Desenvolvimento de Kit Didático

7/26/2019 Desenvolvimento de Kit Didtico

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DESENVOLVIMENTO DE UM KIT DIDTICO PARA CONTROLE EACIONAMENTO DE MOTORES CC

Milena Faria [email protected] de Engenharia Eltrica - Universidade Federal de Juiz de ForaCampus Universitrio, Plataforma 536036-030 Juiz de Fora Minas Gerais

Aurlio Gouva de [email protected]

Matusalm Martins [email protected]

Olga Moraes de [email protected]

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais Campus IIIRua Jos Peres, n 55833.700-000 Leopoldina Minas Gerais - Brasil

Resumo:As disciplinas de laboratrio representam um importante recurso para formao do

aluno, permitindo que o mesmo desenvolva habilidades prticas necessrias ao mercado detrabalho, alm de ser um mecanismo facilitador para a visualizao de conceitos mais

complexos e instigador na busca de novos conhecimentos durante o curso. Dentro deste

contexto, a prtica laboratorial pode beneficiar os estudantes de disciplinas relacionadas a

eletro/eletrnica que enfrentam problemas de aprendizagem devido a difcil visualizao de

muitos conceitos envolvidos e muitas vezes a falta de base matemtica para entendimento de

alguns assuntos. O objetivo deste trabalho apresentar um mdulo didtico de baixo custo

para acionamento de motores CC com o objetivo de ser utilizado em disciplinas

laboratoriais. Neste kit tambm possvel a insero de outras tecnologias nos barramentos

de conexo bem como atualizao tanto do hardware quanto do software para se adequar as

necessidades da aula e as novas tecnologias de mercado.

Palavras-chave:Mdulo Didtico, Ensino Laboratorial, Ensino em Engenharia, Eletrnica

de Potncia


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1. INTRODUO

De acordo com Feisel (2005) o objetivo do ensino em engenharia preparar os alunospara modificar e aproveitar os recursos fundamentais que a humanidade detm tais comoenergia, materiais e a informao. Dentro deste contexto, pode-se inferir que o ensinolaboratorial uma parte essencial na formao acadmica tanto nos programas de graduaoquanto nos de ps-graduao. Ainda conforme Feisel (2005), as aulas prticas, em geral, noso utilizadas para extrao de dados para o desenvolvimento de produtos ou para inserirnovas diretrizes de conhecimento para o mundo.

Segundo Chrispim (2003), os cursos de engenharia esto entre os cursos que possuem

o maior ndice de evaso, o que torna ento crtico a utilizao de mecanismos para estmulo capacidade de aprendizagem prtica e terica. Os mdulos didticos em aulas de laboratrio

possuem a vantagem de no serem sistemas fechados, isto , os alunos conseguem interagirdiretamente com os circuitos eletrnicos que envolvem o projeto (CORDEIRO, 2009). Assim,o uso de tecnologias que admitem a interao do aluno com o prprio sistema cada vez maisrequisitado. Com o desenvolvimento de kits didticos possvel agregar caractersticasimportantes e necessrias ao ambiente de ensino, fazendo com que se torne um aprendizadodinmico.

Pode-se dizer que a prtica laboratorial desenvolvida no mbito de trs objetivosbsicos a saber: desenvolvimento, pesquisa e educacional. No primeiro so realizadas aesno mbito de validar, testar ou aprimorar produtos em desenvolvimento. Em laboratrios de

pesquisa desenvolvem-se atividades com objetivo de demonstrar leis naturais bsicaspromovendo o avano das cincias de uma forma mais generalista. Em contrapartida, emlaboratrios educacionais so desenvolvidas atividades prticas com resultados jconsolidados com o objetivo de promover o desenvolvimento do aluno.

O desenvolvimento de kits didticos encaixa-se em duas destas classes de prticalaboratoriais, pois permite a experimentao para o desenvolvimento do produto em si, o kit

didtico, e, posteriormente, a prtica com o mesmo uma vez que os kits estejam consolidados.Estas atividades podem trazer como benefcio uma maior motivao e interesse do estudante,o melhor entendimento da relao entre a teoria e a prtica, o desenvolvimento dashabilidades dos estudantes para lidar com problemas do mundo real, alm de permitir ummelhor aprendizado pela inter-relao entre a teoria e a prtica.

Segundo Shafi & Kordi (2012), a dificuldade do ensino de disciplinas relacionadascom circuitos eltricos e a eletrnica j foram amplamente relatadas pela literatura. Estas

podem ser relacionadas principalmente ao nvel de habilidades matemticas necessrias aotratamento dos problemas e ao nvel de abstrao requerido pelos tpicos do ensino destas

disciplinas. Devido a estas caractersticas, metodologias de ensino mais centradas na prtica


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laboratorial permitem um maior entendimento dos conceitos tericos e uma maior reteno

dos conhecimentos transmitidos.

De acordo com Davies (2008), dentre as dificuldades do desenvolvimento laboratorialpodemos relacionar o fato de que os equipamentos especializados tendem a se tornarrapidamente obsoletos e de difcil atualizao devido ao preo e a complexidade dos mesmos,o tempo necessrio para a organizao, gerenciamento e avaliao das prticas, alm de queem geral, no h disponibilidade de um grande nmero de equipamentos, resultando assim emuma baixa relao entre o nmero de equipamentos, de alunos.

Tendo em vista as dificuldades apresentadas pela prtica laboratorial, um recurso

bastante utilizado so as ferramentas de simulao, pois as mesmas permitem uma claravisualizao dos princpios de operao seja ou de dispositivos eletrnicos ou deequipamentos mais sofisticados emsoftwaresmais dedicados. Contudo, apesar de importante,este recurso no permite que o aluno detenha uma boa compreenso prtica dos equipamentose dos fenmenos fsicos envolvidos. O desenvolvimento de kits apresenta-se como uma boaalternativa, uma vez que, atravs destes, possvel atualizar com facilidade o softwarebemcomo o hardware, adequando-os com as novidades do mercado, e, alm do mais, torna-se

possvel tambm agregar novas tecnologias aos mesmos.

Tem-se como objetivo neste trabalho apresentar o desenvolvimento de um kit didtico

de baixo custo para controle de velocidade de motores CC utilizando sensoriamento develocidade angular sem contato mecnico com a finalidade de permitir aos usurios umacompreenso maior tanto do estudo de conversores de potncia quanto de controleautomtico. Outro aspecto importante a interligao deste mdulo com dispositivosindustriais e at mesmo com outros kits educacionais que possam ser desenvolvidosfuturamente.

2. ENSINO DE ENGENHARIA E A PRTICA LABORATORIAL COM AUTILIZAO DO MDULO DIDTICO DESENVOLVIDO

A metodologia deste trabalho consistiu no desenvolvimento de uma plataforma paraexperimentao envolvendo aspectos de acionamento, controle e superviso de motores.Como objetivo principal tem-se que o mesmo possa ser utilizado em disciplinas laboratoriaisdos cursos de automao de forma a complementar o conhecimento proposto pela ementa.

O kit didtico proposto consiste basicamente de um prottipo de bancada utilizando umconversor chaveado para acionamento de motores eltricos. Usou-se como premissas bsicasinterfaces de comunicao/controle compatveis com padres de mercado, possibilitando a

utilizao em conjunto com equipamentos industriais, componentes eletrnicos difundidoscomercialmente, layout simples e de fcil entendimento, alm da possibilidade de


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implementao de mtodos de controle bsicos.Considerando os objetivos das disciplinas de

laboratrio, pretende-se que os alunos sejam capazes de desenvolver habilidades econhecimentos necessrios para reforar os conceitos das mesmas e desenvolver prticasfuturamente necessrias no mercado de trabalho. Dentro deste contexto, o acionamento demquinas, o controle de velocidade e temas correlatos representam tpicos de interesse emreas de ensino relacionadas a eltrica, eletrnica e automao.

2.1 Contedo laboratorial a ser trabalhado

Atualmente, devido a importncia dos motores eltricos na indstria, estes so temas devrios problemas de engenharia, tornando o prottipo selecionvel para prticas nas mais

diversas disciplinas. Verifica-se naTabela Ialgumas reas onde o mesmo poderia ser aplicadobem como os experimentos a serem realizados.

Tabela I Possveis aplicaes do prottipo em disciplinas da engenharia.

Disciplina Tpicos abordados Experimentos

ControleAutomtico

Controladores, amostragem desinais e processamento digital de

sinais.

Sintonizao e projeto doscontroladores de velocidade e corrente

do motor.

Instrumentao Sensoriamento de velocidade ecorrente.

Leitura dos dados dos sensores,comunicao com aplicativos como

Labview.

Microcontroladores Programao de microcontroladores em geral.

Anlise dos cdigos envolvidos noprottipo.

AutomaoIndustrial

Sistemas supervisrios. Integrao do prottipo com umsistema supervisrio: leitura dos dados

e controle.

Redes Industriais Programao de redesindustriais e protocolos de rede.

Integrao dos prottipos ecomputadores.

Eletrnica dePotncia

Chaves eletrnicas e inversoresde frequncia.

Disparo das chaves eletrnicas eavaliao do funcionamento dos

inversores de frequncia.

Mquinas eltricas Motores CC e universais. Acionamento dos motores e

levantamento de curvas dos mesmos.


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A difcil relao entre a teoria e a prtica um dos problemas para o desenvolvimento do

aluno em cursos de engenharia. Portanto, com a existncia de experimentos capazes de seinter-relacionar em diversos campos de aplicao, incluindo ainda, experincias necessriasao mercado, pode fazer com que a prtica laboratorial opere como um agente motivador,facilitando assim as iteraes iniciais do aluno com as disciplinas tericas.

medida que o aluno avance no curso de engenharia, pode-se ento propor desafios cadavez mais elaborados, permitindo, por exemplo, que o mesmo desenvolva partes capazes de secomunicar, controlar ou melhorar o desempenho da plataforma original. Como resultado, osestudantes sero capazes de entender e projetar solues completas para problemasespecficos, demonstrando domnio da teoria e prtica associada as disciplinas.

3. MDULO DIDTICO PARA CONTROLE DE VELOCIDADE

Basicamente, pode-se dividir o prottipo desenvolvido em quatro essenciais partes, ocontrole responsvel pela gerao de impulsos para acionamento do conversor, o sistema deisolador responsvel pela converso do nvel de tenso dos sinais do microcontrolador para osMOSFETS, sistema de alta potncia constitudo pelas chaves semicondutoras e a fonte dealimentao do motor. O drive foi implementado segundo o diagrama de blocos mostrado na

Figura 1.

Fonte

Microcontrolador MOSFET Driver

Ponte deMOSFETs

Carga

Figura 1 - Diagrama de blocos do drive

Utilizou-se um microcontrolador 18F4550 para o circuito de controle devido a suaflexibilidade e baixo custo. Por possuir uma baixa capacidade de suprimento de potncia dassadas TTL do microcontrolador, usou-se tambm um buffer 74LS240 com a funo de

permitir o acionamento dos drives para os MOSFETs. Adicionalmente, disponibilizou-se noprottipo pinos de I/O que podem ser acessados em futuras expanses do mesmo e dispemtambm de capacidade de converso A/D, permitindo a conexo de sensores de corrente,tenso ou mesmo de velocidade que operem na faixa de 0 a 5V. NaFigura 2 mostrado o

esquema eltrico do sistema de controle da parte de baixa potncia. Foram instaladas ainda


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chaves tcteis para que o usurio possa interagir diretamente com o dispositivo sem a

necessidade do uso de um computador para configurao e comando.

Figura 2 - Prottipo - circuito de comando (a) Microcontrolador, (b) Chaves de comando, (c)Fonte de 5V comando, (d) Interface analgica para expanso futura e (e) Buffer TTL

Disponibilizou-se tambm na sada do mdulo uma porta do tipo RS232/I2Cconjugada a fim de permitir a vinculao de dispositivos de medio via I2C tais comotacmetros em uma rede de controle ou simplesmente comunicao serial atravs de umcomputador via RS232. Na Figura 3 possvel visualizar o esquemtico da interface LCDinserida no projeto com o objetivo de que o usurio tenha opo de interagir diretamente como mdulo sem a necessidade de utilizao de um computador.

Figura 3 - Projeto do Drive Circuito de Comunicao


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Implementou-se tambm drives isoladores para o acionamento dos MOSFETs uma

vez que os mesmos operam como chaves e requerem uma tenso de 15V. Adicionalmente, avantagem de utilizao deste sistema evitar que falhas no circuito de potncia provoquemdanificaes nos componentes do circuito de baixa tenso ou mesmo em outros dispositivosagregados no prottipo. Projetou-se tambm um rel a fim de desconectar a alimentao dosisoladores com o objetivo de garantir que os mesmos no sejam acionados quando omicrocontrolador no estiver enviando sinal conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4 - Projeto do Drive Isoladores

O mtodo mais popular para o controle de velocidade de motores o controle PID, pois omesmo possui soluo simples, bom rendimento e no precisa de complexos modelos

matemticos de mquinas eltricas (STEPHAN, 1991). Para o comando dos drives foidesenvolvido um algoritmo de controle responsvel por realizar a leitura da velocidade econtrole do mesmo ajustando o PWM. esperado que o algoritmo de comando realizasse asseguintes funes como partida e parada do motor em rampa, controle da velocidade emmalha aberta, controle da velocidade em malha fechada atravs do sensor tico, ajuste de

parmetros do controlador PID e configurao atravs de IHM do prprio dispositivo ecomunicao com o computador seja para fins de monitoramento, configurao ou comandoexterno em tempo real atravs do MATLAB.

A funo do controlador neste projeto de realizar a leitura de velocidade indicada pelo

sensor de velocidade, em seguida executar o clculo do erro e armazenar os ltimos valoresde erros medidos a fim de calcular os valores dos termos proporcional, integral e derivativo,


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conforme indicado na Figura 5. Percebe-se atravs da Figura 6 que o controle em malha

aberta apenas realiza a leitura doset pointde velocidade para comandar o circuito de potnciaindependente da resposta do motor.

Calcula o erro;INICIO

Calcula os termos

integral,

proporcional e

derivativo;

Calcula o valor do

PID;Saturao FIM

Figura 5: Diagrama de blocos do controlador PID

Circuito de

PotnciaMaquina CC

Torque (T)Alimentao (Vs)

Velocidade ()(RPM)

Dutty Cycle

Set Point

Figura 6: Diagrama de blocos do acionamento em malha aberta para o controle de velocidade

do motor CC.

Atravs da interligao do mdulo didtico desenvolvido neste trabalho com um mdulode sensoriamento de velocidade produzido anteriormente (Pinto, 2012), tornou-se possvel autilizao dinmica de um controlador PID. Segundo Kikuchi (1996), deve-se sempre existirmeios para obteno da preciso em medies afim de manter a qualidade dos produtos.Portanto, a medio de velocidade representa um elemento de grande importncia nodesenvolvimento de aplicaes onde necessrio um controle preciso.

Na Figura 7 mostrado o prottipo de sensoriamento de velocidade. Para interligaocom outros projetos e dispositivos industriais, o mesmo possui uma sada serial que permite acomunicao em tempo real com um micro ou com outros elementos de controle. Verifica-se

naFigura 8 o prottipo do mdulo didtico para controle e acionamento de motores CC.


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Figura 7 - Mdulo didtico de sensoriamento de velocidade.

Figura 8 - Mdulo didtico para controle e acionamento de motores CC.

4.

RESULTADOS EXPERIMENTAISPara validao do prottipo atravs de resultados experimentais, utilizou-se um motor

universal de 120 W, com tenso nominal de 127 V e frequncia nominal em CA de 60 Hz. Omesmo usado normalmente em corrente alternada, contudo, neste trabalho, o motortrabalhar em corrente contnua, e desta forma, para permitir a alterao do sentido de rotaoser realizada a abertura e desconexo da bobina srie.

Para demonstrar a operao do motor construiu-se um experimento com objetivo derealizar o controle de velocidade do motor, conforme apresentado pelo fluxograma daFigura6. Configurou-se um set-point de velocidade em 1800 RPM e avaliou-se a velocidadedesenvolvida pelo motor e o PWM aplicado pelo controlador. Verifica-se naFigura 9 a curva


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de resposta do motor ao degrau de velocidade, desta forma possvel medir os parmetros de

resposta do sistema conforme apresentado naTabela II.

0 50 100 150 200 250 3000

500

1000

1500

2000

2500

Passos

Velocidade(RPM)

Velocidade

0 50 100 150 200 250 300

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Passos

%

PWM

% PWM

Figura 9 - Resposta ao degrau para o motor sem carga (a) velocidade do motor (b)PWM duty cycle para tenso de 40V.

Tabela II - Parmetros de resposta do controlador de velocidade

Parmetro Valor

Rise Time 3.3 s

Settli ng Time 18 s

Overshoot 1 %

Peak 15 %

Na curva pode-se observar que a velocidade do motor se estabilizou, dentro doslimites de desempenho apresentados pelo medidor de velocidade. A partir deste experimento

bsico possvel verificar o funcionamento do prottipo, esta pratica, representa entretanto,apenas uma das possveis aplicaes em disciplinas de controle. Nesta possvelexperimentar por exemplo variaes na topologia e sintonia dos controladores, diferentesmtodos para realizao de sintonia, dentre outros tpicos das disciplinas de controle

automtico.


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5.

CONCLUSO

Obteve-se um kit didtico para controle de motores CC passvel de mudanas emfuno de necessidades da aplicao e devido a sua estrutura fsica de ser um projeto aberto, omesmo encontra-se em consonncia com as necessidades de um ambiente acadmico,facilitando ento a sua utilizao em laboratrio.

Como resultados experimentais, percebe-se que o mdulo desenvolvido nestetrabalho para controle de motores CC mostrou-se eficaz no que tange a capacidade decontrolar a velocidade do motor, pois o mesmo controlou de forma estvel.

Pode-se tambm validar o hardwareprojetado bem como o mtodo de controle atravs

dos resultados experimentais obtidos, pois apresentaram uma boa performance transientejustificando o mtodo usado. Alm disso, os resultados obtidos podem ser usados comojustificativas para o desenvolvimento de outros prottipos de base tecnolgica semelhantes,aumentando portanto a utilizao dos kits de laboratrio mecatrnicos contemporneos.

Pode-se verificar que desenvolvimento deste tipo de prottipo tecnologicamentevivel e apresenta-se como uma boa alternativa para formao das competncias essenciaisaos alunos, pois mostra-se como um estmulo sua capacidade criativa e ao seu interesse

pelas disciplinas relacionadas e correlacionadas, melhorando portanto suas habilidadesprticas necessrias para o mercado de trabalho.

Como sugesto para trabalhos futuros tem-se o desenvolvimento de prticaspadronizadas a serem desenvolvidas nas disciplinas citadas, permitindo que o aluno percorraas diversas partes do projeto/experimentao com o prottipo.

Agradecimentos

Os autores agradecem o CEFET-MG, o CNPq, e FAPEMIG pelo suportefinanceiro que possibilitou o desenvolvimento e apresentao deste projeto.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

DAVIES, C. Learning and Teaching in Laboratories. Higher Education Academy EngineeringSubject Centre, 2008.

CHRISPIM, E. M., WERNECK, R. F. Contexto e prtica em Engenharia de Produo: Estudode caso de uma organizao como fonte de conhecimento. XXIII ENEGEP, 2003.

CORDEIRO, A., FOITO, D., GUERREIRO M. Power electronics didactic modules for directcurrent machine control. IEEE: POWERENG, 2009.

FEISEL, L.D., ROSA, A.J. The Role of the Laboratory in Undergraduate EngineeringEducation. Journal of Engineering Education, 2005.


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KIKUCHI, Y.; NAKAMURA, E; WAKIWAKA H. and YAMADII, H. (1996). Considerationfor a high resolution of magnetic rotary encoder. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL. 32, 1996.

PINTO, M.F., LANES, M.M., TOLEDO, O. Mdulo didtico flexvel de baixo custo parasensoriamento de velocidade. Congresso Brasileiro de Automao. Campina Grande, 2012.

SHAFAI, C., KORDI, B., A Laboratory-Centered Approach to Introducing EngineeringStudents to Electric Circuit and Electric Systems Concepts. Canadian Engineering EducationAssociation (CEEA12) Conference, 2012.

STEPHAN, R. M., HAHN, V., DASTYCH, J.; UNBEHAUEN, H.; Adaptive and robustcascade schemes for thyristor driven dc-motor speed control. IEEE: Automatic, Vol. 27, No.3, pp. 449-461, 1991.

DEVELOPMENT OF A TEACHING KIT FOR DC MOTOR DRIVE ANDCONTROL

Abstract: The laboratory disciplines represent an important resource for student learning,

allowing development of practical skills needed in the labor market, and in addition, to being

a mechanism for facilitating the visualization of complex concepts and instigator to search for

new knowledge during the course. In this context , laboratory practice can benefit students in

disciplines related to electrical / electronic that face learning problems due to difficulty to

visualize many concepts involved and often the lack of mathematical foundation for

understanding some issues. The aim of this paper is to present a low cost didactical module

for driving DC motors with the purpose of being used in laboratory disciplines. The proposed

system also allow the connection of other technologies and update both the hardware and the

software to suit classrooms and new technologysneeds.

Key-words: Didactical Module, Laboratory Learning, Engineering Learning, PowerElectronics

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