "C" do encoder. o trem da frente consegue vencer a inércia sem "gastar" energia da concessionária (rede). e um processo mais simples. A unidade não necessita procurar sincronismo com a rede. Essa informação e gravada em uma região de memória RAM e. e um investimento que vale a pena. Esse processo de regeneração e utilizado em vários outros setores tecnológicos. devolve a energia da frenagem para os trilhos. porem. por outro lado. Mecatrônica – Prof. Esse resistor dissipa a energia excedente na forma de calor. nem tampouco inverter a tensão DC em AC. ela perde a informação sobre os seus pontos de referenda. automaticamente.º Willerson Moreira Ferraz 221 . A figura 10 mostra um diagrama simplificado dessa unidade. não economiza energia elétrica. Quando esta ultrapassa determinado valor. Normalmente. Quando esse chega. Ao encontrarem. Ao acionarmos essa tecla. pois a economia de energia elétrica e considerável. A dissipação. para quem possui um numero grande de maquinas. localizada na IHM.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Embora esse circuito seja relativamente complexo. que e utilizada na partida do outro trem. toda vez que religamos a maquina devemos "referencia-la". um trem que esta parado em uma estação aguarda a aproximação do outro trem. os eixos se deslocam sucessivamente ate encontrarem as respectivas chaves fim-de-curso. REFERENCIANDO A MAQUINA (HOME MACHINE) No final do expediente de trabalho quando desligamos a maquina CNC. Para isso temos uma tecla denominada "HomemMachine". não devolvendo nada para a rede elétrica. O mais nobre exemplo e o Metro de São Paulo. a unidade dissipativa apenas monitora a tensão do barramento DC. Na verdade. A usinagem do exemplo a seguir refere-se a uma operação de desbaste em uma peca de perfil cilíndrico. onde temos sempre uma letra que indica a operação. aproximadamente. indicando o início de uma rotação do encoder. e sim um conjunto seqüencial de telas que gera uma "soft key" (tela) para que essa operação seja realizada. a própria letra indicativa do eixo. na figura 11 temos um exemplo de um programa com sua respectiva peca. No caso do movimento dos eixos.50.º Willerson Moreira Ferraz 222 . no sentido oposto. ou para os três eixos no caso de um centro de usinagem. o movimento de cada eixo será medido através da quantidade de pulsos que o encoder enviar para o CNC.F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Apenas como revisão.3 Noções de programação A programação de uma maquina CNC segue um padrão internacional. Feito esse processo para os dois eixos (X e Z). de 1250 a 2500 pulsos por rotação. Por exemplo: Z . Com esse comando deslocamos o eixo Z em 50 mm em direção a placa. a maquina estará referenciada. Mecatrônica – Prof. o mesmo movimento seria executado. 3. Cabe lembrar que alguns modelos de maquinas não possuem uma tecla específica para o "homem machine". porem. O mais comum dos encoders gera. A partir de agora. e impossível ministrar um curso de programação de torno apenas com este artigo. Com certeza. O mais utilizado e a linguagem ISO (International Standard Organization). seguida de um numero que indica a modalidade da operação. porem. o pulso "C" funciona como um "came". afastando-se da placa de fixação. Caso o comando fosse Z + 50. seguida pela medida estabelece sua coordenada. pois o sinal anterior ao 50 é negativo. sua referenda e a origem do ponto do movimento. Caso o movimento esteja sendo processado em mm...) G90 = indica que as coordenadas são absolutas. agora. em rpm. N = e apenas o indicador da linha do programa. e passa as coordenadas para incrementais.º Willerson Moreira Ferraz 223 . Essa velocidade depende de vários fatores (dureza do material. F = a letra F também pode ter vários significados. porem. inicia em 10(N10. M3 = sentido de rotação do spindle (M3 = horário / M4 = anti-horário). Nessa condição estamos posicionando a ferramenta para iniciar a usinagem. N15. ela determina a velocidade do avanço da ferramenta.. Como não há material a ser usinado. .F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Vamos a um breve resumo dos comandos utilizados nesse trabalho. em nosso exemplo. a unidade e mm/minuto. então. Isso diminui o tempo total necessário para a execução do trabalho. Mecatrônica – Prof. e. isto e. entretanto. G91 = cancela o comando anterior. normalmente. temos: GO = movimenta a ferramenta de corte com velocidade máxima.. no nosso exemplo. o eixo movimenta-se rapidamente. passa a ser a posição anterior da ferramenta. S = velocidade de rotação de eixo-árvore (spindle). G1 = movimenta a ferramenta na velocidade de avanço.) G = essa letra pode ter vários significados. potência da maquina. acabamento desejado. A origem. e que podem apresentar inúmeras diferenças construtivas. em 100mm/min). Uma das mais famosas é a própria rede Senai. em velocidade máxima). N40 G1 G91 F100 Z-36 (desloca -36mm no eixo Z. vamos descrever o programa relativo ao deslocamento do ponto P0 a P2. Caso haja interesse do leitor em especializar-se em programação CNC. Cada uma com uma característica especifica. em velocidade máxima). Todas elas. N90 GO X-2 (desloca -2mm no eixo X. têm algo em comum: a sua estrutura funcional. N130 GO X-2 (desloca -2mm no eixo X. em 100mm/min). em 100mm/min). possa não parecer. embora.º Willerson Moreira Ferraz 224 . existem escolas especializadas pelo país. N60 G1 Z+36 (desloca +36mm no eixo Z. N100 G1 Z+36 (desloca +36mm no eixo Z. N15 T04 (seleciona ferramenta 04 para usinagem). Prática Projeto de Matriz para Layout de PCI Mecatrônica – Prof. N80 G1 G91 Z-36 (desloca -36mm no eixo Z. N100 G1 Z+36 (desloca +36mm no eixo Z. CONCLUSAO Podemos encontrar vários tipos de maquinas equipadas com CNC na indústria. sentido horário). em velocidade máxima). a maquina-ferramenta é um tipo de robô industrial. N30 G4 F2 (espera de 2 segundos para estabilizar spindle). N70 GO X-2 (desloca -2mm no eixo X. N20 M3 S100 (liga spindle em 100 rpm. em 100mm/min). entretanto. N110 GO X-2 (desloca -2mm no eixo X. em velocidade máxima). em velocidade máxima). em velocidade máxima). em 100 mm/min).F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba Agora que já temos uma breve idéia de cada função. N120 G1 Z-36 (desloca -36mm no eixo Z. N10 G90 GO X38 Z33 (posiciona em P1. Na verdade. N50 GO X-2 (desloca -2mm no eixo X. em 100 mm/min). 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