Projeto do Acionamento Eletrónico de um Veículo Unipessoal ... ?· v Resumo O acionamento eletrónico…

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  • Joo Miguel Bonifcio Pires Licenciado em Cincias de Engenharia Eletrotcnica e de

    Computadores

    Projeto do Acionamento Eletrnico de um Veculo Unipessoal de Mobilidade

    Urbana

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

    Orientador: Prof. Doutor Joo Francisco Alves Martins, FCT/UNL

    Co-orientador: Doutor Lus Miguel Pereira Pina

    Jri :

    Presidente: Prof. Doutor Pedro Miguel Ribeiro Pereira

    Arguente: Prof. Doutor Lus Filipe Figueira de Brito Palma Vogal: Prof. Doutor Joo Francisco Alves Martins

    Setembro, 2014

  • i

    Copyright

    Projeto do Acionamento Eletrnico de um Veculo Unipessoal de Mobilidade Urbana

    COPYRIGHT 2014 Joo Miguel Bonifcio Pires COPYRIGHT 2014 Faculdade de Cincias e Tecnologias COPYRIGHT 2014 Universidade Nova de Lisboa

    A Faculdade de Cincias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tm o

    direito, perptuo e sem limites geogrficos, de arquivar e publicar esta dissertao

    atravs de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por

    qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar atravs

    de repositrios cientficos e de admitir a sua cpia e distribuio com objetivos

    educacionais ou de investigao, no comerciais, desde que seja dado crdito ao

    autor e editor.

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    Agradecimentos

    Em primeiro lugar, quero expressar a minha gratido aos meus orientadores,

    Professor Joo Martins e Professor Lus Pina por me terem proporcionado a

    oportunidade de trabalhar neste tema desafiante, e pela disponibilidade que sempre

    manifestaram para discutir novas ideias, acompanhadas de teis observaes e

    conselhos, que muito ajudaram na elaborao do presente trabalho.

    Agradeo aos meus colegas e amigos da FCT, por toda a camaradagem, e

    ajuda prestada ao longo do curso, em especial, ao Mauro Ramires, Joo Guerreiro,

    Carlos Raposo, Antnio Eleutrio, Pedro Arsnio, Lus Neto, Tiago Silva, Fbio

    Querido, Joo Cruz, entre outros. Tornaram estes anos universitrios bem mais

    divertidos e enriquecedores.

    Agradeo tambm aos meus amigos Almadenses de longa data, Srgio, Miguel,

    Diogo, Bispo, Nuno, Caetano, Fonseca, Stoi, Ins, Pacheco, Gonalo, Teixeira, Mrio,

    Daniel entre outros.. pelos momentos de lazer, mas tambm de incitamento,

    acompanhando-me quando estava preocupado, tornando assim mais leve o trabalho

    de desenvolvimento.

    Empresa Portugal Telecom a minha gratido por ter confiado em mim nesta

    etapa final do meu percurso acadmico. Agradeo ainda aos meus colegas Trainees

    por todo o apoio e palavras de incentivo.

    Por ltimo, queria dedicar uma palavra especial de agradecimento minha

    famlia por tudo o que tem feito por mim, motivando-me constantemente no sentido de

    ultrapassar todas as dificuldades, que foram muitas. Estou eternamente grato por todo

    o bem que me fizeram e o vosso amor incondicional.

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    Resumo

    O acionamento eletrnico de motores desempenha um papel cada vez mais

    importante nos transportes e mobilidade, devido s inmeras aplicaes, entre as

    quais o controlo de velocidade e direo dos motores das cadeiras de rodas eltricas.

    No entanto, as solues disponveis no mercado apresentam um custo elevado, e

    consequentemente so inacessveis para muitas pessoas.

    O objetivo desta dissertao projetar o sistema de acionamento eletrnico para

    um veculo unipessoal de mobilidade urbana, de acordo com os requisitos

    estabelecidos, e realizar um prottipo funcional com o mnimo custo possvel. O

    sistema estar subdividido em quatro mdulos: interface com o utilizador, controlador

    central, sistema de potncia e atuadores. A sua implementao ser feita atravs da

    programao num Arduino, o sistema de potncia utiliza drivers, e o controlo de

    velocidade dos motores CC ser efetuado por PWM.

    O sistema de controlo foi implementado de uma forma modular e parametrizada

    para que numa prxima fase se possa afinar os parmetros de controlo do movimento

    adequando o veculo para diferentes condies de operao.

    Numa perspetiva futura, pretende-se que este veculo unipessoal de mobilidade

    urbana seja comercializado de forma econmica e possibilite a mobilidade total em

    meio urbano a pessoas com limitaes de ordem motora.

    Palavras-chave: Acionamento eletrnico, Veculo unipessoal de mobilidade

    urbana, Arduino, Controlo por PWM, Motores CC.

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    Abstract

    The electronic motor drive has an increasingly important role in transport and

    mobility, due to its the several applications, among which the speed and direction

    control of the electric wheelchair motors. However, the solutions available on the

    market have a high cost and, therefore, are unavailable for many people.

    The main goal of this dissertation is to design the electronic drive system for a

    one-person vehicle for urban mobility in accordance with the established requirements,

    and build a functional prototype with the lowest possible cost. The system is subdivided

    into four modules: a user interface, a central controller, a power system and actuators.

    Its implementation will be performed by programming an Arduino, the power system

    uses drivers, and the speed control of the motor will be conceived through PWM.

    The control system was implemented in a modular and parameterized way, so

    that on a next phase one could tune the control parameters of the vehicle movement,

    adjusting it to different operating conditions.

    In a future perspective, it is intended to commercialize this one-person vehicle in

    a more economical form, and to enable the possibility for total mobility in an urban

    environment for people with reduced mobility capabilities.

    Keywords: Electronic Drive, One-person Vehicle for urban mobility, Arduino,

    PWM control, DC motors.

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    ndice de matrias

    Captulo 1. Introduo ..................................................................................... 1

    1.1 Contexto e Motivao .................................................................................... 1

    1.2 Objetivos ........................................................................................................ 3

    1.3 Contribuies ................................................................................................. 3

    1.4 Estrutura do documento ................................................................................. 4

    Captulo 2. Reviso Bibliogrfica .................................................................... 5

    2.1 Tecnologias utilizadas em trao eltrica ....................................................... 5

    2.2 Viso geral da aplicabilidade dos motores CC ............................................... 6

    2.2.1 Motores de magnetos permanentes com escovas .................................. 7

    2.3 Controlo de Direo do motor CC de magnetos permanentes com escovas.. 9

    2.4 Mtodo de controlo de velocidade por PWM (Pulse Width Modulation) ....... 10

    2.4.1 Ponte H ............................................................................................. 12

    2.5 Sistemas de direo .................................................................................... 13

    2.5.1 Descrio dos diferentes tipos de direo ............................................ 14

    Captulo 3. Apresentao do prottipo do sistema e tecnologias utilizadas . 21

    3.1 Caractersticas Fsicas e Dinmicas do VUMU ............................................ 22

    3.2 Simulao da direo de skid steering ......................................................... 23

    3.2.1 Princpios do skid steering .................................................................... 23

    3.2.2 Simulao das equaes de cinemtica (sem joystick) ........................ 24

    3.3 Clculo para determinar as caractersticas do motor ................................... 29

    3.4 Componentes utilizados ............................................................................... 33

    3.4.1 Interface ............................................................................................... 33

    3.4.2 Mdulo de Controlo .............................................................................. 36

    3.4.3 Mdulo de potncia .............................................................................. 43

    3.4.4 Mdulo Atuadores ................................................................................ 44

    3.4.5 Alimentao do Sistema de Acionamento Eletrnico ............................ 47

    Captulo 4. Implementao do sistema ........................................................ 49

    4.1 Prottipo do sistema .................................................................................... 50

    4.2 Testes ao conjunto interface e mdulo de controlo ...................................... 51

    4.3 Rels, Transstor, Dodo e mdulo de potncia ........................................... 57

    4.4 Algoritmo de Controlo dos motores .............................................................. 58

    4.5 Modelo da trajetria para sistemas que usam skid steering ......................... 62

    4.5.1 Ensaio com joystick e com variao brusca de velocidade (2) ............ 62

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    4.6 Ensaios experimentais .................